DE10221072A1 - Kapazitives Entladungszündungssystem mit verlängerter Funkendauer - Google Patents

Kapazitives Entladungszündungssystem mit verlängerter Funkendauer

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Abstract

Das kapazitive Entladungszündungssystem für einen Verbrennungsmotor umfasst einen Umformtransformator, einen Zündtransformator, einen ersten triggerbaren Schalter S1, wobei die Primärwindungen des Zündtransformators und der Speicherkondensator in Reihe geschalten sind über den triggerbaren Schalter; eine Zündkerze ist in Reihe geschalten mit den Sekundärwindungen des Zündtransformators; eine Gleichstromquelle und ein zweiter triggerbarer Schalter S2 sind in Reihe geschalten mit der Primärseite des Umformtransformators und eine Schaltungsanordnung steuert den ersten und den zweiten triggerbaren Schalter synchron mit dem Motor.

Description

Querverweis der vorliegenden Anmeldung
Die Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/291.808, angemeldet am 17.05.2001.
Anmeldegegenstand
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein kapazitives Entla­ dungszündungssystem zur Verfügung zu stellen, welches in der Lage ist, eine Licht­ bogenentladung zwischen den Zündkerzenelektroden zu bewirken, mit einer Dauer, welche drei- bis sechsmal länger ist, als die typischer, in Verwendung befindlicher Arten von Zündspulen.
Ferner besteht ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung darin, in der Lage zu sein, die verlängerte Funkendauer einstellbar und selektiv modifizierbar zu gestalten, oder außer Betrieb zu setzen, um eine bestmögliche Lebensdauer der Zündkerze zu erhalten.
Sofern die Betriebsbedingungen des Motors Funkenzeiträume erfordern; welche vor­ her vom kapazitiven Zündentladungssystem her nicht verfügbar waren, kann der verlängerte Funken angewendet werden. Das gestattet die Verwendung eines kapa­ zitiven Funkentladungssystem, wo induktive Zündsystemtypen die einzige praktische Wahl darstellen.
Beschreibung der Erfindung
Kurz gesagt besteht die vorliegende Erfindung darin, ein kapazitives Entladungs­ zündsystem (CD) für einen Verbrennungsmotor vorzusehen.
Das Zündsystem umfasst einen Speicherkondensator, der in Reihe geschalten ist mit einer Diode, einen Umformtransformator, bestehend aus Primär- und Sekundärwin­ dungen, wobei dessen Sekundärwindungen in Reihe mit dem Speicherkondensator und der Diode geschalten sind, ferner umfassend einen Zündtransformator, beste­ hend aus Primär- und Sekundärwindungen, einen ersten triggerbaren Schalter, wo­ bei die Primärwindungen des Zündtransformators und der Speicherkondensator über den triggerbaren Schalter in Reihe geschalten sind, dass ferner eine Zündkerze in Reihe mit den Sekundärwindungen des Zündtransformators geschalten ist, umfas­ send eine Gleichstromquelle und dass ein zweiter triggerbarer Schalter in Reihe ge­ schalten ist mit den Primärwindungen des Umformtransformators.
Eine Schaltungsanordnung ist vorgesehen, um den ersten und den zweiten trigger­ baren Schalter synchron zum Motor derart zu steuern, dass während der erste Schalter geöffnet wird der zweite Schalter für eine Periode geschlossen wird, um Energie im Umformtransformator zu speichern und dann geöffnet wird, um die Ener­ gie auf den Speicherkondensator zu übertragen, gefolgt vom Wiederschließen des zweiten Schalters.
Der erste Schalter wird geschlossen, um den Speicherkondensator über die Primär­ seite des Zündtransformators zu entladen. Der zweite Schalter wird wieder geöffnet, um die gespeicherte Energie im Umformtransformator auf die Primärseite des Zündtransformators zu übertragen, um den Stromfluss in der Sekundärseite des Zündtransformators zu verlängern. Die Anzahl der Zeiten N, in welchen der zweite Schalter wieder geöffnet und geschlossen wird und die Zeitperiode T, in welcher der zweite Schalter geschlossen bleibt, wird gesteuert, um die Zeitdauer und die Ampli­ tude des verlängerten Lichtbogenstroms zu regeln.
Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und andere Gegenstände und Vorteile werden erkennbar anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, wobei:
Fig. 1 eine schematische Schaltungsanordnung bezüglich der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine standardgemäße kapazitive Entladungsschaltungswellenform bei 4 kV Spannungsüberschlag, der einen 500 Mikrosekunden-Funken er­ zeugt, zeigt;
Fig. 3 eine standardgemäße kapazitive Entladungsschaltungswellenform bei 19 kV Spannungsüberschlag, der einen 380 Mikrosekunden-Funken er­ zeugt, zeigt;
Fig. 4 eine verlängerte kapazitive Entladungsschaltungswellenform, betreffend die vorliegende Erfindung, bei 5 kV Spannungsüberschlag, der einen 1,920 Mikrosekunden-Funken erzeugt, zeigt;
Fig. 5 eine verlängerte kapazitive Entladungsschaltungswellenform, betreffend die vorliegende Erfindung, bei 19 kV Spannungsüberschlag, der einen 1,920 Mikrosekunden-Funken erzeugt, zeigt;
Fig. 6 eine verlängerte kapazitive Entladungsschaltungswellenform, betreffend die vorliegende Erfindung, mit acht Verlängerungsimpulsen zeigt;
Fig. 7 eine verlängerte kapazitive Entladungsschaltungswellenform, betreffend die vorliegende Erfindung, mit zwölf Verlängerungsimpulsen zeigt;
Fig. 8 eine verlängerte kapazitive Entladungsschaltungswellenform, betreffend die vorliegende Erfindung, mit kurzer Dauer der Verlängerungsimpulse und mit geringem Lichtbogenstrom zeigt und
Fig. 9 eine verlängerte kapazitive Entladungsschaltungswellenform, betreffend die vorliegende Erfindung, mit längerer Dauer der Verlängerungsimpul­ se und mit größerem Lichtbogenstrom zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Gemäß Fig. 1 besteht ein Transformator TR1 aus Primärwindungen und Sekundär­ windungen. Die Primärwindung des ersten Transformators TR1 ist über einen Schalter S2 mit einer Gleichspannungsquelle (DC) verbunden, z. B. einer Batterie. Ein Speicherkondensator C1 ist parallel zu den Sekundärwindungen des Transfor­ mators TR1 angeordnet. Eine Diode D1 ist zwischen der Sekundärwindung des Transformators TR1 und dem Speicherkondensator C1 positioniert. Die Diode D1 ist dabei derart gerichtet, dass sie das Laden des Kondensators C1 mit dem Ladestrom (-ITRSEC) von den Sekundärwindungen blockiert, wenn der Schalter S2 geschlossen ist und der Primärstrom ITRPRI von der Batterie durch die Primärwindungen des Trans­ formators TR1 fließt. Eine Anzahl Dioden D2 ist in Reihe geschalten und parallel ver­ bunden mit dem Speicherkondensator C1. Die Dioden D2 sind derart gerichtet, um bei einem Strom ICAP vom Speicherkondensator C1 zu sperren und einen Durchfluss durch dieselben zu verhindern. Parallel geschalten zu den Dioden D2 ist die Primär­ seite der Zündspule. Die Verbindung der Primärseite der Zündspule und der Dioden D2 wird über einen Schalter S1 hergestellt. Die Zündspule besitzt eine Sekundärsei­ te, die mit einer Funkenstrecke, vorzugsweise der Funkenstrecke einer Zündkerze, verbunden ist.
Wenn der Schalter S1 öffnet, das heißt vor einem Zündzeitpunkt, ist der Schalter S2 geschlossen und der primäre Strom ITRPRI ist in der Lage, durch die Primärwindungen des Transformators TR1 zu fließen. Die Phaseneinstellung der Windungen des Transformators ist derart ausgewählt, dass die Diode D1 den Sekundärstrom -ITRSEC vom Fluss durch die Sekundärwindungen des ersten Transformators TR1 sperrt. Wenn genügend Energie auf der Primärseite des ersten Transformators TR1 gespei­ chert ist, öffnet der Schalter S2 und die Energie des zusammenfallenden Magnetfel­ des über den Sekundärwindungen des ersten Transformators TR1 verursacht, dass ein Sekundärstrom ITRSEC durch die Diode D1 fließt und den Speicherkondensator C1 lädt.
Wenn der Zeitpunkt zur Erzeugung eines Funken gekommen ist, wirct der Schalter S1 geschlossen und die Spannung über dem Ladekondensator C1 wird an die Pri­ märseite der Zündspule gelegt. Nach einer Verzögerung in Abhängigkeit von der In­ duktivität der Spule beginnt der Strom ICAP durch die Primärseite der Zündspule zu fließen. Die Spannung, welche über der Primärseite der Zündspule liegt, ist ursäch­ lich dafür, dass auf der Sekundärseite der Zündspule eine Spannung erzeugt wird, proportional dem Windungsverhältnis der Zündspule. Wenn sich die Sekundärspan­ nung bis zu einem Wert vergrößert, welcher ausreichend ist, einen Funken zu erzeu­ gen, welcher sich über der Funkenstrecke entlädt, beginnt der Sekundärstrom ICOILSEC zu fließen. Während der Sekundärstrom der Zündspule zu fließen beginnt, wird der Schalter S2 geschlossen und der Strom ITRPRI fließt durch die Primärseite des ersten Transformators TR1. Der Sekundärstrom der Zündspule LCOILSEC verringert sich mit abnehmenden Strom ICAP des Ladekondensators C1.
Zu einem geeigneten Zeitpunkt, bevor sich der Sekundärstrom hinreichend vermin­ dert hat, um den Funken, der sich über den Elektrodenabstand entlädt, zum Verlö­ schen zu bringen, wird der Schalter S2 geöffnet und der Sekundärstrom ITRSEC des Transformators TR1 entwickelt sich, welcher durch die Primärseite der Zündspule fließt. In diesem Zeitpunkt besteht der Strom durch die Primärseite der Zündspule ICOILPRI aus der Summe des Sekundärstromes ITRSEC des Transformators TR1 und dem Strom ICAP des Ladekondensators C1. Die Addition des Sekundärstromes ITRSEC aus der Sekundärspule des Transformators TR1 zu einem geeignetem Zeitpunkt gestat­ tet es, die Dauer der Funkenentladung über den Elektrodenabstand zu verlängern. Darüber hinaus ist die Induktivität der Sekundärspule des Transformators TR1 in Reihe geschalten mit der Induktivität der Primärspule der Zündspule. Folglich wird die Induktivität der Schaltungsanordnung, welche den Strom ICOILPRI auf der Primär­ seite der Zündspule erzeugt, vergrößert durch die Addition des Stromes ITRSEC, her­ rührend von den Sekundärwindungen des ersten Transformators TR1. Die Vergröße­ rung der Induktivität durch die Kombination mit dem Sekundärstrom ITRSEC, bereitge­ stellt vom Transformator TR1, vergrößert die Lichtbogendauer über die Summe des Kondensatorstromes ICAP oder des Sekundärstromes ITRSEC des Transformators TR1 allein.
Der Schalter S2 kann eine Anzahl von Zeiteinheiten N geöffnet und geschlossen werden, um den Funkenstrom zu verlängern, wie in Fig. 4 bis 9 dargestellt.
Fig. 2 illustriert die Funktionsweise der Schaltung gegenüber dem Stand der Technik. Angenommen der Kondensator C1 wurde aufgeladen, die Schalter S1 und S2 sind beide geöffnet (nicht leitend). Auf das Ansprechen eines Triggerimpulses wird der Schalter S1 geschlossen (leitend). Dies führt im Ergebnis zu einem sich aufbauen­ den Strom vom Kondensator C1 zur Primärseite des Zündtransformators. Die Span­ nungsspitze über der Primärseite von etwa 180 Volt ist dargestellt durch die mittlere Aufzeichnung von Fig. 2. Das spiegelt sich wider in der Spannungsspitze, die den Durchschlag über dem Elektrodenabstand verursacht, wie dargestellt in der oberen Aufzeichnung von Fig. 2. Die Durchschlagspannung in der Sekundärspule dieses Beispiels beträgt etwa 4 kV. Die Funkendauer beträgt etwa 500 Mikrosekunden. Die untere Aufzeichnung illustriert das Steuersignal, welches den Schalter S2 steuert, um diesen zu schließen und es gestattet, den Kondensator C1 aufzuladen. Es gilt als vereinbart, dass der Schalter S1 zuvor geöffnet wurde.
Fig. 3 ist ähnlich der Fig. 2, abgesehen von unterschiedlichen Bedingungen der Fun­ kenstrecke, wobei die Durchbruchspannung über der Sekundärseite der Zündspule etwa 19 kV beträgt. Das führt zu einem Funken, dessen Dauer auf 380 Mikrosekun­ den reduziert ist. Hinsichtlich des Standes der Technik steht die Funkendauer in Ver­ bindung mit der Durchbruchspannung, welche ein Kennzeichen für die Funkenstrec­ kenbedingung ist.
Fig. 4 illustriert die Funktion einer Schaltung in Bezug auf die vorliegende Erfindung. Nach dem initiierten Schließen des Schalters S1 und dem folgenden Spannungs­ überschlag zwischen den Elektroden, wird der Schalter S2 wiederholt geöffnet und geschlossen, wie dargestellt auf der unteren Aufzeichnung von Fig. 4. In diesem Bei­ spiel wird der Schalter zwölfmal (12) geöffnet und geschlossen innerhalb einer Peri­ ode von 1520 Mikrosekunden. Das führt dazu, dass die Primärseite der Zündspule viele Male angeregt und die Funkendauer bis zu 1920 Mikrosekunden verlängert wird.
Fig. 5 illustriert die Funktionsweise einer Schaltung in Bezug auf die vorliegende Er­ findung in etwa gleicher Weise wie in Fig. 4. Jedoch sind die Bedingungen der Fun­ kenstrecke auf der Primärseite der Zündspule derart eingestellt, dass die Durch­ bruchspannung auf 19 kV vergrößert wird. Die Funkendauer verbleibt jedoch bei den selben 1920 Mikrosekunden. Im Unterschied zu den Funktionsweisen der Schal­ tungsanordnungen des Standes der Technik, steht die Funkendauer nicht in Zu­ sammenhang mit den Elektrodenabstandsbedingungen.
Fig. 6 zeigt, dass die Funkendauer gesteuert werden kann durch die Anzahl von An­ regungsimpulsen, die vom Kondensator C1 bereitgestellt werden. In diesem Fall wird der Schalter S2 achtmal (8) geschlossen und geöffnet innerhalb einer Zeitperiode von 1040 Mikrosekunden und die Funkendauer wurde verlängert bis zu 1440 Mi­ krosekunden.
Fig. 7 stellt die Spannung über dem Kondensator C1 in Funktionsweise in Bezug auf die vorliegende Erfindung dar, wobei nach dem Spannungsdurchschlag der Schalter S2 zwölfmal (12) geschlossen und geöffnet wird innerhalb von 1440 Mikrosekunden. Es ist zu bemerken, dass die Ladung über dem Kondensator C1 annähernd 170 Volt beträgt, bevor der Schalter S1 zu schließen ist. Mit jedem Öffnen und Schließen wird der Kondensator wieder geladen mit bis zu 30 Volt.
Fig. 8 und 9 zeigen den Strom in der Sekundärseite der Zündspule (mittlere Auf­ zeichnung) wie aufgezeichnet. Der Unterschied zwischen den Bedingungen, mit wel­ chen Fig. 8 und 9 aufgezeichnet wurden, besteht in der Zeitdauer in der der Schalter S2 geschlossen war vor dem Wiederöffnen während der Wiederaufladungsperiode. Die mittlere Aufzeichnung stellt den Strom auf der Sekundärseite der Zündspule dar. Verursacht durch eine bedeutende Basisliniendrift erfordert die Aufzeichnung eine Interpretation. Theoretisch wird der Strom niemals negativ. In dem Test, wie er sich nach den Fig. 8 und 9 darstellt, werden zwölf Wiederanregungsimpulse im gleichen Abstand verwendet, zur Verlängerung der Funkendauer. Die Impulse, die das Flie­ ßen eines Stromes auf der Primärseite des Umformertransformators erlauben, sind für den Test gemäß Fig. 9 breiter als Fig. 8. Die Stromspitzen mit den schmalen An­ regungsimpulsen betragen etwa 8 Milliampere währenddessen bei den breiten An­ regungsimpulsen die Stromspitzen etwa 40 Milliampere betragen.
Fig. 4 und 5 zeigen, dass nach der erfindungsgemäßen Lösung die Funkendauer nicht von den Bedingungen innerhalb der Funkenstrecke abhängt. Fig. 6 und 7 zei­ gen, dass die Funkendauer durch Steuerung der Anzahl der Wiederanregungsimpul­ se kontrollierbar ist. Fig. 8 und 9 illustrieren, dass der Strom während der verlänger­ ten Funkendauer gesteuert werden kann durch Steuerung der Breite der Wiederan­ regungsimpulse.
Nach der detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung und um den beson­ deren Forderungen des Patentrechts nach Darstellung des gewünschten Schutzes in einem Patent nachzukommen folgen nunmehr die Ansprüche.

Claims (5)

1. Kapazitives Entladungszündungssystem für einen Verbrennungsmotor, um­ fassend:
einen Speicherkondensator in Reihe geschalten mit einer Diode;
einen Umformtransformator, bestehend aus Primär- und Sekundärwindungen, wobei die Sekundärwindungen hiervon in Reihe geschalten sind mit dem La­ dekondensator und der Diode;
einen Zündtransformator, bestehend aus Primär- und Sekundärwindungen;
einen ersten triggerbaren Schalter (S1), wobei die Primärwindungen des Zündtransformators und der Speicherkondensator in Reihe geschalten sind über den triggerbaren Schalter;
eine Zündkerze, die in Reihe geschalten ist mit den Sekundärwindungen des Zündtransformators;
eine Gleichstromquelle und ein zweiter triggerbarer Schalter (S2), die in Reihe geschalten sind mit der Primärseite des Umformtransformators; und
Mitteln zur Steuerung des ersten und zweiten triggerbaren Schalters synchron mit dem Motor derart, dass, während der erste Schalter geöffnet wird der zweite Schalter geschlossen wird für eine Zeitperiode, um Energie im Um­ formtransformator zu speichern, um nach Öffnung die Energie auf den Lade­ kondensator zu transferieren, gefolgt von dem Schließen des ersten Schal­ ters, um den Ladekondensator über die Primärseite des Zündtransformators zu entladen, während der erste Schalter geschlossen bleibt, der zweite Schalter wird wieder geschlossen und danach geöffnet, um die im Umform­ transformator gespeicherte Energie auf die Primärseite des Zündtransforma­ tors zu transferieren, um den Stromfluss in den Sekundärwindungen des Zündtransformators zu verlängern.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Steuerung der variablen Schalter es gestatten, die Anzahl der Zeiteinheiten (N) variable zu gestalten, in denen der zweite Schalter geöffnet und geschlossen ist, während der erste Schalter geschlossen bleibt während jedes Zündzeitpunktes, zur Steuerung der Lichtbogendauer des Funkens.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Steuerung der variablen Schalter es gestatten, dass die Zeitperi­ ode, in welcher der zweite Schalter geschlossen bleibt vor jeder Wiederholung hiervon, dann geöffnet wird, während der erste Schalter geschlossen bleibt, um eine Variable (T) zu sein, die genutzt wird, um die Amplitude des verlän­ gerten Lichtbogenstromes des Funken zu steuern.
4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, wobei die Mittel zur Steuerung der variablen Schalter es gestatten, die Dauer und die Amplitude des verlängerten Lichtbogenstromes des Funkens unabhängig vom ursprünglichen Spannungsdurchbruch zu steuern, der gefordert ist, um den Funken zu initiieren.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Steuerung der variablen Schalter es einem Mittel gestatten, den zweiten triggerbaren Schalter zu schließen und zu öffnen zu bestimmten zeitli­ chen Intervallen und das Verhältnis von geschlossener Zeit und geöffneter Zeit gesteuert wird, um den Strom während des verlängerten Funkens zu steuern.
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