DE19927960A1 - Zündvorrichtung und Zündverfahren für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Eine Vielfachzündvorrichtung, in der für eine Zündkerze (35) mehrere Zündspulen (30, 32, 33, 34) parallelgeschaltet sind, um die Zündung einer Direkteinspritzungs-Brennkraftmaschine zu verbessern. In der Zündvorrichtung sind für die Zündkerze (35) zwei oder mehr Paare Treiberschaltungen (25), Leistungsschaltelemente (26 bis 29) und Zündspulen (30, 32, 33, 34), die jeweils eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung enthalten, die magnetisch gekoppelt sind, parallelgeschaltet. Die Sekundärseite jeder Zündspule (30, 32, 33, 34) ist mit der Zündkerze (35) über eine Hochspannungsdiode (31) verbunden, deren Durchbruchspannung höher als die für die Brennkraftmaschine erforderliche Sekundärspannung ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung und ein Zündverfahren für Brennkraftmaschinen.

Bisher ist in einem Zündsystem mit unabhängiger Zündung, in dem für jede Zündkerze eine eigene Zündspule vorgese­ hen ist, an einem Hochspannungsanschluß oder an einem Niederspannungsanschluß einer Sekundärwicklung der Zünd­ spule eine Hochspannungsdiode vorgesehen worden, die das Auftreten einer Gegenspannung bei Beginn eines Stromflus­ ses verhindert, wobei eine Hochspannungsdiode mit einer Nenn-Durchbruchspannung von im allgemeinen 4 kV oder weniger verwendet wurde.

In der jüngsten Brennkraftmaschinengeneration, in der Kraftstoff direkt in die einzelnen Zylinder eingespritzt wird (im folgenden mit Direkteinspritzungs-Brennkraftma­ schine bezeichnet), ist das Gasgemisch in der Brennkammer nicht so homogen wie das Gasgemisch, das durch einen herkömmlichen Vergaser oder eine herkömmliche Einspritz­ einrichtung gebildet wird, wobei teilweise ein fettes Gasgemisch in Schichten vorhanden ist. Daher bestehen die folgenden Probleme: (1) die Zündleistung ist gering, (2) die Elektroden einer Zündkerze können mit Kraftstoff benetzt werden und (3) die Flamme kann aufgrund einer Turbulenz und aufgrund von Wirbeln sowie durch eine Flammenreduzierungswirkung des fetten Gemischs ausgebla­ sen werden.

Da ferner in den letzten Jahren eine Steuerung untersucht worden ist, mit der der Kraftstoff direkt zu einer Elek­ trode der Zündkerze gespritzt wird, sind diese Probleme noch ernster zu nehmen.

Zur Lösung der Probleme ist aus JP 3-121273-A bekannt, eine Vielfachzündung auszuführen, indem mehrere Zündspu­ len für eine Zündkerze vorgesehen werden und indem die Zündung mit unterschiedlicher Zeitsteuerung der Zündspu­ len erfolgt. Wenn jedoch die für diese Vielfachzündung verwendeten Zündspulen eine Zündvorrichtung bilden, in der mehrere übliche Zündspulen des Typs für unabhängige Zündung parallelgeschaltet und an entsprechende sekundär­ seitige Hochspannungsanschlüssen angeschlossen sind, besteht das Problem, daß, wenn die von einer der Zündspu­ len erzeugte Hochspannung die Durchbruchspannung einer eine Gegenspannung verhindernden Diode erreicht oder übersteigt, zu den Sekundärseiten der anderen Zündspulen ein Strom fließt, so daß die Hochspannung nicht an die Zündkerze angelegt werden kann und eine genaue Zündsteue­ rung nicht ausgeführt werden kann. In JP 3-121273-A wird ein Durchbruchspannungswert der Diode nicht klar offen­ bart.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zündvor­ richtung und ein Zündverfahren für Brennkraftmaschinen zu schaffen, bei denen die obigen Probleme nicht bestehen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Zündvorrichtung nach Anspruch 1 bzw. durch ein Zündverfahren nach Anspruch 3. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Um die obigen Probleme zu lösen, ist erfindungsgemäß ein Hochspannungsanschluß jeder der Zündspulen über eine Hochspannungsdiode, deren Durchbruchspannung höher als die für die Brennkraftmaschine erforderliche Sekundär­ spannung ist, angeschlossen, wodurch die Sekundärseite jeder Zündspule isoliert werden kann, eine von einer der Zündspulen erzeugte Hochspannung direkt an die Zündkerze angelegt werden kann und somit eine genaue Zündsteuerung ausgeführt werden kann.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Viel­ fachzündung ermöglicht, indem für eine Zündkerze zwei oder mehr Paare Treiberschaltungen, Leistungsschaltele­ inente und Zündspulen, wovon jede eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung besitzt, die magnetisch gekoppelt sind, vorgesehen werden und indem die Sekundärseite jeder der Zündspulen über eine Hochspannungsdiode angeschlossen wird, die eine Durchbruchspannung besitzt, die höher als die für die Brennkraftmaschine erforderliche Sekundär­ spannung ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut­ lich beim Lesen der folgenden Beschreibung einer zweckmäßi­ gen Ausführungsform, die auf die beigefügte Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung eines Zündsystems des Verteiler­ typs;

Fig. 2 eine Darstellung beispielhafter Signalformen des Zündsystems nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Darstellung eines Zündsystems mit unabhängi­ ger Zündung (für einen Zylinder);

Fig. 4 eine Darstellung beispielhafter Signalformen des Zündsystems nach Fig. 3;

Fig. 5 eine Darstellung einer beispielhaften Ausfüh­ rungsform einer Zündvorrichtung der Erfindung; und

Fig. 6 eine Darstellung beispielhafter Signalformen der Zündvorrichtung nach Fig. 5.

In Fig. 1 ist ein Konstruktionsbeispiel eines üblichen Zündsystems des Verteilertyps gezeigt. Das Zündsystem enthält eine Batterie 1, eine elektrische oder elektroni­ sche Steuereinheit (ECU) 2, eine Zündspule 3, Zündkerzen 4 und eine Zündeinheit 5. Die Zündeinheit 5 ist in die Zündspule 3 eingebaut und mit einer eine Schutzfunktion erfüllenden Strombegrenzungsschaltung versehen. An die Basis eines Leistungstransistors der Zündeinheit 5 werden von einem Ausgangsanschluß der ECU 2 mit einem geeigneten Zündzeitverlauf Impulse mit hohem und mit niedrigem Pegel ausgegeben, wodurch der Leistungstransistor 5 Strom durchschaltet oder unterbricht, wodurch auf der Sekundär­ seite der Zündspule 3 eine Hochspannung erzeugt wird. Ein Ende der Primärwicklung 6 der Zündspule 3 ist an eine positive Elektrode der Batterie 1 angeschlossen, während das andere Ende an einen Kollektor der Zündeinheit 5 angeschlossen ist. Ein Ende der Hochspannungsseite der Sekundärwicklung 7 ist mit jeder der Zündkerzen 4 über einen Verteiler 8 verbunden, während das andere Ende der Sekundärwicklung 7 mit Masse verbunden ist.

Fig. 2 zeigt die Signalformen des Zündsystems nach Fig. 1. Das Bezugszeichen 9 bezeichnet ein von der ECU 2 ausgegebenes Zündsignal, das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen durch die Primärwicklung der Zündspule 3 fließenden Primärstrom und das Bezugszeichen 11 bezeichnet eine auf der Sekundärseite der Zündspule 3 auftretende Sekundär­ spannung, die an die Elektroden jeder Zündkerze 4 über den Verteiler 8 angelegt wird. Das Zündsignal 9 wird zu einem geeigneten Stromdurchlaßzeitpunkt, der von der ECU 2 berechnet wird, hoch, so daß der Primärstrom 10 syn­ chron mit dem Signal 9 und verzögert um eine durch die Induktivität und den Widerstand der Primärwicklung 6 gegebene Zeitkonstante zu fließen beginnt. Auf der posi­ tiven Seite tritt zu diesem Zeitpunkt aufgrund eines Stromänderungsbetrags eine unnötige Gegenspannung auf. Zwischen den Elektroden der Zündkerze erfolgt eine elek­ trische Entladung, wenn die erzeugte Spannung einen Wert erreicht, der für die Zündung der Zündkerze ausreicht. Die Entladung wird in bezug auf die Position eines Strom­ verteilungsrotors und eines Spalts des Rotors in dem Zündverteiler zu keinem besonderen Problem. Nach dem Beginn des Stromflusses wird das Zündsignal zu einem geeigneten Zündzeitpunkt niedrig, wodurch der Primärstrom unterbrochen wird und zwischen den Elektroden der Zünd­ kerze 4 eine Hochspannung erzeugt wird. Die zwischen den Elektroden der Zündkerze 4 erzeugte Spannung induziert die elektrische Entladung, die mit der für die Brenn­ kraftmaschine erforderlichen Sekundärspannung auftritt. Die erforderliche Sekundärspannung ist abhängig von der Form der Brennkammer, dem Verdichtungsverhältnis, den Betriebsbedingungen und dem Verschleißzustand der Zünd­ kerze unterschiedlich, sie beträgt jedoch im allgemeinen 33 kV oder weniger.

Fig. 3 zeigt ein Konstruktionsbeispiel eines Zündsystems mit unabhängiger Zündung für einen Zylinder. Das System enthält eine Batterie 12, eine ECU 13, eine Zündspule 14, eine Zündkerze 15, eine Zündeinheit 16 und eine Hochspan­ nungsdiode 17, die eine Gegenspannung verhindert. Ein Ende der Primärwicklung 18 der Zündspule 14 ist an eine positive Elektrode der Batterie 12 angeschlossen, während das andere Ende an einen Kollektor der Zündeinheit 16 angeschlossen ist. Ein Ende der Hochspannungsseite der Sekundärwicklung 19 ist über die Hochspannungsdiode 17, die eine Gegenspannung verhindert, an die Zündkerze 15 angeschlossen, während das andere Ende der Sekundärwick­ lung 19 mit Masse verbunden ist. Die Durchbruchspannung der eine Gegenspannung verhindernden Hochspannungsdiode 17 ist ausreichend, wenn sie etwas höher als die bei Beginn des Stromflusses auftretende Gegenspannung ist, und beträgt gewöhnlich 4 kV oder weniger.

Fig. 4 zeigt die Signalformen des Zündsystems mit unab­ hängiger Zündung. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet ein von der ECU 13 ausgegebenes Zündsignal, das Bezugszeichen 21 bezeichnet einen durch die Primärwicklung der Zündspule 14 fließenden Primärstrom, das Bezugszeichen 22 bezeich­ net eine an der Sekundärwicklung auftretende Sekundär­ spannung, die zwischen den Elektroden der Zündkerze 15 angelegt wird. Das Zündsignal 20 wird zu einem geeigneten Zündzeitpunkt, der von der ECU 13 berechnet wird, hoch, wodurch ein Primärstrom 21 synchron und mit einer durch die Induktivität und den Widerstand der Primärwicklung 18 bestimmten Verzögerung zu fließen beginnt. Auf der posi­ tiven Seite wird durch einen Stromänderungsbetrag zu diesem Zeitpunkt eine unnötige Induktionsspannung indu­ ziert, da jedoch die Spannung auf der positiven Seite durch die Diode 17 für die Verhinderung der Gegenspannung gesperrt wird, tritt zwischen den Elektroden der Zünd­ kerze 15 keine positive Spannung auf. Nach dem Beginn des Stromflusses wird das Zündsignal 20 zu einem geeigneten Zündzeitpunkt niedrig, wird der Primärstrom unterbrochen und tritt zwischen den Elektroden der Zündkerze 15 eine Hochspannung auf.

Fig. 5 zeigt ein Konstruktionsbeispiel einer Zündvorrich­ tung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Zündvorrichtung enthält eine ECU 24, eine Treiberschal­ tung 25, die Verzögerungsverteilungsschaltungen umfaßt, die anhand von Zündsignalen von der ECU 24 mehrere Si­ gnale ausgeben, eine erste Zündeinheit 26, die durch die Ausgangssignale der Treiberschaltung 25 ein- und ausge­ schaltet wird, eine zweite Zündeinheit 27, eine dritte Zündeinheit 28, eine vierte Zündeinheit 29, eine Zünd­ spule 30, eine Zündspule 32, eine Zündspule 33, eine Zündspule 34, wobei sämtliche Zündspulen 30, 32, 33 und 34 eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung sowie aus eine Diode 31 enthalten, und eine Zündkerze 35. Da die Hochspannungsdioden 31 jeweils eine Durchbruchspan­ nung besitzen, die höher als die für eine Brennkraftma­ schine erforderliche Sekundärspannung ist, induziert die an der Sekundärseite jeder der Zündspulen 31, 32, 33 und 34 auftretende Spannung eine elektrische Entladung zwi­ schen den Elektroden der Zündkerze 35, ohne durch die Sekundärseiten der anderen Zündspulen beeinflußt zu werden, so daß die Zündsteuerung sicher und präzise ausgeführt werden kann. Falls die Durchbruchspannung jeder der obigen Dioden 31 niedriger als die für eine Brennkraftmaschine erforderliche Sekundärspannung ist, brechen die Hochspannungsdioden 31 der Zündspulen bei einer Spannung durch, die niedriger als die Spannung für die Entladung der Zündkerze 35 ist, die von der Sekundär­ wicklung einer hiervon verschiedenen Zündspule erzeugt wird ist, so daß Strom abfließt und an der Zündkerze 35 keine Entladung auftritt. Der Ausgangsanschluß ist über die Hochspannungsdiode 31 an die Zündkerze 35 angeschlos­ sen und induziert an diesem Punkt entsprechend Zündsteu­ ersignalen eine Hochspannung. Die Zündeinheiten 26 bis 29 sind in die Zündspulen 30, 32, 33 bzw. 34 eingebaut, wobei ihre Leistungsschaltelemente durch einen IGBT konstruiert sind und mit ihrem Schutz dienenden Strombe­ grenzungsschaltungen versehen sind.

Fig. 6 zeigt beispielhafte Signalformen. Diese Ausfüh­ rungsform der Erfindung bewirkt eine Vielfachzündung, die insgesamt achtmal erfolgt, indem vier Paare von Zündspu­ len 30, 32, 33 und 34 wiederholt doppelt zünden.

In Fig. 6 bezeichnet das Bezugszeichen 127 ein Zündsteuersignal von der ECU 24, das Bezugszeichen 128 ein Ausgangssignal (1) der Treiberschaltung 25, das Bezugszeichen 129 ein Ausgangssignal (2) der Treiber­ schaltung 25, das Bezugszeichen 130 ein Ausgangssignal (3) der Treiberschaltung 25, das Bezugszeichen 131 ein Ausgangssignal (4) der Treiberschaltung 25, das Bezugs­ zeichen 132 den Primärstrom der Zündspule (1), das Be­ zugszeichen 133 den Primärstrom der Zündspule (2), das Bezugszeichen 134 den Primärstrom der Zündspule (3), das Bezugszeichen 135 den Primärstrom der Zündspule (4) und das Bezugszeichen 136 die Ausgangsspannung der Vielfach­ zündvorrichtung der Erfindung.

In dieser Ausführung wird der Primärstrom-Unterbrechungs­ zeitpunkt jeder Zündspule um ungefähr 0,3 ms verzögert und in der Weise gesteuert, daß die Spitzen der Sekundär­ spannung achtmal mit einer jeweiligen Verzögerung von ungefähr 0,3 ms auftreten und das achtmalige Auftreten der Sekundärspannungsspitze innerhalb von ungefähr 3 ins abgeschlossen ist. Die Beziehung zwischen dieser Zeit und dem Kurbelwinkel kann durch die Gleichung θ = 6 NT be­ rechnet werden, wobei θ der Kurbelwinkel [°] ist, N die Brennkraftmaschinendrehzahl [min^-1] ist und T die Zeit [ms] ist. Beispielsweise entspricht die Zeit von 3 ms bei einer Brennkraftmaschinendrehzahl von 800 min^-1 einem Kurbelwinkel von 14,4°, weshalb in dem System gemäß dieser Ausführungsform die Spitze der Sekundärspannung achtmal innerhalb des Kurbelwinkels von 14,4° auftritt, wenn die Brennkraftmaschine mit einer Drehzahl von 800 min^-1 läuft.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, arbeitet die Zündvorrichtung folgendermaßen: Wenn ein Zündsignal ausgegeben wird, wird die Treiberschaltung 25 angesteuert, damit sie Treiber­ schaltungs-Ausgangssignale ausgibt. Auf der Grundlage dieser Ausgangssignale fließt in die Zündspulen 30, 32, 33 und 34 ein Primärstrom mit einer Verzögerung wie oben erwähnt, der anschließend wie beschrieben unterbrochen wird. Nach Verstreichen einer bestimmten Zeit seit der Unterbrechung des in jede der Zündspulen 30, 32, 33 und 34 fließenden Primärstroms fließt der Primärstrom erneut und wiederum mit einer Verzögerung durch die Zündspulen 30, 32, 33 und 34, woraufhin er erneut unterbrochen wird. In dieser Weise wird die Entladungsspannung an die Zünd­ kerze 35 achtmal angelegt, so daß ein Zündfunke sicher achtmal erzeugt werden kann. Mit Bezug auf Fig. 6 wird ein Funktionsbeispiel genauer erläutert. Der Primärstrom fließt mit einer Verzögerung in die Zündspulen 30, 32, 33 und 34, woraufhin der Primärstrom in die Zündspulen 30 und 32 unterbrochen wird und der Primärstrom erneut in die Zündspule 30 fließt, während der Primärstrom in die Zündspule 33 unterbrochen wird und der Strom erneut in die Zündspule 32 fließt, woraufhin der in die Zündspulen 33 und 34 fließende Strom unterbrochen wird und ein Primärstrom erneut in die Zündspulen 33, 34 fließt, woraufhin der in die Zündspulen 30, 32, 33, 34 fließende Primärstrom unterbrochen wird, so daß ein Zündfunke insgesamt achtmal erzeugt wird.

In dem Fall, in dem N Zündspulen für eine Zündkerze vorgesehen sind, kann die Zündkerze 2N-mal in der glei­ chen Weise wie oben gezündet werden.

In dieser Ausführung der Erfindung sind die Sekundärsei­ ten der mehreren parallelgeschalteten Zündspulen vonein­ ander getrennt und wird die von den Zündspulen erzeugte Hochspannung direkt an die Zündkerze angelegt, wodurch eine genaue Zündsteuerung ausgeführt werden kann. Daher kann eine Mehrfachzündvorrichtung versorgt werden, in der die Probleme, daß (1) die Zündleistung schlecht ist, (2) die Elektroden der Zündkerze mit Kraftstoff benetzt werden können und (3) die Flamme aufgrund von Turbulenzen und von Wirbeln und aufgrund eines fetten Gemisches ausgeblasen wird, gelöst sind.

Claims (4)

1. Zündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Kraftstoffdirekteinspritzung, mit einer Zündkerze (35) und mehreren Zündspulen (30, 32, 33, 34), die zueinander parallelgeschaltet und für die Zündkerze (35) vorgesehen sind, wobei jede der Zündspulen (30, 32, 33, 34) eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Zündspulen (30, 32, 33, 34) mit der Zündkerze (35) jeweils über eine Hochspannungsdiode (31) verbunden sind, die eine höhere Durchbruchspannung als die für die Brennkraftmaschine erforderliche Sekundär­ spannung aufweist.

2. Zündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Durchbruchspannung jeder der Hochspannungsdi­ oden (31) 4 kV oder weniger beträgt.

3. Verfahren zum Zünden von Kraftstoff im Zylinder einer Direkteinspritzungs-Brennkraftmaschine mittels einer Zündvorrichtung, die eine Zündkerze (35) und wenig­ stens N Zündspulen (30, 32, 33, 34) umfaßt, die zueinan­ der parallelgeschaltet sind und für die Zündkerze (35) vorgesehen sind, wobei jede der Zündspulen (30, 32, 33, 34) eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung ent­ hält, dadurch gekennzeichnet, daß
jede der Zündspulen (30, 32, 33, 34) mit der Zündkerze (35) über eine Hochspannungsdiode (31) verbun­ den ist, deren Durchbruchspannung höher als die für die Brennkraftmaschine erforderliche Sekundärspannung ist, und
das Verfahren die folgenden Schritte enthält:

• - Schicken eines Primärstroms in die erste Zündspule (30),
• - Schicken eines Primärstroms in die zweite Zündspule (32),
• - Unterbrechen des Primärstroms in die erste Zündspule (30),
• - Unterbrechen des Primärstroms in die zweite Zündspule (32),
• - erneutes Schicken des Primärstroms in die erste Zündspule (30),
• - Unterbrechen des Primärstroms in die dritten bis N-ten Zündspulen (33, 34) und
• - erneutes Unterbrechen des Primärstroms in die erste Zündspule (30).

4. Zündverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wert N gleich 4 ist.