DE102022207487A1 - Ignition device for an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung (2) für eine Brennkraftmaschine, aufweisend einen Generator (4), welcher im Generatorbetrieb einen oszillierenden Generatorstrom erzeugt, einen Gleichrichter (G1) zur Wandlung des Generatorstroms in einen gleichgerichteten Ladestrom (I), einen Zündkondensator (U4) zur Energiespeicherung für einen Zünd-funken (20), wobei der Zündkondensator (U4) mittels des Ladestroms (I) aufladbar ist, und einen Zündübertrager (U5) mit einer Primärspule (Lp) und mit einer Sekundärspule (Ls), wobei die Sekundärspule (Ls) an eine den Zündfunken (20) erzeugende Zündkerze (8) angeschlossen ist, wobei der Zündkondensator (U4) parallel zur Primärspule (Lp) verschaltet ist, wobei ein erster Halbleiterschalter (U9) zwischen einem Fußpunkt der Primärspule (Lp) und einem Massepotential (GND) verschaltet ist, und wobei die Zündkerze (U8) den Zündfunken (20) durch eine Kondensatorzündung erzeugt, bei welcher der erste Halbleiterschalter (U9) geschlossen wird, so dass sich der aufgeladene Zündkondensator (U4) über den Zündübertrager (U5) entlädt.The invention relates to an ignition device (2) for an internal combustion engine, comprising a generator (4), which generates an oscillating generator current in generator operation, a rectifier (G1) for converting the generator current into a rectified charging current (I), and an ignition capacitor (U4). Energy storage for an ignition spark (20), the ignition capacitor (U4) being chargeable by means of the charging current (I), and an ignition transformer (U5) with a primary coil (Lp) and with a secondary coil (Ls), the secondary coil (Ls ) is connected to a spark plug (8) generating the ignition spark (20), the ignition capacitor (U4) being connected in parallel to the primary coil (Lp), with a first semiconductor switch (U9) between a base point of the primary coil (Lp) and a ground potential ( GND) is connected, and the spark plug (U8) generates the ignition spark (20) by capacitor ignition, in which the first semiconductor switch (U9) is closed, so that the charged ignition capacitor (U4) discharges via the ignition transformer (U5).
Description
Die Erfindung betrifft Zündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Zündvorrichtung sowie eine Verwendung einer solchen Zündvorrichtung.The invention relates to an ignition device for an internal combustion engine. The invention further relates to an internal combustion engine with such an ignition device and to the use of such an ignition device.
Handgeführte oder handgetragene Brennkraftmaschinen als Arbeitsgeräte, wie beispielsweise Kettensägen, Laubsauger (Laubblasgeräte) oder Rasenmäher, werden üblicherweise motorisch angetrieben. Sofern diese Arbeitsgeräte im Wesentlichen autark oder über einen vergleichsweise langen Zeitraum betrieben werden sollen, wird als Antriebsmotor üblicherweise ein Verbrennungsmotor eingesetzt. Grund hierfür ist, dass ein Nachfüllen eines Kraftstoffes vergleichsweise zeitsparend zu bewerkstelligen ist und lediglich vergleichsweise robuste Werkzeuge benötigt werden. Auch ist das Lagern derartig angetriebener Arbeitsgeräte über längere Zeiträume möglich, wohingegen bei mittels einer Batterie betriebenen elektromotorischen Arbeitsgeräten vor dem Einsatz eine etwaige Entladung der Batterie berücksichtigt werden muss. Dabei ist der Verbrennungsmotor insbesondere als ein Kleinmotor ausgebildet, wobei unter einem Kleinmotor insbesondere ein Zweitakt-Motor mit einem Hubraum bis 350 cm3 (Kubikzentimeter) und/oder ein Viertakt-Motor mit einem oder zwei Zylindern und einem Hubraum von bis zu 1000 cm3 verstanden wird.Hand-held or hand-carried internal combustion engines as work tools, such as chainsaws, leaf vacuums (leaf blowers) or lawn mowers, are usually powered by motors. If these implements are to be operated essentially self-sufficiently or over a comparatively long period of time, an internal combustion engine is usually used as the drive motor. The reason for this is that refilling fuel can be done in a comparatively time-saving manner and only comparatively robust tools are required. It is also possible to store implements powered in this way over longer periods of time, whereas in the case of electric motor implements powered by a battery, any discharge of the battery must be taken into account before use. The internal combustion engine is designed in particular as a small engine, with a small engine particularly including a two-stroke engine with a displacement of up to 350 cm 3 (cubic centimeters) and/or a four-stroke engine with one or two cylinders and a displacement of up to 1000 cm 3 is understood.
Zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers mit (elektrischer) Energie beim Startvorgang (Anwerfvorgang) des Verbrennungsmotors werden beispielsweise eine Batterie oder ein Generator herangezogen. Nachteiligerweise kann die Batterie jedoch, insbesondere nach einer vergleichsweise langen Lagerzeit des Arbeitsgeräts, entladen sein. Zudem nehmen eine Kapazität und/oder eine Leistungsfähigkeit der Batterie aufgrund von Alterungsprozessen über die Lebensdauer des Arbeitsgeräts ab.To supply an electrical consumer with (electrical) energy during the starting process (cranking process) of the internal combustion engine, for example, a battery or a generator is used. Disadvantageously, however, the battery can be discharged, especially after a comparatively long storage period of the implement. In addition, the capacity and/or performance of the battery decreases over the lifespan of the implement due to aging processes.
Für den Betrieb eines solchen Verbrennungsmotors ist in der Regel eine Zündvorrichtung (Zündsystem) vorgesehen, welche ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in einem Brennraum zündet. Derartige Zündvorrichtungen erzeugen einen die Verbrennung auslösenden Zündfunken beziehungsweise Zündimpuls, welcher durch eine Entladung eines Zündkondensators an einer Zündkerze innerhalb des Brennraums entsteht.To operate such an internal combustion engine, an ignition device (ignition system) is usually provided, which ignites an air-fuel mixture in a combustion chamber. Such ignition devices generate an ignition spark or ignition pulse that triggers the combustion, which is created by a discharge of an ignition capacitor on a spark plug within the combustion chamber.
Ein prinzipieller Aufbau einer solchen Zündvorrichtung ist in der
Die Zündvorrichtung 2' weist einen (Magnet-)Generator 4' auf, welcher einen auf einer Kurbelwelle befestigten Elektromotor (nicht dargestellt) mit einem Polrad P' als Rotor mit mindestens einem peripher angeordneten Magneten M' umfasst. Die Drehbarkeit oder Drehrichtung ist mit einem Pfeil angegeben. Am Nord- und Südpol des Magneten M' befindet sich ein Polschuh N', S'. Diese Magnetanordnung M', N', S' wird bei jeder Umdrehung des Polrads P' entlang eines Eisenkerns K' mit zwei Schenkeln Ka', Kb' bewegt.The ignition device 2' has a (magnetic) generator 4', which comprises an electric motor (not shown) mounted on a crankshaft with a magnet wheel P' as a rotor with at least one peripherally arranged magnet M'. The rotation or direction of rotation is indicated with an arrow. At the north and south poles of the magnet M' there is a pole piece N', S'. This magnet arrangement M', N', S' is moved along an iron core K' with two legs Ka', Kb' with each revolution of the magnet wheel P'.
Der Schenkel Kb' ist von einem Zündübertrager U5' und optional von einer Zünd- oder Triggerspule U2' umgeben, während der gegenüberliegende Schenkel Ka' von einer Ladespule U1' umgeben ist. Beim Rotieren induziert das mittels des Generators 4' erzeugte Magnetfeld - verstärkt durch den Eisenkern K' - eine (Generator-)Spannung beziehungsweise einen (Generator-)Strom in der Ladespule U1' und gegebenenfalls der Triggerspule U2' oder dem Zündübertrager U5'.The leg Kb' is surrounded by an ignition transformer U5' and optionally by an ignition or trigger coil U2', while the opposite leg Ka' is surrounded by a charging coil U1'. When rotating, the magnetic field generated by the generator 4' - amplified by the iron core K' - induces a (generator) voltage or a (generator) current in the charging coil U1' and, if necessary, the trigger coil U2' or the ignition transformer U5'.
Durch den Generator 4' beziehungsweise die Ladespule U1' werden sinusförmige Stromhalbwellen LSp', LSn' erzeugt, welche dazu verwendet werden, einen Zündkondensator U4' über einen Gleichrichter G1' aufzuladen, der mit dem Zündübertrager U5' verbunden ist, um einen Zündfunken 6' in einer Zündkerze FU' zu erzeugen. Der Zündübertrager U5' weist eine Primärwicklung Lp' sowie eine Sekundärwicklung Ls' auf. Unter einem „(Auf-)Laden des Zündkondensators“ wird hier und im Folgenden insbesondere das (Auf-)Laden eines solchen kapazitiven Energiespeichers mit elektrischer Energie verstanden.The generator 4' or the charging coil U1' generates sinusoidal current half-waves LSp', LSn', which are used to charge an ignition capacitor U4' via a rectifier G1', which is connected to the ignition transformer U5' in order to produce an
Über die Ladespule U1' wird weiterhin eine Spannungsversorgung U10' für einen Controller U8' energetisch mit der negativen Stromhalbwelle LSn' versorgt. Die Spannungsversorgung U10' erzeugt anhand des Generatorstroms LSn' eine Versorgungsspannung VDD', und stellt die Versorgungsspannung VDD' für den Controller U8' bereit.A voltage supply U10' for a controller U8' is also supplied with energy with the negative current half-wave LSn' via the charging coil U1'. The power supply U10' generates a supply voltage VDD' based on the generator current LSn' and provides the supply voltage VDD' for the controller U8'.
Der Generatorstrom lädt den Zündkondensator U4' über die mit diesem, beispielsweise gegen Masse oder Ground, in Serie geschaltete Primärwicklung (Primärspule) Lp' des Zündübertragers U5' auf.The generator current charges the ignition capacitor U4' via the primary winding (primary coil) Lp' of the ignition transformer U5' which is connected in series with it, for example against mass or ground.
Der Controller U8' weist einen Steuerausgang auf, der an einen Steueranschluss eines Thyristors (Zündschalter) U9' angeschlossen ist. Über den Steuerausgang wird von dem Controller U8' ein den Thyristor U9' betätigender Zündimpuls zur Ansteuerung versendet. Bei einer Betätigung des Thyristors U9 wird der Zündkondensator U4' über die Primärwicklung Lp' des Zündübertragers U5' entladen sowie in der Folge durch die Sekundärwicklung Ls' des Zündübertragers U5' ein Hochspannungsimpuls erzeugt. Dieser Hochspannungsimpuls bewirkt seinerseits an der Zündkerze FU' den Zündfunken 6' als Funkenüberschlag, welcher bei einer Brennkraftmaschine zur Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Brennraum verwendet werden kann. Der Zündkondensator U4' und der Zündübertrager U5' bilden hierbei einen Schwingkreis, bei welchem der Primärstrom stark bedämpft ist und nach etwa zwei bis vier Halbwellen zum Erliegen kommt.The controller U8' has a control output which is connected to a control connection of a thyristor (ignition switch) U9'. The controller U8' sends an ignition pulse that activates the thyristor U9' via the control output for activation. When the thyristor U9 is actuated, the ignition capacitor U4 'is discharged via the primary winding Lp' of the ignition transformer U5' and subsequently through the secondary winding Ls' of the ignition transformer U5' generates a high-voltage pulse. This high-voltage pulse in turn causes the ignition spark 6' on the spark plug FU' as a sparkover, which can be used in an internal combustion engine to ignite an air-fuel mixture in a combustion chamber. The ignition capacitor U4' and the ignition transformer U5' form a resonant circuit in which the primary current is heavily damped and comes to a standstill after about two to four half-waves.
Nach dem Zündvorgang sperrt der Thyristor U9' seinen leitenden Kanal, da der Zündstrom abfällt und der spezifische Haltestrom des Thyristors unterschritten wird. Erst nachdem der Thyristor U9' gesperrt hat, kann der Zündkondensator U4' erneut aufgeladen werden, da sonst der Generatorstrom der Ladespule U1' durch den Thyristor U9' kurzgeschlossen werden würde.After the ignition process, the thyristor U9' blocks its conductive channel because the ignition current drops and the specific holding current of the thyristor is undershot. Only after the thyristor U9' has blocked can the ignition capacitor U4' be charged again, otherwise the generator current of the charging coil U1' would be short-circuited by the thyristor U9'.
Durch den Gleichrichter G1' werden die negativen Stromanteile(-halbwellen) LSn' in die positive Polarität „gebracht“ beziehungsweise geklappt. Dies bedeutet, dass ein resultierender Ladestrom I' nach dem Gleichrichter G1' lediglich positive Stromwerte aufweist. Nachteiligerweise wird dieser gleichgerichtete Ladestrom I' aufgrund der Kapazität (Zündkondensator U4') bei durchgeschalteten Thyristor U9' nie ganz Null. Mit anderen Worten fließt, ständig etwas Strom durch den üblicherweise verwendeten Zündthyristor U9'. Dies bedeutet, dass der Haltestrom des Thyristors U9' nicht unterschritten wird, und der Thyristor U9' somit nicht in den sperrenden Zustand übergehen kann. Der gesamte Ladestrom I' fließt dann durch den Thyristor U9' wodurch dieser thermisch stark belastet oder sogar überlastet wird.The rectifier G1' “brings” or folds the negative current components (half-waves) LSn’ into positive polarity. This means that a resulting charging current I' after the rectifier G1' only has positive current values. The disadvantage is that this rectified charging current I' never becomes completely zero due to the capacitance (ignition capacitor U4') when the thyristor U9' is switched on. In other words, some current constantly flows through the commonly used ignition thyristor U9'. This means that the holding current of the thyristor U9' is not undershot, and the thyristor U9' cannot therefore go into the blocking state. The entire charging current I' then flows through the thyristor U9', causing it to be subjected to severe thermal stress or even overloaded.
In der Regel erzeugt die Ladespule U1' über den 360° Kurbelkreiswinkel nicht fortwährend Strom, sondern lediglich in einem Winkel von circa 120° (Ladeperiode). In den übrigen 240° Kurbelkreiswinkel liefert die Ladespule U1' keinen Strom und Spannung, so dass der Thyristor U9' in dieser Zeitdauer typischerweise genügend Zeit hat zu sperren und sich abzukühlen.As a rule, the charging coil U1' does not continuously generate current over the 360° crank circle angle, but only at an angle of approximately 120° (charging period). In the remaining 240° crank circle angle, the charging coil U1' does not supply any current or voltage, so that the thyristor U9' typically has enough time to block and cool down during this period.
Nachteiligerweise kann jedoch nach einem erfolgten Entladungsvorgang des Zündkondensators U4' dieser nicht unmittelbar erneut aufgeladen werden kann, da der Ladestrom I' durch den Thyristor U9' auf Masse GND' abfließt. Ein erneuter Zündvorgang ist somit erst in einer nachfolgenden Ladeperiode und/oder Ladehalbwelle wieder möglich.The disadvantage, however, is that once the ignition capacitor U4' has been discharged, it cannot be charged again immediately, since the charging current I' flows through the thyristor U9' to ground GND'. A renewed ignition process is therefore only possible again in a subsequent charging period and/or charging half-wave.
Dies bedeutet, dass mit der vorstehend beschriebenen Zündvorrichtung kein zweiter, dritter, vierter ... Zündfunken während einer einzigen Ladeperiode erzeugt werden kann. Eine solche auch als Mehrfachzündfunken bezeichnete Funktionalität ist jedoch in der Zündtechnik zunehmend gewünscht, da mit dieser Funktionalität die Zündungsdauer - und somit die Zündenergie - variabel je nach Bedarf eingestellt werden kann. Derartige Mehrfachzündfunkensysteme gewinnen aufgrund der derzeitigen Motorentwicklung (Schichtladung, Aufladung, Mager-Motoren, etc.) daher zunehmend an Bedeutung.This means that with the ignition device described above, no second, third, fourth... ignition spark can be generated during a single charging period. However, such functionality, also known as multiple ignition sparks, is increasingly desired in ignition technology, since with this functionality the ignition duration - and thus the ignition energy - can be set variably as required. Such multiple spark systems are becoming increasingly important due to current engine development (stratified charging, supercharging, lean-burn engines, etc.).
Zur Realisierung von Mehrfachzündfunken könnte der Thyristor U9' beispielsweise durch einen Leistungsschalter ersetzt werden. Wenn der Thyristor U9' in der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Zündvorrichtung anzugeben. Insbesondere soll eine konstruktiv einfache und effektive Erzeugung von Mehrfachzündfunken ermöglicht werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Brennkraftmaschine sowie eine besonders geeignete Verwendung einer solchen Zündvorrichtung anzugeben.The invention is based on the object of specifying a particularly suitable ignition device. In particular, a structurally simple and effective generation of multiple ignition sparks should be made possible. The invention is also based on the object of specifying a particularly suitable internal combustion engine and a particularly suitable use of such an ignition device.
Hinsichtlich der Zündvorrichtung wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie hinsichtlich der Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die im Hinblick auf die Zündvorrichtung angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die Brennkraftmaschine und/oder die Verwendung übertragbar und umgekehrt.With regard to the ignition device, the task is solved according to the invention with the features of
Die erfindungsgemäße Zündvorrichtung ist beispielsweise als ein Zündsystem oder als ein Zündmodul für eine Brennkraftmaschine ausgeführt. Bei der Brennkraftmaschine handelt es sich hierbei insbesondere um einer handgeführte oder handgetragene Brennkraftmaschine mit einem insbesondere als Kleinmotor ausgeführten Verbrennungsmotor. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird bei einer Zündung der Zündvorrichtung, das bedeutet bei der Erzeugung eines Zündfunkens zur Auslösung der Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einer Brennkammer des Verbrennungsmotors, ein impulsförmiges Zündsignal generiert.The ignition device according to the invention is designed, for example, as an ignition system or as an ignition module for an internal combustion engine. The internal combustion engine is in particular a hand-held or hand-held one portable internal combustion engine with an internal combustion engine designed in particular as a small engine. During operation of the internal combustion engine, a pulse-shaped ignition signal is generated when the ignition device is ignited, that is, when an ignition spark is generated to trigger the combustion of an air-fuel mixture in a combustion chamber of the internal combustion engine.
Die Zündvorrichtung weist hierbei einen Generator auf, welcher im Generatorbetrieb einen oszillierenden Generatorstrom erzeugt. Der Generator kann hierbei ein Magnetgenerator mit einem Polrad sein.The ignition device here has a generator, which generates an oscillating generator current in generator operation. The generator can be a magnetic generator with a magnet wheel.
Die Zündvorrichtung weist weiterhin einen Gleichrichter, also einen Gleichrichterbaustein oder eine Gleichrichterschaltung, zur Wandlung des Generators in einen gleichgerichteten Ladestrom auf. Der Generatorstrom weist hierbei positive und negative Stromhalbwellen auf, wobei der gleichgerichtete Ladestrom insbesondere lediglich positive Stromhalbwellen aufweist.The ignition device also has a rectifier, i.e. a rectifier module or a rectifier circuit, for converting the generator into a rectified charging current. The generator current has positive and negative current half-waves, with the rectified charging current in particular only having positive current half-waves.
Die Zündvorrichtung umfasst einen Zündkondensator zur Energiespeicherung für einen Zündfunken, wobei der Zündkondensator mittels des Ladestroms aufladbar ist. Dies bedeutet, dass der Gleichrichter zwischen dem Generator und dem Zündkondensator verschaltet ist.The ignition device comprises an ignition capacitor for storing energy for an ignition spark, wherein the ignition capacitor can be charged by means of the charging current. This means that the rectifier is connected between the generator and the ignition capacitor.
Die Zündvorrichtung weist weiterhin einen Zündübertrager, auch als Zündgenerator, Zündspule, oder Zündtransformator bezeichnet, auf. Der Zündübertrager umfasst hierbei eine Primärspule und eine Sekundärspule, welche vorzugsweise die gleiche Windungszahl aufweisen. Die Sekundärspule ist hierbei an eine den Zündfunken erzeugende Zündkerze angeschlossen.The ignition device also has an ignition transformer, also referred to as an ignition generator, ignition coil or ignition transformer. The ignition transformer here comprises a primary coil and a secondary coil, which preferably have the same number of turns. The secondary coil is connected to a spark plug that generates the spark.
Erfindungsgemäß ist der Zündkondensator parallel zur Primärspule des Zündübertragers verschaltet, wobei ein erster Halbleiterschalter zwischen einem Fußpunkt der Primärspule und einem Massepotential (Masse, Ground) verschaltet ist. Die Zündkerze erzeugt hierbei den Zündfunken durch eine Kondensatorzündung, bei welcher der erste Halbleiterschalter geschlossen wird, so dass sich der aufgeladene Zündkondensator über den Zündübertrager entlädt. Diese Entladung des Zündkondensators entspricht dem Zündsignal. Dadurch ist eine besonders vorteilhafte Zündvorrichtung realisiert.According to the invention, the ignition capacitor is connected in parallel to the primary coil of the ignition transformer, with a first semiconductor switch being connected between a base point of the primary coil and a ground potential (ground). The spark plug generates the ignition spark through capacitor ignition, in which the first semiconductor switch is closed so that the charged ignition capacitor discharges via the ignition transformer. This discharge of the ignition capacitor corresponds to the ignition signal. This creates a particularly advantageous ignition device.
Im Gegensatz zu der vorstehend in
Durch den erfindungsgemäßen Schaltungsaufbau der Zündvorrichtung wird der Ladestrom erstens durch die Kapazität des Zündkondensators gepuffert, so dass die hohen Spitzenwerte des Ladestromes reduziert werden, und zweitens bremst die gekoppelte Primärspulen-Induktivität des Zündübertragers den zeitlich veränderlichen Ladestrom stark ab. Dadurch werden die Anforderungen an die Dimensionierung des ersten Halbleiterschalters vorteilhaft reduziert.Due to the circuit design of the ignition device according to the invention, the charging current is firstly buffered by the capacitance of the ignition capacitor, so that the high peak values of the charging current are reduced, and secondly, the coupled primary coil inductance of the ignition transformer greatly slows down the time-varying charging current. This advantageously reduces the requirements for the dimensioning of the first semiconductor switch.
Besonders vorteilhaft ist weiterhin ein zweiter Effekt. Beim Zündvorgang wird der erste Halbleiterschalter angesteuert, das heißt in den leitenden Zustand versetzt. Dabei werden auch die Generatorwicklungen des Generators kurzgeschlossen. Es fließt der entsprechende Kurzschlussstrom durch den Generator, wodurch die Induktivität des Generators energetisch aufgeladen wird. Wird der erste Halbleiterschalter nun ausgeschaltet, wird der Strom durch diesen Kreis schlagartig auf null gesetzt. Die Induktivität des Generators verhält sich nun wie ein Aufwärtswandler/Hochsetzsteller/Step-Up Konverter. Die in der Induktivität des Generators gespeicherte Energiemenge wird beim Abschalten des ersten Halbleiterschalters freigesetzt, in Form eines weiterfließenden Generatorstromes, so dass mit dieser Energie wiederum der Zündkondensator innerhalb kurzer Zeit geladen werden kann. Es gilt dabei für die im Generator gespeicherte Energiemenge die Beziehung E = 1/2 L I2, wobei L die (Generator-)Induktivität und I der durch die Induktivität fließende Strom ist.A second effect is also particularly advantageous. During the ignition process, the first semiconductor switch is activated, i.e. put into the conductive state. The generator windings of the generator are also short-circuited. The corresponding short-circuit current flows through the generator, whereby the inductance of the generator is energetically charged. If the first semiconductor switch is now switched off, the current through this circuit is suddenly set to zero. The inductance of the generator now behaves like a boost converter/boost converter/step-up converter. The amount of energy stored in the inductance of the generator is released when the first semiconductor switch is switched off in the form of a generator current that continues to flow, so that the ignition capacitor can be charged with this energy within a short time. The relationship E = 1/2 LI 2 applies to the amount of energy stored in the generator, where L is the (generator) inductance and I is the current flowing through the inductance.
Praktische Versuche zeigen, dass unmittelbar (innerhalb weniger Nanosekunden ns) nach dem Abschalten des Halbleiterschalters der Zündkondensator bereits bis zu 80 % seiner Nennaufladung durch den beschriebenen Effekt erreicht wird, ohne dass dabei der konventionelle Ladevorgang des Zündkondensators durch den Generator stattfindet. Dadurch ist es möglich, unmittelbar nach Erzeugung des Zündfunkens weitere Zündfunken je nach Bedarf zu erzeugen. Insbesondere sind somit mehrere unmittelbar aufeinanderfolgende Zündfunken während einer einzigen Ladeperiode ermöglicht. Dies bedeutet, dass die erfindungsgemäße Zündvorrichtung zur Erzeugung von Mehrfachzündfunken vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet ist.Practical tests show that immediately (within a few nanoseconds ns) after switching off the semiconductor switch, the ignition capacitor reaches up to 80% of its nominal charge through the effect described, without the conventional charging process of the ignition capacitor taking place by the generator. This makes it possible to generate further ignition sparks as required immediately after the ignition spark has been generated. In particular, there are more more immediately successive ignition sparks during a single charging period. This means that the ignition device according to the invention is intended for generating multiple ignition sparks and is suitable and set up for this purpose.
Das Generatorsystem ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass es einen möglichst hohen Kurzschlussstrom aufweist. Erfindungsgemäß ist ein hoher Kurzschlussstrom wichtiger als eine hohe Ausgangsspannung. Der Generator weist somit eine hohe Induktivität auf. Vorzugsweise werden hochmagnetisierte Magneten (Seltenerden, Neodym) für den Generator verwendet.The generator system is preferably designed in such a way that it has the highest possible short-circuit current. According to the invention, a high short-circuit current is more important than a high output voltage. The generator therefore has a high inductance. Highly magnetized magnets (rare earths, neodymium) are preferably used for the generator.
In einer vorteilhaften Ausführung ist der erste Halbleiterschalter als ein Leistungsschalter (Leistungshalbleiterschalter) ausgeführt. Der Vorteil der Verwendung eines Leistungsschalters wie beispielsweise einem Zünd-IGBT (Transistor, Mosfet ect.) im Gegensatz zu einem Zündthyristor liegt darin, dass der erste Halbleiterschalter aktiv ausgeschaltet werden kann. So können die oben beschriebenen Probleme des Thyristors beim Abschalten und Aufladen des Zündkondensators nicht mehr auftreten.In an advantageous embodiment, the first semiconductor switch is designed as a power switch (power semiconductor switch). The advantage of using a power switch such as an ignition IGBT (transistor, Mosfet, etc.) in contrast to an ignition thyristor is that the first semiconductor switch can be actively switched off. This means that the thyristor problems described above can no longer occur when switching off and charging the ignition capacitor.
Vorzugsweise ist der erste Halbleiterschalter beziehungsweise der Leistungsschalter als ein Zünd-IGBT (IGBT: Insulated-Gate Bipolar Transistor) ausgeführt ist, welcher kollektorseitig an den Fußpunkt der Primärspule und emitterseitig an das Massepotential angeschlossen ist. Der Zünd-IGBT ist vorzugsweise als ein normalleitender n-Kanal IGBT ausgeführt.Preferably, the first semiconductor switch or the power switch is designed as an ignition IGBT (IGBT: Insulated-Gate Bipolar Transistor), which is connected on the collector side to the base of the primary coil and on the emitter side to the ground potential. The ignition IGBT is preferably designed as a normally conducting n-channel IGBT.
Ansteuerseitig oder gateseitig ist der Zünd-IGBT insbesondere an einen Controller (dass heißt an eine Steuereinheit) geführt. Der Controller ist hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung der Kondensatorzündung eingerichtet. Der Controller ist somit konkret dazu eingerichtet, den Zünd-IGBT einzuschalten, also zu öffnen oder nicht leitend zu schalten, so dass der Zündkondensator mit dem Ladestrom geladen wird, und den Zünd-IGBT auszuschalten, also zu schließen oder leitend zu schalten, um den Zündkondensator über den Zündübertrager zu entladen und in der Folge den Zündfunken zu erzeugen.On the control side or gate side, the ignition IGBT is connected in particular to a controller (i.e. to a control unit). The controller is generally set up - in terms of program and/or circuitry - to carry out the capacitor ignition. The controller is therefore specifically set up to switch on the ignition IGBT, i.e. to open it or switch it non-conductive, so that the ignition capacitor is charged with the charging current, and to switch off the ignition IGBT, i.e. to close it or switch it to conduction, in order to do so Discharge the ignition capacitor via the ignition transformer and subsequently generate the ignition spark.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Controller zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung der Kondensatorzündung in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Vorrichtungsnutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird. Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, wie zum Beispiel einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) oder durch einem FPGA (Field Programmable Gate Array), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung der Kondensatorzündung mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.In a preferred embodiment, the controller is formed at least in the core by a microcontroller with a processor and a data memory, in which the functionality for carrying out the capacitor ignition is implemented programmatically in the form of operating software (firmware), so that the method - if necessary in interaction with a Device user - is carried out automatically when the operating software is executed in the microcontroller. Within the scope of the invention, the controller can alternatively also be formed by a non-programmable electronic component, such as an application-specific integrated circuit (ASIC) or by an FPGA (Field Programmable Gate Array), in which the functionality for carrying out the capacitor ignition is implemented using circuit technology.
In einer denkbaren Weiterbildung sind eine in Reihe mit dem Zündkondensator geschaltete Diode und ein parallel zu dem Zündkondensator geschalteter zweiter Halbleiterschalter zwischen dem Gleichrichter und dem Zündübertrager verschaltet. Die Diode ist hierbei in Durchlassrichtung zwischen dem Gleichrichter und dem Zündkondensator in Reihe geschaltet, wobei der zweite Halbleiterschalter zwischen dem Gleichrichter und der Diode einerseits und dem Massepotential andererseits verschaltet ist, und ansteuerseitig an den Controller geführt ist. Der zweite Halbleiterschalter ist beispielsweise auch als ein Leistungsschalter, insbesondere als ein normalleitender n-Kanal IGBT ausgeführt, wobei der Kollektoranschluss zwischen dem Gleichrichter und der Diode und der Emitteranschluss an das Massepotential sowie der Gateanschluss an den Controller angeschlossen sind.In a conceivable development, a diode connected in series with the ignition capacitor and a second semiconductor switch connected in parallel to the ignition capacitor are connected between the rectifier and the ignition transformer. The diode is connected in series in the forward direction between the rectifier and the ignition capacitor, with the second semiconductor switch being connected between the rectifier and the diode on the one hand and the ground potential on the other hand, and is connected to the controller on the control side. The second semiconductor switch is, for example, also designed as a power switch, in particular as a normally conducting n-channel IGBT, with the collector connection between the rectifier and the diode and the emitter connection being connected to the ground potential and the gate connection being connected to the controller.
Der zweite Halbleiterschalter und die Induktivität des Generators fungiert in dieser Anordnung als Hochsetzsteller-Schaltung oder als Step-Up Booster, um die erforderliche Spannung für den Zündkondensator von circa 200 V (Volt) bis 300 V zu generieren. Je nach Auslegung des Generators und Drehzahlbereich werden die Generatorstromhalbwellen durch den zweiten Halbleiterschalter getaktet (kurzgeschlossen), danach wird der zweite Halbleiterschalter geöffnet, wodurch die freiwerdende Energie wie vorstehend beschrieben den Zündkondensator lädt.In this arrangement, the second semiconductor switch and the inductance of the generator act as a step-up converter circuit or as a step-up booster to generate the required voltage for the ignition capacitor of approximately 200 V (volts) to 300 V. Depending on the design of the generator and the speed range, the generator current half-waves are clocked (short-circuited) by the second semiconductor switch, then the second semiconductor switch is opened, whereby the released energy charges the ignition capacitor as described above.
Die Aufladung des Zündkondensator erfolgt somit in mehreren Schaltzyklen des zweiten Halbleiterschalters, es werden also mehrere „Energieportionen“ benötigt, um den Zündkondensator aufzuladen. Gerade bei niedrigen Drehzahlen, wenn im Generator noch wenig Spannung und Strom induziert wird, ist es notwendig gegenüber höheren Drehzahlen mehr getaktet werden (mehr Schaltzyklen).The ignition capacitor is thus charged in several switching cycles of the second semiconductor switch, so several “energy portions” are required to charge the ignition capacitor. Especially at low speeds, when little voltage and current is induced in the generator, it is necessary to clock more (more switching cycles) compared to higher speeds.
Die gespeicherte Energie wird durch die Induktivität des Generators und der Höhe des Stromes, der durch die Induktivität fließt, definiert. Die Induktivität ist bauartbedingt.The stored energy is defined by the inductance of the generator and the amount of current that flows through the inductance. The inductance depends on the design.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der den ersten und/oder zweiten Halbleiterschalter ansteuernder Controller über eine Koppelschaltung auf die Drehzahlen des Generators und die Nulldurchgänge des Generatorstroms synchronisiert. Mit anderen Worten erfolgt eine Synchronisierung der Taktung der Halbwellen des Generators. Hierbei ist es beispielsweise vorteilhaft, den zweiten Halbleiterschalter während einer (Strom-)Halbwelle mehrmals ein- und auszuschalten, so dass während einer Halbwelle mehrere, kleinere „Energieportionen“ erzeugt werden, um den Zündkondensator zu laden. Mit höheren Generatorgeschwindigkeiten steigt die Ausgangsleistung des Generators kontinuierlich an, wobei es zunehmend wichtiger wird die „Energieportionen“ feiner zu dosieren um ein Überladen des Zündkondensators zu verhindern. Das gilt im besonderen Maße, wenn der Zündkondensator bereits vorgeladen ist, also zum Beispiel bereits die halbe Nennspannung aufweist.In a preferred embodiment, the controller driving the first and/or second semiconductor switch is synchronized via a coupling circuit to the speeds of the generator and the zero crossings of the generator current. In other words, synchronization occurs the timing of the generator's half-waves. It is, for example, advantageous to switch the second semiconductor switch on and off several times during a (current) half-wave, so that several, smaller “energy portions” are generated during a half-wave in order to charge the ignition capacitor. With higher generator speeds, the output power of the generator increases continuously, whereby it becomes increasingly important to dose the “energy portions” more finely in order to prevent the ignition capacitor from being overcharged. This is particularly true if the ignition capacitor is already precharged, for example if it already has half the nominal voltage.
Insbesondere wird die Synchronisierung hierbei derart implementiert, dass der Controller den zweiten Halbleiterschalter bei einem Nulldurchgang des Generatorstroms schließt oder einzuschalten. Dadurch werden die Einschaltverluste des zweiten Halbleiterschalters und eine EMV-Abstrahlung (EMV: Elektromagnetische Verträglichkeit) reduziert, da zu diesem Zeitpunkt der Generatorstrom gleich oder nahezu Null ist. Weiterhin ist die Synchronisierung vorzugsweise derart implementiert, dass der Controller den zweiten Halbleiterschalter bei einem Maximum des Generatorstroms öffnet oder ausschaltet. Wenn der zweite Halbleiterschalter genau bei dem Maximum beziehungsweise bei dem Peakwert des Generatorstroms ausgeschaltet wird, wird die gespeicherte Energie der Generatorspulen maximiert, wodurch in der Folge die unmittelbare Aufladung des Zündkondensators, und somit die Mehrfachzündfunken-Funktionalität, verbessert wird.In particular, the synchronization is implemented in such a way that the controller closes or switches on the second semiconductor switch when the generator current crosses zero. This reduces the switch-on losses of the second semiconductor switch and EMC radiation (EMC: Electromagnetic Compatibility), since at this point the generator current is equal to or almost zero. Furthermore, the synchronization is preferably implemented in such a way that the controller opens or switches off the second semiconductor switch at a maximum of the generator current. If the second semiconductor switch is turned off exactly at the maximum or at the peak value of the generator current, the stored energy of the generator coils is maximized, which subsequently improves the immediate charging of the ignition capacitor, and thus the multiple spark functionality.
In einer denkbaren Weiterbildung ist ein Spannungsteiler parallel zum Zündkondensator geschaltet, wobei ein Spannungsabgriff des Spannungsteilers an den Controller geführt ist. Dadurch ist der Controller dazu eingerichtet die Ladespannung des Zündkondensators zu überwachen. Somit kann der Controller beispielsweise über entsprechende hinterlegte Tabellen die Ansteuerzeit des zweiten Halbleiterschalters berechnen oder ableiten, welche erforderlich ist, um den Zündkondensator auf Nennspannung zu laden. Dadurch ist eine zuverlässige Aufladung des Zündkondensators und somit in der Folge eine zuverlässige Erzeugung des Zündfunkens gewährleistet.In a conceivable further development, a voltage divider is connected in parallel to the ignition capacitor, with a voltage tap of the voltage divider being routed to the controller. This means that the controller is set up to monitor the charging voltage of the ignition capacitor. The controller can therefore, for example, use corresponding stored tables to calculate or derive the activation time of the second semiconductor switch, which is required to charge the ignition capacitor to the nominal voltage. This ensures reliable charging of the ignition capacitor and thus reliable generation of the ignition spark.
In einer zweckmäßigen Ausführung betreibt der Controller den ersten und zweiten Halbleiterschalter parallel. Wie vorstehend erläutert erfolgt die Erzeugung von Zündfunken beziehungsweise Mehrfachzündfunken bei der erfindungsgemäßen Zündvorrichtung alleiniges Ansteuern des ersten Halbleiterschalters. Der erste Halbleiterschalter übernimmt dann den Zündstrom und den Generatorstrom, was jedoch zu einer thermischen Überlast führen kann, so dass der erste Halbleiterschalter entsprechend groß dimensioniert ist. Um diesen Nachteil zu umgehen, werden die ersten und zweiten Halbleiterschalter vorzugsweise gleichzeitig angesteuert. Dann übernimmt der zweite Halbleiterschalter den Kurzschlussstrom des Generators und der erste Halbleiterschalter den Strom des Zündkreises. Dadurch ist eine besonders kostengünstige und bauraumkompakte Zündvorrichtung realisierbar.In an expedient embodiment, the controller operates the first and second semiconductor switches in parallel. As explained above, the generation of ignition sparks or multiple ignition sparks in the ignition device according to the invention takes place solely by activating the first semiconductor switch. The first semiconductor switch then takes over the ignition current and the generator current, which, however, can lead to a thermal overload, so that the first semiconductor switch is dimensioned correspondingly large. In order to avoid this disadvantage, the first and second semiconductor switches are preferably activated simultaneously. Then the second semiconductor switch takes over the short-circuit current of the generator and the first semiconductor switch takes over the current of the ignition circuit. This makes it possible to realize a particularly cost-effective and compact ignition device.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist einen Verbrennungsmotor und eine vorstehend beschriebene Zündvorrichtung auf, welche mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise eine handgeführte oder handgetragene Brennkraftmaschine, wie beispielsweise eine Kettensäge, ein Laubsauger (Laubblasgerät) oder ein Rasenmäher. Bei dem Verbrennungsmotor handelt es sich vorzugsweise um einen Kleinmotor, beispielsweise um einen Zweitaktmotor. Durch die erfindungsgemäße Zündvorrichtung ist die Brennkraftmaschine vorteilhaft für eine Mehrfachzündfunkenerzeugung vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet.The internal combustion engine according to the invention has an internal combustion engine and an ignition device described above, which is coupled to the internal combustion engine. The internal combustion engine is preferably a hand-held or hand-carried internal combustion engine, such as a chainsaw, a leaf vacuum (leaf blower) or a lawn mower. The internal combustion engine is preferably a small engine, for example a two-stroke engine. Through the ignition device according to the invention, the internal combustion engine is advantageously provided for multiple ignition spark generation and is suitable and set up for this purpose.
In einer bevorzugten Anwendung wird die vorstehend beschriebene Zündvorrichtung erfindungsgemäß als ein Mehrfachzündfunkensystem einer Brennkraftmaschine beziehungsweise eines Verbrennungsmotors verwendet.In a preferred application, the ignition device described above is used according to the invention as a multiple ignition spark system of an internal combustion engine or an internal combustion engine.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
-
1 ein Blockschaltbild einer Zündvorrichtung gemäß dem Stand der Technik, -
2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung in einer ersten Ausführungsform, -
3 in Draufsicht einen Generator der Zündvorrichtung, -
4 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform, -
5 ein erstes Diagramm zur Ansteuerung der Zündvorrichtung, und -
6 ein zweites Diagramm zur Ansteuerung der Zündvorrichtung.
-
1 a block diagram of an ignition device according to the prior art, -
2 a block diagram of an ignition device according to the invention in a first embodiment, -
3 a top view of a generator of the ignition device, -
4 a block diagram of an ignition device according to the invention in a second embodiment, -
5 a first diagram for controlling the ignition device, and -
6 a second diagram for controlling the ignition device.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts and sizes are always provided with the same reference numbers in all figures.
In dem Blockschaltbild der
Der in
Das Polrad 10 rotiert synchron mit dem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine. Beim Rotieren induziert das Polrad 10 eine Spannung beziehungsweise einen Strom in den Induktionsspulen 16 und gegebenenfalls in einer weiteren Spulenwicklung oder Triggerspule 18 sowie in einem Zündübertrager U5 des Zündmoduls 6.The
Der Zündübertrager U5 weist eine Primärspule (Primärwicklung) Lp sowie eine Sekundärspule (Sekundärwicklung) Ls auf. Die Primärwicklung Lp und die Sekundärwicklung Ls weisen beispielsweise die gleiche Windungszahl auf. Über einen Gleichrichter (Gleichrichterbaustein) G1 werden die positiven und negativen Halbwellen der induzierten Generatorspannung (Generatorstrom) zu einem gleichgerichteten Ladestrom I gewandelt. Der Ladestrom weist hierbei lediglich positive Stromhalbwellen auf. Der Ladestrom ist zu einem nachfolgend auch als Zündkondensator U4 bezeichneten Energiespeicher geführt. Der gleichgerichtete Ladestrom lädt den gegen ein Massepotential (Ground) GND geschalteten Zündkondensator U4 auf.The ignition transformer U5 has a primary coil (primary winding) Lp and a secondary coil (secondary winding) Ls. The primary winding Lp and the secondary winding Ls have, for example, the same number of turns. The positive and negative half-waves of the induced generator voltage (generator current) are converted into a rectified charging current I via a rectifier (rectifier module) G1. The charging current only has positive current half-waves. The charging current is led to an energy storage device, also referred to below as an ignition capacitor U4. The rectified charging current charges the ignition capacitor U4, which is connected to a ground potential (ground) GND.
Mittels des Ladestroms beziehungsweise der Ladespannung wird eine Spannungsversorgung (Power supply) U10 für einen Controller U8 energetisch mit einer versorgt. Die Spannungsversorgung U10 erzeugt anhand der Ladespannung eine Versorgungsspannung VDD, und stellt die Versorgungsspannung VDD für den Controller U8 bereit. Der Controller U8 ist beispielsweise in Form eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers ausgeführt.By means of the charging current or the charging voltage, a power supply U10 for a controller U8 is supplied with energy. The power supply U10 generates a supply voltage VDD based on the charging voltage and provides the supply voltage VDD for the controller U8. The controller U8 is designed, for example, in the form of a microprocessor or microcontroller.
Die Zündvorrichtung 2 weist weiterhin eine Koppelschaltung (Coupling Circuit) U7 auf. Der Koppelschaltung U7 werden die Ladespannung einerseits und die von der Triggerspule 20 erzeugte Spannung zugeführt, wobei zwei analoge Ausgangssignale A1, A2 erzeugt werden, welche einem Analog-Digital-Wandler ADC des Controllers U8 zugeführt werden.The
Der Zündkondensator U4 ist einerseits mit dem Massepotential GND und andererseits mit dem Gleichrichter G1 und der Primärspule Lp des Zündübertragers U5 verschaltet. Ein Fußpunkt der Primärspule Lp ist hierbei über einen elektronischen Halbleiterschalter (Zündschalter) U9 gegen das Massepotential GND verschaltet. Der Zündkondensator U4 ist somit parallel zu der Primärspule Lp verschaltet.The ignition capacitor U4 is connected on the one hand to the ground potential GND and on the other hand to the rectifier G1 and the primary coil Lp of the ignition transformer U5. A base point of the primary coil Lp is connected to the ground potential GND via an electronic semiconductor switch (ignition switch) U9. The ignition capacitor U4 is therefore connected in parallel to the primary coil Lp.
Der Halbleiterschalter U9 ist als ein Leistungsschalter, insbesondere als ein Zünd-IGBT, beispielsweise als ein normalleitender n-Kanal IGBT, ausgeführt. Der Halbleiterschalter U9 ist kollektorseitig (C) an den Fußpunkt der Primärspule Lp und emitterseitig (E) gegen das Massepotential GND verschaltet. Der Gate-Anschluss (G) des Halbleiterschalters U9 ist an einen Steuerausgang des Controllers U8 geführt.The semiconductor switch U9 is designed as a power switch, in particular as an ignition IGBT, for example as a normally conducting n-channel IGBT. The semiconductor switch U9 is connected on the collector side (C) to the base of the primary coil Lp and on the emitter side (E) to the ground potential GND. The gate connection (G) of the semiconductor switch U9 is connected to a control output of the controller U8.
Bei einem Zündvorgang, also bei einer Erzeugung eines Zündfunkens 20 mittels der Zündkerze 8, wird der Halbleiterschalter U9 betätigt, also leitend geschaltet. Dadurch wird der Zündkondensator U4 über die Primärwicklung Lp des Zündübertragers U5 entladen sowie in der Folge durch die Sekundärwicklung Ls des Zündübertragers U5 ein Hochspannungsimpuls erzeugt, welcher seinerseits an der Zündkerze 8 einen Funkenüberschlag als Zündfunken 20 bewirkt.During an ignition process, i.e. when an
Weiterhin werden durch die Betätigung des Halbleiterschalters U9 auch die Generatorwicklungen beziehungsweise Induktionsspulen 16 kurzgeschlossen. Somit fließt der entsprechende Kurzschlussstrom durch den Generator 4. Wird der Halbleiterschalter U9 nach der Zündfunkenerzeugung ausgeschaltet, wird der Strom durch diesen Kreis schlagartig zu Null. Die Induktivität des Generators 4, also die Induktionsspulen 16, verhält sich nun wie ein Aufwärtswandler/Hochsetzsteller/Step-Up Konverter. Damit wird die Induktivität des Generators 4 energetisch aufgeladen. Diese gespeicherte Energiemenge wird beim Abschalten des Halbleiterschalters U9 freigesetzt, in Form eines weiterfließenden Generatorstromes, so dass mit dieser Energie wiederum den Zündkondensator U4 innerhalb kurzer Zeit erneut auflädt. Dadurch ist die Zündvorrichtung 2 beziehungsweise das Zündmodul 6 als ein Mehrfachzündfunken-System ausgeführt.Furthermore, the generator windings or
Die
Der Halbleiterschalter S1 und die Induktionsspulen 16 des Generators 4 wirken in dieser Anordnung als ein Hochsetzsteller oder Step-Up Booster, welcher eine (Lade-)Spannung für den Zündkondensator U4 von etwa 200 V bis 300 V erzeugt. Je nach Auslegung des Generators 4 und Drehzahlbereich werden die Generatorstromhalbwellen durch den Halbleiterschalter S1 getaktet (kurzgeschlossen). Danach wird der Halbleiterschalter S1 geöffnet, wodurch die freiwerdende Energie wie vorstehend beschrieben den Zündkondensator U4 lädt.In this arrangement, the semiconductor switch S1 and the induction coils 16 of the
Die Aufladung des Zündkondensator U4 erfolgt in dieser Ausführung insbesondere in mehreren Schaltzyklen, es werden somit mehrere „Energieportionen“ erzeugt, um den Zündkondensator U4 aufzuladen.In this version, the ignition capacitor U4 is charged in particular in several switching cycles, meaning that several “energy portions” are generated in order to charge the ignition capacitor U4.
Die
Der Abschnitt 24 zeigt entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-Achse) den gleichgerichteten Generator- oder Ladestrom I, wobei ein maximaler Stromwert Ipeak horizontal strichliniert angezeigt ist. In dem Abschnitt 24 sind vier aufeinanderfolgende Halbwellen des Ladestroms I gezeigt.The
Der Abschnitt 26 zeigt die (Gate-)Ansteuerung des Halbleiterschalters S1, wobei der Abschnitt 38 die korrespondierende (Gate-)Ansteuerung des Halbleiterschalters U9 zeigt. Die Ansteuerungen erfolgen hierbei insbesondere durch pulsweitenmodulierte Impulssignale des Controllers U8.
Der Controller U8 beziehungsweise die Ansteuerungen des Controllers U8 sind mittels der Koppelschaltung U7 auf die Drehzahlern und die Nulldurchgänge des Generators 10 synchronisiert.The controller U8 or the controls of the controller U8 are synchronized to the speeds and the zero crossings of the
Um die Einschaltverluste des Halbleiterschalters S1 und die EMV-Abstrahlung möglichst zu reduzieren, wird der Halbleiterschalter S1 vorzugsweise zu den Strom-Nulldurchgängen des Generators 4 beziehungsweise des Ladestroms I einzuschalten (vertikale Linien 30 in
Es kann aber auch vorteilhaft sein während einer Halbwelle den Halbleiterschalter S1 mehrmals ein- und auszuschalten, so dass während einer Halbwelle mehrere, kleinere „Energieportionen“ erzeugt werden, um den Zündkondensator U4 zu laden. Dies ist beispielhaft für die zweite Halbwelle in
Mit höheren Generatorgeschwindigkeiten (Drehzahlen) steigt die Ausgangsleistung des Generators 4 kontinuierlich an, so dass es zunehmend wichtiger wird die „Energieportionen“ feiner zu dosieren um ein Überladen des Zündkondensators U4 zu verhindern. Das gilt im besonderen Maße, wenn der Zündkondensator U4 bereits vorgeladen ist, also z.B. schon halbe Nennspannung aufweist. Beispielhaft wird dieser Vorgang in
Für die vierte Halbwelle in
In einer denkbaren Ausführungsform ist das Generatorsystem auf eine maximale Energetisierung beim Zündzeitpunkt (ZZP) ausgerichtet. Die Fähigkeit mehrfach zu Zünden (Mehrfachzündfunken) hängt davon ab, wie hoch der Generatorstrom zum Zündzeitpunkt ist. Wenn sich der Generatorstrom gerade im Nulldurchgang befindet, also von Betrag sehr niedrig ist, wird die Generatorinduktivität nicht oder wenig mit Strom aufgeladen, wodurch die Fähigkeit mehrfach zu zünden eingeschränkt ist. Deshalb kann es notwendig sein, die Ausrichtung des Generatorsystems bei der Dimensionierung beziehungsweise Orientierung von Stator-Rotor zu Kurbelwelle auch konstruktiv zu berücksichtigen. In der
Die
In dem Beispiel der
In der
Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.The claimed invention is not limited to the exemplary embodiments described above. Rather, other variants of the invention can also be derived by the person skilled in the art within the scope of the disclosed claims without departing from the subject matter of the claimed invention. In particular, all of the individual features described in connection with the various exemplary embodiments can also be combined in other ways within the scope of the disclosed claims without departing from the subject matter of the claimed invention.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 2, 2'2, 2'
- ZündvorrichtungIgnition device
- 4, 4'4, 4'
- Generatorgenerator
- 66
- ZündmodulIgnition module
- 6'6'
- ZündfunkenIgnition spark
- 88th
- Zündkerzespark plug
- 1010
- PolradPolrad
- 1212
- Statorstator
- 1414
- StatorkernStator core
- 1616
- Induktionsspuleinduction coil
- 1818
- TriggerspuleTrigger coil
- 2020
- ZündfunkenIgnition spark
- 2222
- Diodediode
- 24, 26, 2824, 26, 28
- AbschnittSection
- 30, 3230, 32
- Linie line
- P'P'
- PolradPolrad
- M'M'
- Magnetmagnet
- N', S'N', S'
- PolschuhPole shoe
- K'K'
- EisenkernIron core
- Ka', Kb'Ka', Kb'
- Schenkelleg
- U5, U5'U5, U5'
- ZündübertragerIgnition transformer
- U2'U2'
- TriggerspuleTrigger coil
- U1'U1'
- Ladespulecharging coil
- LSp', LSn'LSp', LSn'
- Stromhalbwellecurrent half wave
- U4, U4'U4, U4'
- Zündkondensatorignition capacitor
- G1, G1'G1, G1'
- Gleichrichterrectifier
- FU'FU'
- Zündkerzespark plug
- Lp, Lp'Lp, Lp'
- PrimärspulePrimary coil
- Ls, Ls'Ls, Ls'
- SekundärspuleSecondary coil
- U10, U10'U10, U10'
- SpannungsversorgungPower supply
- U8, U8'U8, U8'
- ControllerControllers
- VDD, VDD'VDD, VDD'
- VersorgungsspannungSupply voltage
- U9'U9'
- Thyristor/LeistungsschalterThyristor/circuit breaker
- U9U9
- HalbleiterschalterSemiconductor switch
- I, I'I, I'
- Ladestromcharging current
- GND, GND'GND, GND'
- Masse/MassepotentialGround/ground potential
- U7U7
- KoppelschaltungCoupling circuit
- A1, A2A1, A2
- AusgangssignalOutput signal
- ADCADC
- Analog-Digital-WandlerAnalog-to-digital converter
- IpeakIpeak
- StromwertCurrent value
- T1T1
- SpannungsteilerVoltage divider
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022207487.4A DE102022207487A1 (en) | 2022-07-21 | 2022-07-21 | Ignition device for an internal combustion engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022207487.4A DE102022207487A1 (en) | 2022-07-21 | 2022-07-21 | Ignition device for an internal combustion engine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102022207487A1 true DE102022207487A1 (en) | 2024-02-01 |
Family
ID=89508720
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102022207487.4A Pending DE102022207487A1 (en) | 2022-07-21 | 2022-07-21 | Ignition device for an internal combustion engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102022207487A1 (en) |
-
2022
- 2022-07-21 DE DE102022207487.4A patent/DE102022207487A1/en active Pending
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