DE102021214717A1

DE102021214717A1 - Zündvorrichtung und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102021214717A1
Application number: DE102021214717.8A
Authority: DE
Inventors: Stanislaw Cichon; Leo Kiessling; Denis Lenz; Bahattin Öztürk
Original assignee: Pruefrex Engineering e Motion GmbH and Co KG
Current assignee: Pruefrex Engineering e Motion GmbH and Co KG
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-06-23

Abstract

Um bei hohen Drehzahlen, z. B. zwischen 3000 rpm oder 6000 rpm und 20000 rpm, eine zusätzliche Last, z. B. einen elektromagnetischen Aktor, beispielsweise ein Ventil eines elektrischen Vergasers, energetisch, insbesondere mit elektrischem Strom und/oder mit elektrischer Spannung, beispielsweise mit einer kleinen Spannung von 5V oder 12V, mit oder aus einer Zündvorrichtung zu versorgen, ist der Zündvorrichtung (1) ein Strompfad (13) mit angeschlossener oder anschließbarer Last (R_L), insbesondere einem Aktor, zugeordnet, um diese bzw. diesen aus zumindest einer der Spulenanordnungen (5, 6, 7) der Zündvorrichtung (1) energetisch bzw. strom- und/oder spannungstechnisch zu versorgen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Zündvorrichtung, insbesondere einer Magnetzündanlage oder eines Zündmoduls (CDI, capacity discharger ignition) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines handgeführten Arbeitsgerätes. Sie betrifft weiter eine solche Zündvorrichtung.
Eine derartige Zündvorrichtung wird typischerweise in einem handgeführten Arbeitsgerät mit einem Verbrennungsmotor als Brennkraftmaschine eingesetzt. Um sicherzustellen, dass bei einem Rückwärtslauf des Verbrennungsmotors kein Zündfunke entsteht und somit zur Absicherung der mit einer solchen Zündvorrichtung betriebenen Brennkraftmaschine gegen Rückwärtslauf ist es beispielsweise aus der DE 36 08 740 A1 bekannt, einen Drehrichtungsdetektor zur Drehrichtungserkennung vorzusehen, der bei falscher Drehrichtung des Motors die Abgabe von Zündimpulsen verhindern soll. Zur Realisierung wird eine Elektronik zur Feststellung der Anzahl der in einem generatorischen Elektromagnet (Magnetgenerator) induzierten positiven und negativen Halbwellen vorgeschlagen.
Beim üblichen Aufbau einer solchen Zündvorrichtung mit einem mit dem Verbrennungsmotor, beispielsweise mit dessen Kurbelwelle, gekoppelten Magnetpolrad und mit einem üblicherweise U-förmigen Eisenkern mit auf zumindest einem dessen Kernschenkeln angeordneter Spule (Lade- und oder Zündspule) resultiert je nach Drehrichtung des mit Permanentmagneten versehenen Magnetpolrades eine induzierte Spannung in der Spule, wobei die Spulenspannung negative und positive Halbwellen aufweist.
Bei einer auch aus der DE 10 2013 017 008 B4 bekannten Zündvorrichtung schließt die Elektronik bzw. ein Mikrocontroller (Mikroprozessor) aus der Anzahl der positiven und/oder negativen Halbwellen auf die Drehrichtung des Magnetpolrades. Wie bei bisherigen Konzepten der Drehrichtungserkennung oder zu anderen Zwecken, beispielsweise zur Bestimmung von Winkelpositionen sowie zur eventuellen Signalaufbereitung, werden auch bei der bekannten Vorrichtung aktive Bauelemente, insbesondere Transistoren, eingesetzt. Geeigneter Weise wird aus einem Zeit- oder Winkelversatz zumindest einer Halbwelle eines ersten Spannungssignals gegenüber einer Halbwelle eines zweiten Spannungssignals die Drehrichtung des Magnetpolrades ermittelt.
Es ist wünschenswert, dass eine solche Zündvorrichtung (ein solches Zündmodul, CDI) mit deren Energieversorgung aus dem rotierenden Polrad (Magnetpolrad) nicht nur sich selbst, insbesondere mit der notwendigen Versorgungsspannung bzw. mit dem notwendigen Versorgungsstrom und/oder zum Laden eines Zündkondensators für die Funkenausgabe, sondern beispielsweise auch einen zusätzlichen, insbesondere elektromagnetischen, Aktor, vorzugsweise bei hohen Drehzahlen der Maschine, energetisch versorgen kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Verfahren zum Betrieb einer solchen Zündvorrichtung und/oder eine derartige Zündvorrichtung bzw. ein derartiges Zündmodul anzugeben, um, insbesondere bei möglichst geringer Veränderung der (CDI-)Schaltungsauslegung mehr bzw. zusätzliche Energie für einen zusätzlichen Verbraucher (insbesondere eine induktive Last, Aktor) zur Verfügung zu stellen. Insbesondere sollen zudem zur Energieabführung lediglich bereits vorhandene Signale herangezogen werden.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich der Zündvorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 4 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der hierauf jeweils rückbezogenen Unteransprüche.
Hinsichtlich des Verfahrens zum Betrieb einer Zündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines handgeführten Arbeitsgeräts, welche Zündvorrichtung eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung, insbesondere einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor, aufweist, ist vorgesehen, dass mittels eines rotierenden Magnetpolrades in mindestens zwei Spulenanordnungen, die auf benachbarten Kernschenkeln eines Eisenkerns angeordnet sind, ein erstes Spannungssignal und/oder ein zweites Spannungssignal mit jeweils positiven und negativen Halbwellen erzeugt werden, und dass ein der Zündvorrichtung zugeordneter, insbesondere an diese angeschlossen, Strompfad mit einer angeschlossenen oder anschließbaren Last, insbesondere einem Aktor, aus zumindest einer der Spulenanordnungen, vorzugsweise energetisch und/oder strom- bzw. spannungstechnisch, versorgt wird.
Der Eisenkern kann zwei- oder dreischenklig sein, wobei beim zweischenkligen Eisenkern die Spulen oder Spulenanordnungen dann auf direkt oder unmittelbar benachbarten Kernschenkeln und beim dreischenkligen Eisenkern die Spulenanordnungen oder Spulen auf zwei oder allen Kernschenkeln angeordnet sein können. Der Passus „benachbarte Kernschenkel“ umfasst hier somit nicht nur unmittelbar benachbarte Kernschenkel, sondern auch mittelbar, beispielsweise über einen mittleren Kernschenkel benachbarte Kernschenkel.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bekannte Zündvorrichtungen nicht dafür ausgelegt sind, insbesondere im hohen Drehzahlbereich, einen zusätzlichen Verbraucher, insbesondere eine zusätzliche Last oder einen Aktor oder einen Aktuator, zu betreiben bzw. energetisch zu versorgen. Insbesondere wären hierfür erkanntermaßen Schaltungsänderungen oder -optimierungen und/oder Ergänzungen notwendig, um Energie aus dem System der Zündvorrichtung zu gewinnen (zu ziehen oder herauszunehmen), ohne die eigentliche Funktion des Zündmoduls (der Zündvorrichtung) relevant zu beeinträchtigen. Der genannte hohe Drehzahlbereich liegt beispielsweise zwischen 3000 U/min (rpm) oder 6000 U/min (rpm) und 20000 U/min (rpm), vorzugsweise bei Erreichen der oder einer Abregeldrehzahl der Maschine.
In vorteilhafter Weiterbildung ist im Strompfad zumindest ein Schalter, insbesondere ein Halbleiterschalter, beispielsweise ein Transistor, ein MOSFET, ein IGBT oder ein Thyristor, angeordnet. Geeigneter Weise wird dieser Schalter und/oder ein weiterer, insbesondere ebenfalls im Strompfad angeordneter, Schalter von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung anhand des ersten Spannungssignals und/oder des zweiten Spannungssignals angesteuert.
In weiterer zweckmäßiger Weiterbildung wird ein an den Strompfad angeschlossener Energiespeicher, insbesondere über einen in den Strompfad geschalteten Gleichrichter und/oder einen, vorzugsweise von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung angesteuerten oder ansteuerbaren, Schalter, insbesondere einen Halbleiterschalter, mittels des ersten Spannungssignals und/oder des zweiten Spannungssignals, insbesondere mittels dessen positiver und/oder negativer Halbwellen, geladen.
Geeigneter Weise wird hierbei über den angesteuerten Schalter die positive oder die negative Halbwelle ausgewählt. Beispielsweise wird hierfür eine negative Halbwelle des Spannungssignals einer Ladespule verwendet. Auch kann eine positive Halbwelle des Spannungssignals einer Primärspule oder einer Sekundärspule eines Zündtransformators oder auch eine Triggerspule der Zündvorrichtung verwendet werden.
Besonders bevorzugt wird die Halbwelle des jeweiligen Spannungssignals zum Laden eines an oder in den Strompfad angeschlossenen bzw. geschalteten Energiespeichers, beispielsweise eines Kondensators, für die externe Last (Aktor) über den angesteuerten oder ansteuerbaren Schalter und den Gleichrichter ausgewählt. Der Schalter bestimmt hierbei vorzugsweise den Winkelbereich (Ladeslot), während mittels des Gleichrichters bestimmt wird, ob positive und/oder negative Spannungsbestandteile (Halbwellen) des jeweiligen Spannungssignals für die Energieversorgung der Last verwendet werden.
Da die Spulen- bzw. Spannungssignale (Halbwellen) vorteilhafterweise auch zur Positionsbestimmung im Winkelkreis (des Polrades) verwendet werden, und sprunghafte oder plötzliche Schaltvorgänge auch Auswirkungen auf die Spulen-/Spannungssignale haben können, wird bei der Auswahl des Ladeslots berücksichtigt bzw. sichergestellt, dass durch das Schalten im Strompfad keine funkenrelevanten Signale verfälscht werden.
Die Zündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, weist ein Magnetpolrad und mindestens zwei Spulenanordnungen auf, die auf benachbarten Kernschenkeln eines Eisenkerns angeordnet sind und in Folge einer Rotation des Magnetpolrades zumindest ein erstes Spannungssignal, vorzugsweise auch ein zweites Spannungssignal, mit jeweils positiven und negativen Halbwellen erzeugen.
Die Zündvorrichtung (Zündmodul) weist zudem eine Steuer- oder Regeleinrichtung auf. Die Zündvorrichtung (Zündmodul) weist des Weiteren einen Strompfad auf, an den eine Last, insbesondere ein Aktor, angeschlossen oder anschließbar ist. Die Steuer- oder Regeleinrichtung dient zur (An-)Steuerung, d. h. zum Öffnen und/- oder Schließen strompfadseitiger Schalter, insbesondere jedoch auch zur Drehrichtungserkennung des Magnetpolrades durch Auswertung des Zeit- und/oder Winkelversatzes charakteristischer Signalbestandteile der Spannungssignale. Geeigneter Weise kann zur Energieerhöhung das Polrad (Magnetpolrad) mit einem weiteren Polschuh bzw. mit weiteren Magneten versehen bzw. bestückt sein.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist der Strompfad mit einer der Spulenanordnungen verbunden. Die Last bzw. der Aktor ist auch mit Masse oder mit einem Masseanschluss verbunden, wobei die Masse gleich der Maschinenmasse sein kann, beispielsweise als Eindrahtverbindung mit der Zündvorrichtung bzw. mit dem Zündmodul. Auch kann eine Zweidrahtverbindung ohne Massepotential realisiert sein. Der Strompfad weist zweckmäßigerweise Anschlussstellen oder -kontakte zum Anschließen der (externen) Last bzw. des Aktors auf.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Zündvorrichtung ist im Strompfad mindestens ein von der Steuer- oder Regeleinrichtung angesteuerter oder ansteuerbarer Schalter, vorzugsweise ein erster Schalter und ein zweiter Schalter, angeordnet. Geeigneter Weise ist im Strompfad, insbesondere zwischen dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter, ein Gleichrichter angeordnet. Zweckmäßigerweise ist an den Strompfad ein Energiespeicher, insbesondere ein (elektrischer) Kondensator, angeschlossen.
Vorzugsweise ist der Strompfad mit einer Zündspule oder mit einer Triggerspule oder mit der Primär- oder Sekundärwicklung eines Zündtransformators der Zündvorrichtung (CDI) verbunden.
Die Ladespule der Zündvorrichtung weist typischerweise 2000 bis 4000 Windungen auf und erzeugt eine Spannung von bis zu 500V. Diese Spannung wäre für einen (externen) Aktor (Last) zu hoch. Vorteilhafterweise wird daher auf den Wickelkörper der Ladespule, insbesondere mit dünnem (Spulen-)Draht, geeigneter Weise mit ca. 0,2 mm Drahtdurchmesser, eine separate oder zusätzliche Spule gewickelt. Geeigneter Weise werden zwei bis fünf Drähte parallelgeschaltet,, um den Innenwiderstand der Spule zu verringern.
Die zusätzliche Spule benötigt nur 50 bis 100 Windungen (mit verringertem Widerstand), um die Energie für den Aktor bereitzustellen. Die separate Spule wird zweckmäßigerweise zuerst - also bezogen auf die Spulenachse radial innenliegend - auf den Wickelkörper der Ladespule gewickelt. Dadurch wird der Wickeldurchmesser und insbesondere die Drahtlänge pro Windung klein (gering) gehalten. Dies führt vorteilhafterweise zu einem vergleichsweise geringen Innenwiderstand (Impedanz) der Spule.
Die eigentliche Ladespule wird auf dem gleichen Wickelkörper mit gleichem (identischem) Draht, vorzugsweise über (auf) die separate Spule gewickelt. Es ist jedoch als Alternative denkbar bzw. vorgesehen, die separate Spule über einen (Zwischen-)Abgriff der Ladespule zu realisieren.
Um den Energiespeicher des Strompfades für die Last (den Aktor) gezielt zu laden, ist geeigneter Weise zwischen die Spule und die Schaltung der Zündvorrichtung zur Gleichrichtung des Spannungssignals, insbesondere mittels eines Einweggleichrichters mit einer Diode oder einer Gleichrichterschaltung, der mindestens eine (steuerbare) Schalter in oder an den Strompfad geschaltet. Dieser aktiviert mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (Mikrocontroller) gezielt bestimmte Signalbereiche der Spannungssignale zum Laden des Energiespeichers.
Der Aktor kann über einen weiteren (steuerbaren) Schalter vom Mikrocontroller aktiviert werden, wenn der höhere Drehzahlbereich, z. B. nahe der Abregel-Drehzahl der Maschine (des Verbrennungsmotors), beispielsweise mit 6000 bis 20000 rpm, erreicht wird oder erreicht ist.
Zwar wird vorzugsweise eine Messung der Spannung des oder auf dem Energiespeicher nicht unbedingt benötigt, da das Ladeverhalten über eine Look-up-Tabelle umgesetzt werden kann. Allerdings kann gemäß einer erweiterten Schaltungsvariante der Zündvorrichtung eine solche Spannungsmessung des Energiespeichers, z. B. über einen ADC-Anschluss vom Mikrocontroller, vorgesehen sein. Eine solche Spannungsmessung ist vorteilhaft, um bei einem (drohenden) Energiemangel den Aktor vorzeitig zu aktivieren, insbesondere bereits bei vergleichsweise geringer (Maschinen-)Drehzahl und/oder bei höherer bzw. unerwünscht großer Spannung.
Die üblicherweise vorhandene Triggerspule der Zündvorrichtung weist typischerweise 50 bis 500 Windungen auf, und erzeugt eine Spannung von bis zu 100V, was für einen elektromagnetischen Aktor eine wiederum zu hohe Spannung bedeutet oder bedeuten kann. Die Triggerspule wird typischerweise mit dünnem (Spulen-)Draht, geeigneter Weise mit ca. 0,2 mm Drahtdurchmesser, gewickelt.
Bei Verwendung der Triggerspule für die Energieversorgung des Aktors wird diese vorzugsweise ebenfalls zwei- bis zehnmal parallel bewickelt, oder die Triggerspule wird mit einem vergleichsweise dicken Spulen-Draht, insbesondere mit einem Drahtdurchmesser von größer oder gleich 0,4 mm, gewickelt. Diese Variante wird vorzugsweise ebenfalls mit zwei Schaltern ausgeführt, wobei wiederum ein Schalter zur (selektiven) Auswahl des Winkelbereichs zum Laden des Energiespeichers für den Aktor und der zweite Schalter zum Aktivieren des Aktors bei der hohen Drehzahl dient. Auch bei dieser Variante kann der vorzugsweise vorgesehene Gleichrichter als Einweggleichrichter oder als andere Gleichrichterschaltung ausgeführt sein.
Die Primärspule des üblicherweise vorhandenen Zündtransformators der Zündvorrichtung weist typischerweise 50 bis 200 Windungen auf, und ist hinsichtlich deren typischer Auslegung bereits zur Energieversorgung des elektromagnetischen Aktors geeignet. Es ist jedoch zu beachten, dass die Funkenenergie nicht beeinflusst wird. Die Energie auf dem oder einem Zündkondensator der Zündvorrichtung soll nicht zum Laden des Energiespeichers für den Aktor verwendet werden. Vielmehr sollte der Aktor (die Last) nur aus der induzierten Spannung des Magnetkreises der Primärspule gespeist werden.
Bei Verwendung der Primärspule für die Energieversorgung des Aktors wird vorteilhafterweise die (aus-)gewählte Halbwelle zum Laden des Energiespeichers für den Aktor über einen Schalter in Abhängigkeit der Winkelposition (des Polrades bzw. der Maschine) ausgewählt, wobei dieser Winkelbereich von demjenigen der Funkenaktivierung verschieden ist, um dem Funken keine Energie zu entnehmen.
Bei Verwendung der typischerweise 2000 bis 8000 Windungen aufweisenden und eine Spannung von bis 30kV erzeugenden Sekundärspule des Zündtransformators der Zündvorrichtung ist ebenfalls eine separate Spule mit mehrfach parallel gewickeltem Draht vorgesehen. Wegen der Spannungsdifferenz ist eine zusätzliche Beschränkung der Wickelkammern vorteilhaft. Zudem wird vorteilhafterweise die gewählte Halbwelle zum Laden des Energiespeichers für den Aktor ebenfalls über einen Schalter in Abhängigkeit der Winkelposition (des Polrades bzw. der Maschine) ausgewählt, um dem Funken keine Energie zu entnehmen.
Um bei hohen Drehzahlen, z. B. zwischen 3000 rpm und 20000 rpm, eine zusätzliche Last, z. B. einen elektromagnetischen Aktor, beispielsweise ein Ventil eines elektrischen Vergasers, energetisch, insbesondere mit elektrischem Strom und/- oder mit einer elektrischen Spannung, beispielsweise mit einer kleiner Spannung von 5V oder 12V, mit oder aus einer Zündvorrichtung zu versorgen, ist geeigneter Weise schaltungstechnisch eine Signaltaktung zur Spannungserhöhung eines oder an einem (nachgelagerten) Energiespeicher(s), insbesondere bei der Energieübertragung, vorgesehen. Dabei erfolgt geeigneter Weise eine Gleichrichtung einzelner Halbwellen von Spannungssignalen mindestens einer Spule oder Spulenanordnung der Zündvorrichtung, beispielsweise über einen Brückengleichrichter, um gezielt Energie (Strom und/oder Spannung) an den Aktor zu leiten.
Auch kann ein DC-DC-Wandler, insbesondere mit variablem Arbeitspunkt, vorgesehen sein, um die Energieversorgung (Strom- bzw. Spannungsversorgung) möglichst optimal an den jeweiligen Aktor anzupassen, beispielsweise in Kombination mit vorheriger Gleichrichtung einzelner Halbwellen des Spannungssignals oder der Spannungssignale. Auch kann ein Trenntransformator zur Spannungserhöhung und/oder zur Signaltrennung von der eigentlichen Zündschaltung vorgesehen sein. Zudem kann eine Schalterfunktionalität integriert oder vorgesehen sein, um z. B. nur bestimmte Halbwellen zu verwenden, um z. B. die Funkenausgabe nicht zu beeinflussen und/oder um den Aktor vor direkten Störungen durch den Funken zu schützen. Des Weiteren kann ein variabler Widerstand vorgesehen sein. Ferner kann die jeweils verwendete Spule für ein verbessertes Laden des dem Aktor zugeordneten Energiespeichers, insbesondere mit dem oder gesteuert vom Mikrocontroller, getaktet werden, um eine höhere Spannung in den Energiespeicher zu pumpen bzw. dort mehr Energie zu speichern.
Um den Innenwiderstand der für die Aktorversorgung verwendeten Spule zu senken, kann schaltungstechnisch ein vergleichsweise dicker Spulendraht verwendet werden. Alternativ kann die Spule, insbesondere die Ladespule, mit vergleichsweise dünnem Draht, vorzugsweise mehrfach gewickelt werden. Geeigneter Weise können auch parallel liegende Wicklungen, z. B. durch mehrfaches Wickeln, zugeschaltet werden, um im Hochdrehzahlbereich eine Reduzierung des Wicklungswiderstandes zu erreichen. Auch können die Wicklungen parallelgeschaltet werden, um insgesamt eine niederohmige Spulenwicklung zu erhalten. Auch können Teile der Spulenwindungen, insbesondere der Ladespulenwindungen, umschaltbar ausgeführt werden, so dass, insbesondere im Startbereich der Maschine bei niedrigen Drehzahlen, die Windungen seriell und im Hochdrehzahlbereich parallelgeschaltet sind.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Drehrichtung der Maschine aus einem zeitlichen oder winkelmäßigen Versatz bzw. einer entsprechenden Verschiebung zumindest einer Halbwelle eines ersten Spannungssignals gegenüber einer Halbwelle eines zweiten Spannungssignals ermittelt wird, wobei die Spannungssignale von Spulen oder Spulenanordnungen erzeugt bzw. entnommen werden, die vorzugsweise auf benachbarten Schenkeln eines geeigneter Weise U-förmigen Eisenkerns angeordnet sind.
Konkret wird zur Erkennung der Drehrichtung während des Betriebs der Zündvorrichtung mittels eines rotierenden Magnetpolrades in mindestens zwei Spulenanordnungen, die auf benachbarten Kernschenkeln eines Eisenkerns angeordnet sind, ein erstes Spannungssignal und ein zweites Spannungssignal mit jeweils positiven und negativen Halbwellen erzeugt. Aus einem Zeit- oder Winkelversatz bzw. aus einer Zeit- oder Winkelverschiebung zumindest einer Halbwellen des ersten Spannungssignals gegenüber einer Halbwelle des zweiten Spannungssignals kann die Drehrichtung des Magnetpolrades ermittelt werden.
Die Spannungshalbwellen dieser Signalspannungen weisen je nach Drehrichtung des Magnetpolrades entgegengesetzte Polaritäten auf. Da die Spulen zueinander räumlich beabstandet angeordnet sind, treten die Spannungssignale und somit deren einzelnen Halbwellen zeitversetzt bzw. aufgrund der geometrischen Anordnung winkelversetzt auf. Der Zeitversatz (Zeitverschiebung) bzw. Winkelversatz (Winkelverschiebung) ist repräsentativ für die Drehrichtung des Magnetpolrades. Anhand der Verschiebungen bzw. des Versatzes in den Spannungssignalen der kernpositionsabhängig angeordneten Spulen kann daher die Lauf- oder Drehrichtung des Magnetpolrades bestimmt werden. Diese Verschiebungen bzw. ein charakteristischer Versatz an exponierten Stellen der Signale bzw. deren Halbwellen können an verschiedenen Winkelpositionen und über zeitliche Komponenten oder über Unterschiede in Spannungspegeln ermittelt werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 schematisch ausschnittsweise eine Zündvorrichtung mit einem U-förmigen Eisenkern mit darauf angeordneten Spulen sowie mit einem Magnetpolrad,
2 den zeitlichen Verlauf von Spannungssignalen der auf unterschiedlichen Kernschenkeln des Eisenkerns angeordneten Spulen,
3 in einem Blockschaltbild eine erste Variante der Zündvorrichtung mit einem mit einer Ladespule verbundenen Strompfad für einen Aktor, insbesondere zu dessen Energieversorgung aus der Zündvorrichtung,
4 in einem Blockschaltbild gemäß 3 eine zweite Variante der Zündvorrichtung mit einem mit einer Triggerspule verbundenen Strompfad für den Aktor, und
5 in einem Blockschaltbild gemäß 3 oder 4 eine dritte Variante der Zündvorrichtung mit einem mit einer Primärspule eines Zündtransformators verbundenen Strompfad für den Aktor.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch eine Zündvorrichtung 1 mit einem vorzugsweise lediglich einen (Permanten-)Magnet 2 mit Nord- und Südpol (N, S) aufweisenden Polrad (Magnetpolrad) 3, das synchron mit einem nicht näher dargestellten Verbrennungsmotor (Brennkraftmaschine) rotiert. Der Permanentmagnet 2 ist in einem Kreissektor bzw. in einem Kreissegment des kreisförmigen Magnetpolrades 3 angeordnet. Die Zündvorrichtung 1 weist zudem einen ortsfesten, im Ausführungsbeispiel U-förmigen Eisenkern 4 mit einem ersten Kernschenkel 4a und mit einem zweiten Kernschenkel 4b auf. Die beiden zueinander beabstandet angeordneten Kernschenkel 4a, 4b sind über ein Mittelteil 4c miteinander verbunden.
Zwischen den Freienden der Kernschenkel 4a, 4b und dem Magnetpolrad 3 ist ein Luftspalt LS gebildet. Der Abstand bzw. die Anordnung der Kernschenkel 4a, 4b ist an die Abmessungen bzw. an die Anordnung des Magneten 2 angepasst. Dabei wird in der dargestellten Drehstellung des Magnetpolrades 3 der in Form zweier Pfeile eingezeichnete Magnetfluss Ba, Bb über den Eisenkern 4 geschlossen.
Auf dem Kernschenkel 4a ist eine Ladespule 5a angeordnet, in deren Spulenwicklung infolge des Magnetflusses Ba ein Strom induziert wird, wobei an der Spulenwicklung bzw. deren Wicklungs- oder Windungsenden eine entsprechende Spannung als erstes Spannungssignal U1 abgreifbar ist (2 bis 5). Die Ladespule 5a weist in diesem Ausführungsbeispiel zur Realisierung der Energieversorgung eines Aktors gemäß der Variante nach 3 auf einem Wicklungskörper 5 eine radial innere Spulenwicklung und die eigentliche Ladespule 5a auf, die auf die innere, zusätzliche Spule bzw. radial innere Spulenwicklung 5b, vorzugsweise im gleichen Prozessschritt, gewickelt ist.
Die zusätzliche Spule 5b benötigt nur 50 bis 100 Windungen (mit verringertem Widerstand), um Energie für einen (externen) Aktor (3) bereitzustellen. Da die separate Spule 5b - bezogen auf die Spulenachse - radial innenliegend auf den Wickelkörper 5 gewickelt ist, ist der Wickeldurchmesser und insbesondere die Drahtlänge pro Windung klein bzw. gering. Die zusätzliche Spule 5b weist daher einen kleinen (geringen) Spulen- oder Wicklungswiderstand auf, ist also niederohmig. Hierzu ist die zusätzliche Spule 5b geeigneter Weise mehrfach gewickelt. Insbesondere sind die mehrfachen Wicklungen parallelgeschaltet.
Auf dem benachbarten Kernschenkel 4b ist ein häufig auch als Zündspule bezeichneter Zündtransformator 6 angeordnet, in dessen Primärwicklung 6a (3 bis 5) ebenfalls ein Strom induziert wird, und entsprechend eine Spannung U5 abgreifbar ist (2 bis 5). Zusätzlich ist auf diesem zweiten Kernschenkel 4b eine Triggerspule 7 angeordnet, die eine Spannung als zweites Spannungssignal U2 liefert (3 bis 5). Ist eine solche Triggerspule 7 nicht vorgesehen, so wird das zweite Spannungssignal U2 von der Primärwicklung 6a des Zündtransformators 6 geliefert. Der Eisenkern 4 kann auch dreischenklig ausgeführt sein, wobei der dritte Kernschenkel beispielsweise keine Spule trägt, oder auf diesem beispielsweise die Triggerspule 7 angeordnet ist.
2 zeigt in den vier Diagrammen zeitliche Spannungsverläufe und Feldverläufe infolge des Magnetflusses Ba, Bb in den Kernschenkeln 4a, 4b des Eisenkerns 4 während das Polrad 3 synchron mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors bzw. der Brennkraftmaschine rotiert, beispielsweise in eine Drehrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn (Vorwärtsrichtung). Mit jeder Umdrehung des Polrades 3 wird der Eisenkern 4 bzw. werden dessen Kernschenkel 4a, 4b periodisch über den Luftspalt LS vom jeweiligen Magnetfluss Ba bzw. Bb durchflutet. Infolgedessen wird in der Ladespule 4 die als erstes Spannungssignal U1 abgreifbare Ladespannung induziert, deren zeitlicher Verlauf im dritten Diagramm (von oben) der 2 dargestellt ist.
Das obere Diagramm der 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des zweiten Spannungssignals U2, U5. Die Feldverläufe in den Kernschenkeln 4a und 4b sind im vierten Diagramm (von oben) bzw. im zweiten Diagramm (von oben) der 2 gezeigt. Erkennbar weisen beide Signale U1 und U2, U5 eine Abfolge von negativen und positiven Halbwellen auf. Die Maxima bzw. Minima dieser beiden Spannungssignale U1 und U2, U5 korrelieren mit Winkelpositionen des Polrades 3. Dabei korreliert der in 2 mit der gestrichelten Linie P markierte Nulldurchgang zwischen den beiden mittleren, ausgeprägten positiven und negativen Halbwellen mit einer Winkelposition, in welcher die Magnetpole N, S des Magneten 2 den Kernschenkeln 4a und 4b des Eisenkerns 4 quasi direkt gegenüberliegen (im Ausführungsbeispiel der Pol N dem Kernschenkel 4b und der Pol S dem Kernschenkel 4a).
3 zeigt ebenso wie die 4 und 5 die Zündvorrichtung 1 bzw. deren schaltungstechnischen Bestandteil in einem Blockschaltbild. Die Zündvorrichtung 1 umfasst eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 8, insbesondere in Form eines Mikrocontrollers oder Mikroprozessors, die bzw. der ausgangsseitig mit einem Zündschalter 9 in Form eines Halbleiterschalters, beispielsweise eines TRIAC's, ansteuerseitig verbunden ist, der seinerseits gegen Masse geschaltet ist.
Die Ladespule 5 ist über einen Gleichrichter 10 in Form beispielsweise einer Diode oder eines Halb- oder Vollbrückengleichrichters mit einem Zündkondensator 11 verbunden, der seinerseits mit der Primärwicklung 6a des Zündtransformators 6 verbunden ist. Sekundärseitig ist der Zündtransformator 6 mit dessen Sekundärwicklung 6b an einen nicht näher bezeichneten Anschluss der Zündvorrichtung 1 geführt, an den beispielsweise die Zündkerze zur Erzeugung eines Zündfunkens F für den Verbrennungsmotor (Brennkraftmaschine) anschließbar oder angeschlossen ist.
In Folge eines zu einem bestimmten, einstellbaren Zündzeitpunkt von der Steuer- oder Regeleinrichtung bzw. vom Mikrocontroller 8 erzeugten (generierten) Zünd- oder (An-)Steuersignals S_g wird der Zündschalter 9 geschlossen. In Folge dessen wird der Zündkondensator 11 über die Primärspule 6a des Zündtransformators 6 entladen, was aufgrund des Windungsverhältnisses der Primärspule 6a zur Sekundärspule 6b sekundärseitig zu einer entsprechenden, ausreichenden Hochspannung für die Auslösung des Zündfunkens F führt.
Zur Energieversorgung und Bereitstellung der Versorgungsspannung V_DD für den Mikroprozessor 8 als Steuer- oder Regeleinrichtung wird eine Strom- bzw. Spannungsquelle 12 von der Ladespule 5 und/oder von der Triggerspule 7 energetisch gespeist. Dem Mikroprozessor 8 als Steuer- oder Regeleinrichtung werden eingangsseitig das Spannungssignal U1 der Ladespule 5 und das Spannungssignal U2, U5 der Triggerspule 7 bzw. des Zündtransformators 6 zugeführt.
Die Drehrichtungserkennung erfolgt anhand einer Analyse der beiden Spannungssignale U1, U2 (U5) hinsichtlich deren drehrichtungsabhängigem Zeitverlauf. Insbesondere wird das zeitliche Auftreten eines charakteristischen Merkmals eines der Spannungssignale U1, U2 (U5) mit einem zeitlichen Auftreten eines charakteristischen Merkmals des anderen Spannungssignals U1, U2 (U5) verglichen bzw. in Relation oder ins Verhältnis gesetzt.
Auch können mittels des Mikroprozessors 8 als Steuer- oder Regeleinrichtung oder einer zusätzlichen Schaltung die Amplituden der Spannungssignale mittels Spannungsteiler, beispielswiese einer Reihenschaltung ohmscher Widerstände, angepasst werden, so dass die relevanten Signalpegel der Spannungssignale U1, U2 (U5) im Messbereich des Mikroprozessors U8 als Steuer- oder Regeleinrichtung und die maximalen Amplituden in ähnlichen Pegeln liegen. Dadurch kann berücksichtigt werden, dass die verschiedenen Spulen 5, 6, 7 unterschiedliche Windungs- bzw. Wicklungszahlen aufweisen.
Die Zündvorrichtung 1 weist einen Strompfad 13 auf, der bei der Variante gemäß 3 mit der Ladespule 5a oder vorzugsweise mit der zusätzlichen (separaten) Spule 5b verbunden ist, die auf den Wickelkörper 5 der Ladespule 5a gewickelt ist. Der Strompfad 13 dient zur (energetischen) Versorgung (Strom- und/oder Spannungsversorgung) eines, insbesondere elektromagnetischen, Aktors, der als Last R_L bezeichnet und hier gegen Masse geschaltet ist. Hierzu weist der Strompfad 13 entsprechende Anschlüsse oder Anschlussstellen 14 auf. An diese kann der aus der Zündvorrichtung 1 zu versorgende externe Aktor R_L angeschlossen werden.
An den Strompfad 13 ist ein Energiespeicher 15, insbesondere ein Kondensator (Elektrolytkondensator), angeschlossen. In den Strompfad 13 ist ein Gleichrichter 16 geschaltet. In die Verbindung des Gleichrichters 16 mit der zusätzlichen (Lade-)Spule 5b ist ein erster (steuerbarer) Schalter 17, insbesondere ein Halbleiterschalter, geschaltet. In die Verbindung des Gleichrichters 16 mit der Last (mit dem Aktor) R_L ist ein zweiter (steuerbarer) Schalter 18, insbesondere ein Halbleiterschalter, geschaltet. Die Schalter 17, 18 sind ansteuerseitig mit der Steuer- bzw. Regeleinrichtung (mit dem Mikroprozessor) 8 verbunden.
Über den Schalter 17 kann ausgewählt werden, welche Halbwelle zum Laden des Energiespeichers 15 verwendet werden soll. Die Ein- oder Zuschaltung des Aktors R_L erfolgt mittels des Schalters 18. Bei der Variante gemäß 3 wird zur Versorgung des Aktors R_L vorzugsweise die in 2 mit der Ziffer 19 bezeichnete (negative) Halbwelle der Spannung U1 verwendet.
Bei der Variante gemäß 4 ist der Strompfad 13 für den Aktor R_L mit der Triggerspule 7 der Zündvorrichtung 1 verbunden. Auch bei dieser Variante dient der Strompfad 13 zur (energetischen) Versorgung (Strom- und/oder Spannungsversorgung) des, insbesondere elektromagnetischen, Aktors (Last) R_L. Hierzu kann der Strompfad 13 wiederum die entsprechenden Anschlüsse oder Anschlussstellen 14 aufweisen. An den Strompfad 13 ist wiederum ein Energiespeicher 15, insbesondere ein Kondensator (Elektrolytkondensator), angeschlossen.
In den Strompfad 13 ist auch ein/der Gleichrichter 16 geschaltet. In die Verbindung des Gleichrichters 16 mit der Triggerspule 7 ist der erste, vom Mikroprozessor 8 als Steuer- oder Regeleinrichtung ansteuerbare Schalter 17, insbesondere ein Halbleiterschalter, geschaltet. In die Verbindung des Gleichrichters 16 mit der Last (mit dem Aktor) R_L ist der zweite, vom Mikroprozessor 8 als Steuer- oder Regeleinrichtung ansteuerbare Schalter 18, insbesondere ein Halbleiterschalter, geschaltet.
Über den Schalter 17 kann wiederum ausgewählt werden, welche Halbwelle zum Laden des Energiespeichers 15 verwendet werden soll. Mittels des Schalters 18 wird wiederum der Aktor R_L aktiv geschaltet. Bei der Variante gemäß 4 wird zur Versorgung des Aktors R_L vorzugsweise die in 2 mit der Ziffer 20 bezeichnete (positive) Halbwelle der Spannung U2 verwendet, deren Verlauf für die Triggerspule 7 charakteristisch ist.
Bei der Variante gemäß 5 ist der Strompfad 13 für den Aktor R_L mit dem Zündtransformator 6 der Zündvorrichtung 1 und dabei insbesondere mit dessen Primärspule oder -wicklung 6a verbunden. Auch bei dieser Variante dient der Strompfad 13 zur (energetischen) Versorgung (Strom- und/oder Spannungsversorgung) des, insbesondere elektromagnetischen, Aktors (Last) R_L. Hierzu kann der Strompfad 13 wiederum die entsprechenden Anschlüsse oder Anschlussstellen 14 aufweisen.
An den Strompfad 13 ist wiederum ein Energiespeicher 15, insbesondere ein Kondensator (Elektrolytkondensator), angeschlossen. In den Strompfad 13 ist der Gleichrichter 16 geschaltet. In die Verbindung des Gleichrichters 16 mit der Primärspule oder -wicklung 6a ist der erste, vom Mikroprozessor 8 als Steuer- oder Regeleinrichtung ansteuerbare Schalter 17, insbesondere ein Halbleiterschalter, geschaltet. In die Verbindung des Gleichrichters 16 mit der Last (mit dem Aktor) R_L ist der zweite, vom Mikroprozessor 8 als Steuer- oder Regeleinrichtung ansteuerbare Schalter 18, insbesondere ein Halbleiterschalter, geschaltet.
Über den Schalter 17 kann wiederum ausgewählt werden, welche Halbwelle zum Laden des Energiespeichers 15 verwendet werden soll. Mittels des Schalters 18 wird wiederum der Aktor R_L aktiv geschaltet. Bei der Variante gemäß 5 wird zur Versorgung des Aktors R_L vorzugsweise die in 2 mit der Ziffer 20 bezeichnete (positive) Halbwelle der Spannung U5 verwendet, deren Verlauf für die Primärspule oder -wicklung 6a ebenfalls charakteristisch ist.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Zündvorrichtung 1, um bei hohen Drehzahlen, z. B. zwischen 3000 rpm oder 6000 rpm und 20000 rpm, eine zusätzliche Last R_L, z. B. einen elektromagnetischen Aktor, beispielsweise ein Ventil eines elektrischen Vergasers, energetisch, insbesondere mit elektrischem Strom und/oder mit einer elektrischen Spannung, beispielsweise mit einer Spannung von 5V oder 12V, mit oder aus der Zündvorrichtung 1 zu versorgen. Hierzu kann schaltungstechnisch eine Signaltaktung zur Spannungserhöhung eines oder an einem (nachgelagerten) Energiespeicher 15, insbesondere bei der Energieübertragung, vorgesehen sein. Dabei erfolgt eine Gleichrichtung einzelner, insbesondere positiver und/oder negativer, Halbwellen 19, 20 der Spannungssignale U1, U2 bzw. U5 mindestens einer der Spulen oder Spulenanordnung 5, 6, 7 der Zündvorrichtung 1, beispielsweise über einen Brückengleichrichter 16, um gezielt Energie (elektrischen Strom und/oder elektrische Spannung) an den Aktor R_L zu leiten. Hierzu ist mindestens ein ansteuerbarer Schalter 17, 18 in einem den Aktor versorgenden Strompfad 13 der Zündvorrichtung 1 vorgesehen. Die Schalter 17, 18 dienen insbesondere zur Auswahl der (positiven und/oder negativen) Halbwellen 19, 20 der Spannungssignale U1, U5 bzw. U2 und/oder zum Anschluss des Aktors R_L über den Strompfad 13 an die entsprechende Spule 5, 6, 7 der Zündvorrichtung 1.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
So kann die Energieversorgung des Aktors R_L auch aus der Sekundärspule 6b des Zündtransformators 6 erfolgen. Bei Verwendung der Sekundärspule 6b des Zündtransformators 6 der Zündvorrichtung 1 sollte eine separate Spule mit mehrfach parallel gewickeltem Draht vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: Zündvorrichtung
2: (Permanent-)Magnet
3: Magnet-/Polrad
4: Eisenkern
4a: erster Kernschenkel
4b: zweiter Kernschenkel
4c: Mittelteil
5: Wicklungskörper
5a: Ladespule
5b: zusätzliche Spule/Spulenwicklung
6: Zündtransformator/Zündspule
6a: Primärwicklung
6b: Sekundärwicklung
7: Trägerspule
8: Steuer-/Regeleinrichtung
9: Zündschalter
10: Gleichrichter
11: Zündkondensator
12: Strom-/Spannungsquelle
13: Strompfad
14: Anschluss-/stelle
15: Energiespeicher
16: Gleichrichter
17: erster Schalter
18: zweiter Schalter
19: (negative) Halbwelle von U1
20: (positive) Halbwelle von U5
Ba, Bb: Magnetfluss
F: Zündfunke
LS: Luftspalt
P: gestrichelten Linie/Winkelposition
RL: Aktor/Last
Sg: Zünd-/Steuersignal
U1,2,5: Spannungssignal
VDD: Versorgungsspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3608740 A1 [0002]
DE 102013017008 B4 [0004]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Zündvorrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines handgeführten Arbeitsgeräts, wobei die Zündvorrichtung (1) eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (8), insbesondere einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor, aufweist, - bei dem mittels eines rotierenden Magnetpolrades (3) in mindestens zwei Spulenanordnungen (5, 6, 7), die auf Kernschenkeln (4a, 4b) eines Eisenkerns (4) angeordnet sind, ein erstes Spannungssignal (U1) und/- oder ein zweites Spannungssignal (U2, U5) mit jeweils positiven und negativen Halbwellen erzeugt werden, und - bei dem ein der Zündvorrichtung (1) zugeordneter, insbesondere an diese angeschlossener, Strompfad (13) mit einer angeschlossenen oder anschließbaren Last (R_L), insbesondere einem Aktor, aus zumindest einer der Spulenanordnungen (5, 6, 7) energetisch bzw. mit elektrischem Strom und/oder mit elektrischer Spannung versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zumindest ein im Strompfad (13) angeordneter Schalter (17, 18), insbesondere ein Halbleiterschalter, von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (8) anhand des ersten Spannungssignal (U1) und/oder des zweiten Spannungssignal (U2, U5) angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein an den Strompfad (13) angeschlossener Energiespeicher (15), insbesondere über einen in den Strompfad (13) geschalteten Gleichrichter (16) und/oder einen, vorzugsweise von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (8) angesteuerten oder ansteuerbaren, Schalter (17, 18), insbesondere einen Halbleiterschalte, mittels des ersten Spannungssignal (U1) und/oder des zweiten Spannungssignal (U2, U5), insbesondere mittels der positiven oder negativen Halbwellen, geladen wird.
Zündvorrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweisend - ein Magnetpolrad (3) mit einem Magneten (2), - mindestens zwei Spulenanordnungen (5, 6, 7), die auf Kernschenkeln (4a, 4b) eines Eisenkerns (4) angeordnet sind und in Folge einer Rotation des Magnetpolrades (3) ein erstes Spannungssignal (U1) und ein zweites Spannungssignal (U2, U5) mit jeweils positiven und negativen Halbwellen erzeugen, - eine Steuer- oder Regeleinrichtung (8), insbesondere zur Drehrichtungserkennung des Magnetpolrades (3) durch Auswertung des Zeit- und/oder Winkelversatzes charakteristischer Signalbestandteile oder Halbwellen der Spannungssignale (U1, U2, U5), und - einen Strompfad (13), an den eine Last (R_L), insbesondere ein Aktor, angeschlossen oder anschließbar ist.
Zündvorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei der Strompfad (13) mit einer der Spulenanordnungen (5, 6, 7) verbunden ist.
Zündvorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei im Strompfad (13) mindestens ein von der Steuer- oder Regeleinrichtung (8) angesteuerter oder ansteuerbarer Schalter (17, 18), vorzugsweise ein erster Schalter (17) und ein zweiter Schalter (17), angeordnet ist.
Zündvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei im Strompfad (13), insbesondere zwischen dem ersten Schalter (17) und dem zweiten Schalter (18), ein Gleichrichter (16) angeordnet ist.
Zündvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei an den Strompfad (13) ein Energiespeicher (15), insbesondere ein (elektrischer) Kondensator, angeschlossen ist.
Zündvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei der Strompfad (13) mit einer Zündspule (5a) oder mit einer auf den Wickelkörper (5) der Zündspule (5a) gewickelten Spule (5b) oder mit einer Triggerspule (7) oder mit der Primär- oder Sekundärwicklung (6a, 6b) eines Zündtransformators (6) verbunden ist.
Verwendung einer Zündvorrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine zur Energieversorgung einer Last (R_L), insbesondere eines elektromagnetischen Aktors, - wobei die Zündvorrichtung (1) ein Magnetpolrad (3) und mindestens zwei auf Kernschenkeln (4a, 4b) eines Eisenkerns (4) angeordnete Spulenanordnungen (5, 6, 7) sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (8) zur Ansteuerung eines Zündschalters (11) in Abhängigkeit der von den Spulenanordnungen (5, 6, 7) erzeugten Spannungssignale (U1, U2, U5) aufweist, und - wobei die Last (R_L) mit zumindest einer der Spulenanordnungen (5, 6, 7), insbesondere mit einer Zündspule (5, 5b) oder mit einer Triggerspule (7) oder mit der Primär- oder Sekundärwicklung (6a, 6b) eines Zündtransformators (6), verbunden ist.