DE2212065A1

DE2212065A1 - Piezoelektrische Funkenerzeugereinrichtung

Info

Publication number: DE2212065A1
Application number: DE19722212065
Authority: DE
Inventors: Mario Avigliana Turin; Cavallarin Bruno Turin; Palazzetti (Italien). P
Original assignee: Fiat SpA
Current assignee: Fiat SpA
Priority date: 1971-03-12
Filing date: 1972-03-13
Publication date: 1972-10-05
Also published as: DE2212065C3; FR2129596A5; DE2212065B2; GB1339103A

Description

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Funkenerzeugereinrichtung.

Die Erfindung betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich die Erzeugung von Zündfunken bei Brennkraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge.

Bekannte Funkenerzeugereinrichtungen für Brennkraftmaschinen erzeugen einen Funken zwischen zwei Elektroden einer Funkenstrecke, indem eine Stufenspannung an die Primärwicklung eines hinauftransformierenden Transformators gelegt wird, dessen Windungsverhältnis derart ist, daß über die mit der

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!Funkenstrecke verbundene Sekundärwicklung eine Spannung erzeugt wird, die ausreicht, um eine !Funkenbildung über die Funkenstrecke oder den Spalt hervorzurufen. Der Hauptnachteil der bekannten Einrichtungen besteht darin, daß die Spannung an der Primärwicklung gewöhnlich sehr niedrig ist und somit ein Transformator mit hohem Windungsverhältnis notwendig wird, um eine ad äquate Spannung an der Sekundärseite zu induzieren; dieses hohe Wic&lungsverhältnis bedingt notwendigerweise eine hohe Induktanz, ein erhebliches Gewicht und einen hohen Platzbedarf, sowie hohe Produktionskosten.

Funkenerzeugende Einrichtungen sind auch bekannt, die eli\ea über eine Funkenstrecke verbundenen Kristall, sowie einen Schlagarm umfassen, der so angeordnet ist, daß er auf der: Kristall schlägt, oder alternativ sind irgendwelche anderen Perkussions- oder Kornpressionseinrichtungen vorgesehen, die mechanisch betätigbar und mit dem Kristall in Eingriff bringbar sind. Die so im Kristall erzeugten Stoßwellen ^ind derart, daß eine hohe Spannung über dem Kristall erzeugt und diese Spannung aiisgenutzt wird, um einen Funken über die Funkenstrecke zu erzeugen.

Solche bekannten piezoelektrischaiEinrichtungen haben aber auch Nachteile, wobei der Hauptnachteil darin zu sehen ist, daß der piezoelektrische Kristall schnell unter mechanischen Beanspruchungen, denen er im Betrieb ausgesetzt wird, beschädigt wird. Ein anderer Nachteil ist darin zu sehen, daß solche Einrichtungen mit mechanischen Elementen, wie Unterbrechern, Hebeln und Nocken mit folglicher Ungenauigkeit in dem Takt der Funkenerzeugung aufgrund von Trägheit und Spiel dieser mechanischen Einrichtungen arbeiten.

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Diese Nachteile sind besonders ernst bei einer Zündeinrichtung für eine Brennkraftmas chine, "bei der der wirksame Betrieb des Motors unter anderem von der Genauigkeit abhängt, mit der der Zündaugenblick der Zündkerzen bestimmt wird. Tatsächlich sorgt eine vorzeitige Zündung oder eine verzögerte Zündung u.a. für funktioneile.Anomalien, eine Zunahme im Anteil von Verunreinigungen in den Abgasen, für größere Schwierigkeiten beim Starten und für eine abnehmende Motorleistung.

Erfindungsgemäß soll darum vor allen Dingen eine funkenerzeugende Einrichtung der Bauart mit einem piezoelektrischen Kristall beschrieben werden, bei der der Kristall nicht der Beanspruchung durch heftige Schläge, die zu schneller Beschädigung führen, ausgesetzt wird.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Funkenerzeugereinrichtung der vorgenannten Art, die völlig elektrisch gesteuert wird und ohne irgend welche mechanischen Regeleinrichtungen auskommt.

Vorzugsweise ist eine Funkenerzeugereinrichtung der vorgenannten Art besonders geeignet für die Anwendung auf das Zündsystem einer Brennkraftmaschine.

Hierzu geht die Erfindung aus von einer Funkenerzeugereinrichtung mit einem piezoelektrischen Kristall, welcher mit elektrischen Anschlüssen an eine Funkenstrecke versehen ist, sowie mit Erregereinrichtungen zum mechanischen Spannen oder Beanspruchen des Kristalls. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Erregereinrichtungen einen Träger für den piezoelektrischen Kristall uafassen, der wenigstens teilweise aus magnetostriktivem Material besteht; daß die Erregereinrichtungen eine elektrische Windung aufweisen,

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die so angeordnet ist, daß sie mit einer elektrischen Stufenspannung von einer Quelle versorgt wird und so eingerichtet ist, daß sie magnetischen Fluß im magnetostriktiven Material erzeugt, derart, daß das Kristall ausreichend beansprucht wird, um die Erzeugung eines Funkens über die Funkenstrecke hervorzurufen.

Die Erfindung soll nun anhand eines Zündsystems für eine Brennkraftmaschine mit Bezug a.uf die beiliegende Zeichnung näher erläutert werden, in der

Figur 1 eine teilschematische Darstellung einer Zündanordnung für eine Brennkraftmaschine, in die die piezoelektrische Zündeinrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung eingebaut ist, zeigt;

Figur 2 ist eine teilgeschnittene Darstellung längs der Linie II-II in Figur 1;

Figur 3 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausfiihrungsform einer Zündeinrichtung nach der Erfindung; und

Figur 4 ist eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Zündeinrichtung nach der Erfindung.

Das in den Figuren 1 und 2 dargestellte Zündsystem umfaßt eine G-I eichspannungs quelle 10, die beispielsweise aus einem Akkumulator oder einem Synchrongenerator (alternator) mit einer Gleichrichterbrücke besteht. Die Spannungsquelle 10 ist mit einer Reihenschaltung aus einer Kapazität 12 und einer Wicklung 14 verbunden, sodaß die Kapazität 12 von. der Quelle 10 aus gespeist wird. Ein [Jyristor 16 ist auch parallel zu den Klemmen der Quelle 10 gelegt. Wird der Thyristor 16 gezündet, so sorgt er für eine Entladung von Kapazität oder Kondensator 12 in die Wicklung 14 und gibt an die Klemmen 13, 15 der Wicklung 14 eine Stufenspannung. -

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Ein Zünden des Thyristors 16 wird vorgenommen, indem ein Zündsignal an die Thyristorregelelektrode 18 mittels einer Regeleinrichtung 20 gegeben wird;" da die Regeleinrichtung seihst keinen Teil der Erfindung "bildet, soll sie hier nicht näher erläutert werden.

Die Wi-cklung 14 ist auf einen toroidförmigen Kern 22 gewickelt, der 8.US magnetostriktivem Material von negativer Magnetostriktion "besteht. Ein piezoelektrischer Kristall ist diametral zum magnetostriktiven Kern 22 angeordnet. Der piezoelektrische Kristall 24 liegt gegen den Kern 22 mittels Trägereiementen 26, 16 an, die aus einem Material von im wesentlichen einer Härte gleich der des piezoelektrischen Kristalls 24 "bestehen. Der Kristall 24 hat gegenüberliegende Flächen 30, 32, an die zwei Leiter 34, 38 angeschlossen sind, die an die Elektrode einer Funkenstrecke angeschlossen sind, die in diesem FaIl aus einer Zündkerze einer Brennkraftmaschine gebildet ist.

Wird der Thyristor 16 gezündet und sorgt er für eine Entladung dee Kondensators 12 über die Wicklung 14, so sorgt der im magnetostriktiven Kern 22 induzierte magnetische Fluß für eine scharfe Kontraktion des Kerns 22, der seinerseits eine elastische Kompre?-sionswelle an den piezoelektrischen Kristall 24 über die Trägerelemente 26, 28 gibt. Die Trägerelemente 26, 28 übertragen aufgrund ihrer Härte die Welle an den Kristall 24 ohne eine merkliche Dämpfung. Zwischen den Flächen 30, 32 des piezoelektrischen Kristalls 24 wird so eine Potentialdifferenz erzeugt, die über die Leiter 34, 36 an die Zündkerze 38 übertragen wird und eine Funkenentladung induziert.

Da mit der beschriebenen Anordnung die Spannung im piezo-elektrischen Kristall 24 durch eine elastische Kompressionswelle erzeugt wird, hat der Kristall eine potential längere

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Lebensdauer aufgrund des Fehlens von mechanischen Stoßen, wie sie "bei "bekannten piezoelektrischen Zündeinrichtungen auftreten, bei denen der piezoelektrische Kristall von einem Schlägel em ent getroffen v/ird. Darüberhinaus wird der Augenblick der Funken-bildung an der Zündkerze 38 genau definiert, der von den genau definierten elektrischen Charakteristiken der Schaltkreiskomponenten ebhängig ist.

Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Funkenerzeugereinrichtung nach der Erfindung. Fach dieser Ausführungsform wird die Wicklung 14 auf einen hufeisenförmigen Eisenkern 40 aufgewickelt, der aus nicht-magnetostriktivem Material aufgebaut ist, dessen Polschuhe 42, 44 jedoch ^u.-; positiv magneto strikt iven Material bestehen. Zwischen de^i Polschuhen 42, 44 ist ein piezoelektrisch Kristall 24 zwischengeschaltet, dessen gegenüberliegende Parallelfläcr.en 30, 32 in Kontakt mit den Polschuhen 42, 44 kommen. Die Kristallflächen 30, 32 sind auch über Leiter 34, 36 mit der Zündkerze 38 verbunden.

Wird die Wicklung 14 durch eine an die Klemmen 13, 15 gelegte Stufenspannung, wie vorher beschrieben, erregt, co induziert der durch den Kern 40 durch die magnetostriktiven Polschuhe 42,44 geführte magnetische Fluß eine Längung dieser Schuhe und komprimiert den piezoelektrischen Kristall 24 mit einer elastischen Kompressionswelle. Es wird also zwischen den Leitern 34, 36 eine Impulsspannung erzeugt, die ausreicht, um einen Funken an der Zündkerze ~/~> zu erzeugen.

Figur 4 zeigt noch eine weitere Ausführungsforta einer Funkenerzeugereinrichtung nach der Erfindung. Nach diener Ausführungsform wird die Wicklung 14 auf einen Schenkel 4^ eines zweischenkligen Kernea 46, 47 in Form einer geschlossenen Schleife aus positiv magnetostriktivem Material

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gewickelt. Die beiden Schenkel 46, 47 sind parallel und an einem Ende mit einem festen Träger 48 befestigt, der am gegenüberliegenden Ende gegen den piezoelektrischen Kristall 24 anliegt. Die gegenüberliegenden Flächen 30, 32 des Kristalls 24 sind mit Leitern 34, 36 versehen, die an die Elektroden einer Zündkerze 38 angeschlossen sind.

Auch nach dieser Ausführungsform wird eine Stufenspannung an die Klemmen 13, 15 der Wicklung 14 gelegt und erzeugt einen magnetischen I¹IuB im Kern 46, der dessen Längung hervorruft.

Eine elastische Spannungswelle wird daher dem piezoelektrischem Kristall 24 erteilt. Die Dicke des piezoelektrischen Kristalls 24 zwischen den Flächen 30, 32 wird in diesem Fall geringer als die Wellenlänge der elastischen Spannungswelle im Kristall gewählt, sodaß der gesamte Kristall zu irgend einem gegebenen Augenblick sich unter im wesentlichen den gleichen Spannungsbedingungen befindet. Der Kristall 24 wird also periodisch über seine gesamte Dicke Kompressionen derart unterworfen, daß eine hohe Zündspannung zwischen den Leitern 34, 36 induziert wird, was zu einer Funkenbildung an der Zündkerze 38.führt.

Obwohl besonderer Bezug auf Zündanordnungen für Brennkraftmaschinen genommen wurde, ist es selbstverständlich, daß die funk ei: erzeugende Einrichtung nach der Erfindung auch anders angewendet werden kann, und zwar immer dort, wo eine Funkenentladung zwischen zwei Elektroden einer Funkenstrecke erforderlich wird.

Abgesehen von den bevorzugten beschriebenen Ausführungsfor'^en sind andere ähnliehe praktische Yerwirklichungsformen möglich, bei denen ein piezoelektrischer Kristall einer

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durch magnetostriktive Einrichtungen erzeugten Kompressionswelle ausgesetzt wird. Alle diese Ausführungsformen sind als zur Erfindung gehörig zu betrachten.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

/ 1.jFunkenerzeugereinrichtung mit einem piezoelektrischen Kristall, der mit elektrischen Verbindungen zu einer Funkenstrecke versehen ist und mit Erregereinrichtungen zur mechanischen Beanspruchung oder Spannung des Kristalls, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregereinrichtungen einen Träger. (22, 26, 28; 40, 42; 46) für.den piezoelektrischen Kristall (24) umfassen, der wenigstens teilweise aus magnetostriktivem Material (22, 42, 44; 46) aufgebaut ist, wobei diese Erregereinrichtungen eine elektrische Wicklung (14) aufweisen, die so angeordnet ist, daß sie mit einer elektrischen Stufenspannung von einer Quelle (10, 12, 16, 18, 20) versorgt wird und so ausgebildet ist, daß ein magnetischer Fluß im magnetostriktiven Material erzeugt wird, derart, daß der Kristall ausreichend zur Erzeugung eines Funkens über die Funkenstrecke beansprucht wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß der Träger für den piezoelektrischen Kristall einen .toroidförmigen Kern (22) aus negativ magnetostriktivem Material, auf den die elektrische Wicklung (14) gewickelt ist, aufweist; daß der piezoelektrische Kristall (24) diametral zum Kern (22) angeordnet ist und gegen den letzteren mittels Trägerelementen (26, 28) im wesentlichen von einer gleich der des Kristalls anliegt.

Einrichtung nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß der Träger für den piezoelektrischen Kristall (24) einen hufeisenförmigen, die elektrische Wicklung (14) tragenden Kern (40) aufweist und Polschuhe (42, 44) positiv magnetostriktiven Materials trägt, wobei der piezoelektrische

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Kristall zwischen den Polschuhen angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1^ dadurch gekennzeichnet, daß der Träger für den piezoelektrischen Kristall (24) ein Kern mit geschlossener Schleife (46, 47) aus positiv magnetostriktivem Material mit zwei Schenkeln (46, 47) ist, von denen einer die elektrische Wicklung (14) trägt, wobei dieser Kern an einem Ende an einen festen Träger (48) befestigt ist und am anderen Ende gegen den piezoelektrischen Kristall anliegt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4), dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des piezoelektrischen Kristalls (24) wesentlich geringer als die Wellenlänge der elastischen Spannung bzw. der elastischen Beanspruchung ist, welche in den Kristall durch den magnetostriktiven Kern beim Betrieb der Vorrichtung induziert wird.

6. Funkenerzeugereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecke durch eine Zündkerze (38) einer Brennkraftmaschine gebildet ist.

PATEN! ANWÄLTE

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