DE2203938A1 - Induktive speicherzuendung - Google Patents

Description

Mp-Nr. 853/72 '· 25. Januar 1972

Induktive Speicherzündung

' Die Erfindung betrifft eine induktive Speicherzündung für j Brennkraftmaschinen, bestehend aus einer Gleichstromquelle, einer Zündspule und einem Unterbrecher (ggf. kontaktlosen Geber)

; und mindestens einem Halbleiterschaltelement.

j Von den verschiedenen Zündsystemen für Brennkraftmaschinen in ι Kraftfahrzeugen hat die konventionelle Spulenzündung die größte j Verbreitung. Bei diesem System handelt es sich um eine induktive Speicherzündung, bei welcher die Zündenergie im Magnetfeld der Spule gespeichert ist. In der Leistung ist dieses Zündsystem durch 3 wesentliche Faktoren begrenzt. Es sind dies:

1) der mit Rücksicht auf eine Lebensdauer des Unterbrecherkontaktes von mindestens 10.000 Fahrkilometer max. zulässige Spulenstrom, der in der Größenordnung von 4 A liegt;

2) die in der Zündspule gespeicherte Energie, die 30 bis 50 m¥s betragen soll;

3) die Zeitkonstante der Primärwicklung, die ebenfalls einen Höchstwert von 6 ms nicht überschreiten soll. ;

! Durch den Zusammenhang gespeicherte Spulenenergie und max. zu- ; lässiger Strom liegt die Primärinduktivität der Zündspule be- : reits fest. Bei üblichen Zündspulen beträgt sie 4 bis 10 mHy. Weiterhin ergibt sich für eine gegebene Bordnetzspannung, z.B. 6 V, und einem max. Strom von 4 A der Widerstand der Primärwicklung von 1,5 Ohm. Bei höheren Bordnetzspannungen ist im allgemeinen ein Widerstand in Reihe mit der Primärwicklung geschaltet. Die sich aus den Werten von Primärinduktivität und Spulenwiderstand ergebenden Zeitkonstanten liegen zwischen 2 bis

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Für die volle Aufladung einer Induktivität rechnet man mit dem j 3-fachen Wert der Zeit-konstante. Es ergeben sich daher für normale Zündspulen Zeitkonstanten von 6 bis 18 ms. Berücksichtigt man weiter, daß die Aufladung der Zündspule nur während der Schließzeit des Unterbrecherkontaktes erfolgen kann - die beim 4-Zylindermotor höchstens 50% der Gesamtperiode beträgt - so steht die volle Leistung der Zündspule nur bis zu einer Zündfunkenfrequenz von etwa 80 Hz zur Verfügung.

Bei einem 4-Zylinder-Motor entsprechen diese 80 Hz einer Drehzahl von 2500 U/min. Oberhalb dieser Drehzahl geht die Zündenergie zurück, weil keine volle Aufladung der Induktivität erfolgen kann. Bei Vollastdrehzahlen von etwa 5500 U/min, wie sie bei normalen 4-Zylinder~Motoren üblich sind, liegt die gespeicherte Energie bei etwa 1/3 des Nennwertes. Für 6 und 8 Zylinder-Motoren werden die Verhältnisse infolge der kürzeren Schließzeiten ungünstiger. Die vorgenannten Überlegungen gehen ; davon aus, daß die Bordnetzspannungen üblicherweise konstant j sind. Es ist aber festzuhalten, daß die Zündenergie bei fallen-j der Bordnetzspannung ebenfalls zurückgeht, so daß, insbesondere; beim Anlaßvorgang, bei welcher die Bordnetzspannung absinkt, auch die Zündenergie geringer wird.

Eine weitere kritische Größe für das Zündsystem ist der Spannungsanstieg der Zündspannung. Für die üblichen Systeme beträgt er etwa 350 V//as. Bis zum Erreichen der Durchschlag-spannung von 10 bis 15 kV können deshalb schon beachtliche Energiemengen abfließen, wenn die Isolationswerte der Kerzen schlecht sind.

Eine Verbesserung der Spulenzündsysteine wurde nach Einführung von Halbleiterschaltelementen zunächst durch die Transistorzündung möglich. Das Schaltbild einer solchen Zündung ist z.B. auf Seite 357 des "Kraftfahrzeugtechnischen Taschenbuches" Bosch, Ausgabe 1970 gezeigt. Auch bei der Transistorzündung ist die Zündenergie im Magnetfeld der Spule gespeichert. Die Eigon-

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schaft von Transistoren, mit nur geringen Steuerenergien auch i hohe Ströme ohne Verschleißerscheinung zu schalten, wirkte sich "

zunächst auf die Lebensdauer des Unterbrecherkontaktes positiv aus, der nunmehr bis zu 50.000 Fahrkilometer hält. Auch kontaktlose Geber, die keinem Verschleiß mehr unterliegen, sind anwendbar, siehe z.B. Seite 362, Bild 12 des q.g. "Kraftfahrzeugtechnischen Taschenbuches".

Die Transistorzündung gestattet es darüber hinaus, die Primärströme der Zündspulen zu erhöhen, wodurch sich die Zeitkonstanten verringern und die Grenzfrequenz für die volle Spulenleistung steigt. Hierdurch wird auch der Einfluß von Schwankungen der Bordnetzspannung geringer.

Ein weitere? wesentlicher Vorteil der Transistorzündung liegt in den vorzüglichen Sehalteigenschaften der Transistoren. Sie schalten schnell und prellfrei, so daß auf den Parallelkondensator - beim magnetischen Kontaktsystem unbedingt erforderlich verzichtet werden kann. Der Anstieg der Zündspannung wird hierdurch steiler und erreicht etwa 600 V/^us, wodurch die Nebenschlußeiapfindlichkeit ebenfalls geringer wird. Nachteilig ist, daß die Preise von Transistorzündungen mehrfach so hoch wie dio von konventionellen Spulenzündungen sind,-

Ein weiteres neues Zündsystem ist die sogenannte Hochspannungs- ! Kondensator-Zündanlage, siehe z.B. Seite 358, Bild 7 des o.g. : "Kraftfahrzeugtechnischen Taschenbuches". Bei diesem System : wird die Zündenergie statt induktiv, in einem Magnetfeld kapa- ^: zitiv in einem Kondensator gespeichert. Über einen geeigneten ' Converter wird zunächst die Bordnetzspannung auf 350 V angeho- , j ben und ein Kondensator von etwa 1 pF aufgeladen. Die Speicherenergie beträgt etwa 60 mWs. Im Zündzeitpunkt erfolgt die Entladung des Kondensators in die Primärwicklung der Zündspule über einen Thyristor. Durch den hohen Entladestrom ergibt sich ein ■ sehr steiler Anstieg der Zündspannung von etwa 8 kV/^us. Eine

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sichere Zündung ist dadurch auch dann noch möglich, wenn die Kerzen durch längeren Betrieb bei niedriger Temperatur ver- ! schmutzt sind und sich die Isolationswiderstände stark verringert haben. Dieser Faktor ist für das Kaltstartverhalten von Bedeutung

Nachteilig bei der Hochspannungs-Kondensätor-Zündanlage ist die : kurze Brenndauer des Zündfunkens, die bei etwa 50 bis 250 ps im Vergleich zu 1000 - 2000^us bei Spulenzündungen liegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zündeinrichtung zu schaffen, die den heutigen Anforderungen an eine Hochleistungszündung gerecht wird. Diese Anforderungen sind:

a) Die Unterbrecherkontakte sollen eine ausreichende Lebensdauer haben, d.h. daß sie wenigstens bis zu 50.000 Fahrkilometer in Takt bleiben. Anstelle eines Kontakt-Unterbrechers soll auch ein kontaktloser Geber Anwendung finden können.

b) Bei Absenkung der Bordnetzspannung bis zu 50% soll die Zündenergie etwa konstant bleiben.

c) Im gesamten Drehzahlbereich des Motors soll die Zündenergie nicht mehr als maximal - 10% vomNennwert abweichen.

d) Die Zündspannung u 2s 25 kV soll eine Anstiegsgeschv/indigkeit ^ 1 kV/^us aufweisen.

e) Der Zündfunken soll eine Brenndauer ^ 500/us haben, und

f) die Kosten für eine solche Zündeinrichtung sollen nicht wesentlich über denjenigen einer konventionellen Spuleneinrichtung liegen.

Die Aufgabe wird ausgehend von einer induktiven Speicherzündung dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die Primärwicklung der Zündspule aus Teilwicklungen besteht, die derartig zusammenwirken, i daß über die niederohmige Teil- oder Ladewicklung die magne- ; tische Energie mit einem durch die Induktivität bestimmten linear ansteigenden Strom schnell aufgeladen wird - wobei eine i ί Sperrdiode den Rückstrom in die Haltewicklung unterdrückt -, ■ j während die hochohmige Teil- oder Haltewicklung die aufgeladene Energie rni't einem durch den Widerstand bestimmten konstanten

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Haltestrom bis zum Abruf festhält.

I_n der funktionsfähigen Ausbildung erzeugt erfindungsgemäß nach dem Schließen des Unterbrecherkontaktes ein Initialstrom in der Primärwicklung der Zündspule ±i einer Hilfswicklung den Basisstrom und schaltet damit den Transistor,'der in der Zuleitung zur Teilwicklung der Primärwicklung liegt, durch, wodurch der Ladestrom für die Energie in der Teilwicklung des Primärteiles einsetzt, - wobei eine Sperrdiode den Rückstrom in die Haltewicklung unterdrückt - der bei Erreichen des max. Viertes den Kern der Zündspule in Sättigung bringt, wodurch als Folge der Stromfluß in der Hilfswicklung aufhört, der Transistor sperrt und der Ladstrom unterbrochen wird, wonach der nun einsetztende Haltestrom in der Primärwicklung der Zündspule die Energie festhält.

In einer weiteren Ausbildung hierzu sieht die Erfindung vor, daß der Initialstrom und danach der Haltestrom gleichfalls über | einen zweiten Transistor geführt werden, so daß der Unterbrecherkontakt nur noch den geringen Basisstrom des zweiten Transistors j führen muß und somit auch als kontäctLoser Geber ausgebildet werden kann.

Ferner wird nach der Erfindung durch einen Widerstand und eine Zenerdiode der Haltestrom - welcher bei 50% der Bordnetzspannung ] bereits seinen Nennwert hat und bei max. Bordnetzspannung den ! doppelten Wert annehmen kann- begrenzt wird, wodurch sich der j Leistungsverbrauch vermindert und die Spulenerwärmung verringert.;

Schließlich können anstelle der Transistoren als Halbleiterschaltelemente Thyristoren eingesetzt werden.

In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Einrichtung anhand eines Prinzipschaltbildes und weiterer Schaltungsbeispiele dargestellt, j

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Fig. 1 zeigt die prinzipielle Wirkungsweise der induktiven Speicherzündung mit Schnellaufladung anhand eines Schaltbildes.

Fig. 2 zeigt eine Schaltung, bei v/elcher der Unterbrecherkontakt' den Haltestrom zu schalten hat.

Fig. 3 zeigt eine weitere Schaltung, bei' dem der Haltestrom ebenfalls über einen Transistor geführt ist und ein kontaktloser Geber möglich ist.

Die Zündenergie wird nach dem neuen Zündsystem in kurzer Zeit & 2 ms aufgeladen und durch einen geringen Haltestrom bis zum Abruf in der Zündspule festgehalten. Hierdurch lassen sich - mit geringem Aufwand an Schaltmitteln - alle angeführten Anforderungen an eine moderne Zündanlage erfüllen. Dem Wirkungsprinzip j

i liegt die Tatsache zugrunde, daß sich der magnetische Zustand J eines induktiven Speichersystems bei konstanter Erregung nicht verändert, unabhängig davon, mit welchen Strom-Windungsverhältnissen die Erregung aufgebracht wird.

Die Zündenergie wird zunächst mit einem durch die Irtuktivität bestimmten linear ansteigendem Strom über eine niederohmige Teil- oder Lade\\ricklung (3) in die Zündspule (7) geladen und mit einem durch den Widerstand bestimmten konstanten Haltestron? in einer hochohmigen Teil- oder Haltewicklung (4) bis zum Zünd-> Zeitpunkt festgehalten. Die Zeitkonstante der Halte v/icklung (4) | ist bei Übernahme der Erregung unwirksam.

Die prinzipielle Wirkungsweise wird anhand des Schaltbildes nach Fig. 1 erläutert.

Nach dem Schließen des Unterbrecherkontaktes (1) und des Schalters (2) wird die Teilwicklung (3) der Primärwicklung (6) der Zündspule (7) z.B. mit der Induktivität L^ =0,7 mHy und einem Widerstand R = 0,050 0hm mit einem linear ansteigenden Strom i_L auf i_L von 12 A aufgeladen. Die Speicherenergie beträgt 50 mV/s. Während dieser Ladzoit sperrt die Diode ( 8) die

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Rückspannung der Teil- (Halte-) V/icklung (4). Nach Öffnen des Schalters 2 bei i_L= 12 A übernimmt die Teil- (Halte-) V/icklung (4)~z.B. mit der Induktivität L₂ = 33 niHy und einem Widerstand von 3,3 Ohm - mit dem Strom 1™ von 1,6 A die Magnetisierung. Die Speicherenergie bleibt dabei mit 50 mWs erhalten. Beim Öffnen des Unterbrecherkontaktes (1) soll an der Zündkerze (9) eine Spannung u von 25 kV auftreten. Die Sekundärwicklung (5) ist zur Teilwicklung (4) um den entsprechenden Faktor übersetzt.

Pig. 2 zeigt eine Schaltung, bei welcher der Unterbrecherkontakt (1) noch den Haltestrom zu schalten hat.

Mit dem Schließen des Unterbrecherkontaktes (1) setzt ein Strom ix in den Teilwicklungen (3 und 4) der Primärwicklung (6) der Zündspule (7) ein. Durch diesen Initialstrom wird ein Strom ip in die Hilfswicklung transformiert, der den Transistor (12) öffnet. Damit ist der Weg für den Ladestrom i^.in die Teilwicklung (3) frei. Dieser Lactetrom steigt entsprechend den Schaltkreisbedingungen linear bis etwa 12 A an. Bei diesem Wert ι schlägt die Zündspule (7) in die Sättigung um, die Stromrückkopplung ist aufgehoben und der Transistor (1.2) sperrt. Während; des Ladevorganges war der Strom i., durch die Rückspannung in der Teilwicklung (4) gesperrt. Die Diode (8) verhindert eine Rückspeisung. Nach dem Zusammenbruch der Rückspannung übernimmt I der Haltestrom I„ ohne Verzögerung, die Magnetisierung und hält die Zündspule (7) im Sättigungszustand. Die Speicherenergie bleibt unverändert.

Beim Öffnen des Unterbrecherkontaktes 1 entlädt sich die magnetische Energie in die Wicklung (5) und leitet die Zündung ein. Die Rückschlagspannung erreicht auch am Unterbrecherkontakt höhere-Werte und kann durch den Schalt-Lichtbogen einen Teil der gespeicherten Energie verzehren, wobei gleichzeitig der Spannungsanstieg in der Sekundärwicklung (5) verzögert wird

In der Schaltung nach Fig. 3 ist der Haltestrom ebenfalls über einen Transistor geführt. - 8 -

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Mp-Nr. 853/72 - 8 - 25. Januar 1972

Mit dem Schließen des Unterbrecherkontaktes (1) erhält der Transistor (13) einen ausreichenden Basisstrom und wird leitend. ^! Ein Initialstrom ip in den Teilv/icklungen (3 und 4) der Primär- \ wicklung (6) setzt ein. Durch diesen Initialstrom wird wie J

i bereits im vorigen Beispiel ein Strom i-, in die Hilfswicklung

(11) transformiert, der den Transistor (-12) öffnet. Damit ist j der Weg für den Ladestrom i, in die Teilwicklung (3) frei. j Dieser Ladestrom steigt entsprechend den Schaltkreisbedingungen ! linear bis etwa 12 A an. Bei diesem Wert schlägt die Zündspule j (7) in die Sättigung um ,die Stromrückkopplung ist aufgehoben und der Transistor (12) sperrt.

Während des Ladevorganges war der Strom ip durch die Gegenspannung in der Teilwicklung (4) gesperrt. Der Transistor (12) verhindert eine Rückspeisung. Nach dem Fortfall der Gegenspannung übernimmt der Haltestrom I„ ohne Verzögerung die Erregung und hält die Zündspule (7) im Sättigungszustand. Beim Öffnen des Unterbrecherkontaktes (1) sperrt der Transistor (13), die magnetische Energie entlädt sich in die Sekundärwicklung (5) ι lind leitet die Zündung ein.

Das schnelle und prellfreie Schalten des Transistors (12) und die "geringe" Induktivität der Sekundärwicklung (5) ermöglichen einen steilen Spannungsanstieg von?1 kV/yus bei einer Spitzen- I spannung - 25 kV.

Die Belastung des Unterbrecherkontaktes ist sehr gering. Im Schaltkreis liegen keine Induktivitäten, so daß die Kontaktlebensdauer immer ausreichend ist. Mit dem zusätzlichen Transistor (13) ist auch ein kontaktloser Geber verwendbar.

Bei Veränderung der Bordnetzspannung bis zu 50% wird stets die volle Zündenergie geliefert. Die Motordrehzahl hat ebenfalls keinen Einfluß auf die Zündenergie. Durch einen Widerstand und eine Zenerdiode (15) wird der Haltestrom ip begrenzt.

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Claims (5)

Mp-Nr. 85V72 - 9 - 25. Januar 1972 Patentansprüche

1.)ylnduktive Speieherzündung für Brennkraftmaschinen, bestehend « -^ aus einer Gleichstromquelle, einer Zündspule, einem Unterbrecherkontakt (ggf. kontaktlosen Geber) und mindestens einem Halbleiterschaltelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (6) der Zündspule (7) aus den Teilwicklungen (3 und 4) besteht, die derartig zusammenwirken, daß über die niederohmige Teil- oder Ladewicklung (3) die magnetische Energie mit einem durch die Induktivität bestimmten linear ansteigenden Strom schnell aufgeladen wird -\ wobei eine Sperrdiode (8) den Rückstrom in Wicklung (4) unterdrückt - während die hochohmige Teil- oder Haltewick- ! lung (4) die aufgeladene Energie mit einem durch den Wider- ι stand bestimmten konstanten Haltestrom bis zum Abruf festhält (Fig. 1).

2.) Induktive Speicherzündung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schließen des Unterbrecherkontaktes (1) ein Initialstrom in der Primärwicklung (6) der Zündspule (7) in der Hilfswicklung (11)" den Basisstrom erzeugt und damit den Transistor (12), der in der Zuleitung zur Teilwicklung (3) der Primärwicklung (6) liegt, durchschaltet,¹

wodurch der Ladestrom für die Energie in der Teilwicklung ! (3) des Primärteiles einsetzt - wobei eino Sperrdiode (8.) ^! den Rückstrom in Wicklung (4) unterdrückt - der bei Erreichen des max. Wertes den Kern der Zündspule (7) in Sättigung bringt, wodurch als Folge der Stromfluß in der ■ Hilfswicklung (11) aufhört, der Transistor (12) sperrt und der Ladestrom unterbrochen wird, wonach der nun einsetzende Haltestrom in der Primärwicklung (6) der Zündspule (7) die Energie festhält (Fig. 2).

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3.) Induktive Speicherzündung nach den Ansprüchen 1 und 2, ■ dadurch gekennzeichnet, daß der Initialstrom und danach der ; Haltestrom gleichfalls über einen zweiten Transistor (13) : geführt werden, so daß der Unterbrecherkontakt (1 ) nur noch '■. den geringen Basisstrom des zweiten Transistors (13) führen
muß und somit auch als kontaktloser 'Geber ausgebildet v/erden kann (Fig. 3). · I

4.) Induktive Speieherzündung nach den Ansprüchen 1 bis 3»

dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Widerstand (14) und j eine Zenerdiode (15) der Haltestrom i₉ - welcher bei 50% der

*- I

Bordnetzspannung bereits seinen Nennwert hat und bei max. ; Bornetzspannung den doppelten Wert annehmen kann - begrenzt ; wird (Fig. 3), wodurch sich der Leistungsverbrauch vermindert und die Spulenerwärmung verringert (Fig. 3).

5.) Induktive Speicherzündung nach den Ansprüchen 1 bis 4, da- j durch gekennzeichnet, daß anstelle der Transistoren als
Halbleiter-Schaltelemente Thyristoren eingesetzt werden.

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