DE19700179C2 - Zündsystem für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Zündsystem, das als Resonanzwandler aufgebaut ist, für einen Verbrennungsmotor, mit einer Spannungsquelle, einem Halbleiter- Leistungsschalter, einer Resonanzkapazität, einer Rückspeisediode, einer Steuer- und Regeleinheit, einer Zündkerze und einem Zündübertrager, wobei die Resonanzkapazität Teil eines ersten und eine Sekundärkapazität, die aus der Kerzenkapazität, einer Streukapazität und einer Wicklungskapazität des Zündübertragers zusammengesetzt ist, Teil eines zweiten Schwingkreises ist.

Derartige nach dem Prinzip eines Resonanzwandlers arbeitende Zündsysteme sind bekannt, beispielsweise aus der Druckschrift DE 44 09 985 A1 oder EP 0 674 102 A2. Bei den darin beschriebenen Systemen sorgt ein entsprechend angeregter Schwingkreis, bestehend aus der Primärwicklung des Zündübertragers und einem dazu in Serie geschalteten Kondensator, dafür, daß ein Wechselstrom erzeugt wird. Der Druckschrift DE 44 09 985 A1 ist dabei kein Hinweis auf die Bedeutung des Kopplungsfaktors für die Schwingungsstabilität zu entnehmen. Die Druckschrift DE 195 24 539 C1 zeigt und beschreibt ebenfalls eine Wechselstromzündanlage, der der Hinweis entnehmbar ist, daß das Ionenstromsignal sekundärseitig abgegriffen werden sollte. Der Druckschrift sind keine Angaben über die Gestaltung des Kopplungsfaktors entnehmbar.

Eine weitere Wechselstromzündanlage ist in der Druckschrift US 4 589 398 beschrieben, wobei kein Hinweis auf die Erfassung des Ionenstroms gegeben wird. In der Druckschrift wird ausgeführt, daß der Kopplungsfaktor für die Erhöhung der Energieübertragung vom Primär- auf den Sekundärkreis von Bedeutung ist und einen Wert von 0,6 aufweisen sollte.

Vorteile einer sich daraus ergebenden Wechselstromzündung sind insbesondere darin zu sehen, daß unterschiedliche Funkenströme erzielbar sind und daß die Funkendauer nur durch die maximale Leistung des Netzteils begrenzt ist. Diese Vorteile resultieren daraus, daß bei einer Wechselstromzündung die Energie kontinuierlich an den Funken übertragen wird. Im Gegensatz dazu speichert ein bekanntes induktives Zündsystem die Energien in der Spule. Bei dem induktiven System muß die Energie vorab möglichst genau bestimmt werden, um ein ausreichendes Spannungsangebot zu erzielen. Sobald jedoch dieses Energiepaket "abgeschickt" ist, liegt bei herkömmlichen induktiven Zündsystemen die Funkenenergie fest und läßt sich nur noch durch zusätzliche Maßnahmen beeinflussen.

Allgemein sind die bekannten Zündsysteme, ob kapazitiv oder induktiv arbeitend, auf die maximalen Anforderungen des Motors ausgelegt. Das heißt, daß ein solches Zündsystem in sämtlichen Betriebspunkten des Motors mit den gleichen Zündparametern arbeitet. Bei einem solchen nicht angepaßten Zündsystem kann es zu einem unnötigen Kerzenverschleiß kommen.

Insbesondere bei modernen Motoren, die unter unterschiedlichsten Betriebsbedingungen arbeiten beispielsweise aufgrund des Einflusses der Abgasrückführung, besteht die Forderung nach einem Zündsystem, das sich an die unterschiedlichen Betriebsbedingungen anpaßt.

Vorteile der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist, ein Zündsystem anzugeben, das hinsichtlich des erreichbaren Wirkungsgrads, der geringeren Einbauabmessungen und einer kostengünstigeren Fertigung verbessert ist. Dadurch daß der Zündübertrager einen Kopplungsfaktor zwischen 0,65 und 0,9 aufweist, läßt sich eine Verringerung der Induktivitäten der Primärwicklung L₁ und der Sekundärwicklung L₂ realisieren. In gleichem Maße verringert sich das Gewicht und die Abmessungen des Übertragers, so daß er weniger Einbauraum benötigt. Da der notwendige Primärstrom bei aus dem Stand der Technik vergleichbarem Funkenstrom geringer ist, besitzt der Zündübertrager einen besseren Wirkungsgrad bezüglich des Energieübertrags, weil weniger Verluste in der Spule und im umgebenden Motorblock entstehen.

Die geringeren Einbauabmessungen führen in Verbindung mit der guten Kopplung auch zu dem Vorteil, daß die Zündübertrager in sehr kleine Kerzenschächte passen, ohne daß sich die Kennwerte des Zündübertragers mit dem Einbau zu sehr ändern.

Bedingt durch einen gegenüber den bekannten Zündsystemen geringeren Abschaltstrom und durch die bessere Rückwirkung der Sekundärspannung aufgrund der erhöhten Kopplung, baut sich an der Resonanzkapazität eine geringere Kollektorspannung auf, was einen weiteren Vorteil darstellt, da kostengünstigere Bauelemente verwendet werden können.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung geringerer Induktivitäten ist darin zu sehen, daß das Zündsystem sehr viel besser für eine Ionenstrommessung ge­ eignet ist. Bei diesem bekannten Meßverfahren muß die nach Funkenende im Zündübertrager gespeicherte Restenergie zunächst dissipieren, um das Meßergeb­ nis nicht zu verfälschen. Dadurch, daß die Indukti­ vitäten geringere Werte aufweisen als bei Zündsy­ stemen nach dem Stand der Technik, ist in der Brennphase des Zündfunkens wenig Energie im Zünd­ übertrager gespeichert, so daß das Problem der Re­ stenergie nach Funkenende nicht auftritt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbei­ spielen mit Bezug auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1a und 1b zwei Ausführungsbeispiele eines Zündsystems,

Fig. 1c eine Ionenstrom-Meßvorrichtung in einem Sekundärkreis gemäß den in Fig. 1a, 1b gezeigten Ausführungs­ beispielen,

Fig. 2a bis 2c verschiedene Spannungs- und Strom­ diagramme zur Erläuterung der Funk­ tionsweise des erfindungsgemäßen Zündsystems vor Funkendurchbruch, und

Fig. 3 ein weiteres Diagramm mit verschie­ denen Spannungs- und Stromverläufen nach Funkendurchbruch.

Ausführungsbeispiele

Fig. 1a zeigt ein Zündsystem 1, das eine gestri­ chelt dargestellte Zündschaltung 3, eine Spannungs­ versorgungseinheit 5 und eine Steuer- und Regelein­ heit 7 umfaßt. Die Zündschaltung 3 weist einen Zündübertrager 9 mit einer Primärwicklung 11 und einer Sekundärwicklung 13 auf. Ein Anschluß der Primärwicklung 11 ist mit der Spannungsversorgungs­ einheit 5 verbunden, der andere Anschluß mit einem Kollektor eines Zündtransistors T. Ein Emitter-An­ schluß des Transistors T ist über einen Widerstand R mit Masse verbunden. Parallel zu Kollektor- und Emitter-Anschluß ist eine Diode D und ein Konden­ sator C_res angeordnet. Die Kathode der Diode D ist dabei mit dem Kollektor des Transistors T ver­ bunden.

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, den Transistor T als IGB (Insulatet Gate Bipolar)- Transistor auszuführen. Der Steuereingang (Basis) des Transistors T wird von der Steuer- und Rege­ leinheit 7 mit einem Ansteuerungssignal beauf­ schlagt.

Sekundärseitig liegt die Zündkerze ZK in Reihe zu der Sekundärwicklung 13 des Zündübertragers, wobei die beiden nicht miteinander verbundenen Anschlüsse von Sekundärwicklung und Zündkerze auf Masse lie­ gen. Technisch bedingt ist in diesem Stromkreis eine Streukapazität C_streu, eine Kerzenkapazität C_kerze sowie eine Spulenkapazität C_spule vorhanden, die durch einen gestrichelt gezeichneten Kondensa­ tor dargestellt sind.

Die Spannungsversorgungseinheit 5 wandelt die üblicherweise in einem Fahrzeug vorhandene 6-14 V-Spannung in eine Gleichspannung von ca. 100 V bis 200 V um, die dann an die Primärwicklung angelegt wird. Zu beachten ist, daß die Höhe dieser Gleichspannung nicht ohne Bedeutung für die sich einstellenden Arbeitsfrequenzen und Funkenströme ist. So können während des normalen Funkenbrennens Frequenzen von über 40 kHz erreicht werden. Falls das maximale Spannungsangebot zur Verfügung gestellt werden soll, sind die Frequenzen jedoch entsprechend geringer.

Der Steuer- und Regeleinheit 7 wird von einem Steuergerät SG ein Steuersignal zugeführt, das vorzugsweise einen vorwählbaren Abschaltstrom I_A kodiert. Der Steuer- und Regeleinheit 7 werden darüber hinaus weitere Regelgrößen zugeführt, nämlich einerseits die Kollektorspannung U_C des Transistors T und andererseits der Primärstrom I_P. Ein der Kollektorspannung U_C proportionales Meßsignal läßt sich beispielsweise über einen Spannungsteiler erzeugen, ein dem Primärstrom entsprechendes Meßsignal beispielsweise durch Abgreifen der an einem Strommeßwiderstand abfallenden Spannung. Diese Regelgrößen werden entsprechend einem noch zu erläuternden Regelalgorithmus verarbeitet und in Ansteuerungssignale für den Transistor T umgesetzt.

Entscheidend bei der Dimensionierung der Bauelemente der Zündschaltung 3 ist, daß die Kopplung zwischen Primärseite und Sekundärseite einen Wert von 0,65 überschreitet und unter 0,9 bleibt. Der Kopplungsfaktor k ist eine elektrische Eigenschaft des Zündübertragers, die nur durch die mechanischen Abmessungen festgelegt wird. Er bestimmt, in welchem Maße die magnetischen Flüsse der beiden Spulen (primär- und sekundärseitig) sich gegenseitig durchfluten. Durch die Veränderung der Geometrie, innerhalb und außerhalb des Übertragers, ändert sich die Durchflutung der Wicklungen innerhalb des Übertragers. Der zuvor genannte Kopplungsfaktor von k zwischen 0,65 und 0,9 ermöglicht die Verwendung von Wicklungen mit geringen Induktivitätswerten L₁, L₂. Darüber hinaus besteht bei Spulen mit hoher Kopplung auf engem Raum nicht die Gefahr, daß zu viele Feldlinien durch den Motorblock beeinflußt werden und der Zündübertrager somit bei unterschiedlichen Motoren unterschiedliche Kopplungsfaktoren aufweist.

Ein gegenüber dem beschriebenen Zündsystem modifiziertes System ist in Fig. 1b dargestellt. Der Unterschied besteht darin, daß der Kondensator C_res nicht parallel zur Diode D sondern parallel zur Primärwicklung 11 angeordnet ist. Ansonsten stimmt der Aufbau mit demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels überein, so daß auf eine Beschreibung der mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichneten Teile verzichtet wird. Lediglich die Kapazitäten C_streu, C_kerze und C_spule wurden der Übersichtlichkeit wegen weggelassen. Auf die Funktionsweise des Zündsystems hat die veränderte Anordnung des Kondensators C_res jedoch keinen Einfluß.

In Fig. 1c ist die Sekundärseite mit der Sekundärwicklung 13 des Zündübertragers und der Zündkerze ZK dargestellt. In Reihe zu der Sekundärwicklung 13 ist eine Ionenstrom- Meßvorrichtung 15 vorgesehen, die ein Meßsignal beispielsweise an die Steuer- und Regeleinheit 7 oder an das vorgeordnete Steuergerät SG überträgt. Das Prinzip der Ionenstrom-Messung ist allgemein bekannt, weshalb auf eine Beschrei­ bung an dieser Stelle verzichtet wird. Die Ionen­ strom-Meßvorrichtung 15 ist auf jeden Fall ohne weitere schaltungstechnische Änderungen in den bei­ den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1a und Fig. 1b optional einsetzbar.

Im folgenden wird nun die Funktionsweise des Zünd­ systems 1 und insbesondere die Auswirkungen des Kopplungsfaktors k und der niedrigen Induktivitäts­ werte L₁, L₂ auf das Zündverhalten beschrieben, wo­ bei auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen wird. Die in den Fig. 2a, 2b und 3 dargestellten Dia­ gramme zeigen jeweils den zeitlichen Verlauf des Primärstroms I_P, der Kollektorspannung U_C und der Sekundärspannung U_ZK.

Zur Auslösung einer Zündung wird von dem Steuerge­ rät SG ein Steuersignal an die Steuer- und Rege­ leinheit 7 geliefert, das eine kodierte Information über den Wert des Abschaltstroms I_A enthält. Die Steuer- und Regeleinheit gibt daraufhin ein Signal an den Transistor T ab, der in den niederohmigen Zustand geschaltet wird. Damit beginnt ein Strom I_P von der Spannungsversorgungseinheit 5 über die Pri­ märwicklung 11, den Transistor T und den Widerstand R zu fließen. Der Wert des Primärstroms I_P, gemes­ sen als am Widerstand R abfallender Spannungswert, wird an die Steuer- und Regeleinheit 7 als Regel­ größe geliefert. Sobald der Primärstrom I_P den vom Steuergerät vorgegebenen Abschaltstrom I_A erreicht, schaltet die Einheit 7 den Transistor T wieder in den hochohmigen Zustand (Schritt 1).

Sobald die Kollektorspannung am Transistor T, die ebenfalls der Regeleinheit als Regelgröße zugeführt wird, einen bestimmten vorgegebenen Wert unter­ schritten hat und die zeitliche Ableitung der Kol­ lektorspannung U_C negativ ist, schaltet die Steuer- und Regeleinheit 7 den Transistor wieder in den niederohmigen Zustand (Schritt 2).

Diese beiden Schritte 1, 2 wiederholen sich so lange mit beliebigen Abschaltströmen, die im System vorgesehen sind und während der Funkendauer wech­ seln können, bis das Steuergerät das Signal für "Zündung aus" liefert. Der Transistor T bleibt hochohmig und der Zündfunke erlischt.

Charakteristisch für das erfindungsgemäße Zündsy­ stem ist, daß sich während des maximalen Spannungs­ angebots U_zk,max nahezu keine Energie im Zündüber­ trager, weder in der Primärwicklung 11 noch in der Sekundärwicklung 13 befindet. Darüber hinaus zeigt Fig. 2, daß der Spannungsverlauf U_zk unsymmetrisch ist, sich aber regelmäßig wiederholt. Es ist vor­ teilhaft, die in der Fig. 2 deutlich zu erkennen­ den stark ausgeprägten Spannungsspitzen U_zk,max in negative Richtung zeigen zu lassen, was vom Wickel­ sinn des Zündübertragers abhängt, da die benötigte Zündspannung in negativer Richtung aufgrund der Kerzengeometrie geringer ist.

Fig. 2a läßt auch erkennen, daß die Maxima der Kollektorspannung U_C eingedrückt sind. Dies läßt sich durch die Rückwirkung von Sekundärkreis auf Primärkreis erklären, die durch den hohen Kopp­ lungsfaktor k stärker ausgeprägt ist. Durch Verän­ dern des Übersetzungsverhältnisses des Zündübertra­ gers 9 läßt sich die Verformung der Kollektorspan­ nung U_C im Bereich des Maximums verändern, wie in den verschiedenen zeitlichen Verläufen der Kol­ lektorspannung in Fig. 2c zu erkennen. Im übrigen zeigt die obere horizontale Linie den Wert der ma­ ximalen Spannungsfestigkeit und die untere Linie die Einschaltschwelle für den Transistor.

In den Fig. 2a und 2b ist zu erkennen, daß im hochohmigen Zustand des Transistors T während einer primärseitigen Halbwelle zirka eine sekundärseitige Schwingung auftritt, was im wesentlichen durch die Resonanzkapazität C_res bestimmt wird. Befindet sich der Transistor T im niederohmigen Zustand, können jedoch unterschiedlich viele Schwingungen auf der Sekundärseite auftreten. Hierbei hängt die Anzahl der Schwingungen von der verfügbaren Versorgungs­ spannung und von der Induktivität der Primärwick­ lung 11 ab.

Zu beachten ist jedoch, daß das lokale Minimum in der Oberwelle der Kollektorspannung U_C nicht unter die Einschaltschwelle des Transistors T sinkt, denn sonst wird das gewünschte Spannungsmaximum nicht erreicht, da der Transistor von der Steuer- und Re­ geleinheit wieder eingeschaltet werden würde. Des weiteren muß die maximale Spannungsfestigkeit der Bauelemente Berücksichtigung finden. In Abb. 2.c.1 sind die beiden Grenzen angegeben.

Das maximale Spannungsangebot U_zk,max wird peri­ odisch jeweils bei hochohmig geschaltetem Transi­ stor T zur Verfügung gestellt. Die Spannung ist nur auf einer Seite ausgeprägt und ist unabhängig von der Größe der Versorgungsspannung. Bereits in der ersten Periode wird das volle Spannungsangebot U_zk,max erreicht, wobei dann in der Regel der Funke durchbricht.

Nach dem Funkendurchbruch verhält sich das in den Fig. 1a und 1b gezeigte Zündsystem annähernd wie andere aus dem Stand der Technik bekannte Resonanz­ wandler. Die Rückwirkungen auf die Kollektorspan­ nung U_C sind nicht mehr vorhanden, da die Funken­ spannung nur noch Werte um etwa 1000 V annimmt. Aufgrund der hohen Kopplung k läßt sich der Ab­ schaltstrom I_A deutlich geringer wählen. Dies hat zur Folge, daß die maximal auftretende Kollektor­ spannung des Transistors von über 1000 V bei her­ kömmlichen Systemen auf ca. 750 V bei dem vorliegen­ den Zündsystem fällt. Damit ergeben sich erkennbare Vorteile im Hinblick auf die Spannungsfestigkeit der Bauelemente.

Der gewünschte Funkenstrom I_Fu kann aus dem Funken­ widerstand und dem Übersetzungsverhältnis des Zünd­ übertragers berechnet werden. Es gilt näherungs­ weise

I_Fu = k . √L₁/L₂ . I_A

Damit ist der Funkenstrom I_Fu vorab bekannt und der gewünschte Abschaltstrom I_A kann durch das Steuer­ gerät SG gewählt werden. Die entsprechenden Signal­ verläufe sind in Fig. 3 dargestellt.

Durch Vorgabe des Abschaltstroms I_A ist es also möglich, den Funkenstrom I_Fu zu bestimmen.

Sobald die Funkenstrecke erlischt, erlangt der Se­ kundärkreis wieder kapazitives Verhalten. Die Umla­ deströme der Sekundärkapazität sorgen dann für ein Ansteigen des Spannungsangebots U_zk nach dem glei­ chen Prinzip wie unmittelbar nach dem Einschalten des Zündsystems. Durch die Vorgabe des Abschalt­ stroms I_A ist es in vorteilhafter Weise möglich, Betriebszustände, die als energieintensiv bekannt sind, vorab mit einem höheren Abschaltstrom I_A an­ zusteuern, so daß das Spannungsangebot U_zk und der Funkenstrom I_Fu ansteigt. Selbstverständlich ist alternativ oder zusätzlich auch die Brenndauer zu erhöhen.

Bei höchstmöglichem Abschaltstrom I_A wird auch das maximale sekundärseitige Spannungsangebot U_zk,max zur Verfügung gestellt. Da das Spannungsmaximum U_zk,max bereits in der ersten Periode erreicht wird, wird der Funke auch schon zu diesem Zeitpunkt durchbrechen. Hat sich dann ein leitender Plasmaka­ nal gebildet, fließt nun aufgrund des hohen Ab­ schaltstroms I_A ein hoher Funkenstrom I_Fu. Es kann dann unmittelbar nach der ersten Periode des Pri­ märstroms I_P vom Steuergerät SG oder der Steuer- und Regeleinheit auf einen niedrigeren Abschalt­ strom I_A gewechselt werden, so daß eine Reduzierung des Kerzenverschleisses ermöglicht ist.

Durch die gute Kopplung k des Zündübertragers ist eine gute Rückwirkung der großen Sekundärspannung U_zk,max (ca. 30 kV) auf der Primärseite gegeben. So kann zum Beispiel durch eine Analyse des Primär­ stroms I_P eine ordnungsgemäße Zündung detektiert werden. Die Zündung ist nämlich dann erfolgt, wenn die Rückwirkungen auf die Primärseite nahezu voll­ ständig zurückgegangen sind. Aus einem Vergleich der Signalverläufe gemäß Fig. 2 und Fig. 3 ist dies zu erkennen.

Das erfindungsgemäße Zündsystem sichert aufgrund der hohen Funktionalität also ein Betriebspunkt ab­ hängiges angepaßtes Verhalten, so daß bei modernen Motorkonzepten, wie Magermotoren, Abgasrückführung und Benzindirekteinspritzung, annehmbare Ker­ zenstandzeiten bei sehr guter Gemischentflammung erreichbar sind.

Claims (9)

1. Zündsystem, das als Resonanzwandler aufgebaut ist, für einen Verbrennungsmotor, mit einer Spannungsquelle (U), einem Halbleiter-Leistungsschalter (T), einer Resonanzkapazität (C_res), einer Rückspeisediode (D), einer Steuer- und Regeleinheit (7), einer Zündkerze (ZK) und einem Zündübertrager (9), wobei die Resonanzkapazität Teil eines ersten und eine Sekundärkapazität, die sich aus einer Kerzenkapazität, einer Streukapazität und einer Wicklungskapazität zusammensetzt, Teil eines zweiten Schwingkreises ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schwingkreise über den Zündübertrager (9) miteinander gekoppelt sind, wobei der Kopplungsfaktor k zwischen 0,65 und 0,9 liegt.

2. Zündsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Kollektorspannung des Leistungsschalters (T) proportionales Signal und ein dem Strom (I_P) durch die Primärwicklung des Zündübertragers proportionales Signal als Regelgröße der Steuer- und Regeleinheit (7) zugeführt sind.

3. Zündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschaltstrom (I_A), bei dem der Leistungsschalter (T) abschaltet, während einer Brennphase veränderbar ist.

4. Zündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuer- und Regeleinheit (7) ein Steuersignal zugeführt ist, das in kodierter Form den Wert des Abschaltstroms (I_A) enthält.

5. Zündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu der Sekundärwicklung des Zündübertragers (9) eine Ionenstrom- Meßvorrichtung (15) angeordnet ist.

6. Zündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regeleinheit bei Anlegen eines Steuersignals den Leistungsschalter (T) in den Sperrzustand schaltet, wenn der Primärstrom (I_P) den Wert des Abschaltstroms (I_A) erreicht.

7. Zündsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regeleinheit (7) den Leistungsschalter (T) in den leitenden Zustand schaltet, wenn die Kollektorspannung (U_C) einen bestimmten vorgegebenen Wert unterschritten hat und die zeitliche Ableitung der Kollektorspannung (U_C) negativ ist.

8. Zündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der hochohmigen Phase des Transistors während einer primärseitigen Halbwelle ungefähr eine sekundärseitige Oberwelle erzeugt wird, um ein maximales Spannungsangebot zu erreichen.

9. Zündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter- Leistungsschalter (T) als IGB (Insulatet Gate Bipolar)- Transistor ausgebildet ist.