-
Elektronisches ZUndsystem Die Erfindung betrifft ein elektronisches
Zündsystem für Verbrennungsmotoren mit einem Speicherkondensator, der Uber einen
Gleichspannungswandler geladen und im Ztlndzeitpunkt in einen Hochspannungsziindtransformator
(Zilndspule) entladen wird.
-
Das schnelle und gründliche Durchzünden des verdichteten Gasgemisches
in einem Otto-Motor erfordert eine elektrische Entladung an den Elektroden der ZUndkerze
von hoher Temperatur und ausreichender Dauer. Bei den konventionellen ZUndsystemen
wird die Entladung eingeleitet durch einen kurzzeitigen, hochgespannten Impuls,
der die Gasstrecke zwischen den Kerzenelektroden ionisiert und den elektrischen
Durchbruch herbeiführt (Funkenkopf)* In der auf diese Weise elektrisch leitend gewordenen
Gas strecke fließt im Anseh}uß daran bei einem Bruchteil der Durchschlagspannung
die relativ energiereiche Nachentladung, die so lange andauert, bis der zuvor gespeicherte
Energievorrat aufgebraucht ist. Wie Messungen gezeigt haben, ist für den Wirkungsgrad
von Ottomotoren eine Brenndauer der Gasentladung von 0,6 bis 0,8 ms sinnvoll und
vorteilhaft.
-
Bei den bekannten Hochspannungs-Zündsystemen wird die gesamte Energie
für Jeden ZUndfunken entweder induktiv oder kapazitiv
zwischengesneichert.
nementSvrechend unterscheidet man zw -schen Spulen- und Kondensator-Zündsystemen.
-
Vor den Spulenzündungen, seien sie nun kontaktgesteuert oder transistorisiert,
haben die KondensatorzUndungen folgende Vorteile: Hoher elektrischer Wirkungsgrad,
geringe Stromaufntshme bei niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine, hohe Zündleistung,
unåbhSngig von der Drehzahl und sehr schnalle Spannungsanstieg auf der Hochspannungsseitet
Außerdem läßt sich bei ihnen in einfacher Weise die Höhe der abgegebenen Spannung
von der der eingespeisten Spannung praktisch unabhängig machen (vgl. dazu-Patent
.... (Patentanmeldung P 15 39 195.4 vom 18.11.66)).
-
Spulenzündsysteme haben demgegenüber den Vorteil einer relativ langen
Zeitdauer der- elektrischen Entladung. Bei reinen Kondensator-ZÜndsystemen gelingt
es nicht, diese Dauer über wenige Zehntel ms hinaus auszudehnen, es sei denn, man
wendet tiaßnahmen an, durch die andere Vorteile der KondensatorzUndung verlorengehen.
Dieser Nachteil gegenüber der Spulenzündung kann durch höhere Intensität-der Entladung
nur zum Teil wejttgemachi werden.
-
Andererseits ist die Dauer der Entladung bei Spulenzündsystemen meist
erheblich länger als notwendig, so-daß ein großer Teil der gespeicherten Energie
abfließt, während das Gasgemisch schon brennt, was der Intensität des Zündfunkens
in der Zeit des eigentlichen Zündvorganges abträglich ist.
-
Bei beiden Systemen hat man es nicht in der Hand, die Verteilung der
Energie aus dem Zwischenspeicher auf Funkenkopf und Nachentladung so zu beeinflussen,
daß ein Optimum erzielt wird.
-
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Zündsystem
zu schaffen, bei dem die Vorteile der bekannten Kondensatorzündungen voll zur Geltung
kommen und außerdem eine kräftige Nachentladung in Form eines Gleichstrom-liichtbogens
von
annähernd 1 ms Dauer erzeugt werden kann. Durch besonders intensives
Durchzünden soll ferner eine bessere Ausnutzung des Gasgemisches erzielt werden,
was einen verbesserten Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine und einen verringerten
Anteil an unverbrannten und giftigen Bestandteilen im Abgas zur Folge hat.
-
Ferner sollen durch die Ereindung Startverhalten, Kaltlaufeigenschaften
und Elastizität des Motors verbessert werden.
-
Die vorerwäklte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
Zündspule im Anschluß an die Entladung des Kondensa-1;bors über einen Schalttransistor
aus der speisenden Stromquelle (Batterie) ohne Zwischenspeicherung weitere Energie
zugeführt wird, wobei die Dauer dieser EnergienachlieSerung durch eine Steuereinrichtung
bestimmt wird.
-
Als Spannungswandler für die Kondensatorladung eignen sich vorzugsweise
die in dem obengenannten Patent (Patentanmeldung P 15 39 195.4 vom 18.11.1966) beschriebenen
Anordnungen.
-
Die Erfindui stellt also keine reine Kondensatorzündung dar, weil
nur ein Teil der Zündenergie einem Speicherkondensator entnommen wird; sie ist auch
keine Spulenzündung, weil eine induktive Speicherung nicht stattfindet. Sie stellt
vielmehr den beiden bisher bekannten Grundtypen batteriebetriebener Zündsysteme,
der Spulenzündung und der Kondensatorzündung, eine dritte, neue Kategorie an die
Seite, die den Vorteil hat, daß sowohl der Funkenkopf als auch die ITachentladung
durch geeignete Dimensionierung auf optimale Werte der Zeitdauer und Intensität
gebracht werden können.
-
Die Zeichnung veranschaulicht die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Prinzipschaltbild, v Fig. 2
ein Schaltschema einer speziellen Ausführungsform und Fig. 3 ein Gesamtschaltbild
eines funktionsfähigen Ausführungsbeispiels einer Zündanlage nach der Erfindung.
-
Die Zündanlage nach Fig.. 1 wird von einer Batterie 1 von z.B.
-
12 V gespeist. Der Speicherkondensator 2 ist mit einem Gleichspannungswandler
3 so verbunden, daß er, sooft er entladen wird, nach angemessener Zeit wieder auf
eine Spannung von z.B.
-
350 V aufgeladen wird. Zum Entladen des Kondensators 2 ist der Thyristor
4 vorgesehen, der an den am Verbrennungsmotor angebrachten Geber 5 (Unterbrecher)
über einen Impulsformer 6 so angekoppelt ist, daß er im Zündzeitpunkt leitend wird
und die Ladung des Kondensators 2 an die Primärwicklung des Zündtransformators 7
(Zündspule) abgibt, an dessen Sekundärwicklung die Zündkerze 8 angeschlossen ist.
.An dieser erfolgt bei dem geschilderten Vorgang ein Hochspannungsüberschlag in
Form eines Funkenkopfes. Mehrere Kerzen können in üblicher Weise über einen (nicht
dargestellten) Verteiler versorgt werden.
-
Außer den hier aufgeführten Einrichtungen, die dem bekannten Stand
der Technik entsprechen, besitzt die Anordnung gemäß der Erfindung noch einen zusätzlichen
Stromkreis, durch den ein Strom aus der speisenden Stromquelle (Batterie 1) ohne
Zwischenspeicherung direkt durch die Primärwicklung des Zündtransformators 7 fließen
kann, sofern die beiden Schaltglieder 9 und 10 in den leitenden Zustand versetzt
werden. Dieser Stromkreis ist in Fig. 1 mit dicken Linien dargestellt.
-
Hierzu ist der Impulsförmer G so=beschaffen, daß er in jedem Zündzeitpunkt
nicht nur einen Nadelimpuis 21 zum Ansteuern des Thyristors 4, sondern gleichzeitig
einen Rechteckimpuls 20 zum Ansteuern des Schalttransistors 10 abgibt, der diesen
auf eine den Verhältnissen angepaßte Dauer leitend macht.
-
Der im Zündzeitpunkt durchlässige Thyristor 4^schaltet in bekannter
Weise den Kondensator 2 an die Primärwicklung des Zündtransformators
7,
wobei infolge des daraufhin fließenden.Entladestromes die Spannung in sehr kurzer
Zeit abfällt. Solange diese Spannung höher ist als die der Batterie, hält sie, wie
aus Fig. 1ersichtlich ist, die Diode 9 gesperrt, so daß der obengenannte zusätzliche-
Stromkreis noch offen ist. Gegen Ende der Entladung von Kondensator 2 geht auch
die Diode in den leitenden Zustand iiber, worauf die Batterie die weitere Lieferung
von- Primärstrom übernimmt.
-
Da durch den vorder Kondensatorladung herrührenden hochgespannten
Funkenkopf an der Zündkerze 8 die Gasstrecke zwischen deren Elektroden zuvor ionisiert
und somit leitend gemacht worden ist, kann anschließend ein Lichtbogen bei einer
Brennspannung von einigen hundert-Volt aufrechterhalten werden. Der Zündtransformator
7 ist so bemessen, daß er die Batteriespannung auf eine hierzu ausreichende Höhe
übersetzt. Der aus der Batterie nachgelieferte Primärstrom sorgt dafür, daß im Zündtransformator
7 ein Magnetfeld mit zeitlich ansteigender Flußdichte aufgebaut wird, das die zum
Weiterfließen des Lichtbogenstromes erforderliche EMK in der Sekundärwicklung erzeugt.
-
Bei entsprechender Dimensionierung der Schaltelemente kann mit dieser
Einrichtung die Brenndauer der Zündfunkens bei hoher Intensität auf eine für den
Verbrennungsablauf im Motor optimale Dauer ausgedehnt und durch Abschalten mit dem
Transistor 10 zu einem festgelegten Zeitpunkt abgebrochen werden. Dadurch läßt sich
eine unnötig und unerwünscht lange Standzeit des Lichtbogens vermeiden, die sich
auf den Stromverbrauch und auf die Lebensdauer der Zündkerzen nachteilig auswirken
kann.
-
Fig. 2 zeigt eine Schaltung, bei der für den Spannungswandler (3 in
Fig. 1) eine Einrichtung gemäß Patent ... (Patentanmeldung P 15 39 195.4-33 vom
1-8.11.66) zum Laden des Kondensators 2 benutzt wird Dabei wird der Transistor 10,
der die oben beschriebene Funktion hat, zugleich auch als Schalter für den Magnetisierungsstrom
des
Transformators 11 mitbenutzt. Letzterer lädt in bekannter Weise über die Diode 12
den Kondensator 2 auf, wenn der Transistor 10 den Primärstrom sperrt.
-
Das Sperren erfolgt zu dem Zeitpunkt, in dem der Primärstrom auf einen
vorbestimmten Wert angestiegen ist, bei dem er durch den Spannungsabfall an dem
relativ niederohmigen Widerstand 13 den Trigger 14 zum Abschalten des Steuerstromes
für den Transistor 10 veranlaßt. Somit entspricht diese Anordnung, soweit es den
Kondensatorlade- und -entladekreis betrifft, grundsätzlich dem in Fig. 6 des obengenannten
Patents dargestellten Schaltbild.
-
Hinzu kommt erfindungsgemäß der anhand der Fig. 1 erläuterte zusätzliche
Stromkreis, durch den der Batterie 1, außer der im Kondensator 2 zwischengespeicherten
Energie, zur Speisung einer wirksamen Nachentladung an der Zündkerze weitere Energie
entnommen und dem Zündtransformator 7 zugeführt wird.
-
Durch geeignete Dimensionierung der Induktivität 11 kann die Zeitdauer,
auf die der Transistor 10 durchgesteuert wird, den Erfordernissen für die Dauer
der Nachentladung angepaßt werden, ohne daß hierdurch die freie Wahl der Energiemenge,
die den Funkenkopf erzeugt, eingeschränkt wird.
-
Die in Fig. 2 dargestellte Kombination der Kondensator-Ladeschaltung
gemäß dem obengenannten Patent mit einer Anordnung nach Fig. 1 ergibt folgende zusätzliche
Vorteile: 1. Der für die Steuerung der Ladeschaltung erforderliche Impulsformer
kann für das Schalten der zusatlichen Energiezufuhr für die Nachentladung mitverwendet
werden, wodurch der Aufwand an Bauteilen praktisch nicht höher ist als bei einer
reinen Kondensatorzündung.
-
2. Da der den Transistor 10 durchfließende Primärstrom
des
Zündtransformators 7 unter praktischen Bredingungen einen zeitlich abfallenden Verlauf
hat, derjenige- des Transformators 11 dagegen zeitlich ansteigt, erreichen. beide
xtröme~ihre Spitzenwerte nicht gleichzeitig, sondern nacheinander, so daß eine Addition
derselben nicht eintritt. Darum brauch-t der Transistor 10 nicht stärker dimensioniert
zu werden als bei einfacher Kondensatorzündung.
-
3. Die bei Abschalten des Transistors 10 im Zündtransformator 7 freiwerdende
Energie, die sich als Magnetisierung während des primären Stromflusses in seinem
Kern angesammelt hat, kann zum Wiederaufladen des Kondensators-2 z-urückgewonnen
werden. Fi. 2 läßt erkennen, daß für diesen Vorgang die Primärwicklung des Zündtransformators
7 zu derjenigen des Transformators 11 (über Diode 9 und Widerstand 13) parallelgeschaItet
ist. Letzterem wird dadurch die überschüssige Energie zugeführt.
-
4. Ein zu hohes Ansteigen der primären Spannungsspitze in diesem
Augenblick, das zu unerwünschten Rückzündungen führen kann, läßt sich durch geeignete
Bemessung des Ubersetzungsverhältnisses im Transformator 11 verhindern.
-
5. Die Vorteile der Zündeinrichtung nach dem obengenannten Patent
bleiben bei einer Anordnung nach Fig. 2 voll erhalten, hier, insbesondere dieiErzielung
einer konstanten, in weiten Grenzen von Drehzahl und Batteriespannung unabhängigen
Ladespannung am Kondensator 2 bei geringem Gesamtaufwand.
-
In Fig. 7 ist ein vollständiges Gesamtschaltbild einer ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung bildenden funktionsfähigen Zündanlage dargestellt. Lediglich einige
Zusatzeinrichtungen, die in einer prattischen Ausführung die Betriebssicherheit
unter besonderen Bedinmungen erhöhen sollen, jedoch die grundsätzliche l^lirkungsweis-e
nicht berühren, sind hier der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
-
Anstelle des Transistors 10 besitzt diese Schaltung zur Erhöhung der
Stromverstärkung ein komplementäres Darlington-Paar (15, 16). Die hier gezeigte
Kippschaltung ist gegenüber dem in Fig. 6 des früheren Patents gezeigten Schaltbeispiel
etwas abgewandelt. Bei ihr befinden sich die beiden Transistoren 17 und 18 wechselweise
im leitenden bzw. im Sperrzustand. Ist z.B. der Transistor 18 stromdurchlässig,
so hält er den-Transistor 17 im gesperrten Zustand. Dadurch erhalten auch die nachgeschalteten
Transistoren 15 und 16 keinen Basisstrom. -Die Basis des Transistors 18 ist so an
den Unterbrecher 5 angekopperlt=, daß sie im Zündzeitpunkt einen kurzen positiven
Steuerimpuls erhält. Dieser veranlaßt die Kippschaltung, in ihre zweite stabile
Lage umzuspringen, bei der der Transistor 17 leitet und den Steuerstrom zum Durchschalten
der Transistoren 16 und 15 liefert. Das Zurückkippen nach Erreichen eines bestimmten
Primärstromes im Transformator 11 erfolgt d.urch eine negative Steuerspannung, die
aus dem Spannungsabfall am Widerstand 13 über Transistor 17 und Widerstand 19 an
die Basis des Transistors 18 gelangt. Anstelle einer Zenerdiode legt hier die Schwellenspannung
des Transistors 18 den genauen Abschaltpunkt fest.
-
Die übrigen Einzelheiten dieser Schaltung nach Fig. 3 entsprechen
ganz den Schaltungen nach Fig. 1 und 2.
-
Patentansprüche: