DE1965152B2 - Elektronisches Zündsystem für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

liegt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß während der Stromflußzeit zum Magnetisieren des Zündspulenkerns ein nicht geringer Energieanteil aufgebracht werden muß, der nicht nutzbringend verwertet werden kann.

Bei keinem der bekanmm Systeme hat man es in der Hand, die Verteilung der verfügbaren Energie auf Funkenkopf und Nachentladung so zu beeinflussen, daß ein Optimum erzielt wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe be- ίο steht 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-Lichtbogens von z. B. etwa 1 ms Dauer erzeugt werden kann. Durch besonders intensives Durchzünden soll daiBit 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 Erfindung Startverhalten, Kaltlaufeigcnschaften und Elastizität des Motors verbessert werden.

Die Lösung der vorerwähnten Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß zwei Halbleiter-Schalter so mit der Zündspule verbunden sind, daß ihr im Zündzeitpunkt der eine Schalter die im Kondensator gespeicherte Energie und der andere Schaller im Anschluß an die Kondensatorentladung ohne Zwischenspeicherung zusätzliche Energie zuführt, wobei die Dauer dieser Energienachlieferung durch eine an sich bekannte, aus Halbleiterbauelementen aufgebaute Kippschaltung gesteuert wird.

In einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung ist der zuerst genannte Schalter ein Thyristor, währcnd für den zweiten Schalter ein Transistor Anwendung fir.del.

Die Erfindung 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 Nachentladung durch geeignete Dimensionierung auf optimale Werte der Zeitdauer und Intensität gebracht werden können.

Die Zeichnung veranschaulicht die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielcn. Es zeigt

F i g. 1 ein vereinfachtes Prinzipschaltbild,

Fig. 2 ein Schaltschema einer speziellen Ausführungsform,

F i g. 3 ein Gesamtsohaltbild eines funktionsfähigen Ausführungsbeispiels einer Zündanlage nach der Erfindung.

Die Zündanlage nach F i g. 1 wird von einer Batterie 1 von z.B. 12V gespeist. Der Speicherkondensator 2 ist mit einem Gleichspannungswandler 3 so verblinden, 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 (Untcibrecher) über einen Impulsformer6 so angekoppelt ist, daß er im Zündzeitpunkt leitend wird und die Ladung des Kondensators 2 an die Primärwicklung der als Huchspannungs-Zündtransformator wirkenden Zündspule 7 abgibt, an deren Sekundärwicklung die Zündkerze 8 angeschlossen ist. An dieser erfolgt bei dem geschilderten Vorgang ein Hochspannungsüberschlag in Form eines Funkenkopfes. Mehrere Kerzen könaen 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 der Zündspule"? fließen kann, sofern die beiden Schaltglieder 9 und 10 in den leitenden Zustand versetzt werden. Dieser Stromkreis ist in F i g. 1 mit dicken Linien dargestellt.

Hier/u ist der Impulsformer6 so beschaffen, daß er in jedem Zündzeitpunkt nicht nur einen Nadelimpuls 21 zum Ansteuern des Thyristors 4, sondern gleichzeitig einen Rechteckimpuls 20 zum Ansteuern des Schalttvansistors 10 abgibt, der diesen auf eine den Erfordernissen angepaßte Dauer leitend macht.

Der im Zündzeitpunkt durchlässige Thyristor schaltet in bekannter Weise den Kondensator 2 an die Primärwicklung der Zündspule 7, wobei die am Kondensator stehende Spannung infolge des daraufhin fließenden Entladestromes in sehr kurzer Zeit abfällt. Solange diese Spannung höher ist als die der Batterie, hält sie, wie aus Fig. 1 ersichtlich 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 9 in den leitenden Zustand über, worauf die Batterie die weitere Lieferung von Primärstrom übernimmt.

Da durch den von der 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. Die Zündspule? ist so bemessen, daß sie die ihr zugeführte Spannung auf eine hierzu ausreichende Höhe übersetzt. Der aus der Batterie nachgelieferte Primärstrom sorgt dafür, daß in der Zündspule? 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 Zündfunken 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.

F i g. 2 zeigt als weitere Ausführungsform eine Schaltung, bei der für den Spannungswandler (3 in Fig. 1) eine Einrichtung gemäß deutscher Offcnlcguiigsschrili 1539 195.4-33 vom 23. 3. 1972 zum Laden des Kondensators 2 benutzt wird. Dabei wird der Transistor 10, der die oben beschriebene Funktion hat, zugleich auch als Schalter für den Primärstrom 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 die magnetische Energie im Transformator 11 auf den für das Laden des Kondensators 2 auf eine bestimmte Spannung erforderlichen Wert angestiegen ist. Die Steuerung des Transistors 10 erfolgt entsprechend der Arbeitsweise von Fig. 1 durch eine Steuereinrichtung, die in Fig.2 als Trigger 14 be- ίο zeichnet ist, welcher hier in Form einer an sich bekannten monostabilen Kippstufe ausgeführt ist. Der Trigger 14 liefert in jedem Zündzeitpunkt an den Transistor 10 einen Rechteckimpuls von passender Dauer, von dem auch, wie in Fig. 2 angedeutet, ein Steuerimpuls für den Thyristor4 abgeleitet weiden kann. Somit entspricht diese Anordnung, soweit es den Kondensatorlade- und -entladekrcis betrifft, grundsätzlich den in Fig. 1 bis 3 des obengenannten Patents dargestellten Schaltbeispielen.

Hinzu kommt erfindungsgemäß der an Hand 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 der Zündspule 7 zugeführt wird.

Die Zeitdauer, auf die der Transistor 10 durchgcsteuert wird, kann den Erfordernissen für die Dauer der Nachentladung angepaßt werden, während die Energiemenge, die den Funkenkopi erzeugt, durch geeignete Dimensionierung der Primärinduktivilät des Transformators 11 beeinflußbar, frei gewählt weiden kann.

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 Ladcschaltung erforderliche Tmpulsformer kann für das Schalten der zusätzlichen Energiezufuhr für die Nachentladung mitverwendet werden, wodurch der Aufwand an Bauteilen praktisch nicht höher ist als bei einer reinen Kondensatorzündung.

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2. Da der den Transistor 10 durchfließende Primärstrom der Zündspule? unter praktischen Bedingungen einen zeitlich abfallenden Verlauf hat, derjenige des Transformators 11 dagegen zeitlich ansteigt, erreichen beide Ströme ihre Spitzenwerte nicht gleichzeitig, sondern nacheinander, so daß eine Addition derselben nicht eintritt. Darum braucht der Transistor 10 nicht wesentlich stärker dimensioniert zu werden als bei einfacher Kondensatorzündung.

3. Die beim Abschalten des Transistors 10 in der Zündspule 7 frei werdende Energie, die sich als Magnetisierung während des primären Stromt'iusses in ihrem Kern angesammelt hat, kann zum Wiederaufladen des Kondensators 2 zurückgewonnen werden. Fig.2 läßt erkennen, daß für diesen Vorgang die Primärwicklung der Zündspule? zu derjenigen des Transformators 11 (über die Diode 9) parallel geschaltet 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 Übersetzungsverhältnisses im Transformator 11 verhindern.

5. Die Vorteile der Zündeinrichtung nach dem obengenannten Patent bleiben bei einer Anordnung nach F i g. 2 voll erhalten, hier insbesondere die Erzielung einer konstanten, in weiten Grenzen von Drehzahl und Batteriespannung unabhängigen Ladcspannung am Kondensator 2 bei geringem Gesamtaufwand.

In Fig. 3 ist ein vollständiges Gesamtschaltbikl einer ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bildenden funktionsfähigen Zündanlage dargestellt. Lediglich einige Zusatzeinrichtungen, die in einer praktischen Ausführung die Betriebssicherheit unter besonderen Bedingungen erhöhen sollen, jedoch die grundsätzliche Wirkungsweise nicht berühren, sind hier der Übersichtlichkeit halber weggelassen.

An Stelle des Transistors 10 besitzt diese Schaltung zur Erhöhung der Stromverstärkung ein von den Transistoren 15 und 16 gebildetes Darlington-Paar. Die Transistoren 17 und 18 bilden eine an sich bekannte monostabile Kippschaltung. Bei der die Basis des Transistors 17 an den Kollektor des Transistors 18 angekoppelt ist und die Rückkopplung über den Widerstand 19 und den Kondensator 23 erfolgt. Die zwischen dem motorgetriebenen Unterbrecher 5 und der Basis des Transistors IS liegenden Schaltelemente dienen dazu, der Basis des Transistors 18 einen kurzen positiven Steuerimpuls zu erteilen, wenn die Unterbrecherkontakte im Zündzeitpunkt öffnen. Dadurch werden der Transistor 18 und alle nachgeschalteten Transistoren in den leitenden Zustand versetzt und der oben beschriebene Zündvorgang ausgelöst. Dieser Schaltzustand wird durch die Rückkopplung über die Elemente 19 und 23 so lange aufrechterhallen, bis die Zenendiode 13 leitend wird, was das Zurückkippen der Schaltung in den Sperrzustand zur Folge hat. Nach dem Abschalten des Primärstromes des Transformators 111 erfolgt auch hier wieder das Laden des Kondensators 2 zur Vorbereitung des nächstfolgenden Zündvorganges.

Die übrigen Einzelheiten der Schaltung nach Fig. 3 entsprechen ganz den Schaltungen nach F i g. 1 und 2.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

zeitigen, hochgespannten Impuls, der die Gasstrecke Patentansprüche: zwischen den Kerzenelektroden ionisiert und den elektrischen Durchbruch herbeiführt (Funkenkopf).

1. Elektronisches Zündsystem für Verbren- In der auf diese Weise elektrisch leitend gewordenen nungsmotoren mit einem Speicherkondensator, 5 Gasstrecke fließt im Anschluß daran bei einem der über einen Gleichspannungswandler geladen Bruchteil der Durchschlagspannung die relativ ener- und im Zündzeitpunkt in einen Hochspannungs- gieieiche Nachentladung, die so lange andauert, bis zündtransformator (Zündspule) entladen wird, der zuvor gespeicherte Energievorrat aufgebraucht und mit einer Einrichtung zur Nachlieferung wei- ist. Wie Messungen gezeigt haben, ist für den Wirterer Energie aus der speisenden Stromquelle io kungsgrad von Ottomotoren eine Brenndauer der (Batterie) an die Zündspule, dadurch ge- Gasentladung von 0,6 bis 0,8 ms sinnvoll und vorteilkennzeichnet, daß zwei Halbleiter-Schalter haft.

(4, 10) so mit der Zündspule (7) verbunden sind, Bei den bekannten Hochspannungs-Zündsystemen daß ihr im Zündzeitpunkt der eine Schalter (4) wird die gesamte Energie für jeden Zündfunken entdie im Kondensator (2) gespeicherte Energie und 15 weder induktiv oder kapazitiv zwischengespeichert, der andere Schalter (10) im Anschluß an die Dementsprechend unterscheidet man zwischen Spu-Kondensatorentladung ohne Zwischenspeiche- len- und Kondensator-Zündsystemen,
rung zusätzliche Energie aus der Batterie (1) zu- Vor den Spulenzündungen, seien sie nun kontaktführt, wobei die Dauer dieser Energienachliefe- gesteuert oder transistorisiert, haben Kondensatorrung durch eine an sich bekannte, aus Halbleiter- 20 Zündungen folgende Vorteile: Hoher elektrischer bauelementen aufgebaute Kippschaltung (6, 14) Wirkungsgrad, geringe Stromaufnahme bei niedriger gesteuert wird. " " Drehzahl der Brennkraftmaschine, hohe Zündlei-

2. Zündsystem nach Anspruch 1, dadurch ge- stung unabhängig von der Drehzahl und sehr schneikennzeichnet, daß der Halbleiter-Schalter (4) ein ler Spannungsanstieg auf der Hochspannungsseite. Thyristor und der Schalter (10) ein Transistor ist. 25 Außerdem läßt sich bei ihnen gemäß einem älteren

3. Zündsystem nach Anspruch 1 und 2, da- Vorschlag in einfacher Weise die Höhe der abgegedurch gekennzeichnet, daß die Zündspule (7) pri- benen Spannung von der eingespeisten Spannung märseitig mit dem einen Pol der einpolig an praktisch unabhängig machen (vgl. dazu deutsche Masse liegenden Gleichspannungsquelle (1) di- Offenlegungsschrift 1539195.4 vom 23. November rckt verbunden ist. 30 1973).

4. Zündsystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, da- Spulenzündungen haben demgegenüber den Vordurch gekennzeichnet, daß der nicht im Konden- teil einer relativ langen Zeitdauer der elektrischen sator-Entladestromkreis liegende Halbleiter- Entladung. Bei reinen Kondensator-Zündsystemen Schalter (10) zugleich auch den Primärstrom des gelingt es nicht, diese Dauer über wenige Zehntel Gleichspannungswandlers schaltet. 35 einer Millisekunde hinaus auszudehnen, es sei denn,

5. Zündsystem nach Anpruch 4, dadurch ge- man wendet Maßnahmen an, durch die andere Vorkennzeichnet, daß die Primärwicklung der Zünii- teile der Kondensatorzündung verlorengehen. Dieser spule (7) über eine Diode (9) zur Primärwicklung Nachteil gegenüber der Spulenzündung kann durch des Wandlertransformators (11) parallel geschal- höhere Intensität der Entladung nur zum Teil wettgetet ist. 40 macht werden.

6. Zündsystem nach Anspruch 5, dadurch ge- Andererseits ist die Dauer der Entladung bei Spukennzeichnct, daß das Übersetzungsverhältnis des lenzündsytemen meist erheblich langer als notwen-Wandlertransformators (11) so bemessen ist, daß dig, so daß ein großer Teil der gespeicherten Energie die nach dem Abschalten des Batteriestromes abfließt, während das Gasgemisch schon brennt, was durch den Schalter (10) an der Zündspule (7) 45 der Intensität des Zündfunkens in der Zeit des auftretende Rückschlagspannung keine ungewoll- eigentlichen Zündvorgangs abträg'ich ist.

ten Entladungen im Hochspannungskreis hervor- Es ist bereits eine Einrichtung bekanntgeworden,

ruft. bei der ein Transistor im Zündzeitpunkt die Energie

aus einem geladenen Kondensator in die Primärwick-50 lung einer Zündspule leitet und gleichzeitig zur Verlängerung der Funkenstandzeit die Spannung der speisenden Batterie über einen Gleichrichter an die

Zündspule anlegt. Derselbe Transistor schließt zugleich den Magnetisierungsstromkreis für eine Lade-55 drossel zum Wiederaufladen des Kondensators. Hierbei wird die Dauer des Stromflusses durch einen Transformator mit sättigbarem Schaltkern gesteuert.

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Zündsy- Die Anwendung eines Transistors für das Entla-

stem für Verbrennungsmotoren mit einem Speicher- den des Kondensators in die Zündspule bedingt jekondcnsator, der über einen Gleichspannungswand- 60 doch wegen dessen begrenzten Sperrvermögens das lcr geladen und im Zündzeitpunkt in einen Hoch- Arbeiten bei relativ niedriger Spannung an großen Spannungstransformator (Zündspule) entladen wird. Kapazitäten. Infolge des ebenfalls nicht sehr hohen

Das schnelle und gründliche Durchzünden des ver- Stromschaltvermögens von Transistoren kann die dichteten Gasgemisches in einem Otto-Motor erfor- Entladung nicht in der kurzen Zeit erfolgen, wie sie dert eine elektrische Entladung an den Elektroden 65 für einen sehr schnellen Spannungsanstieg auf der der Zündkerze von hoher Temperatur und ausrci- Hochspannungsseite erforderlich wäre. Hinzu chender Dauer. Bei den konventionellen Zündsyste- kommt, daß im Stromkreis des Transistors zusätzlich men wird die Entladung eingeleitet durch einen kurz- noch eine Wicklung auf dem Schaltlransformator