DE10232756A1

DE10232756A1 - Mikroelektronisches Zündverfahren und Zündmodul mit Zündfunken-Brenndauerverlängerung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10232756A1
Application number: DE10232756A
Authority: DE
Inventors: Leo Kiesling
Original assignee: Pruefrex Elektro Apparatebau GmbH
Current assignee: Pruefrex Elektro Apparatebau GmbH
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2002-07-18
Publication date: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2022-07-19
Also published as: DE10232756B4

Abstract

Elektrisches Zündverfahren für Brennkraftmaschinen, unter Verwendung einer Anordnung mehrerer Spulen und eines sich synchron zur Maschine drehenden Magnetgenerators, dessen Magnetfeld dabei die Spulen zeitweise durchflutet und darin pro Umdrehung eine Folge von Magnetflußänderungen erzeugt, wobei eine Folge entsprechender Wechselspannungs-Halbwellen in den Spulen induziert wird, die verwendet werden: DOLLAR A - zum Laden eines Energiespeicherelementes, das durch Betätigen eines Zündschalters über die Primärspulenentwicklung eines Zündübertragers zum Auslösen eines Zündfunkens entladen wird, und DOLLAR A - zur Bildung der Spannungsversorgung für eine mikroelektronische und/oder programmierbare Steuerung, die zur Betätigung des Zündschalters in einem Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von erfaßten Wechselspannungs-Halbwellen und/oder vom Zustand der Brennkraftmaschine, beispielsweise deren Drehstellung oder Drehzahl, eingesetzt wird, DOLLAR A wobei innerhalb einer Umdrehung für die Auslösung des Zündfunkens zur Verlängerung seiner Brenndauer ein solcher Zeitabschnitt gewählt wird, in dem die Primär- und/oder Sekundärspulenwicklung gerade von einer der Magnetflußänderungen beeinflußt wird, und der Betrag oder Hub der zur Brenndauer-Verlängerung verwendeten Magnetflußänderung innerhalb der jeweiligen Folge am größten ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrisches Zündverfahren für Brennkraftmaschinen, unter Verwendung einer Anordnung mehrerer Spulen und eines sich synchron zur Maschine drehenden Magnetgenerators, dessen Magnetfeld dabei die Spulen zeitweise durchsetzt und darin pro Umdrehung eine Folge von Magnetflussänderungen erzeugt. Dabei wird in oder an den Spulen eine Folge entsprechender Wechselspannungshalbwellen in den Spulen induziert. Diese werden zu folgendem verwendet:

- zum Laden eines Energiespeicherelements, das durch Betätigen eines Zündschalters über die Primärspulenwicklung eines Zündübertragers zum Auslösen eines Zündfunkens entladen wird, und
- zur Bildung der Spannungsversorgung einer mikroelektronischen und/oder programmierbaren Steuerung (zum Beispiel Mikrocontroller), die zur Betätigung des Zündschalters in einem Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von erfassten Wechselspannungs-Halbwellen und/oder vom Zustand der Brennkraftmaschine, beispielsweise deren Drehstellung oder Drehzahl, eingesetzt wird.

Ferner betrifft die Erfindung ein Zündmodul, geeignet zur Durchführung des gattungsgemäßen Zündverfahrens, das einen magnetisierbaren und von mehreren Induktionsspulen umgebenen Jochkern aufweist. Dieser ist konstruktivgeometrisch mit einem ersten und einem zweiten Schenkel gestaltet. Der erste Schenkel ist von einer Ladespule umgeben, während der zweite Schenkel wenigstens von den Primär- und Sekundärspulen eines Zündübertragers umgeben ist. Mit der Ladespule ist das Energiespeicherelement verbunden. Weiter betrifft die Erfindung ein Computerprogramm-Erzeugnis mit Programmcodeelementen, die zur Ausführung auf der programmierbaren Steuerung vorgesehen sind, um das genannte Verfahren umzusetzen.
Zur Erzielung einer verlängerten Brenndauer und einer hohen Funkenenergie ist es aus US 4 538 586 bekannt, den Zündfunken in einem Winkelbereich auszulösen, in dem gerade im Kern des Zündübertragers ein Flusswechsel durch das sich vorbeidrehende Polrad des Magnetgenerators bewirkt wird. Dadurch wird in der Sekundärspule des Zündübertragers eine Spannung induziert, die zur Verlängerung der Brenndauer und zur Energieanreicherung des Zündfunkens genutzt wird. Dadurch entflammt das Brennstoff-Gemisch im Verbrennungsmotor sicherer. Konkret wird vorgeschlagen, lediglich einen Nebenflusswechsel zur Brenndauerverlängerung zu verwenden, nämlich mit Beginn der letzten, vom Amplitudenbetrag her zweitgrößten Wechselspannungs-Halbwelle einer Halbwellenfolge den Zündvorgang auszulösen. Damit wird immerhin eine verminderte Bedämpfung des Hauptflusswechsels erreicht, der für die dem Zünden vorausgehende Ladephase genutzt wird.
Aus DE 38 17 187 C2 ist es bekannt, in einer Zündschaltung mittels einer Diode Spannungshalbwellen, die nicht einer Durchlaßrichtung entsprechen, abzuleiten und dadurch zu einer ununterbrochenen, gedämpften Schwingung in der Primärwicklung des Zündübertragers und im sich darüber entladenden Ladekondensators beizutragen. Dadurch soll eine lange Funkenbrenndauer gewährleistet sein. Die Schaltung, die eine mikroelektronischen und/oder programmierbaren Steuerung nicht aufweist, verursacht, vergleichbar wie nach US 4 538 586 oder US 5 513 619, nur eine geringe Stromentnahme aus der Ladespule im Winkelbereich des Zündens.
Aus US 5 513 619 (siehe dort insbesondere Fig. 6b) ist ein Zünd-Modul etwa der eingangs genannten Art mit einer zweischenkligen Spulenanordnung bekannt. Der in Drehrichtung des Magnet-Polrads erste Schenkel ist von der Zündspule 124, und der nachfolgende zweite Schenkel von einer Ladespule 126 umgeben. Der Zündzeitpunkt findet wiederum gerade dann statt, wenn durch einen Magnetflusswechsel in der Sekundärspule des Zündübertragers eine Spannung induziert wird, wodurch das Brennen des Zündfunkens möglichst lange beibehalten wird. Allerdings ist bei dieser Zündanlage eine Möglichkeit zu einer flexiblen Verstellung des Zündzeitpunkts unter flexibler Anpassung an unterschiedliche Polrad-Jochkernschenkel-Geometrien diverser Verbrennungsmotor-Typen nicht gegeben.
In DE 197 36 032 A1 ist eine Zündverfahren etwa der eingangs genannten Art beschrieben, wobei von einem zweischenkligen, etwa U-förmigen Jochkern lediglich der in Drehrichtung erste Schenkel zur Halterung und Verstärkung des Magnetflusses der zum Laden und Triggern verwendeten Spulen sowie des Zündübertragers dient. Zur Erhöhung der technischen Zuverlässigkeit und Sicherheit wird vorgeschlagen, innerhalb jeder Maschinendrehung die programmierbare Steuerung (beispielsweise Einchip-Mikrocomputer) wenigstens einmal in seinen Ausgangszustand zurückzuversetzen ("RESET") beziehungsweise neu zu initialisieren um etwa vorhandene, nachteilige Störeinwirkungen von außen nachhaltig zu eliminieren. Ferner wird das Problem der Sicherstellung des Brenndauer des Zündfunkens für den Fall angesprochen, dass das Ansteuersignal vom Mikrocontroller bzw. der Steuerung am Zündschalter während der Kondensator-Entladung beispielsweise wegen einer Störbeeinflussung durch den Zündfunken abbricht. Dazu wird eine Auslegung des Entladestromkreises derart vorgeschlagen, dass durch einen kurzen Impuls vom Mikrocontroller die Entladung des Energiespeicherelements gestartet wird und der Entladevorgang sich aufgrund eines Differenzierglieds bis zur ausreichenden Entladung aufrechterhält. Allerdings ist dabei ein besonderer Aufwand der spezifischen Beschaltung des Differenzierglieds zu betreiben, damit nach Beendigung des Entladevorgangs im Energiespeicherelement noch eine Restladung gleichsam als "Vorladung" für die nächste Zündfunken-Auslösung mit dann entsprechend verlängerter Zündfunkendauer verbleibt. Ferner ist wiederum vorgeschlagen, lediglich einen Nebenflusswechsel zur Brenndauerverlängerung zu verwenden, nämlich mit Beginn der ersten Wechselspannungs-Halbwelle einer Halbwellenfolge den Zündvorgang auszulösen. Immerhin wird damit eine sichere Orientierung der Steuerung hinsichtlich Winkelstellung anhand der nachfolgenden Halbwellen ermöglicht.
Zum weiteren Stand der Technik wird auf US 5 392 753, US 4 924 831, US 6 009 865, DE 40 17 478 und EP 0 394 656 B1 verwiesen.
Demgegenüber stellt sich die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile ein gattungsgemäßes Zündverfahren derart weiterzuentwickeln, dass ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand eine Verlängerung der Zündfunken-Brenndauer (sogenannter Nachschiebeeffekt) unter gleichzeitiger Optimierung der Energiehaltigkeit des Zündfunkens erzielbar ist.
Zur Lösung wird bei einem Zündverfahren mit den eingangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass innerhalb einer Umdrehung für die Auslösung des Zündfunkens zur Verlängerung seiner Brenndauer ein solcher Zeitabschnitt gewählt wird, in dem die Primär- und/oder Sekundärspulenwicklung des Zündübertragers gerade von einer der Magnetflussänderungen beeinflusst wird, und der Betrag oder Hub der zur Brenndauer-Verlängerung verwendeten Magnetflussänderung innerhalb der jeweiligen Folge am größten ist. Damit wird der beim eingangs genannten Stand der Technik vorherrschende Weg verlassen, lediglich den letzten Magnetflusswechsel einer Folge zur Triggerung der Zündung und zur Versorgung des Zündübertragers mit Energie zu verwenden. Stattdessen wird der Zündzeitpunkt bzw. die Lage des Zündwinkels relativ zum Flusswechsel so gelegt, dass in diesem Drehwinkelbereich oder Winkelabschnitt in der Sekundärspule des Zündübertragers die stärkste Magnetflussänderung (sogenannter Hauptflußwechsel), ausgelöst vom sich vorbeidrehenden Magnetgenerator-Polrad, zur Auswirkung kommt. Diese Magnetflussänderung kann, in Weiterführung des Erfindungsgedankens, dann alleine für eine Brenndauerverlängerung zur Verfügung stehen, weil dann weder von den Spulen für die Ladung des Energiespeicherelements noch zur Spannungsversorgung des Mikrocontrollers Energie entzogen werden muss. Dies ermöglicht ein Nachbrennen des Zündfunkens über eine Funkenstrecke mit einem maximalen Strom bzw. mit maximaler Funkenenergie.
Im Rahmen einer Erfindungsalternative kann auch die Brenndauerverlängerung und das induktive Nachschieben von Zündenergie allein dadurch bewirkt werden, dass in dem gewählten Zeitabschnitt der Magnetflussänderung eine Verwendung der Wechselspannungs-Halbwellen wenigstens für das Bilden der Spannungsversorgung des Mikrocontrollers bzw. der Steuerung ausgeschlossen ist oder wird. Indem so eine Magnetflussänderung und dadurch induzierte Wechselspannungs-Halbwelle nicht mehr durch Energieentzug für die Mikrocontroller-Spannungsversorgung in ihrer Wirkung geschwächt wird, kann sich bereits eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Brenndauer- Verlängerung in Verbindung mit flexibel programmierbarer Zündzeit-Verstellung ergeben.
Ein mit beiden Erfindungsalternativen gemeinsam erzielbarerer Vorteil besteht darin, dass für die Initiierung des Zündfunkens nur noch geringere Energie notwendig ist. In weiterer vorteilhafter Konsequenz lässt sich als Energiespeicherelement eine Zündkondensator mit verhältnismäßig geringer Kapazität, zum Beispiel 0,47 µF statt 0,68 µF oder 1 µF verwenden, was einen Vorteil hinsichtlich Bauvolumen und Kosten ergibt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung wird die Lage des Zündzeitpunkts bzw. der auf die Magnetgenerator-Umdrehung bezogene Zündwinkel relativ zu den die Spulen durchsetzenden Magnetflussänderungen so gelegt, dass in dem den Zündzeitpunkt umfassenden Zeitabschnitt eine Verwendung der Wechselspannungs-Halbwellen auch für das Laden des Energiespeicherelements ausgeschlossen ist oder wird. Damit kann die gegebenenfalls stärkste Magnetflussänderung (mit dem größten Betrag oder Hub) alleine für die Brenndauerverlängerung ausgenutzt.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Spulenanordnung verwendet, die sich konstruktiv-geometrisch über zwei ausgeprägte Schenkel vorzugsweise eines Eisen- bzw. Jochkerns vorzugsweise in U-Form erstreckt. Dabei wird der Magnetgenerator innerhalb einer Gesamt-Umdrehung jeweils mit seinem ersten und danach mit seinem zweiten Magnetpol hintereinander am ersten und dann am zweiten Schenkel vorbeibewegt. Mit Vorteil wird dabei die sich im zweiten Schenkel und dort an dritter Stelle pro Umdrehung oder Folge ereignende Magnetflussänderung unmittelbar dem Zündübertrager zugeführt. Der erzielte Effekt besteht in der effizienten Verlängerung der Zündfunken-Brenndauer. Zudem lassen sich mit der Verteilung der Spulen über zwei (voneinander entfernte) Schenkel die Spulen-Wechselwirkungen vermindern, wodurch insbesondere die sich aus den Spulen ergebenden Wechselspannungs- Halbwellen bei Energieentnahme weniger gedämpft werden.
Damit ist der Weg zu einer weiteren Erfindungsausbildung eingeschlagen, nämlich die im ersten und zweiten Schenkel pro Umdrehung oder Folge jeweils zeitlich an zweiter Stelle auftretenden Magnetflussänderungen bzw. resultierenden Wechselspannungs-Halbwellen an den Spulen der jeweiligen Schenkel parallel und/oder etwa zeitgleich zum Laden des Energiespeicherelements und zur Spannungsversorgung der Steuerung zu nutzen. Aufgrund der Anordnung auf verschiedenen Schenkeln findet eine gegenseitige Bedämpfung der Ladespule und der Spannungsversorgungsspule nur noch in stark vermindertem Umfang statt. Auf dieser Basis ist eine weitere Ausbildung zweckmäßig, nach der zur Bildung der Spannungsversorgung eine der Wechselspannungs-Halbwellen des zweiten Schenkels innerhalb der betreffenden Umdrehung oder Folge in demjenigen Zeitabschnitt genutzt wird, in dem im ersten Schenkel die Magnetflussänderung und/oder resultierende Halbwelle mit dem größten Betrag oder Hub auftritt. Letztere kann, in vorteilhafter Weiterbildung, zum Laden des Energiespeicherelements genutzt werden. Es findet also die Spannungsversorgung der Steuerung während dem zweit- und drittstärksten Magnet-Fluss durch die Zündspule und der Ladephase des Energiespeicherelements, insbesondere Zündkondensators statt, wobei der stärkste Flusswechsel in der Ladespule erfolgt.
Mit besonderem Vorteil läßt sich das Energiespeicherelement, insbesondere Zündkondensator, innerhalb der betreffenden Umdrehung oder Folge mit zwei Halbwellen, vorzugsweise der zweiten, insbesondere stärksten/größten, und vierten oder letzten einer Halbwellen-Folge aufladen. Dadurch wird am Ende einer Halbwellenfolge das Energiespeicherelement bereits vorgeladen und in der nächsten Halbwellen-Folge mit der zweiten und insbesondere stärksten Halbwellen-Folge weiter aufgeladen. Das Energiespeicherelement erfährt also durch den Hauptflusswechsel der Ladespule die Hauptladung. Besonders bei hohen Drehzahlen, wo wegen der kürzeren Umdrehungszeit die maximale Aufladung des Energiespeicherelements nicht mehr erreicht wird, ist dies zweckmäßig.
Mit der zweischenkligen Spulenanordnung ist es auf der Basis der Erfindung möglich, die in jedem Schenkel jeweils stärkste Magnetflussänderung einerseits für das Laden des Energiespeicherelements und andererseits für das Nachschieben von Energie in die Sekundärspule im Zündzeitbereich zu nutzen.
Ein weiterer Vorteil der zweischenkligen Spulenanordnung ergibt sich aus der Erfindungsausbildung, wonach der Steuerung Wechselspannungs-Halbwellen von den Spulen beider Schenkel zur Verarbeitung zugeführt, und dabei die Halbwellen unterschiedlicher Spulen innerhalb der Steuerung in zeitlichem Bezug zueinander gesetzt werden. Daraus kann die Steuerung mittels geeigneter Auswerte-Software beispielsweise Drehrichtung, Drehstellung und/oder Drehzahl des Magnetgenerators bzw. der Brennkraftmaschine ermitteln. Davon abhängig wiederum lässt sich die Verstellung und der Auslösezeitpunkt für den Zündfunken innerhalb der Steuerung berechnen oder flexibel einstellen.
Im Start-Drehzahlbereich sind die Drehzahlen bzw. die entsprechenden Magnetflussänderungen relativ niedrig, so dass eine ökonomische Ausnutzung der induzierten, elektrischen Energie geboten ist. Es wird deshalb erfindungsgemäß angestrebt, die Steuerung nur über einen minimalen Winkelbereich bis zum Zündzeitpunkt mit Betriebsspannung versorgen zu müssen. Entsprechend wird nach einer Erfindungsausbildung der Zündzeitpunkt, jedenfalls wenn die Brennkraftmaschine im Start-Drehzahlbereich läuft, innerhalb eines Zeitabschnitts mittels der Steuerung ermittelt, verstellt und/oder ausgelöst, der maximal einer Drehung des Magnetgenerators um bis zu etwa 80° entspricht. Zweckmäßig werden innerhalb dieses relativ geringen Winkelbereiches alle für die Auslösung des Zündzeitpunkts relevanten Daten aus den Halbwellensignalen von den Steuerung gewonnen und ausgewertet.
Je nach unterschiedlichen Typen von Verbrennungsmotoren kann der Abstand des Zündzeitpunkts vom oberen Totpunkt im Arbeitsdrehzahlbereich zu dem im Start-Drehzahlbereich abweichen. Um gleichwohl gleich aufgebaute Spulenanordnungen und Zündmodule für verschiedene Motoren verwenden zu können, ist eine Flexibilität der winkelbezogenen Zündungsauslösung durch das jeweilige Zündmodul anzustreben. In dieser Hinsicht ist es vorteilhaft, wenn nach einer zweckmäßigen Erfindungsausbildung pro Umdrehung oder innerhalb der jeweiligen Folge der Zündzeitpunkt innerhalb eines Zeitabschnitts verstellt oder ausgelöst wird, der durch die Magnetflussänderungen bzw. resultierenden Wechselspannungs-Ladehalbwellen mit dem größten Betrag oder Hub oder der größten Amplitude innerhalb einer Folge sowie durch die jeweils nachfolgenden Magnetflussänderungen bzw. Wechselspannungs-Ladehalbwellen definiert bzw. begrenzt ist. Dabei ist es von besonderem Vorteil, Mangetflussänderungen des etwaigen zweiten Schenkels der Spulenanordnung zu nutzen. Somit lässt sich bei dieser Ausbildung die Zündungsauslösung flexibel programmieren. Denn, wie oben beschrieben, ist eine bestimmte Polradstellung relativ zum Zündtransformator für einen optimal energiereichen Zündfunken erforderlich. Bei abweichendem Winkelabstand zur Startkurve müsste ohne die Erfindung das Triggerelement mechanisch nach früh versetzt werden. Auf der Basis der Erfindung lässt sich das Kriterium für den Zündzeitpunkt einfach zum Beispiel über eine früher auslösbare Schwellwertentscheidung anhand der von den Spulen abgeleiteten Eingangssignale der Steuerung wählen oder programmieren.
Entsprechend eingangs angesprochener DE 197 36 032 A1 ist es vorteilhaft, die Steuerung periodisch in einen definierten (Ausgangs-) Zustand zu versetzen. Dazu wird durch gegenüber der Steuerung externer Hardware-Mittel abhängig von der jeweiligen Magnetgenerator-/Polrad-Stellung ein RESET-Signal erzeugt und der Steuerung eingegeben, wodurch deren Neuinitialisierung ausgelöst wird. Diese muß außerhalb des Zeitraumes für die Berechnung und Verstellung des Zündzeitpunktes stattfinden, da alle Steuerungsaktivitäten bis dahin abgeschlossen sein müssen und erst für einen erneuten Zünd-Zyklus wieder anlaufen. Innerhalb der Steuerung gespeicherte Daten können allerdings über den Zeitpunkt des RESET-Signals/der Neuinitialisierung hinweg erhalten bleiben, weil dabei der flüchtige Arbeitsspeicher der Steuerung (RAM) nicht gelöscht zu werden braucht. Dem gegenüber wird gemäß Erfindung vorgeschlagen, wenigstens gleich zweimal pro Umdrehung die Steuerung synchron zu vorbestimmten Stellungen der Brennkraftmaschine und des damit synchronisierten Magnetgenerators in einen Ausgangszustand zurückzuversetzen und/oder neu zu initialisieren. Gleichzeitig wird jeweils ein steuerungsinterner oder mit der Steuerung zusammenwirkender Zeitzähler gestartet. Werden dessen Zählergebnisse in Bezug zum zeitlichen Auftreten von durch die Steuerung erfaßten Wechselspannungs-Halbwellen gesetzt, so lassen sich daraus mittels der Steuerung bzw. deren Rechenwerk die Drehrichtung, Drehstellung und/oder Drehzahl des Magnetgenerators ermitteln. Diese Informationen können als (Funktions-)Argumente für die Ermittlung des Zündzeitpunktes, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme vorab abgespeicherter Tabellen, verwendet werden. Mit dem Rücksetzen bzw. Neuinitialisieren bei vorbestimmten (Drehwinkel-) Stellungen der Brennkraftmaschine bzw. des damit gekoppelten Magnetgenerators, beispielsweise bei 60 Winkelgraden vor dem oberen Totpunkt des Hubkolbens und bei dem oberen Totpunkt selbst, ergibt sich für die in der Steuerung ablaufende Signal- und Datenverarbeitung eine erste Orientierung und Information über die jeweilige Drehwinkellage. Mit Hilfe des genannten Zeitzählers bzw. -gebers in Kombination mit von der Steuerung programmierbaren und abfragbaren Schwellwertentscheidern läßt sich dann noch die Fein-Winkellage ermitteln.
Gemäß einer weiteren Ausbildung des Gedankens des zweimaligen Rücksetzens pro Umdrehung erfolgt letzteres jeweils in den Halbwellen, welche für die Spannungsversorgung der Steuerung verwendet werden. Insbesondere können zur Erzeugung der RESET-Signale jeweils die erste Flanke oder auch die Scheitelpunkte dieser Halbwellen verwendet werden. Ein Vorteil in Verbindung mit der über zwei Schenkel verteilten Spulenanordnung läßt sich dadurch erzielen, dass die Steuerung Schwellwertüber- oder -unterschreitungen der Spulensignale von unterschiedlichen Schenkeln detektiert und deren relative, zeitliche Lage zueinander ermittelt.
Um bei Zündmodulen mit den eingangs genannten Merkmalen die Anwendungsflexibilität bezüglich unterschiedlicher Polrad-Jochschenkel- Geometrien zu erhöhen und eine optimale Zündfunken-Brenndauer gleichzeitig zu erreichen, wird im Rahmen der allgemeinen erfinderischen Idee dazu vorgeschlagen, eine mikroelektronische und/oder programmierbare Steuerung für das Zündmodul vorzusehen, die mit den Spulen zur Abtastung, Verarbeitung und/oder Bewertung von deren Wechselspannungs-Halbwellen verbunden und zur Betätigung des Zündschalters abhängig von den Wechselspannungs- Halbwellen ausgebildet ist. Dabei ist ein zur Spannungsversorgung vorgesehener Eingang der Steuerung über einen Gleichrichter mit einer Spule des zweiten Schenkels verbunden. Durch letztere Maßnahme läßt sich erreichen, dass eine etwa auf dem ersten Schenkel angebrachte Ladespule durch die räumliche Entfernung von einer Spannungsversorgungsspule auf dem zweiten Schenkel vorzugsweise an dessen freien Ende bei der Erzeugung von Ladeenergie für das Energiespeicherelement weniger beeinträchtigt wird.
Ferner liegt im Rahmen der allgemeinen erfinderischen Idee ein Computerprogramm mit Programmcode-Elementen, die beim Laden in einen Programmspeicher der Steuerung und Starten des Computerprogramms elektronisch ausgelesene Steuersignale ergeben, die mit einem Prozessor der Steuerung so zusammenwirken, dass die vorgenannten, von der Steuerung ausführbaren Verfahrensschritte umgesetzt werden. Weiter liegt im Rahmen der allgemeinen erfinderischen Idee ein digitales Speicher- oder Trägermedium, welches die Programmcode-Elemente umfaßt und für den Programmspeicher der Steuerung bereit hält.
Weitere Einzelheiten, Merkmale, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie aus den Zeichnungen. Diese zeigen jeweils schematisch in:
Fig. 1 in axialer Teil-Draufsicht die Ausführung und das Zusammenwirken des Magnetgenerators mit wenigstens einem Teil des Zündmoduls in der den Hauptflußwechsel und den erfindungsgemäßen Nachschiebeeffekt auslösenden Stellung,
Fig. 2a-2d die zeitlichen Verläufe der in den Spulen vorherrschenden Spannungen und magnetischen Flüsse untereinander in jeweils unterschiedlichen Skalierungen im jeweils gleichen Zeitabschnitt und -maßstab,
Fig. 3a die Lage des Zündwinkels aufgetragen über unterschiedliche Drehzahlbereiche,
Fig. 3b eine Wiedergabe der Spannungsverläufe im zweiten Jochkern-Schenkel aus Fig. 2a,
Fig. 3c den prinzipiellen Spannungsverlauf über der Zündfunkenstrecke FU im Zeitmaßstab und -abschnitt der Fig. 3b,
Fig. 3c1 eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 3c umkreisten Zeitabschnitts für den Spannungsverlauf über die Zündfunkenstrecke FU,
Fig. 3c2 den Brennstrom der Zündfunkenstrecke FU im Zeitmaßstab und -abschnitt der Fig. 3b,
Fig. 3d den zeitlichen Verlauf der Spannungsversorgung der Steuerung im gleichen Zeitmaßstab und -abschnitt wie nach Fig. 3b und 3c,
Fig. 3e den zeitlichen Verlauf des Rücksetzsignals RESET1 für die Steuerung im gleichen Zeitmaßstab und -abschnitt wie nach Fig. 3b-3d,
Fig. 3f einen alternativen, zeitlichen Verlauf des Rücksetzsignals RESET2 im gleichen Zeitmaßstab und -abschnitt wie nach Fig. 3b-3e,
Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild für das erfindungsgemäße Zündmodul,
Fig. 5 in vergrößerter Darstellung die Schaltungen zur Erzeugung des Rücksetzsignals und der Spannungsversorgung jeweils für die Steuerung, und
Fig. 6 einen Teil der Steuerung mit Signalabtastungs-Eingängen und vorgeordneter Signalpegel-Abschwächschaltung.
Gemäß Fig. 1 ist ein Polrad P angeordnet und mit einem (nicht gezeichneten) Verbrennungsmotor derart gekoppelt, dass das Polrad P synchron mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors rotiert. Im peripheren Bereich des Polrades P ist ein Dauermagnet M baulich integriert, um dessen Polbereiche herum magnetisch leitende Polschuhe S. N angebracht sind. Die genannten Teile bilden zusammen einen Magnetgenerator P, M, S, N, der vom Verbrennungsmotor beispielsweise in eine Drehrichtung D entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird. Dabei werden die Magnetpole bzw. Polschuhe S (Südpol), N (Nordpol) in ihrer genannten Reihenfolge an einem eisernen, weichmagnetischen Jochkern K jeweils zunächst an dessen ersten Schenkel Ka und dann an dessen zweiten Schenkel Kb vorbeibewegt. Die beiden Schenkel Ka, Kb sind über einen Mittelteil Km des Jochkerns K unter Bildung einer U-Form miteinander verbunden. Mit jeder Drehung in Richtung D wird der Jochkern K bzw. seine Schenkel Ka, Kb periodisch über einen Luftspalt L von einem jeweiligen Magnetfluß Ba bzw. Bb durchflutet. Der in Drehrichtung D zuerst durchflutete Schenkel Ka ist von einer Ladespule U1 umgeben, worin durch die beim Vorbeidrehen entstehenden Magnetflußänderungen eine Spannung induziert wird. Gemäß Fig. 4 wird mit dieser Ladespannung über einen Gleichrichter U3 ein Energiespeicherelement U4 in Form eines Zündkondensators aufgeladen. Ein mit dem Eingang des Energiespeicherelements U4 verbundener und gegen Masse durchschaltbarer Zündschalter U9 wird in einer bestimmten Winkelstellung (Zündzeitpunkt) von einer Triggerschaltung beziehungsweise Steuerung U8 angesteuert, wobei das Energiespeicherelement U4 sich über die Primärspule Lp eines Zündübertragers U5 entlädt. Letzterer ist gemäß Fig. 1 mit seiner Primär- und Sekundärspule Lp,Ls um den in Drehrichtung D als zweiten vorkommenden Jochkern-Schenkel Kb herum angeordnet. Ebenso umgibt eine Spannungsversorgungsspule U2 den zweiten Jochkern-Schenkel Kb in dessen am Luftspalt L angrenzenden Endbereich. Gemäß Fig. 4 ist der Ausgang c der Spannungsversorgungsspule U2 mit einer Spannungsversorgungseinheit U10 verbunden, welche die Betriebsspannung VDD für die Steuerung U8, beispielsweise ein programmierbarer Mikrocontroller, erzeugt. Weiterhin ist die Steuerung so ausgelegt, dass diese nur geringe Energie von der Spule U2 benötigt. Dazu ist die Ladespule U2 mit dem dünnen Draht der Sekundärwicklung Ls des Zündübertragers U5 gewickelt, woraus Fertigungs- und Lagerhaltungsvorteile erzielbar sind.
Gemäß Fig. 4 ist die Steuerung U8 intern mit einem Analog-Digital-Wandler ADC mit wenigstens den beiden analogen Signalabtastungseingängen A1, A2 versehen. Diesen ist eine Signalpegel-Abschwächschaltung U7 vorgeschaltet, die mittels Portanschlüsse P1. . .P4 der Steuerung U8 durch diese einstellbar und an jeweilige Signalstärken der Spulen anpaßbar ist (siehe unten Fig. 6). Eingangsseitig ist die Abschwächschaltung U7 mit dem Ausgang a der Ladespule U1 und parallel mit dem Ausgang c der Spannungsversorgungsspule U2 verbunden, um diese Signale, abgeschwächt je nach Zustände der Portanschlüsse P1. . .P4, den Signalabtastungseingängen A1, A2 der Steuerung U8 zuzufügen. Mit Hilfe eines extern der Steuerung U8 zugeschalteten Taktgenerators U6 läßt sich in der Steuerung U8 intern ein Zeitgeber oder Zeitzähler bilden, welcher in Kombination mit dem Analog-Digital-Wandler ADC oder auch eines Schwellwertentscheiders (siehe unten Fig. 6) anhand der über die Abschwächschaltung U7 erfaßten Wechselspannungs-Halbwellen von der Ladespule U1 und der Spannungsversorgungsspule U2 die jeweilige Zeitdauer für unterschiedliche Winkelabschnitte messen kann. Abhängig von der Auswertung der Zeitdauer der erfaßten Winkelabschnitte wird dann über den Ansteuerausgang g der Steuerung U8 der Zündschalter U9 zum ermittelten Zündzeitpunkt betätigt. Die Entladeseite k des Zündkondensators U4 ist direkt mit der den zweiten Jochkern-Schenkel Kb umgebenden Primärspule Lp des Zündübertragers U5 verbunden. Damit gekoppelt ist die zum Hoch- Transformieren ausgelegte und ebenfalls den zweiten Jochkern-Schenkel Kb umgebende Sekundärspule Ls, deren Ausgang zu der Zündfunkenstrecke FU führt.
Weiter ist gemäß Fig. 4 das Zündmodul mit einer Rücksetzschaltung U11 versehen, deren Eingangsseite d von der Spannungsversorgungseinheit U10 aus gespeist wird. Ausgangsseitig ist die Rücksetzschaltung U11 mit dem RESET- Eingang der Steuerung U8 verbunden.
Gemäß Fig. 5 ist eine erste Ausführungsform der Rücksetzschaltung U11 mit dem Ausgangssignal RESET1 als Impulsformerstufe ausgebildet, bestehend aus einem Differenzierkondensator Cd und einer nachgeschalteten Transistorstufe T11, woraus das Ausgangssignal RESET1 für die Steuerung U8 gewonnen wird. Das Eingangssignal für die Rücksetzschaltung U11 wird von der Spannungsversorgungseinheit U10 abgeleitet, nämlich unmittelbar nach deren Eingangsgleichrichter D1. Alternativ liegt auch eine (nicht gezeichnete) Serienschaltung von zwei solchen, einander gleichartigen Impulsformerstufen im Rahmen der Erfindung, woraus das alternative Rücksetzsignal RESET2 (vgl. Fig. 3f) abgeleitet und an den Eingangspin RESET von der Steuerung U8 angelegt wird. Ein Vorteil der alternativen Rücksetz-Serienschaltung mit dem Ausgangssignal RESET2 gegenüber der erstgenannten Anordnung mit einer Impulsformerstufe U11 besteht darin, dass der Zündzeitpunkt noch mehr verzögert ausgelöst werden kann. Während aktivem RESET-Eingangssignal (in der Regel mit Low-Pegel) kann die Steuerung nicht arbeiten. Nach der zweitgenannten Alternative gemäß Fig. 3f steht der Ausgangspegel RESET2 mit einem Nadeleinbruch erst in einer späteren Winkelstellung auf Low. Denn im Rahmen der genannten Serienschaltung bildet das Signal RESET1 gemäß Fig. 3e das Eingangssignal für die zweite (nicht gezeichnete) Impulsformerstufe, wobei ein Signalanstieg von dem Eingangsignal RESET1 einen Low-Pegel des Ausgangssignals RESET2 nach Fig. 3f bedeutet. Der Differenzierkondensator Cd in der zweiten gleichartigen Stufe der alternativen Rücksetzschaltung erzeugt eine positive Spannung an der Basis des Transistors T11 in Emitterschaltung, woraus am Kollektor das um 180 Grad phasengedrehte Ausgangssignal RESET2 der Fig. 3f resultiert. Somit kann die Steuerung für einen längeren Zeitraum aktiv arbeiten, also auch in einer späteren Winkelstellung einen Zündfunken auslösen.
Gemäß Fig. 5 wird die Energie für die Spannungsversorgungseinheit U10 der Steuerung U8 aus der Spannungsversorgungsspule U2 auf dem zweiten Jochkern-Schenkel Kb in Verbindung einer Magnetflußänderung gewonnen und über den Spulenausgang c dem Eingangsgleichrichter D1 zugeführt. Um die von der Spannungsversorgungsspule U2 entnommene Energie zu begrenzen, ist es zweckmäßig, die Windungszahl der Spannungsversorgungsspule auf < 1000 festzulegen und/oder zwischen Spule oder Eingangsgleichrichter D1 und Spannungsversorgungskondensator Cv einen Vorwiderstand Rv zu schalten, dessen Widerstand zusammen mit dem Innenwiderstand der Spannungsversorgungsspule größer als 100 Ohm ist. Zweckmäßig liegt die Kapazität des Spannungsversorgungskondensators Cv bei maximal 33 µF, vorzugsweise 22 µF. Ferner ist es zweckmäßig, eine Steuerung, insbesondere Mikrocontroller, mit einem großen Versorgungsspannungsbereich zu verwenden. Dafür sind heutzutage Typen mit 2,5 V. . .5,5 V und einer Stromaufnahme von weniger als 1 mA auf dem Markt erhältlich. Schließlich sind gemäß Fig. 5 innerhalb der Spannungsversorgungseinheit U10 dem Spannungsversorgungskondensator Cv ein RC-Tiefpaß (gegen Masse GND geschaltet) und eine Spannungsstabilisierungsdiode D2 nachgeordnet. An der Anoden-Klemme der letzteren wird die Betriebsspannung VDD für die Steuerung entnommen.
Gemäß Fig. 6 besteht die der Ankopplung der Steuerung U8 an die Ausgangssignale a,c der Lade- und Spannungsversorgungsspulen U1, U2 dienende Abschwächschaltung beziehungsweise Pegelshifter U7 aus einem Spannungsteiler mit den den Ladespulen-Halbwellen zugeordneten Fußpunktwiderständen Rp1, Rp2 und weiteren, den Spannungsversorgungsspulen-Halbwellen zugeordneten Fußpunktwiderständen, verbunden mit den Steuerungsports P3, P4 (wegen letzterer siehe Fig. 4). Der in Fig. 6 dargestellte Spannungsteiler der Abschwächschaltung U7 ist mittels der Steuerung U8 über deren Ports P1, P2 programmierbar, indem die Fußpunktwiderstände Rp1, Rp2 durch interne Porttransistoren an Betriebsspannungspotential VDD, an Masse GND oder in einen hochohmigen Zustand geschaltet werden können (siehe Schaltelemente in Fig. 6). Hierdurch läßt sich für die Steuerung U8 Spannungsbereich, Auflösung und Polarität einstellen. Entsprechendes gilt für den (nicht gezeichneten) Spannungsteiler, welcher dem Ausgangssignal c der Spannungsversorgungsspule U2 zugeordnet ist.
Nachfolgend wird zur Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Zündsystems folgendes ausgeführt:
In Fig. 1 sind für den Magnetgenerator M, S. N dessen radiale Symmetrielinien in unterschiedlichen Drehstellungen 30, 31, 32, 33, 34 eingezeichnet. Diese korrespondieren mit den Magnetflußänderungen 1, 3, 5, 7 in Fig. 2d sowie 9, 11, 13, 15 in Fig. 2b und mit den Wechselspannungs-Halbwellen 2, 4, 6, 8 in Fig. 2c und 10, 12, 14, 16 in Fig. 2a, wobei die dargestellten zeitlichen Verläufe für die einzelnen Schenkel-Magnetflüsse Ba, Bb und die Spulenspannungen U1, U2 bzw. U5 in zeitlich gleichem Maßstab und gleichen Zeitabschnitten untereinander entsprechend ihrem jeweils zeitsynchronen Auftreten zueinander aufgetragen sind. Die Spannungen auf den Y-Achsen sind mit unterschiedlichen Skalierungen dargestellt, je nach unterschiedlichen Spulen-Windungszahlen. Zur besseren Verdeutlichung der physikalischen Zusammenhänge ist in den Fig. 2a bis 2d das Auftreten der Drehstellungen 30-34 auch markiert. Wie auch aus Fig. 3b ersichtlich, wird innerhalb einer Umdrehung oder Halbwellenfolge die Spannungsversorgungseinheit U10 erstmals von der positiven Wechselspannungs-Halbwelle 12 aus mit einer Scheitelspannung 18 mit Energie versorgt, so dass die Steuerung U8 etwa ab 60 Grad vor dem oberen Totpunkt OT arbeiten kann. Die Motorwinkelgeschwindigkeit ist dabei noch verhältnismäßig hoch, und erst mit zunehmendem Annähern an den oberen Totpunkt OT (vgl. Scheitelspannung 19 in Fig. 3b und 2a) bricht die Winkelgeschwindigkeit stark ein. Damit die Steuerung U8 mit möglichst geringem Energieverbrauch aus der Spannungsversorgungseinheit U10 auskommt, steht diese nur mit der Auslösung eines RESET-Signals etwa ab der Mitte der zweiten Ladespannungshalbwelle 4 gemäß Fig. 2c (vgl. auch punktierte Vertikallinie in Fig. 2a-2d) bis zum jeweils berechneten Zündzeitpunkt Zzp zur Verfügung, insbesondere im untersten Drehzahlbereich, also beim Motorstart. Ab der entsprechenden, in den Fig. 2a-d die jeweiligen Zeitachsen durchsetzenden, punktierten Vertikallinie 31 kann die Steuerung die Spannungshalbwellen von der Ladespule U1 und der Spannungsversorgungsspule U2 signalmäßig über die Abschwächschaltung erfassen und zur Berechnung des Zündzeitpunkts verarbeiten beziehungsweise auswerten. Die Ströme, die noch über die Abschwächschaltung U10 fließen, können wegen der hohen Innenwiderstände hinsichtlich des Energieverbrauchs vernachlässigt werden.
Das Energiespeicherelement U4 wird zweckmäßig am Ende eines Halbwellenzyklusses 2-4-6-8 aus der Ladespule U1 mit der letzten Halbwelle 8 vorgeladen, und dann im nächsten Zyklus mit der stärksten Halbwelle der Ladespule U1 weiter für den kommenden Zündzeitpunkt Zzp aufgeladen.
Zur Erfassung und Verarbeitung der Spulensignale kann neben dem gemäß Fig. 4 in die Steuerung U8 integrierten Analog-Digital-Wandler ADC auch ein Mikrocontroller mit Komperator und programmierbarer Vergleichsspannung Uref (vgl. Fig. 6) Einsatz finden. Die zweitgenannte Variante ist für hochdrehende Verbrennungsmotoren günstig, weil Erreichen bzw. Durchschreiten voreingestellter Schwellwertspannungen schneller für die weitere Verarbeitung erfaßbar sind. Solche Mikrocontroller werden heute von verschiedenen Halbleiterherstellern vermarktet. Mit dem Konzept der Abtastung der Wechselspannungs-Halbwellen und der Erfassung und Messung von deren ansteigenden bzw. abfallenden Flanken ist es in Verbindung mit solchen Mikrocontrollern auch möglich, im Start- und Leerlaufdrehzahlbereich die für geringe Drehzahlen vorteilhafte Drehrichtungserkennung innerhalb eines Winkelbereichs von der Scheitelspannung 18 der zweiten positiven Halbwelle gemäß Fig. 2a und 3b bis zum Zündzeitpunkt entsprechend dem in der älteren Patentanmeldung DE 10 10 7070.5 offenbarten Verfahren durchzuführen.
Mit jeder Initialisierung im Bereich der Scheitelspannungen 18, 19 der Spannungsversorgungsspule U2 wird der interne Zeitgeber der Steuerung U8 gestartet, der ab jeweiligen Initialisierungszeitpunkt 18, 19 kontinuierlich interne Impulse mit konstanten Abständen von z. B. einer Mikrosekunde zählt, welche vom Taktgenerator abgeleitet werden. In Kombination damit werden für an den Signalabtastungseingängen A1, A2 auftretende Ereignisse (beispielsweise ein Spulensignal unter- oder überschreitet einen für den Analog-Digital-Wandler ADC gemäß Fig. 4 oder den Schwellwertentscheider gemäß Fig. 6 vorprogrammierten Schwellwert) jeweilige Zeitstempel t1-t6 abgespeichert (vgl. Fig. 3b). Beispielsweise können die Zeitpunkte der jeweils ersten Unterschreitungen vorprogrammierter, negativer Spannungsschwellen durch Signale der Ladungsspule U1 auf dem ersten Jochkern-Schenkel Ka und der Spannungsversorgungsspule U2 auf dem zweiten Jochkern-Schenkel Kb relativ zueinander bewertet werden. Die innerhalb einer Halbwellen-Folge von der Scheitelspannung 18 der zweiten Halbwelle bis zum Unterschreiten einer vorprogrammierten, negativen Spannungsschwelle (entsprechend beispielsweise einer Winkelstellung von 45 Grad vor dem oberen Totpunkt OT) verstreichende Zeit t2 (vgl. Fig. 3b) kann in einem Datenverarbeitungsprozeß der Steuerung zu einem Wert über die Drehzahl des Verbrennungsmotors umgesetzt werden. Es lassen sich in weiteren Winkelstellungen weitere Zeitstempel t3, t4, t5 abzählen und abspeichern, woraus die Änderung der Winkelgeschwindigkeit mit zunehmender Annäherung an den oberen Totpunkt gewonnen wird. Entspricht die Winkelgeschwindigkeit einem Leerlauf- oder Arbeitsdrehzahlbereich (beispielsweise 2000 beziehungsweise 5000 Umdrehungen pro Minute), bei der die Betriebsspannung VDD sicher über eine Drehung von 360 Grad anliegt, so kann ein weiterer Winkelbereich beziehungsweise Zeitabschnitt t6 gemessen werden, der sich vom Auftreten des jeweils zweiten Rücksetzsignals RESET1, RESET2 einer Halbwellen-Folge (Fig. 3e, Fig. 3f) zeitlich im Bereich der letzten Scheitelspannung 19 beziehungsweise des oberen Totpunkts OT bis zum Auftreten der ersten Wechselspannungshalbwelle 10 (etwa 90 Grad vor oberem Totpunkt OT - siehe Fig. 3b) erstreckt und im wesentlichen ein Maß für die mittlere Motordrehzahl n ergibt. Entsprechend läßt sich für diesen Zeitabschnitt t6 ein weiterer Zeitstempel ablegen und eine Zeitverzögerungs-Funktion tv = f(t6) zur Auslösung des Zündzeitpunkts Zzp berechnen und verwenden.
Erfindungsgemäß ist die Funktion Zündzeitpunkt-Verzögerungszeit tv = f(t6) so gewählt bzw. in der Steuerung U8 derart programmiert beziehungsweise als Tabelle abgelegt, dass der Zündzeitpunkt Zzp in den Winkelbereich der stärksten Magnetflußänderung 13 im zweiten Schenkel Kb bzw. der Wechselspannungs- Halbwelle 14 mit der größten Amplitude (vgl. Fig. 2b bzw. Fig. 2a) gelegt wird. Bis dahin können weitere Drehzahl- und Winkelstellungsinformationen anhand des Über- oder Unterschreitens von Spannungsschwellen mit den Zeitstempeln t1, t2 oder auch t3 über die Signalabtasteingänge A1, A2 erfaßt, in der Steuerung verarbeitet werden und als Argumente zur Zündzeitpunktverstellung mit berücksichtigt werden. Das heißt, die Informationen über Drehrichtung und Drehwinkelstellung der Kurbelwelle und die Motordrehzahl können bis zum Zündzeitpunkt Zzp ermittelt sein und in die weiteren Zünd-Steuerungsvorgänge einfließen.
Im Zündzeitpunkt Zzp (vgl. Fig. 3c, 3c1 und 3c2) beginnt eine gedämpft oszillierende Entladung des Energiespeicherelements U4 über den Zündschalter U9 durch die Zündspule U5 bzw. dessen Primärspule Lp. Dabei schwingt Energie zwischen der Primärspule Lp und dem Energiespeicherelement bzw. Zündkondensator U4 hin und her. Durch den hierdurch hervorgerufenen Primärstrom wird in der eng mit der Primärspule Lp gekoppelten Sekundärspule Ls ein Hochspannungspuls induziert. Dieser löst bei Überschreiten einer Ionisationsspannung Uion (vgl. Fig. 3c1) an der Funkenstrecke FU einen Funkenüberschlag aus. Gemäß Fig. 3c1 liegt an der Zündfunkenstrecke dann noch für eine Zeitdauer tb1 eine pulsierende Zündfunkenspannung Ufu an, mit der ein alternierender Brennstrom IB ebenfalls für die Zeitdauer tb1 (von ca. 100 µs) verbunden ist. Sowohl die Zündfunkenspannung UFu als auch der Brennstrom IB übersteigen innerhalb des ersten Zeitabschnitts tb1 die Spannungs- bzw. Stromschwellen UB bzw. IB2 erheblich, die für die Aufrechterhaltung des Zündfunkenbrennens notwendig sind.
Indem erfindungsgemäß pro Umdrehung oder Folge der Zündzeitpunkt im Bereich der stärksten Magnetflußänderung 13 bzw. der betragsmäßig größten Halbwellenamplitude 14 jeweils in den Spulen U2, U5 des zweiten Jochkern- Schenkels Kb gelegt ist, wird der Energiegehalt des Zündfunkens maximiert. Zudem verlängert die in der Sekundärspule Ls durch die stärkste Magnetflußänderung 13 induzierte Spannung unter zumindest Erreichen der Brennspannungsschwelle UB den Brennstrom IB erfindungsgemäß um eine zweite, gegebenenfalls verlängerte Zeitdauer tb2 (vgl. Fig. 3c1 und 3c2). Eine sichere und effektive Entflammung des Brennstoffgemisches des Verbrennungsmotors ist so gewährleistet. Nach der oben genannten Patentveröffentlichung DE 197 36 032 ist eine Lösung lediglich zur Aufrechterhaltung der Wechselspannungsentladung tB1, nicht aber für das Verstärken der zweiten Zeitdauer tB2 beschrieben. Gemäß in Fig. 3b und 3c dargestelltem Beispiel endet das Brennen des Zündfunkens etwa zwischen den Zeitabschnitten bzw. Zeitstempeln t4 und t5 (vgl. strichpunktierte Vertikallinie), also noch vor dem oberen Totpunkt OT.
Gemäß Fig. 3a und 3b erfolgt im Startdrehzahlbereich die Zündungsauslösung nicht im Bereich der stärksten Magnetflußänderung 13, sondern näher am oberen Totpunkt nach dem Zeitabschnitt t5 anhand der ansteigenden Flanke der letzten Wechselspannungs-Halbwelle 16 der Spannungsversorgungsspule U2 des zweiten Jochkern-Schenkels Kb. Ist ein früherer Zündzeitpunkt Zzp erforderlich, kann die Zündungs-Auslöseschwelle auch einer Flanke der vorletzten Halbwelle 14 zugeordnet werden. Dafür läßt sich jeweils in der Steuerung U8 eine Spannungsschwelle als Zündschwelle ZS programmieren. Mit ansteigendem Durchschreiten der Zündschwelle ZS durch die innerhalb einer Folge bzw. eines Zykluses dritte oder vierte Wechselspannungs- Halbwelle 14,16 wird der Zündzeitpunkt Zzp entsprechend getriggert bzw. die Zündung FU ausgelöst.
Der in Fig. 3d dargestellte Spannungsverlauf der Spannungsversorgung beziehungsweise Betriebsspannung VDD gilt für geringe Drehzahlen im Startbereich. Bei höheren Drehzahlen schließen sich vorhandene Lücken im Betriebsspanungssignal, dieses glättet sich und liegt über einen Winkelbereich von 360 Grad an. Eine Restwelligkeit bleibt.
Gemäß Fig. 3e oder 3f wird die Steuerung nach Zündungsauslösung erneut zurückgesetzt bzw. initialisiert, wie durch den kurzen negativen Spannungseinbruch des Signals RESET1 oder den zweiten Nadeleinbruch des Signals RESET2 in Fig. 3e bzw. 3f jeweils im Zeitpunkt des Scheitels 19 der vierten Spannungshalbwelle 16 (Fig. 2a) angedeutet. Diese Einbrüche erfolgen also zeitlich jeweils im Bereich der letzten Halbwelle 16 der Spannungsversorgungsspule U2. In der nächsten Folge dient wiederum deren zweite Spannungshalbwelle 12 als Basis zur erneuten, pro Umdrehung oder Zyklus (Folge) erstmaligen Initialisierung der Steuerung U8, verbunden mit Starten interner Zeitgeber und nachfolgenden Versehen von Über- und Unterschreitungen von Spannungsschwellen mit Zeitstempeln t1-t5.
Die jeweils letzte Scheitelspannung 19 einer Halbwellen-Folge beziehungsweise der Zeitpunkt des jeweils zweiten Rücksetzsignals RESET1, RESET2 (Fig. 3e, Fig. 3f) liegt in einem Drehwinkelbereich von 15 Grad vor bis etwa 10 Grad nach dem oberen Totpunkt OT der Brenkraftmaschine. Da die Lage des Zündzeitpunkts Zzp im Arbeitsdrehzahlbereich durch den Flusswechsel bestimmt ist, und der Zündzeitpunkt Zzp relativ zum oberen Totpunkt OT von der jeweiligen Brennkraftmaschine spezifiziert ist, decken sich der obere Totpunkt OT und der Zeitpunkt der letzten Scheitelspannung nicht genau. Entsprechend liegt die jeweils zweite Scheitelspannung 18 beziehungsweise das jeweils erste Rücksetzsignal RESET1,RESET2 50 bis 70 Winkelgrad vor dem jeweils zweiten Rücksetzsignal RESET2. Bezugszeichenliste P Polrad
M Dauermagnet
S. N Polschuhe
D Drehrichtung
K Jochkern
Ka erster Schenkel
Kb zweiter Schenkel
Km Mittelteil
L Luftspalt
Ba, Bb Magnetfluß
U1 Ladespule
U3 Gleichrichter
U4 Energiespeicherelement
U9 Zündschalter
U8 Steuerung
U5 Zündübertrager
U2 Spannungsversorgungsspule
U10 Spannungsversorgungseinheit
VDD Betriebsspannung
ADC Analog-Digital-Wandler
A1, A2 Signalabtastungseingänge
U7 Signalpegel-Abschwächschaltung
P1. . .P4 Portanschlüsse
a Ausgang Ladespule
c Ausgang Spannungsversorgungsspule
U6 Taktgenerator
g Ansteuerausgang
k Entladeseite
Lp Primärspule
Ls Sekundärspule
FU Zündfunkenstrecke
U11 Rücksetzschaltung
d Eingangsseite von U11
RESET Eingang von U8
Cd Differenzierkondensator
T11 Transistorstufe
RESET1, 2 Ausgangssignale
D1 Eingangsgleichrichter
Rv Vorwiderstand
Cv Spannungsversorgungskondensator
GND Masse
D2 Spannungsstabilisierungsdiode
30-34 Drehstellungen der Symmetrielinien
1, 3, 5, 7 Magnetflußänderung im ersten Schenkel Ka
9, 11, 13, 15 Magnetflußänderung im zweiten Schenkel Kb
2, 4, 6, 8 Wechselspannungs-Halbwellen der Ladespule U1
10, 12, 14, 16 Wechselspannungs-Halbwellen der Spulen U2, U5
18, 19 Scheitelspannungen von U2, U5
OT oberer Totpunkt
t1-t6 Zeitstempel
Zzp Zündzeitpunkt
Uion Ionisationsspannung
tB1 erste Zeitdauer
tv Zündzeitpunkt-Verzögerungszeit
UFu Zündfunkenspannung
IB Brennstrom
UB Brennspannungsschwelle
IB2 Brennstromschwelle
tB2 zweite Zeitdauer
ZS Zündschwelle
n Drehzahl
Rs Serienwiderstand

Claims

1. Elektrisches Zündverfahren für Brennkraftmaschinen, unter Verwendung einer Anordnung mehrerer Spulen (U1, U2, U5) und eines sich synchron zur Maschine drehenden Magnetgenerators (P, M, S, N), dessen Magnetfeld dabei die Spulen (U1, U2, U5) zeitweise durchflutet und darin pro Umdrehung eine Folge von Magnetflußänderungen (Ba, 1, 3, 5, 7; Bb, 9, 11, 13, 15) erzeugt, wobei eine Folge entsprechender Wechselspannungs-Halbwellen (2, 4, 6, 8; 10,12, 14, 16) in den Spulen (U1, U2, U5) induziert wird, die verwendet werden:
zum Laden eines Energiespeicherelements (U4), das durch Betätigen eines Zündschalters (U9) über die Primärspulenwicklung (Lp) eines Zündübertragers (U5) zum Auslösen eines Zündfunkens (FU) entladen wird, und
zur Bildung der Spannungsversorgung (VDD) für eine mikroelektronische und/oder programmierbare Steuerung (U8), die zur Betätigung des Zündschalters (U9) in einem Zündzeitpunkt (Zzp) in Abhängigkeit von erfaßten Wechselspannungs-Halbwellen (2, 4, 6, 8; 10, 12, 14, 16) und/oder vom Zustand der Brennkraftmaschine, beispielsweise deren Drehstellung oder Drehzahl (n), eingesetzt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Umdrehung für die Auslösung des Zündfunkens (FU) zur Verlängerung seiner Brenndauer (tB1,tB2) ein solcher Zeitabschnitt (13, 14) gewählt wird, in dem die Primär- und/oder Sekundärspulenwicklung (Lp,Ls) gerade von einer (13) der Magnetflußänderungen (9, 11, 13, 15) beeinflußt wird, und der Betrag oder Hub der zur Brenndauer-Verlängerung (tB1, tB2) verwendeten Magnetflußänderung (13) innerhalb der jeweiligen Folge (9, 11, 13, 15) am größten ist.

2. Elektrisches Zündverfahren für Brennkraftmaschinen, insbesondere nach Anspruch 1, unter Verwendung einer Anordnung mehrerer Spulen (U1, U2, U5) und eines sich synchron zur Maschine drehenden Magnetgenerators (P, M, S, N), dessen Magnetfeld dabei die Spulen (U1, U2, U5) zeitweise durchsetzt und darin pro Umdrehung eine Folge von Magnetflußänderungen (Ba, 1, 3, 5, 7; Bb, 9, 11, 13, 15) erzeugt, wobei eine Folge entsprechender Wechselspannungs-Halbwellen (2, 4, 6, 8; 10, 12, 14, 16) in den Spulen (U1, U2, U5) induziert wird, die verwendet werden:
zum Laden eines Energiespeicherelements (U4), das durch Betätigen eines Zündschalters (U9) über die Primärspulenwicklung (Lp) eines Zündübertragers (U5) zum Auslösen eines Zündfunkens (FU) entladen wird, und
zur Bildung der Spannungsversorgung (VDD) für eine mikroelektronische und/oder programmierbare Steuerung (U8), die zur Betätigung des Zündschalters (U4) in einem Zündzeitpunkt (Zzp) in Abhängigkeit von erfaßten Wechselspannungs-Halbwellen (2, 4, 6, 8; 10,12, 14, 16) und/oder vom Zustand der Brennkraftmaschine, beispielsweise deren Drehstellung oder Drehzahl (n), eingesetzt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Umdrehung für die Auslösung des Zündfunkens (FU) zur Verlängerung von seiner Brenndauer (tB1,tB2) ein solcher Zeitabschnitt (13, 14) gewählt wird, in dem die Primär- und/oder Sekundärspulenwicklung (Lp,Ls) gerade von einer (13) der Magnetflußänderungen (9, 11, 13, 15) beeinflußt wird, wobei in diesem Zeitabschnitt (13, 14) eine Verwendung der Wechselspannungs-Halbwellen (2, 4, 6, 8; 10, 12, 14, 16) wenigstens für das Bilden der Spannungsversorgung (VDD) ausgeschlossen ist oder wird.

3. Zündverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in diesem Zeitabschnitt (13, 14) eine Verwendung der Wechselspannungs-Halbwellen (2, 4, 6, 8; 10, 12, 14, 16) auch für das Laden des Energiespeicherelements (U4) ausgeschlossen ist oder wird.

4. Zündverfahren nach Anspruch 1 und gegebenenfalls nach 2 oder 3, mit Verwendung einer sich konstruktiv-geometrisch über einen ersten und einen zweiten Schenkel (Ka, Kb) erstreckenden Spulenanordnung (U1, U2, U5), wobei innerhalb einer Umdrehung der Magnetgenerator (P, M, S, N) mit seinem ersten (S) und danach seinem zweiten Magnetpol (N) jeweils hintereinander am ersten (Ka) und dann am zweiten Schenkel (Kb) vorbeibewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die sich im zweiten Schenkel (Kb) und dort zeitlich an dritter Stelle pro Umdrehung oder Folge ereignende Magnetflußänderung (13) unmittelbar dem Zündübertrager (U5) zugeführt und dabei zur Verlängerung der Zündfunken-Brenndauer (tB1,tB2) verwendet wird.

5. Zündverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im ersten (Ka) und zweiten Schenkel (Kb) pro Umdrehung oder Folge (2, 4, 6, 8; 10, 12, 14, 16) jeweils zeitlich an zweiter Stelle auftretenden Wechselspannungs-Halbwellen (4; 12) an den zugeordneten Spulen (U1, U2) parallel und/oder etwa zeitgleich zum Laden des Energiespeicherelements (U4) und zur Spannungsversorgung (VDD) der Steuerung genutzt werden.

6. Zündverfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Spannungsversorgung (VDD) eine (12) der Wechselspannungs-Halbwellen (10, 12, 14, 16) des zweiten Schenkels (Kb) innerhalb der betreffenden Umdrehung oder Folge in demjenigen Zeitabschnitt (11, 12) genutzt wird, in dem im ersten Schenkel (Ka) die Magnetflußänderung (3) beziehungsweise Wechselspannungs-Halbwelle (4) mit dem größten Betrag oder Hub auftritt und gegebenenfalls zum Laden des Energiespeicherelements (U4) genutzt wird.

7. Zündverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Spannungsversorgung (VDD) solche Wechselspannungs-Halbwellen (12) verwendet werden, die auf die Magnetflußänderungen (11) zurückgehen, die im zweiten Schenkel (Kb) und dort innerhalb der betreffenden Umdrehung oder Folge (9, 11, 13, 15) zeitlich an zweiter und gegebenenfalls vierter Stelle (11, 15) der jeweiligen Folge und/oder mit der dem zweit- und gegebenenfalls drittgrößten Betrag oder Hub auftreten.

8. Zündverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerung (U8) Wechselspannungs-Halbwellen (2, 4, 6, 8; 10, 12, 14, 16) von den Spulen (U1, U2, U5) sowohl des ersten als auch des zweiten Schenkels (Ka, Kb) zur Verarbeitung zugeführt und dabei in zeitlichem Bezug zueinander gesetzt werden, woraus die Steuerung (U8) Drehrichtung, Drehstellung und/oder Drehzahl (n) des Magnetgenerators (P, M, S, N) zur Verstellung und Auslösung des Zündzeitpunktes (Zzp) ermittelt.

9. Zündverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt (Zzp), vorzugsweise in einem dem Starten der Brennkraftmaschine entsprechenden Drehzahlbereich, innerhalb eines Zeitabschnitts mittels der Steuerung (U8) ermittelt, verstellt und/oder ausgelöst wird, der maximal einer Drehung (18-19) des Magnetgenerators (P, M, S, N) um etwa 80 Grad entspricht.

10. Zündverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pro Umdrehung oder innerhalb der jeweiligen Folge der Zündzeitpunkt (Zzp) innerhalb eines Zeitabschnitts (13, 14) verstellt und/oder ausgelöst wird, der durch die Magnetflußänderung (13) mit dem größten Betrag oder Hub innerhalb der Folge (9, 11, 13, 15) sowie durch die jeweils nachfolgenden Magnetflußänderung (15) gegebenenfalls des zweiten Schenkels (Kb) definiert beziehungsweise begrenzt ist.

11. Zündverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zweimal pro Umdrehung die Steuerung (U8) synchron zu vorbestimmten Stellungen des Magnetgenerators (P, M, S, N) oder der Brennkraftmaschine in einen Ausgangszustand zurückgesetzt und/oder neu initialisiert wird, und dabei jeweils ein steuerungsinterner oder mit der Steuerung (U8) zusammenwirkender Zeitzähler gestartet wird, dessen Zählergebnisse in Bezug zum zeitlichen Auftreten von seitens der Steuerung (U8) erfaßten Wechselspannungs-Halbwellen (2, 4, 6, 8; 10, 12, 14, 16) gesetzt werden, woraus mittels der Steuerung (U8) Drehrichtung, Drehstellung und/oder Drehzahl (n) des Magnetgenerators (P, M, S, N) zur Verstellung des Zündzeitpunktes (Zzp) ermittelt werden.

12. Zündverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die entsprechenden Rücksetz-Signale von Wechselspannungs-Halbwellen (12, 18; 16, 19) abgeleitet werden, die in einer Folge an zweiter und vierter Stelle liegen und/oder zur Bildung der Spannungsversorgung (VDD) verwendet werden.

13. Zündverfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das innerhalb einer Folge jeweils zweite Rücksetz-Signal (RESET1, RESET2) in einer Drehstellung (19) ausgelöst wird, die einem Drehwinkelbereich von etwa 15 Grad vor und 10 Grad nach dem oberen Totpunkt (OT) der Brennkraftmaschine entspricht, und das innerhalb einer Folge jeweils erste Rücksetz-Signal (RESET1, RESET2) einem Drehwinkelbereich von 50 bis 70 Grad vor dem jeweils zweiten Rücksetzsignal (RESET2) entspricht.

14. Zündverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei innerhalb einer Umdrehung der Magnetgenerator (P, M, S, N) mit seinem ersten (S) und danach seinem zweiten Magnetpol (N) an der zum Laden des Energiespeicherelements verwendeten Ladespule (1) vorbeibewegt wird und dabei in der Ladespule (U1) eine Folge von vier Wechselspannungs-Halbwellen (2, 4, 6, 8) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die letzte Wechselspannungs-Halbwelle (8) der betreffenden Folge als auch die zweite und/oder größte Wechselspannungs-Halbwelle (4) der nächsten Folge zum Laden des Energiespeicherelements (U4) verwendet werden.

15. Zünd-Modul zur Durchführung des Zündverfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 8, mit einem magnetisierbaren, von mehreren Induktions-Spulen (U1, U2, U5) umgebenen Jochern (K), der wenigstens einen ersten, von einer Ladespule (U1) umgebenen Schenkel (Ka) und einen zweiten, wenigstens von den Primär- und Sekundär-Spulen (Lp, Ls) eines Zündübertragers (U5) umgebenen Schenkel (Kb) aufweist, mit einem mit der Ladespule (U1) in Verbindung stehenden Energiespeicherelement (U4), das mittels eines Zündschalters (U9) über die Primärspulenwicklung (Lp) des Zündübertragers (U5) zum Auslösen eines Zündfunkens (FU) entladbar ist, gekennzeichnet durch eine mikroelektronische und/oder programmierbare Steuerung (U8), die mit den Spulen (U1, U2, U5) zur Abtastung, Verarbeitung und/oder Bewertung von deren Wechselspannungs-Halbwellen (2, 4, 6, 8; 10, 12, 14, 16) verbunden und zur Betätigung des Zündschalters (U9) abhängig von den Wechselspannungs-Halbwellen (2, 4, 6, 8; 10, 12, 14, 16) ausgebildet ist, wobei ein Eingang der Steuerung zu seiner Spannungsversorgung (VDD) über einen Gleichrichter (D1) mit einer Spule (U2, U5) des zweiten Schenkels (Kb) verbunden ist.

16. Zünd-Modul nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine auf dem zweiten Schenkel (Kb) angebrachte separate Spule (U2) zur Speisung des Gleichrichters (D1) für die Steuerung (U8).

17. Zünd-Modul nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die separate Spannungsversorgungs-Spule (U2) mit einem Draht gleicher Dicke und/oder gleichen elektrischen Widerstands wie die Sekundärspule (Ls) des Zündübertragers (U5) ausgeführt ist.

18. Zünd-Modul nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgungs-Spule (U2) im Endbereich des zweiten Schenkels (Kb) angebracht ist.

19. Zünd-Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (U2) über je einen Eingang (A1, A2) zur Signalabtastung mit Spulen (U1, U2) sowohl des ersten als auch zweiten Schenkels (Ka, Kb) zur Auswertung, Verarbeitung und/oder Bewertung von deren Wechselspannungs-Halbwellen (2, 4, 6, 8; 10, 12, 14, 16) verbunden ist.

20. Zünd-Modul nach Ansprüche 16 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalabtastungs-Eingänge (A1, A2) Wechselspannungs-Halbwellen (2, 4, 6, 8; 10, 12, 14, 16) sowohl der Ladespule (U1) auf dem ersten Schenkel (Ka) als auch der mit dem Gleichrichter (D1) verbundenen Spannungsversorgungs-Spule (U2) auf dem zweiten Schenkel (Kb) erfassen.

21. Zünd-Modul nach Anspruch 19 oder 20, gekennzeichnet durch eine Signalpegel-Abschwächschaltung (U7), die den Signalabtastungs-Eingängen (A1, A2) der Steuerung (U8) vorgeschaltet ist.

22. Zünd-Modul nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschwächschaltung (U7) ein Widerstandsnetzwerk (Rs, Rp1, Rp2) umfaßt, das mit binären Port-Anschlüssen (P1, P2) der mikroelektronischen Steuerung zu einem programmierbaren Spannungsteiler kombiniert oder kombinierbar ist.

23. Zünd-Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Rücksetz-Schaltung (U11), die mit wenigstens einer Spule (U2) des zweiten Schenkels (Kb) verbunden und zum Ansprechen auf die zweite und vierte Wechselspannungs-Halbwelle (12, 14) einer Folge (10, 12, 14, 16) ausgebildet ist.

24. Computerprogramm mit Programmcode-Elementen, um die gemäß vorangehender Verfahrens-Ansprüche von der Steuerung (U8) ausführbaren oder auszuführenden Verfahrensschritte durchzuführen, wenn das Programm auf der programmierbar ausgeführten Steuerung gestartet wird.

25. Computerprogramm mit Programmcode-Elementen nach Anspruch 24, die in einem Rechnerspeicher für die Steuerung (U8) geladen, auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert oder in einem elektrischen Trägersignal enthalten sind.