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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum Verstärken einer elektrischen Primärentladung wie etwa einer durch ein Primärentladungssystem erzeugten Entladung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Beispiel eines Primärentladungssystems, auf das die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, enthält ein Zündungssystem, das einer Brennkraftmaschine (IC-Kraftmaschine) zugeordnet ist. Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einer IC-Kraftmaschine beschrieben, obgleich gewürdigt werden sollte, dass sie dadurch nicht auf solche Anwendungen beschränkt ist.
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Ein anderes Beispiel eines Primärentladungssystems, auf das die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, enthält ein lichtbogenbasiertes Abtastsystem zur Verwendung in einem Induktionsofen oder dergleichen.
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Die vorliegende Erfindung kann die Zündfunkenenergie und/oder den Strom, die beziehungsweise der durch ein einer IC-Kraftmaschine zugeordnetes Zündungssystem erzeugt wird, verstärken. IC-Kraftmaschinen, auf die die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, schließen Kraftfahrzeug-, Schiffs-, Diesel/Erdöl-Hybrid-, Schichtlade-, Mager-, Biokraftstoff-Kraftmaschinen und Kraftmaschinen mit hoher Verdichtung mit ein. IC-Zündungssysteme, auf die die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, schließen herkömmliche Kettering-Systeme und elektronische Systeme einschließlich Kondensatorentladungssystemen, transistorgesteuerter Systeme oder computergesteuerter Systeme mit oder ohne einen Verteiler mit ein.
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Üblicherweise wird das Luft/Kraftstoff-Gemisch in einer IC-Kraftmaschine mittels eines durch eine Zündkerze erzeugten Zündfunkens gezündet. Da der Zündfunken die primäre Quelle der Zündung für das Luft/Kraftstoff-Gemisch bereitstellt, können die Qualität und die Größe des Zündfunkens den Wirkungsgrad und die erzeugte Leistung der IC-Kraftmaschine stark beeinflussen.
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In Zündungssystemen des Standes der Technik ist die Fähigkeit des Zündfunkens, das Luft/Kraftstoff-Gemisch unter einer Vielzahl von Bedingungen einschließlich unter Bedingungen hoher Verdichtung und/oder magerer Kraftstoffgemische effizient zu zünden, beschränkt. Darüber hinaus hatten Versuche des Standes der Technik, durch verschiedene Verfahren Energie zu dem Zündfunken hinzuzufügen, beschränkten Erfolg, während sie unerwünschte Effekte wie etwa erhöhten auf Elektroden der Zündkerzen bezogenen Verschleiß einführten.
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Der Wirkungsgrad der Verbrennung in einer IC-Kraftmaschine kann durch die Geschwindigkeit des Brennens oder der Verbrennung, die als Flammenausbreitungsgeschwindigkeit bekannt ist, beschränkt sein. Die Letztere kann die Zeiteinstellung der Zündung bestimmen, die üblicherweise so eingestellt wird, dass dem Luft/Kraftstoff-Gemisch genug Zeit gegeben wird, vollständig zu verbrennen.
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Die vorliegende Erfindung kann die Zündungszone vergrößern, damit sie ein größeres Volumen des verdichteten Luft/Kraftstoff-Gemischs erfasst. Dies kann wiederum die Verbrennungsverzögerung verringern und die Fähigkeit der IC-Kraftmaschine, mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Gemisch und/oder unter höherer Verdichtung zu laufen, erhöhen. Die nachfolgende Optimierung der Kraftmaschinenzeiteinstellung kann den Verbrennungswirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit der IC-Kraftmaschine weiter erhöhen.
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Die vorliegende Erfindung kann ein Mittel enthalten, um zuvor verschwendete oder unterdrückte Energie zu erfassen und um diese Energie in eine Verstärkung des Zündungssystems umzuwandeln und somit den Wirkungsgrad des Systems als Ganzes zu verbessern.
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Eine Bezugnahme hierin auf ein Patentdokument oder auf eine andere Drucksache, das beziehungsweise die als Stand der Technik gegeben ist, soll nicht als Eingeständnis verwendet werden, dass das Dokument oder die Drucksache bekannt war oder dass die darin enthaltenen Informationen zum Prioritätsdatum irgendwelcher der Ansprüche Bestandteil des üblichen Allgemeinwissens waren.
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Wo die Begriffe ”umfassen”, ”umfasst”, ”enthalten” oder ”umfassend” in dieser Patentschrift (einschließlich der Ansprüche) verwendet sind, sind sie so zu interpretieren, dass sie die Anwesenheit der genannten Merkmale, ganzen Zahlen, Schritte oder Komponenten spezifizieren, die Anwesenheit eines oder mehrerer weiterer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte oder Komponenten oder einer Gruppe davon aber nicht ausschließen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verstärken einer elektrischen Primärentladung, die durch ein Primärentladungssystem, das ein Mittel zum Erzeugen der Primärentladung enthält, erzeugt wird, geschaffen, wobei das Verfahren das Bereitstellen verstärkender elektrischer Energie für ein elektrisches Speichermittel und das Liefern der verstärkenden elektrischen Energie an die elektrische Primärentladung als Reaktion auf die Primärentladung enthält.
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In einer Form kann das Primärentladungssystem ein Zündungssystem enthalten, das einer Brennkraftmaschine (IC-Kraftmaschine) zugeordnet ist. Das Verfahren kann das Fördern eines Gleichstromflusses (unidirectional current flow) der verstärkenden elektrischen Energie von dem elektrischen Speichermittel zu der durch das Zündungssystem, das der IC-Kraftmaschine zugeordnet ist, erzeugten Primärentladung enthalten. Der Gleichstromfluss kann mittels einer gekapselten oder offenen Funkenstrecke wie etwa mittels eines Überspannungsableiters gefördert werden.
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In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Verstärken einer elektrischen Primärentladung, die durch ein Primärentladungssystem erzeugt wird, geschaffen, wobei die Vorrichtung ein Mittel zum Erzeugen der Primärentladung enthält, wobei die Vorrichtung ein Energiespeichermittel zum Speichern verstärkender elektrischer Energie und ein Mittel zum Liefern der verstärkenden elektrischen Energie an die elektrische Primärentladung als Reaktion auf die Primärentladung enthält.
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In einer Form kann das Primärentladungssystem ein Zündungssystem enthalten, das einer Brennkraftmaschine (IC-Kraftmaschine) zugeordnet ist. Das Mittel zum Erzeugen einer Primärspannung kann ein herkömmliches Kettering-Zündungssystem oder ein elektronisches Zündungssystem, das ein Kondensatorentladungssystem, ein transistorgesteuertes System oder ein computergesteuertes System mit oder ohne einen Verteiler enthält, enthalten.
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Die Vorrichtung kann ein Mittel zum Fördern des Gleichstromflusses der verstärkenden elektrischen Energie von dem Energiespeichermittel zu der durch das Zündungssystem, das der IC-Kraftmaschine zugeordnet ist, erzeugten Primärentladung enthalten. Das Mittel zum Fördern des Gleichstromflusses kann eine gekapselte oder eine offene Funkenstrecke enthalten. Die Funkenstrecke kann eine verhältnismäßig schnelle Übertragung von Energie von dem Energiespeichermittel zu der IC-Kraftmaschine fördern. Die Funkenstrecke kann einen Überspannungsableiter oder -schutz enthalten. Der Überspannungsableiter oder -schutz kann eine Durchbruchspannung enthalten, die ähnlich oder im Wesentlichen äquivalent der Spannung ist, bei der das Energiespeichermittel entladen wird.
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Alternativ kann das Mittel zum Fördern des Gleichstromflusses einen Ein-Weg-Schalter (one way switch) (Festkörperschalter oder Relais) enthalten, wobei die Schaltzeit aber langsamer und nicht genauso gut gedämpft ist. Ein Festkörperschalter kann außerdem Schwierigkeit bei der Behandlung der hohen Übergangsspannungen haben, die vorhanden sein können, während er Zusatzschaltungen erfordert, um das Schalten auszuführen.
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Das Mittel zum Fördern des Gleichstromflusses kann ein Mittel zum Unterbrechen oder zum Erzeugen eines Auslöschens des durch die Funkenstrecke erzeugten Zündfunkens enthalten. Ein Ziel der Zündfunkenunterbrechung ist es, die Energiedichte relativ zu der Zeit zu erhöhen, um einen verhältnismäßig scharfen Energieimpuls zu erzeugen. Das Mittel zum Unterbrechen des Zündfunkens kann irgendein geeignetes oder bekanntes Mittel zum Unterbrechen des Zündfunkens einschließlich des Löschens durch einen magnetischen, gasförmigen, mechanischen oder flüssigen Isolator, wie durch die Leistungsanforderungen bestimmt wird, enthalten. In einer Form kann die Zündfunkenunterbrechung durch ein verhältnismäßig starkes Magnetfeld bereitgestellt werden, das rechtwinklig zu der Richtung des Stromflusses in der Funkenstrecke orientiert ist. Das Magnetfeld kann durch einen Permanentmagneten oder durch einen Elektromagneten bereitgestellt werden.
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Das Mittel zum Fördern des Gleichstromflusses kann einen Fluss der Energie von dem Energiespeichermittel zu der IC-Kraftmaschine erzielen (archive). Das Energiespeichermittel kann einen ersten Speicherkondensator enthalten. Der erste Speicherkondensator kann auf eine Spannung geladen werden, die wesentlich kleiner als die Zündfunkenspannung ist. In einer Form kann der erste Speicherkondensator im Wesentlichen auf 200 bis 500 Volt geladen werden. Die Vorrichtung kann ein Mittel zum Laden des Energiespeichermittels enthalten. Das Mittel zum Laden kann eine AC-Leistungsquelle und einen AC-DC-Umsetzer enthalten. Die AC-Leistungsquelle kann einen DC-AC-Umsetzer und einen Aufwärtstransformator enthalten.
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Die Vorrichtung kann ein Mittel zum Sammeln von HF-Energie (RF energy) in der Nähe der IC-Kraftmaschine enthalten. Das Mittel zum Sammeln von HF-Energie kann eine HF-Antenne (RF antenna) und einen zweiten Speicherkondensator enthalten. Das Mittel zum Sammeln von HF-Energie kann eine Diode enthalten, die zwischen der HF-Antenne und dem zweiten Speicherkondensator liegt.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine Form einer Vorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine andere Form einer Vorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 einen Graphen eines primären Zündstroms bezogen auf ein herkömmliches Kondensatorentladungs-Zündungssystem zeigt; und
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4 einen Graphen eines Zündstroms bezogen auf ein Zündungssystem in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt.
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1 zeigt eine Form einer Vorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zum Verstärken der Zündfunkenenergie oder des Zündfunkenstroms, die beziehungsweise der durch ein vorhandenes einer IC-Kraftmaschine zugeordnetes Zündungssystem (nicht gezeigt) erzeugt wird. Das vorhandene Zündungssystem kann über die Diode D3 mit der Zündkerze 10 verbunden sein, falls das vorhandene Zündungssystem einen Weg über eine Zündspule zur Masse besitzt. Falls das vorhandene Zündungssystem einen (Zünd-)Verteiler enthält, kann die Diode D3 weggelassen sein, da der Verteiler eine Unterbrechung zur Masse bereitstellen kann.
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Die Vorrichtung enthält einen Haupt-Energiespeicherkondensator C2. Der Kondensator C2 wird über eine Wechselstrom-Leistungsquelle (AC-Leistungsquelle) V1 von etwa 250–500 Volt und eine Gleichrichterdiode D4 geladen. Die Spannung V1 kann auf eine andere Spannung, die durch Entladungsleistungsanforderungen bestimmt ist, erhöht oder verringert werden. Um einen Elektrodenverschleiß in der Zündkerze 10 zu vermeiden, sollte die in dem Kondensator C2 gespeicherte Ladung ein Gleichgewicht zwischen Wirkungsgrad und Leistung sicherstellen. Auf Wunsch kann die Diode D4 durch einen Vollwellengleichrichter wie etwa eine Diodenbrücke ersetzt sein. Die Diode D2 kann verhindern, dass Hochspannungsimpulse von dem vorhandenen Zündungssystem auf den Ladungskondensator C2 übergehen.
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Der Wirkungsgrad der Vorrichtung kann durch Hinzufügen eines Ladungssammelabschnitts, der eine Sammelspule P, einen Kondensator C1, eine Induktionsspule P1 und eine Diode D1 enthält, erhöht werden. Der Ladungssammelabschnitt kann Umgebungs-HF-Energie in der Nähe des Zündungssystems sammeln, die andernfalls verschwendet werden kann oder über Widerstände oder dergleichen unterdrückt werden müsste.
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Die Spule P kann um vorhandene Zündkabel oder um eine Kollektorantenne, -platte oder -HF-Abschirmung (RF shield) wie etwa eine Faraday-Abschirmung gewickelt sein. Die Abschirmung kann zusätzlich zur Unterdrückung des Lecks von HF (RF) über die Nähe des Zündungssystems hinaus wirken.
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Der Kondensator C1 kann die gesammelte HF-Energie speichern und kann optional mit der Induktionsspule P1 dafür wirken, dass eine Schwingungsresonanz aufgebaut wird, um den Wirkungsgrad der Energiesammlung zu verbessern. Die Diode D1 kann die gesammelte HF-Energie gleichrichten und verhindern, dass in dem Kondensator C1 gespeicherte Ladung zurück in die Spule P läuft.
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Optional kann die Vorrichtung eine Induktionsspule P1 enthalten. Die Induktionsspule P1 kann auf die Entladungsfrequenzeigenschaften eines vorhandenen Zündungssystems wie etwa eines Zündungssystems, das auf einer Zündspule oder auf einer Kondensatorverzögerungsschwingung beruht, abgestimmt werden. Dies kann die Ladung in eine Resonanzbetriebsart versetzen, um den Ladewirkungsgrad zu verbessern.
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Die Vorrichtung kann eine gekapselte oder offene Funkenstrecke U1 wie etwa einen Überspannungsableiter enthalten. Die Funkenstrecke U1 kann effektiv als ein spannungsempfindlicher Schalter wirken, der einschaltet, wenn seine Durchbruchspannung erreicht ist, und ausschaltet, wenn die Spannung an seinen Elektroden nach der Entladung des Kondensators C1 verringert ist. Wenn der Kondensator C1 durch von dem Zündungssystem (einschließlich durch Resonanz mit der Induktionsspule P1) gesammelte HF-Energie (HF energy) geladen wird, wird die Energie an den Kondensator C2 übermittelt und zu ihm hinzugefügt, nachdem die Durchbruchspannung der Funkenstrecke U1 erreicht ist. Die Funkenstrecke U1 stellt einen Ein-Richtungs-Impuls (unidirectional impulse) mit gedämpfter Energie in den Kondensator C2 bereit. Der Impuls ist ein Ein-Richtungs-Impuls und gedämpft, da der Stromweg nach der Entladung des Kondensators C1 unterbrochen wird, was einen Rückstromfluss oder eine Schwingung zurück zu dem Kondensator C1 verhindert. Dies erzeugt einen disruptiven Zusammenbruch des Stroms in der Induktionsspule P1 und stellt eine verhältnismäßig scharfe oder hohe Spannungsspitze für den Kondensator C2 sicher. Die Funkenstrecke U1 kann auf irgendeine geeignete Weise und durch irgendein geeignetes Mittel wie etwa mittels eines starken Magnetfelds, das rechtwinklig zu der Richtung des Stromflusses über die Funkenstrecke U1 orientiert ist, gelöscht werden. Das Löschen bewirkt, dass der Entladungsstromweg bei Entladung des Kondensators C1 schneller unterbrochen wird.
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Außerdem enthält die Vorrichtung aus 1 eine Vorrichtung 11 zum Fördern eines Gleichstromflusses von dem Kondensator C2 zu der Zündkerze 10. Die Vorrichtung 11 kann eine gekapselte oder offene Funkenstrecke nicht unähnlich der Funkenstrecke U1 oder einen Ein-Weg-Schalter oder eine Diode enthalten.
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2 zeigt eine Änderung der in 1 gezeigten Vorrichtung, in der gleiche Teile gleiche Bezugszeichen enthalten. 2 zeigt ein alternatives Kopplungsverfahren, um den Ladungssammelabschnitt (P, D1, C1) mit dem Kondensator C2 zu koppeln, wobei die Induktionsspule P1 in 1 durch den Transformator U2 in 2 ersetzt ist. Der Transformator U2 kann mit dem Kondensator C1 resonant gekoppelt sein, um den Wirkungsgrad der Energieübertragung zu dem Kondensator C2 zu verbessern. 2 enthält einen Vollwellenbrückengleichrichter D5 zum Gleichrichten von Energieimpulsen von dem Kondensator C1 in DC-Strom, der an den Kondensator C2 übertragen wird. Alternativ kann der Brückengleichrichter D5 durch eine einzelne Gleichrichterdiode ersetzt sein.
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2 enthält in der Schaltung, die den Hauptspeicherkondensator C2 mit der Zündkerze 10 koppelt, eine gekapselte oder offene Funkenstrecke U3 wie etwa einen Überspannungsableiter. Die Funkenstrecke U3 stellt einen gedämpften Ein-Richtungs-Energieimpuls in die Zündkerze 10 bereit, was den Gleichstromfluss und das zugeordnete Magnetfeld erzielt (archive). Die Funkenstrecke U3 ist vorzugsweise eine disruptive Funkenstrecke oder wird gelöscht, wie oben beschrieben wurde. Wie oben beschrieben wurde, stellt dies in Bezug auf die Funkenstrecke U1 eine schnelle Unterbrechung des Stromkreises sicher, um den Kondensator C2 effektiv aus der Funkenentladung zu entfernen. Dadurch, dass der Stromweg schnell unterbrochen wird, bewirkt die Funkenstrecke U3, dass ein Rückstromfluss oder eine Schwingung zu dem Kondensator C2 zurück verhindert wird.
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Die obige Anordnung kann einen Zündfunken mit Gleichstrom mit verhältnismäßig hoher Energie und hohem Volumen erzeugen. Ein kurzer Gleichstromfluss kann die Bildung und das Wachstum eines Zündfunkens durch ein zugeordnetes magnetisches Gleichfeld, das sich ausdehnt, fördern. Das magnetische Gleichfeld, das den Gleichstrom begleitet, kann bewirken, dass der Zündfunken tiefer in die Verbrennungskammer oder in den Zylinder vorgetrieben wird. Dieser Prozess kann durch Entwurfsänderungen an den Zündfunkenelektroden, um das Magnetfeld, das den Gleichstrom begleitet, zu optimieren oder zu nutzen, unterstützt werden. Die verhältnismäßig höhere Energie, die in dem Zündfunken enthalten ist, veranlasst eine hohe UV, die bei dem Durchbruch (breakdown) und bei der Zerstreuung des Luft/Kraftstoff-Gemischs hilft. Alternativ kann anstelle der Funkenstrecke U3 eine Hochspannungs/Hochstrom-Diode oder ein Festkörperschalter genutzt werden oder kann der Kondensator C2 durch verschiedene bekannte Verfahren von der Schaltung zur Masse parallelgeschaltet sein.
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3 zeigt einen Graphen des Kondensatorentladestroms über Primärwicklungen einer Zündspule für ein herkömmliches Kondensatorentladungs-Zündungssystem (CDI-System). Der vertikale Strommaßstab sind 10 Ampere pro Trennlinie (10 A/TL) und der horizontale Zeitmaßstab sind 50 Mikrosekunden pro Trennlinie (50 A/TL). Der Graph zeigt einen Primärimpuls, der in einer idealen Entladung 30–32 Ampere erreicht, wobei der Impuls in etwas mehr als 50 Mikrosekunden abgeschlossen ist. Es wird auf die Stromschwingung, die auf den Anfangsprimärstromimpuls folgt, und darauf, wie viel Energie in der Schwingung verbleibt, hingewiesen. Bei der Erzeugung des Zündfunkens spielt nur der Anfangsimpuls eine große Rolle. Der typische Strom in Produktionssystemen ist normalerweise kleiner, etwa 10–20 Ampere, obgleich dies zur Darstellung eines Idealsystems dient.
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4 zeigt ein Oszillographenbild des Stroms, der durch eine Zündkerze fließt, wenn er durch eine Vorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verstärkt wird. Der vertikale Strommaßstab sind 100 Ampere pro Trennlinie (100 A/TL) und der horizontale Zeitmaßstab sind 20 Mikrosekunden pro Trennlinie (20 μs/TL). Das Oszillographenbild zeigt mehr als 200 Ampere in weniger als 40 Mikrosekunden. Der hohe Strom ist eine Folge einer Kondensatorentladung durch einen Zündfunken bei sehr niedrigem Widerstand. Der Zündfunken sieht nahezu wie ein Kurzschluss zu dem Kondensator aus, sodass er seine Energie sehr schnell entladen kann. Es wird auf die sehr scharfe und plötzliche Entladung und auf das Fehlen von Schwingungen nach dem Anfangsprimärstromimpuls hingewiesen.
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Schließlich können in die Konstruktionen und Anordnungen der zuvor beschriebenen Teile selbstverständlich verschiedene Änderungen, Abwandlungen und/oder Hinzufügungen eingeführt werden, ohne von dem Erfindungsgedanken oder Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
