DE2145089A1 - Kondensatorzuendanlage fuer brennkraftmaschinen - Google Patents
Kondensatorzuendanlage fuer brennkraftmaschinenInfo
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Description
R. 475
30.8.1971 Ws/Ph
30.8.1971 Ws/Ph
AnIage zur
Patentanmeldung
Patentanmeldung
Die Erfindung betrifft eine Zündanlage für Brennkraftmaschinen mit zwei Speicherkondensatoren, die von einer Gleichstromquelle
aufgeladen und in einem ersten und einem zweiten Entladestromkreis mit jeweils einem gesteuerten Schaltelement über eine
Primärwicklung eines gemeinsamen Zündtransformators entladen werden, dessen Sekundärwicklung an mindestens einer Zündkerze
angeschlossen ist.
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_ "P —
ORIGINAL
Robert Bosch GmbH, . · E. 4-75 Ws/Ph
Stuttgart
Bei Zündanlagen ist es erforderlich, daß an den Zündkerzen der Brennkraftmaschine auch inhomogene oder magere Kraftstoff-Luftgemische
mit Sicherheit gezündet werden. Bei einer bekannten mit zwei Ladekondensatoren ausgerüsteten Zündanlage
(DBP 734- 254-) wird im Zündzeitpunkt abwechselnd jeweils einer
der Kondensatoren entladen und dabei im Zündtransformator ein kräftiger Hochspannungsimpuls erzeugt, der selbst an verrußten
oder verölten Zündkerzen einen kräftigen Zündfunken zur Folge fc hat. Die Funkendauer beträgt jedoch nur wenige MikroSekunden,
so daß bei dieser Zündanlage ebenso wie bei Zündanlagen mit nur einem Kondensator insbesondere bei mageren oder inhomogenen
Kraftstoff-Luftgemischen Zündaussetzer auftreten.
Es sind ferner Kondensator-Zündanlagen bekannt, bei denen im
Zündzeitpunkt ein sogenanntes Funkenband an der Zündkerze erzeugt wird, indem mehrere miteinander gekoppelte Kondensatoren
in einer Laufzeitkette nacheinander entladen werden bzw. indem
ein Kondensator mit hoher Frequenz aufgeladen und anschließend entladen wird. Auf diese Weise können Zündfunkenbänder über
eine Zeit von mehreren Millisekunden erzeugt und damit eine aussetzerfreie Zündung auch bei ungünstigen Bedingungen an den
" Zündkerzen sichergestellt v/erden. Diese Zündanlagen benötigen jedoch einen leistungsstarken und damit aufwendigen Gleichstromwandler,
der eine ausreichende Ladung der Zündkondensatoren gewährleistet. Ferner ist zur Erzeugung eines Funkenbandes
eine umfangreiche Steuerschaltung für das Auf- und Entladen der Kondensatoren erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kondensatorzündanlage
zu entwickeln, die mit einfachen Mitteln auch bei ungünstigen Bedingungen an der Zündkerze einen starken und zeitlich ausreichend
langen Zündfunken erzeugt, um eine Entflammung des Kraftstoff-Luftgemisches mit Sicherheit zu gewährleisten.
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Robert Bosch GmbH, R. 475 Ws/Ph
Stuttgart
Dies v.drd bei einer Zündanlage der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß bei federn Zündvorgang beide Kondensatoren über je einen der zwei Entladestromkreise
entladen v/erden, wobei beim Auftreten eines Zündfunkens an der Zündkerze die Resonanzfrequenz des ersten Entladestromkreises
mindestens doppelt so groß wie die des zweiten Entladestromkreises. Da die Resonanzfrequenzen in beiden Entlade
stroinkreisen von der Kapzität und der Induktivität der
verwendeten Bauelemente abhängen, wei'den die Entlaäectromkreise
in vorteilhafter Weise so ausgelegt, daß das Verhältnis der
Gtreiiinöuktivitäton im ersten und im zweiten Entlade Stromkreis
kleiner als 1:5 ist. Die unterschiedlichen Induktivitäten
in den beiden Entladestromkreisen lassen sich de'durch ermichen,
daß entweder der Zündtransformator zwei Primärwicklungen
mit unterschiedlicher Streuinöuktivität aufweist, über
welche jeweils einer der Kono.nr.atoren entladen wird oder aber
dadurch, daß im zweiten Eiitladestromkreis eine »Streuinduktivität
vor der Primärwicklung des Zündtransformator, über die der
zweite Kondensator entladen wird, eingeschaltet ist.
Einzelheiten cer Erfindung sind an zwei in der Zeichnung dargestellten
Ausführungebeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Iloriderisatorzündanlage mit zwei Entladestromkreinen ·
und ζv;ei Primärwicklungen eines Zündtransformator,
Fig. 2 ein Ersatzschaltbild der Kondensatorzündanlage nach Fig. 1 zur Zeit der Zündung.
Fig. 3 zeigt den Strom- und Spannungsverlauf zur Zeit der
Zündung im ersten und im zweiten EntladeStromkreis
sowie im Sekundärstromkreiε des Zündtransformators.
Fig. 4 zeigt eine Kondensatorzündanlage mit einer Vorschaltdrousel
im zweiten EntladeStromkreis.
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Die in Fig. 1 gezeigte Kondensatorzündanlage wird von einer Batterie 10 versorgt,, die an den Eingangsklemmen eines Gleichstromwandlers
11 angeschlossen ist. Die Ausgangsklemmen 12, 13
des Gleichstromwandlers 11 führen eine pulsierende Gleichspannung von etwa 400 V. Die Ausgangskiemme 12 liegt an Masse,
während die Ausgangsklemme 13 an zwei zueinander parallel
liegenden Dioden 14 und 15 angeschlossen ist. Über die Diode
14 wird ein erster Kondensator 16 und über die- Diode 15 ein zweiter Kondensator 17 vom Gleichspannungswandler 11 aufge-
" laden. Beide Kondensatoren 16, 17 sind durch die jeweils.ihnen
vorgeschaltete Diode 14 bzw.. 15 gegeneinander entkoppelt.
Der Kondensator 16 liegt mit einer Primärwicklung 18 eines Zündtransformators 19 in Reihe und wird zum Zündzeitpunkt in
einem ersten EntladeStromkreis entladen, der 3US1 der Primärwicklung
18, dem Kondensator 16 und einem Thyristor 20 gebildet wird. Der Kondensator 17 wird in einem zweiten Entladestromkreis
entladen, der aus einer zweiten Primärwicklung,21, dem Kondensator 17 "und einem zweiten Thyristor 22 gebildet wird.
Der Zündtransformator 19 ist mit seiner Sekundärwicklung 23 ·
an eine Zündkerze 24 angeschlossen. Die Leitungs- und Wicklungskapazität
der Sekundärseite des Zündtransformators ist durch den gestrichelt angedeuteten Kondensator 25 dargestellt. Im Zündzeitpunkt
werden die Thyristoren 20 und 22 durch Steuerimpulse nacheinander in den stromleitenden Zustand umgeschaltet ixnd die
vom Gleichstromwandler 11 aufgeladenen Kondensatoren 16, 17 . werden über den Zündtransformator 19 entladen. Sie bilden mit '
diesem zusammen zwei voneinander getrennte Schwingkreise.
Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise dieser Zündanlage
ist in Fig. 2 ein Ersatzschaltbild des Zündtransformators 19
mit den primärseitig angeschlossenen Kondensatoren 16 und 17
und der sekundärseitig angeschlossenen Zündkerze 24 dargestellt.
Hier hat der Zündtransformator eine Hauptinduktivität 19a, eine
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Streuinduktivität 18a der ersten Primärwicklung und eine Streuinduktivität
21a der zweiten Primärwicklung sowie eine Streuinduktivität 23a der Sekundärwicklung. Die magnetische Verknüpfung
der "beiden EntladeStromkreise über die zwei Primärwicklungen
18 und 21 ist durch einen idealen Übertrager 26 mit einem Übersetzungsverhältnis ü von 1:5 und-die Verknüpfung
zwisehen Primär- und Sekundärwicklungen durch einen weiteren
idealen Übertrager 27 dargestellt. Solange an der Zündkerze kein Zündfunke überspringt, arbeitet der Zündtransformator im
Leerlauf, d. h., mit der Belastung durch die Sekundärkapazität in Form des Kondensators 25· Wird im Zündzeitpunkt das Schaltelement
20a geschlossen, so entlädt sich der Kondensator 16 über die Streuinäuktivitätcn 18a, 2Ja und den Kondensator 25· Sobald
an der Zündkerze 24 die Durchbruchsspannung erreicht wird,
springt ein Zündfunke über und der Zündtransformator arbeitet von diesem Zeitptinkt an praktisch im Kurzschluß, der durch die
gestrichelt gezeichnete Leitung 28 angedeutet ist. Da die Hauptinduktivität 19a des Zimdtransformators mit 0,6 mH im
Verhältnis zur Streuinduktivität 23a von 0,037 ™H groß ist,
kann sie vernachlässigt werden, so daß ein Schwingkreis aus dem Kondensator 16 und den Streuinduktivitäten 18a und 23a
gebildet wird, dessen Resonanzfrequenz sich berechnet nach der Formel
f -
21t IfLC"
Die Zündanlage ist so dimensioniert, daß der erste Entladestromkreis
bei einer kapazität des Kondensators 16 von 1yuF,
einer gesamten Streuinduktivität von 0,05 mH, die sich aus der
Streuinduktivität 18a von 0,013 mil und der Streuinduktivität 23a
von 0,037 mil ergibt, eine Resonanzfrequenz von ca. 20 kHz hat.
Das Schaltelement 22a im zweiten EntladeStromkreis wird spätestens
nach einer Schwingung im ersten EntladeStromkreis
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geschlossen. Da der Zündfunke 24 zu diesem Zeitpunkt noch nicht erloschen ist, arbeitet der Zündtransformator weiterhin im
Kurzschluß, so daß nun der zweite Kondensator 17 mit einer
Kapazität von 1 α-Έ und mit einer gesamten Streuinduktivität
von 1,57 mH einen Schwingkreis bildet, dessen Resonanzfrequenz
bei ca. 1 kHz liegt. Die Streuinduktivität Lp des zweiten Entladestromkreises
ergibt sich bei einer Streuinduktivität 21a
nach
Sie kann ebenso wie die Streuinduktivität des ersten Entladestromkreises am sekundärseitig
kurzgeschlossenen Zündtransformator 19 nach Fig. 1
gemessen v/erden.
von 0,033 mH und der Streuinduktivität 23a von 0,037
der Formel Lp = ü (L^, + )
Die Fig. 3 zeigt den Spannungs- und Stromverlauf im ersten
und im zweiten EntladeStromkreis sowie im SekundärStromkreis
des Zündtransformators 19. Die Kondensatorspannung U Λ des
ist c '
ernten Kondensators 16/als ausgezogene dünne Linie, die
PrimärSpannung U * der ersten Primärwicklung 18 als gestrichelte
Linie und der Primär strom I ^ im ersten Entlade Stromkreis als
ausgezogene dicke Linie über die Zeitachse t^ aufgezeichnet.
Der Kondensator 16 ist zunächst auf eine Gleichspannung von 400 V aufgeladen. Im Zündzeitpunkt 1L wird der erste Entladestrom-
ZP
kreis geschlossen und die Kondensatorspannung U ^ beginnt eine Sinusschwingung, erreicht nach kurzer Zeit den Nullpunkt und schwingt dann in einem gedämpften periodischen Verlauf auf ihr negatives Maximum. Der Kondensator 16 bewirkt, daß die Spannung U >j an der ersten Primärwicklung 18 im Zündzeitpunkt auf - 400 V fällt. Sie verläuft anschließend spiegelbildlich zur Kondensatorspannung U ^ bis zum positiven Maximum. Der Primärstrom I ^ ist bei dieser Umladung der elektrischen Energie vom Kondensator 16 auf den Zündtransformator 19 zunächst stark angestiegen und nach Erreichung des Maximums wieder auf Null zurückgefallen. Der Thyristor 20 gelangt nun wieder in den Sperrzustand. Eine
kreis geschlossen und die Kondensatorspannung U ^ beginnt eine Sinusschwingung, erreicht nach kurzer Zeit den Nullpunkt und schwingt dann in einem gedämpften periodischen Verlauf auf ihr negatives Maximum. Der Kondensator 16 bewirkt, daß die Spannung U >j an der ersten Primärwicklung 18 im Zündzeitpunkt auf - 400 V fällt. Sie verläuft anschließend spiegelbildlich zur Kondensatorspannung U ^ bis zum positiven Maximum. Der Primärstrom I ^ ist bei dieser Umladung der elektrischen Energie vom Kondensator 16 auf den Zündtransformator 19 zunächst stark angestiegen und nach Erreichung des Maximums wieder auf Null zurückgefallen. Der Thyristor 20 gelangt nun wieder in den Sperrzustand. Eine
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weitere Umladung der elektrischen Energie kann jedoch nunmehr über den Gleichstromwandler 11 und die Diode 14 (Fig. 1) erfolgen,
bo daß die Kondensatorspannung U^ vom negativen
Spannungsmaximum erneut auf Null zurückgeht und gegen Ende der ersten Periode auf ein kleineres positives Maximum ansteigt.
Jetzt sperrt auch die Diode 14, so daß der Kondensator 16 auf
dieser Restspannung gehalten wird. Die Spannung U^ an der
Primärwicklung 18 ist dabei entsprechend spiegelbildlich vom positiven Maximum durch Null auf ein negatives Maximum gelangt.
Der Primärstrom I ^ hat in dieser Zeit eine negative Halbwelle
durchlaufen.
Nun ist die an der Zündkerze 24 noch nicht verbrauchte elektrische
Energie erneut im Kondensator 16 gespeichert. Gegen Ende der ersten Periode wird nun der Thyristor 22 in den
leitenden Zustand geschaltet und der gleiche Funktionsablauf wiederholt sich in dem zweiten Entladestromkreis. Auf der
Zeitachse tp ist der Verlauf der Spannung Up am Kondensator
als ausgezogene dünne Linie, der Verlauf der Primärspannung U ~
an der Primärwicklung 21 als gestrichelte Linie sowie der Verlauf des Stromes Ip im zweiten Entladestromkreis als ausgezogene
dicke Linie dargestellt. Die Strom- und Spannungsschwingungen verlaufen in diesem EntladeStromkreis entsprechend
den Schwingungen im ersten Entladestromkreis, jedoch bedeutend langsamer, da in diesem Entladestromkreis die Resonanzfrequenz
wesentlich kleiner ist. Da die beiden Primärwicklungen 18 und 21 sich gegenseitig beeinflussen, erscheint beim Entladen des
ersten EntladeStromkreises im zweiten Entladestromkreis eine
mit der Primärspannung U * in Phase liegende Schwingung der
Primärspannung U- p. Diese Spannung wird durch den Strom I ,.
im ersten Entladestromkreis in der Primärwicklung 21 des zweiten Primärstromkreißes induziert. Umgekehrt wird demzufolge durch
den Strom I ρ im zweiten Entladestromkreis eine mit der Spannung U ρ
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in Phase liegende Spannung U . im ersten Entladestromkreis
induziert.
Der Verlauf des Stromes I in der Sekundärwicklung 23 des
Transformators 19 und der Verlauf der Spannung U^ an der
Zündkerze 24 ist auf der Zeitachse t7 dargestellt. Im
Zündzeitpunkt Z steigt zunächst die Spannung U, an der
IP
Zündkerze 24 steil ins Negative an. Bei einer Spannung von ca. 15 kV springt an der Zündkerze 24 ein Zündfunken über
und die Spannung U, bricht schlagartig zusammen auf eine
Brennspannung von ca. 1 kV. Der Sekundärstrom I verläuft
sinusförmig mit der Frequenz des ersten Entladestromkreises. Da die Sekundärwicklung 23 des Zündtransformators 19 beim
Überspringen eines Funkens an der Zündkerze 24 praktisch im Kurzschluß arbeitet, verlaufen Strom I und Spannung U1
phasengleich. Beim Nulldurchgang des Stromes I wird auch
die Spannung U, positiv. Dabei wird der Zündfunke unterbrochen und die Spannung U, steigt sprungartig über die
Brennspannung von 1 kV hinaus an, um die ionisierte Funkenstrecke an der Zündkerze 24 erneut zu zünden. Dieser Vorgang
wiederholt sich auch bei der anschließenden Entladung des zweiten EntladeStromkreises. Der Zündfunke erlischt, wenn der
zweite Entladestromkreis am Ende der zweiten Halbwelle geöffnet
wird. Die gesamte Brenndauer des. Zündfunkens beträgt dabei etwa eine Millisekunde.
In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Kondensatorzündanlage dargestellt, die mit ihren Anschlußklemmen 30 und 31 an einen nicht dargestellten Wandler
anzuschließen ist. Die Zündanlage hat zwei Kondensatoren und 33» die über jeweils eine Diode 34 und 35 mit der Anschlußklemme
30 verbunden sind. Der Kondensator 32 bildet zusammen
mit einer Primärwicklung 36 eines Zündtransformators 37 und mit
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einem Thyristor 38 einen ersten Entladestrorakreis. Im zweiten
Entladestromkreis wird der Kondensator 33 über eine vor der Primärwicklung 36 des Zündtransformators 37 eingeschaltete
Vorschaltdrossel 39) die Primärwicklung 36 und einen zweiten
Thyristor 40 entladen. Der Zündtransformator 37 ist mit seiner Sekundärwicklung an eine Zündkerze 42 angeschlossen. Die
Leitungs- und Wicklungskapazität auf der Sekundärseite des Zündtransformators 37 ist durch einen gestrichelt eingezeichneten
Kondensator 43 dargestellt.
Die Wirkungsweise dieser Zündanlage ist ähnlich wie die im
ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dargestellte Kondensator-Zündanlage. Der Zündtransformator 37 und die Vorschaltdrossel
sind dabei so dimensioniert, daß die Streuinduktivität in der Primärwicklung 36 mit 0,3 mH für den ersten Entladestromkreis
kleiner ist als die aus der Vorschaltdrossel 39 und der Streuinduktivität
der Primärwicklung 36 gebildete Gesamtinduktivität von 2,0 mil im zweiten Entladestromkreis. Daraus ergibt sich, daß
die Resonanzfrequenz des ersten Entladestromkreises wesentlich höher ist als die des zweiten Entladestromkreises. Im Zündzeitpunkt
wird auch hier durch eine Ansteuerung des Thyristors 38
der Kondensator 32 im"ersten Entladestromkreis über die Primärwicklung
36 entladen und erzeugt an der Zündkerze 42 einen
Zündfunken. Nach spätestens einer Schwingungsperiode im ersten EntladestromkreiB wird dann der zweite Thyristor 40 gezündet
und der Kondensator 33 wird über die Vorschaltdrossel 39 und die Primärwicklung 36 entladen. Durch diese ebenfalls eine
Periode dauernde Schwingung, die wesentlich langsamer ist als die im ersten Entlade Stromkreis, wird die Brenndauer des Zü'ndfunkens
an der Zündkerze, 42 erheblich verlängert. Damit wird gewährleistet, daß auch inhomogene und magere Kraftstoff-Luftgemische
gezündet werden.
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Die Zündung des zweiten Thyristors 40 muß spätestens nach einer Periode des ersten EntladeStromkreises erfolgen, da
andernfalls der Lichtbogen an der Zündkerze erlischt und u. U. durch die weniger hohe Sekundär spannung, die durch den
zweiten EntladeStromkreis in der Sekundärwicklung des Transformators
induziert wird, die Zündkerze nicht mehr erneut durchzünden kann. Es ist dagegen durchaus möglich, den zweiten
Thyristor 40 noch vor Ende der ersten Periode im ersten EntladeStromkreis bzw. vor dem Entladen des ersten Entladestromkreises
oder gleichzeitig mit dem ersten Thyristor * anzusteuern. Die Ansteuerung der Schaltelemente in den beiden
EntladeStromkreisen kann dabei durch an sich bekannte Impulsgeber
bzw. Impulssteuerschaltungen erfolgen.
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Claims (6)
- Robert Bosch GmbH E. 4?5 Ws/PhStuttgartAnsprücheZündanlage für Brennkraftmaschinen mit zwei Speicherkondensatoren, die von einer Gleichstromquelle aufgeladen und in einem ersten und einem zv/eiten Entlade stroinkrei ε mit jeweils einem gesteuerten Schaltelement über eine Primärwicklung eines gemeinsamen Zündtransformators entladen werden, dessen Sekundärwicklung an mindestens einer Zündkerze angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Zündvorgang beide Kondensatoren (16, 17, 32, 33) über je einen der zwei Entladestromkreise entladen werden, wobei beim Auftreten eines Zündfunkens an der Zündkerze (24, 42) die Resonanzfrequenz des ersten Entladestromkreises mindestens doppelt so groß wie die des zweiten Entladestromkreises ist.
- 2. Zündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Streuinduktivitäten (18a, 21a, 23a) im-ersten und im zweiten EntladeStromkreis kleiner als 1:5 ist.
- 3. Zündanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß daß eine Schaltelement (22) den zweiten EntladeStromkreis während, vorzugsweise gegen Ende der ersten Periode, im ersten EntladeStromkreis schließt.- 12 -309811/0520Robert Bosch GmbH R. 475 Vs/PhStuttgart
- 4. Zündanlage nach Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet, daß der Zündtransformator (19) eine Sekundärwicklung (23)' und zwei Primärwicklungen (18, 21) mit unterschiedlicher Streuinduktivität (18a,. 21a) aufweist und daß die Primärwicklung (18) mit der kleineren Streuinduktivität (18a) im ersten Entladestromkreis und die mit der größeren Streuinduktivität (21a) im zweiten EntladeStromkreis liegt.
- 5. Zündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Entlaäestromkreis eine Induktivität (39) vor einer Primärwicklung (36) des Zündtransformators (37) eingeschaltet ist, über die der zweite Kondensator (33) entladen wird.
- 6. Zündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Kondensatoren (16, 17) an den Ausgang eines Gleichstromwandlers (11) angeschlossen und™ durch Jeweils eine vorgeschaltete Diode (14, 15) gegeneinander entkoppelt sind.309811/0520Leerseite
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