DE2203938B2

DE2203938B2 - Induktive Speicher-Zündvorrichtung

Info

Publication number: DE2203938B2
Application number: DE2203938A
Authority: DE
Inventors: Heinrich 5880 Luedenscheid Brungsberg
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1972-01-28
Filing date: 1972-01-28
Publication date: 1976-01-08
Also published as: DD102438A5; IT973252B; GB1386192A; US3877453A; NL7301262A; FR2169592A5; JPS4885934A; CH546342A; DE2203938A1

Description

1. der mit Rücksicht auf eine Lebensdauer des Unterbrecherkontaktes von mindestens 10000 Fahrkilometer maximal zulässige Spulenstrom, der in der Größenordnung von 4 A liegt;

2. die in der Zündspule gespeicherte Energie, die 30 bis 50 mW:ä betragen soll;

3. die ZeitkonsUinte der Primärwicklung, die ebenfalls einen Höchstwert von 6 ms nicht überschreiten soll.

Durch den Zusammenhang gespeicherte Spulenenergie und maximal zulässiger Strom lijgi die Primärinduktivität der Zündspule bereits fest, Bei üblichen Zündspulen beträgt sie 4 bis 10 mHy. Weiterhin ergibt sich für eine gegebene Bordnetzspannung, z. B. 6 V, und einem maximalen Strom vom 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 6 ms.

Für die volle Aufladung einer Induktivität rechnet man mit dem 3fachen Wert der Zeitkonstante. 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-Zylinder-Motor 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-Zylincler-Motoren üblich sind, liegt die gespeicherte Energie bei etwa Vs 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 sind. Es ist aber festzuhalten, daß die Zünd-

energie bei fallender Bordnetzspannung ebenfalls zurückgeht, so daß, insbesondere beim Anlaßvorgang, bei welcher die Bordnetzspannung absinkt, auch die Zündenergie geringer wird.

Eine weitere kritische Grölie für das Zündsystem ist der Spannungsanstieg der Zündspannung. Für die üblichen Systeme beträgt er etwa 250 VJps. Bis zum Erreichen der Durchschlagspannung von 10 bis 15 kV können deshalb schon beachtliche Energiemengen abfließen, wenn die Isolationswerte der Kerzen schlecht sind.

Eine Verbesserung der Spulenzündsysteme wurde nach Einführung von Halbleiterschaltelementen zunächst durch die Transistorzündung möglich. Das Schaltbild einer solchen Zündung ist z. B. auf S.357 des »KraftfahrzeugtechnischenTaschenbuches«, Bosch, Ausgabe 1970, gezeigt. Auch bei der Transistorzündung ist die Zündenergie im Magnetfeld der Spule gespeichert. Die Eigenschaft von Transistoren mit nur geringen Steuerenergien auch 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 oben genannten »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 weiterer wesentlicher Vorteil der Transistorzündur.g liegt in den vorzüglichen Schalteigenschaften der Transistoren. Sie schalten schnell und prellfrei, so daß auf den Parallelkondensator — beim mechanischem Kontaktsystem unbedingt erforderlich — verzichtet werden kann: Der Anstieg der Zündspannung wird hierdurch steiler und erreicht etwa 600 ν/μβ, wodurch die Nebenschlußempfind-Hchkeit ebenfalls geringer wird. Nachteilig ist, daß die Preise von Transistorzündungen mehrfach so hoch wie die von konventionellen Spulenzündungen sind.

Ein weiteres neues Zündsystem ist die sogenannte Hochspannungs-Kondensator-Zündanlage, siehe z. B. Seite 358, Bild 7 des oben genannten »Kraftfahrzeugtechnischen Taschenbuches«. Bei diesem System wird die Zündenergie statt induktiv in einem Magnetfeld kapazitiv in einem Kondensator gespeichert. Über einen geeigneten Konverter wird zunächst die Bordnetzspannung auf 350 V angehoben und ein Kondensator von etwa 1 μΡ 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^s. Eine sichere Zündung ist dadurch auch dann noch mög-Hch, wenn die Kerzen durch längeren Betrieb bei niedriger Temperatur verschmutzt sind und sich die Isolationswiderstände stark verringert haben. Dieser Faktor ist für das Kaltstartverhalten von Bedeutung.

Nachteilig bei der Hochspannungs-Kondensator-Zündanlage ist die kurze Brenndauer des Zündfunkens, die bei etwa 50 bis 250 μβ im Vergleich zu 1000 bis 2000 μβ bei Spulenzündungen liegt.

Es ist ferner aus der USA.-Patentschrift 32 93 492 bekannt, Zündspulen mit unterteilten Primärwicklungen auszuführen. Hierbei ist die Primärwicklung mit einer Mehrzahl von Anzapfungen ausgeführt, die in Abhängigkeit von der Umdrehungszahl des Motors eingeschaltet werden. Hiermit läßt sich zwar die Zeitkonstante der Primärwicklung stufenweise verändern, doch treten bei gleichzeitigem Schließen sämtlicher Kontakte — was bei den hohen Arbeitsgeschwindigkeiten praktisch unvermeidbar ist — Kurzschlüsse auf. Andererseits treten beim gleichzeitigen Öffnen sämtlicher Kontakte sofort hohe Spannungsspitzen auf, da eine sprunghafte Änderung der magnetischen Energie nicht möglich ist.

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

ao a) Die Unterbrecherkontakte sollen eine ausreichende Lebensdauer haben, d. h., daß sie wenigstens bis zu 50 000 Fahrkilometer in Takt bleiben. An Stelle eines Kontaktunterbrechers soll auch ein kontaktloser Geber Anwendung finden können.

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

c) Im gesamten Drehzahlbereich des Motors soll die Zündenergie nicht mehr als maximal ± lO°/o vom Nennwert abweichen.

d) Die Zündspannung μ > 25 kV soll eine Anstiegsgeschwindigkeit > 1 kV^s aufweisen.

e) Der Zündfunken soll eine Brenndauer > 500 \ls haben, und

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

Diese Aufgabe wird mit einer induktiven Speicher-Zündvorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ladewicklung niederohmig und die Haltewicklung hochohmig ausgeführt sind, daß in den Haltestromkreis eine Sperrdiode zur Vermeidung eines Rückstroms in der Halte-

wicklung während des Ladestromflusses angeordnet ist und daß nach dem Übergang der Unterbrechereinrichtung in den stromführenden Zustand ein Initialstrom durch die Lade- und Haltewicklung fließt, der in einer Hilfswicklung der Zündspule einen Steuer-

strom erzeugt, durch den ein im Ladestromkreis in der Zuleitung zur Ladewicklung liegendes erstes Halbleiterschaltelement durchgeschaltet wird, wodurch der Ladestrom durch die Ladewicklung einsetzt, der bei Erreichen seines maximalen Werts den Kern der Zündspule in Sättigung bringt, worautrun der Steuerstromflnß in der Hilfswicklung aufhört, das erste Halbleiterschaltelement sperrt, der Ladestrom unterbrochen wird und als Folge davon der Haltestrom einsetzt.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Initialstrom und der Haltestrom über ein zweites Halbleiterschaltelement geführt werden, dessen Steueranschluß mit der Unterbrechereinrichtung verbunden ist und das bei Ausbildung der

Unterbrechereinrichtung als kontaktlos arbeitende Einrichtung einen geringen Stromfluß über die Unterbrechereinrichtung ermöglicht.
Zweckmäßigerweise wird zur Verminderung des

Leistungsverbrauchs der Zündvorrichtung und zur setzt ein Strom Z₁ in die Teilwicklungen 3 und 4 der Verringerung der Spulenerwärmung der bei halber Primärwicklung 6 der Zündspule 7 ein. Durch diesen Versorgungsspannung bereits seinen Nennwert und Initialstrom wird ein Strom i₂ in die Hilfswicklung 11 bei maximaler Versorgungsspannung seinen doppel- transformiert, der den Transistor 12 öffnet. Damit ist ten Nennwert aufweisende Haltestrom durch eine im 5 der Weg für den Ladestrom /_s in die Ladewicklung 3 Haltestromkreis in der Zuleitung zur Haltewicklung frei. Dieser Ladestrom steigt entsprechend den Schaltliegende Reihenschaltung aus einem Widerstand und kreisbedingungen linear bis etwa 12 A an. Bei dieeiner Zenerdiode begrenzt. sem Wert schlägt die Zündspule 7 in die Sättigung Schließlich können die Halbleiterschaltelemente um, die Stromrückkopplung ist aufgehoben, und der Transistoren oder Thyristoren sein. io Transistor 12 sperrt. Während des Ladevorganges In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Vor- war der Strom I₁ durch die Rückspannung in der richtung an Hand eines Prinzipschaltbildes und wei- Haltewicklung 4 gesperrt. Die Diode 8 verhindert terer Schaltungsbeispiele dargestellt. eine Rückspeisung. Nach dem Zusammenbruch der F i g. 1 zeigt die prinzipielle Wirkungsweise der in- Rückspannung übernimmt der Haltestrom /_H ohne duktiven Speicher-Zündvorrichtung mit Schnellauf- 15 Verzögerung die Magnetisiening und hält die Zündladung an Hand eines Schaltbildes; spule 7 im Sättigungszustand. Die Speicherenergie

F i g. 2 zeigt eine Schaltung, bei welcher der Unter- bleibt unverändert.

brecherkontakt den Haltestrom zu schalten hat; Beim öffnen des Unterbrecherkontaktes 1 entlädt F i g. 3 zeigt eine weitere Schaltung, bei dem der sich die magnetische Energie in die Wicklung S und Haltestrom ebenfalls über einen Transistor geführt 20 leitet die Zündung ein. Die Rückschlagspannung erist und ein kontakiloser Geber möglich ist. reicht auch am Unterbrecherkontakt höhere Werte Die Zündenergie wird nach dem erfindungs- und kann durch den Schalt-Lichtbogen einen Teil gemäßen Zündsystem in kurzer Zeit %2ms auf- der gespeicherten Energie verzehren, wobei gleichgeladen und durch einen geringen Haltestrom bis zeitig der Spannungsanstieg in der Sekundärwicklung 5 zum Abruf in der Zündspule festgehalten. Hierdurch 25 verzögert wird.

lassen sich — mit geringem Aufwand an Schaltmit- In der Schaltung nach Fig. 3 ist der Haltestrom

teln — alle angeführten Anforderungen an eine ebenfalls über einen Transistor geführt,

moderne Zündanlage erfüllen. Dem Wirkungsprinzip Mit dem Schließen des Unterbrecherkontaktes 1

liegt die Tatsache zugrunde, daß sich der magnetische erhält der Transistor 13 einen ausreichenden Basis-

Zustand eines induktiven Speichersystems bei kon- 30 strom und wird leitend. Ein Initialstrom I₁ in den

stanter Erregung nicht verändert, unabhängig davon, Teilwicklungen 3 und 4 der Primärwicklung 6 setzt

mit welchen Strom-Windungsverhältnissen die Er- ein. Durch diesen Initialstrom wird wie bereits im

regung aufgebracht wird. vorigen Beispiel ein Strom i, in die Hilfswicklung 11

Die Zündenergie wird zunächst mit einem durch transformiert, der den Transistor 12 öffnet. Damit ist die Induktivität bestimmten linear ansteigendem 35 der Weg für den Ladestrom i_t in die Ladewicklung 3

Strom über eine niederohmige Ladewicklung 3 in die frei. Dieser Ladestrom steigt entsprechend den

Zündspule 7 geladen und mit einem durch den Wider- Schaltkreisbedingungen linear bis etwa 12 A an. Bei

stand bestimmten konstanten Haltestrom in einer diesem Wert schlägt die Zündspule 7 in die Sättigung

hochohmigen Haltewicklung 4 bis zum Zündzeitpunkt um, die Stromrückkopplung ist aufgehoben, und der festgehalten. Die Zeitkonstante der Haltewicklung 4 40 Transistor 12 sperrt.

ist bei Übernahme der Erregung unwirksam. Während des Ladevorganges war der Strom I₁

Die prinzipielle Wirkungsweise wird an Hand des durch die Gegenspannung in der Haltewicklung 4

Schaltbildes nach F i g. 1 erläutert. gesperrt. Die Diode 8 verhindert eine Rückspeisung.

Nach dem Schließen des Unterbrecherkontaktes 1 Nach dem Fortfall der Gegimspannung übernimmt

und des Schalters 2 wird die Ladewicklung 3 der 45 der Haltestrom I_n ohne Verzögerung die Erregung

Primärwicklung 6 der Zündspule 7 z. B. mit der In- und hält die Zündspule 7 im Sättigungszustand. Beim

duktivität L₁ = 0,7 mHy und einem Widerstand öffnen des Unterbrecherkontaktes 1 sperrt der Tran-

R = 0,050 Ohm mit einem linear ansteigenden Strom sistor 13, die magnetische Energie entlädt sich in die

i₃ auf i₃ von 12 A aufgeladen. Die Speicherenergie Sekundärwicklung 5 und leite) die Zündung ein.

beträgt 50 mWs. Während dieser Ladezeit sperrt die 50 Das schnelle und prellfreie Schalten des Transi-

* Diode 8 die Rückspannung der Haltewicklung 4. stors 12 und die »geringe« Induktivität der Sekun-

Nach öffnen des Schalters 2 bei I₃ = 12 A übernimmt därwicklung 5 ermöglichen einen steilen Spannungs-

die Haltewicklung 4 — z. B. mit der Induktivität anstieg von > 1 kV/^s bei einer Spitzenspannunf

L₂ =■ 33 mHy und einem Widerstand von 3,3 Ohm— > 25 kV.

tnit dem Strom/// von 1,6 A die Magnetisierung. Die 55 Die Belastung des Unterbrecherkontaktes ist sehi

J! Speicherenergie bleibt dabei mit 50 mWs erhalten. gering. Im Schaltkreis liegen keine Induktivitäten, se

Beim öffnen des Unterbrecherkontaktes 1 soll an der daß die Kontaktlebensdauer immer ausreichend ist

Zündkerze eine Spannung ü von 25 kV auftreten. Mit dem zusätzlichen Transistor 13 ist auch ein kon

Die Sekundärwicklung 5 ist zur Haltewicklung 4 um taktloser Geber verwendbar.

den entsprechenden Faktor übersetzt. 60 Bei Veränderung der Boirdnetzspannung bis zi

Fi g. 2 zeigt eine Schaltung, bei welcher der Unter- 50 Vo wird stets die volle Züindenergie geliefert. Di(

brecherkontakt 1 noch den Haltestrom zu schalten Motordrehzahl hat ebenfalls keinen Einfluß auf di<

hat. Zündenergie. Durch einen Widerstand 14 und eint

■ Mit dem Schließen des Unterbrecherkontaktes 1 Zenerdiode 15 wird der Haltestrom I₁ begrenzt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I; Induktive Speicher-Zündvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit einer Gleichstromquelle, einer Primär- und Sekundärwicklung aufweisen- S den Zündspule und einer Unterbrechereinrichtung, wobei die Primärwicklung der Zündspule aus zwei Teilwicklungen besteht, von denen die eine als Ladewicklung und die andere als Haltewicklung dient, und wobei zunächst la der Ladewicklung mit Hilfe eines sie durchfließenden und durch ihre Induktivität bestimmten, zunehmendem Ladestroms magnetische Energie aufgebaut wird und anschließend die von der Ladewicklung aufgebaute Energie durch die Haltewicklung mit Hilfe eines sie und die Ladewicklung durchfließenden, durch den ohmschen Widerstand der beiden Teilwicklungen bestimmten, konstanten Haltestroms bis zum Abruf festgehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Lade- ao wicklung (3) niederohmig und die Haltewicklung (4) hochohmig ausgeführt sind, daß in dem Halte- «tromkreis eine Sperrdiode (8) zur Vermeidung eines Rückstroms in der Haltewicklung (4) wählend des Ladestromflusses angeordnet ist und daß as •ach dem Übergang der Unterbrechereinrichtung (1) in den stromführenden Zustand ein Initial-Itrom (J₁) durch die Lade- und Haltewicklung ließt, der in einer Hilfswicklung (11) der Zündtpule (7) einen Steuerstrom (i₂) erzeugt, durch den ein im Ladestromkreis in der Zuleitung zur Ladewicklung (3) liegendes erstes Halbleiterichaltelement (12) durchgeschaltet wird, wodurch dar Ladestrom (i₃) durch die Ladewicklung (3) einsetzt, der bei Erreichen seines maximalen Werts den Kern der Zündspule (7) in Sättigung bringt, woraufhin der Steuerstromfluß in der Hilfswicklung (11) aufhört, das erste Halbleiterichaltelement (12) sperrt, der Ladestrom (i₃) unterbrochen wird und als Folge davon der Halte- «trom (i_H) einsetzt.
2. Induktive Speicher-Zündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Initialstrom (Z₁) und der Haltestrom (i_w) über ein rweites Halbleiterschaltelement (13) geführt werden, dessen Steueranschluß mit der Unterbrechereinrichtung (1) verbunden ist und das bei Ausbildung der Unterbrechereinrichtung (1) als kontaktlos arbeitende Einrichtung einen geringen Stromfluß über die Unterbrechereinrichtung ermöglicht.
3. Induktive Speicher-Zündvorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung des Leistungsverbrauchs der Zündvorrichtung und zur Verringerung der Spulenerwärmung der bei halber Versorgungstpannung bereits seinen Nennwert und bei maximaler Versorgungsspannung seinen doppelten Nennwert aufweisende Haltestrom (in) durch eine im Haltestromkreis in der Zuleitung zur Haltewicklung (4) liegende Reihenschaltung aus einem Widerstand (14) und einer Zenerdiode (15) begrenzt wird.
4. Induktive Speicher-Zündvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltelemente Transistoren oder Thyristoren sind.

Die Erfindung betrifft eine induktive Speicher-Zündvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit einer Gleichstromquelle, einer Primär- und Sekundärwicklung aufweisenden Zündspule und einer Unterbrechereinrichtung, wobei die Primärwicklung der Zündspule aus zwei Teilwicklungen besteht, von denen die eine als Ladewicklung und die andere als Haltewicklung dient, und wobei zunächst in der LadewicMung mit Hilfe eines sie durchfließenden und durch ihre Induktivität bestimmten, zunehmenden Ladestroms magnetische Energie aufgebaut wird und anschließend die von der Ladewicklung aufgebaute Energie durch die Haltewicklung mit Hilfe eines sie und die Ladewicklung durchfließendien, durch den ohmschen Widerstand der beiden Teilwicklungen bestimmten, konstanten Haltestroms bis zum Abruf festgehalten wird.

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