DE2145089B2

DE2145089B2 - Kondensatorzündanlage für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2145089B2
Application number: DE19712145089
Authority: DE
Inventors: Klaus 7141 Schwieberdingen Meyer; Helmut 7000 Stuttgart Roth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1971-09-09
Filing date: 1971-09-09
Publication date: 1979-10-18
Also published as: CH542367A; JPS4836523A; DE2145089A1; FR2152119A5; DE2145089C3; GB1361724A

Description

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.

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 (DE-PS 34 254) 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 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 (nach der DE-AS 14 14 588) Kondensator-Zündanlagen bekannt, bei denen im Zündzeitpunkt

ίο 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 werden. 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.

Dies wird bei einer Zündanlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß bei jedem Zündvorgang beide Kondensatoren über je

si einen der zwei Entladestromkreise entladen werden, wobei beim Auftreten eines Zündfunkens an der Zündkerze die Resonanzfrequenz des ersten Entladestromkreises mindestens doppelt so groß wie die des zweiten Entladestromkreises ist. Da die Resonanzfrequenzen in beiden Entladestromkreisen von der Kapazität und der Induktivität der verwendeten Bauelemente abhängen, werden die Entladestromkreise in vorteilhafter Weise so ausgelegt, daß das Verhältnis der Streuinduktivität im ersten und im zweiten Entladestromkreis kleiner als 1 :5 ist. Die unterschiedlichen Induktivitäten in den beiden Ertladestromkreisen lassen sich dadurch erreichen, daß entweder der Zündtransformator zwei Primärwicklungen mit unterschiedlicher Streuinduktivät aufweist, über welche

so jeweils einer der Kondensatoren entladen wird oder aber dadurch, daß im zweiten Entladestromkreis eine Induktivität vor der Primärwicklung des Zündtransformators, über die der zweite Kondensator entladen wird, eingeschaltet ist.

Es ist zwar (nach der GB-PS 9 94 712) auch schon eine Zündanlage bekannt, bei der zwei Speicherkondensatoren von einer Gleichstromquelle aufgeladen und in einem ersten und zweiten Entladestromkreis mit jeweils einem gesteuerten Schaltelement bei jedem Zündvor-

bo gang entladen werden, wobei hier aber die vorangehende Entladung nicht zur Erzeugung des Zündfunkens, sondern lediglich zur Reinigung der Kerzenelektroden Verwendung findet. Somit wird auch hier der eigentliche Zündvorgang durch eine einzige Entladung

b5 hervorgerufen, woraus folgt, daß sich ebenfalls eine relativ kurze Funkendauer ergibt und mageres bzw. inhomogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht in jedem Fall mit Sicherheit entflammt wird.

Die Erfindung ausbildende Einzelheiten sind an zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Kondensatorzündanlage mit zwei Entladestromkreisen und zwei Primärwicklungen eines Zündtransformators,

F i g. 2 ein Ersatzschaltbild der Kondensatorzündanlage nach F i g. 1 zur Zeit der Zündung;

Fig.3 zeigt den Strom- und Spannungsverlauf zur Zeit der Zündung im ersten und im zweiten Entladestromkreis sowie im Sekundärstromkreis des Zündtransformators;

Fig.4 zeigt eine Kondensatorzündanlage mit einer Vorschaltdrossel im zweiten Entladestromkreis.

Die in F i g. 1 gezeigte Kondensatorzündanlage wird von einer Batterie 10 versorgt, die an den Eingangsklemmen eines Gleichstromwandlers 11 angeschlossen ist Die Ausgangsklemmen 12,13 des Gkichstromwandlers II führen eine pulsierende Gleichspannung von etwa 400 V. Die Ausgangsklemme 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 aufgeladen. 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 aus 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 und 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 F i g. 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 riauptinduktivität 19a, eine Streuinduktivität 18a der ersten Primärwicklung und eine Streuinduktivität 21a der zweiten Primärwicklung sowie eine Streuinduktivität 23a der Sekundärwicklung. Die magneiische Verknüpfung der beiden Entladestromkreise über die zwei Primärwicklungen 18 und 21 ist durch einen idealen Übertrager 26 mit einem Übersetzungsverhältnis ä von 1 :5 und die Verknüpfung zwischen Primär- und Sekundärwicklungen durch einen weiteren idealen Übertrager 27 dargestellt. Solange an der Zündkerze 24 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 Streuinduktivitäten 18a, 23a und den Kondensator 25. Sobald an der Zündkerze 24 die Durchbruchsspannung erreicht wird, springt ein Zündfunke über und der Zündtransformator arbeitet von diesem Zeitpunkt an praktisch im Kurzschluß, der durch die gestrichelt gezeichnete Leitung 28 angedeutet ist Da die Hauptinduktiviiät 19a des Zündtransformators mit 0,6 mH ώι Verhältnis zur Streuinduktivität 23a von 0,037 mH 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

/o = — --2.T I LC

Die Zündanlage ist so dimensioniert, daß der erste Entladestromkreis bei einer Kapazität des Kondensators 16 von 1 μΡ, einer gesamten Streuinduktivität von 0,05 mH, die sich aus der Streuinduktivität 18a von 0,013 mH und der Streuinduktivität 23a von 0,037 mH ergibt, eine Resonanzfrequenz von ca. 20 kHz hat. Das Schaltelement 22a im zweiten Entladestromkreis wird spätestens nach einer Schwingung im ersten Entlade-Stromkreis 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 μΡ und mit einer gesamten Streuinduktivität von 1,57 mH einen Schwingkreis bildet, dessen Resonanzfrequenz bei ca. 1 kHz liegt. Die Streuinduktivität L₂ des zweiten Entladestromkreises ergibt sich bei einer Streuinduktivität 21a von 0,033 mH und der Streuinduktivität 23a von 0,037 mH nach der Formel

L₂ = iP (L₂u+ L₂₃,).

Sie kann ebenso wie die Streuinduktivitäi des ersten Entladestromkreises am sekundärseitig kurzgeschlossenen Zündtransformator 19 nach F i g. 1 gemessen werden.

Die F i g. 3 zeigt den Spannungs- und Stromverlauf im ersten und im zweiten Entladestromkreis sowie im Sekundärstromkreis des Zündtransformators 19. Die Kondensatorspannung U_c\ des ersten Kondensators 16 ist als ausgezogene dünne Linie, die Primärspannung Up\ der ersien Primärwicklung 18 als gestrichelte Linie und der Primärstrom l_p\ im ersten Entladestromkreis als ausgezogene dicke Linie über die Zeitachse t\ aufgezeichnet. Der Kondensator 16 ist zunächst auf eine Gleichspannung von 400 V aufgeladen. Im Zündzeitpunkt Ζφ wird der erste Entladestromkreis geschlossen und die Kondensatorspannung U_c\ 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_p\ an der ersten Primärwicklung 18 im Zündzeitpunkt auf —400 V fällt. Sie verläuft anschließend spiegelbildlich zur Kondensatorspannung U_C] bis zum positiven Maximum. Der

ω Primärstrom /_pi 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

b5 Sperrzustand. Eine weitere Umladung der elektrischen Energie kann jedoch nunmehr über den Gleichstromwandler U und die Diode 14 (Fig. 1) erfolgen, so daß die Kondensatorspannung U_C] vom negativen Span-

nungsmaximum 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_p, an der Primärwicklung 18 ist dabei entsprechend spiegelbildlich vom positiven Maximum durch Null auf ein negatives Maximum gelangt. Der Primärstrom I_p\ 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 f2 ist der Verlauf der Spannung Ua am Kondensator 17 als ausgezogene dünne Linie, der Verlauf der Primärspannung Up2 an der Primärwicklung 21 als gestrichelte Linie sowie der Verlauf des Stromes I_p2 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 Entladestroirtkreises im zweiten Entladestromkreis eine mit der Primärspannung U_p\ in Phase liegende Schwingung der Primärspannung U_P2. Diese Spannung wird durch den Strom /_pi im ersten Entladestromkreis in der Primärwicklung 21 des zweiten Primärstromkreises induziert. Umgekehrt wird demzufolge durch den Strom I_P2 im zweiten Entladestromkreis eine mit der Spannung Up2 in Phase liegende Spannung U_p\ im ersten Entladestromkreis induziert.

Der Verlauf des Stromes h in der Sekundärwicklung 23 des Transformators 19 und der Verlauf der Spannung Uk an der Zündkerze 24 ist auf der Zeitachse h dargestellt. Im Zündzeitpunkt Z_zp steigt zunächst die Spannung ίΛ an der Zündkerze 24 steil ins Negative an. Bei einer Spannung von ca. 15 kV springt an der Zündkerze 24 ein Zündfunken über und die Spannung Ui, bricht schlagartig zusammen auf eine Brennspannung von ca. 1 kV. Der Sekundärstrom /_s 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 /_sund Spannung ίΛ phasengleich. Beim Nulldurchgang des Stromes I₅ wird auch die Spannung ΙΛ positiv. Dabei wird der Zündfunke unterbrochen und die Spannung Uk steigt sprungartig über die Brennspannung von 1 kV hinaus an, um die ionisierte Funkenstrekke 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 32 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 einem Thyristor 38 einen

ίο ersten Entladestromkreis. 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

2n Die Wirkungsweise dieser Zündanlage ist ähnlich wie die im ersten Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 dargestellte Kondensatorzündanlage. Der Zündtransformator 37 und die Vorschaltdrossel 39 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 mH 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 c;ncr Schwingungspenode im ersten Entladestromkreis 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 Entladestromkreis, wird die Brenndauer des Zündfunkens an der Zündkerze 42 erheblich verlängert Damit wird gewährleistet, daß auch inhomogene und magere Kraftstoff-Luftgemische gezündet werden.

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

so Sekundärspannung, 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 38 anzusteuern. Die Ansteuerung der Schaltelemente in den beiden Entladestromkreisen kann dabei durch an sich bekannte Impulsgeber bzw. Impulssteuerschaltungen erfolgen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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, 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 Sntladestromkreises 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 das eine Schaltelement (22) den zweiten Entladestromkreis während, vorzugsweise gegen Ende der ersten Periode, im ersten Entladestromkreis schließt.

4. Zündanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündtransformator (19) eine Sekundärwicklung (23) und zwei Primärwicklungen (18,21) mit unterschiedlicher Streuinduktivität (18a, 2ia) aufweist und daß die Primärwicklung (18) mit der kleineren Streuinduktivität (\Sa) im ersten Entladestromkreis und die mit der größeren Streuinduktivität (2Ia) im zweiten Entladestromkreis liegt.

5. Zündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Entladestromkreis eine Induktivität (39) vor der 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.