DE2212065C3 - Elektromagnetostriktive-piezoelektrlsche Funkenzündeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetostrik- 65 Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, bei tive-Piezoelektrische Funkenzündeinrichtung, insbe- der der wirksame Betrieb des Motors unter anderem sondere für Brennkraftmaschinen, mit einem Träger von der Genauigkeit abhängt, mit der der Zündaufür den piezoelektrischen Kristall, der wenigstens genblick der Zündkerzen bestimmt wird. Tatsächlich

sorgt eine vorzeitige Zündung oder eine verzögerte Zündung unter anderem für funktionelle Anomalien, eine Zunahme im Anteil von Verunreinigungen in uen Abgasen, für größere Schwierigkeiten beim Starten und für eine abnehmende Motorleistung.

Demgegenüber soll nun eine Funkenerzeugereinrichiung angegeben werden, bei der der Kristall nicht dor Beanspruchung durch heftige Schläge oder zu hoher Belastungen ausgesetzt wird.

Erfindungsgemäß wird dies erreicht dadurch, daß die magnetostriktive Wicklung von einer Zünd-Impulsspannung beaufschlagt wird und die Elektroden des piezoelektrischen Kristalls unmittelbar mit den Zündelektroden verbunden sind.

Bekannt ist zwar (USA.-Patentschrift 3 261339) eine Zündvorrichtung für Brennkraftmaschinen, welche ebenfalls die Kombination eines elektromagnetostriktiven Effekts mit einem Piezoeffekt ausnützt. Bei dieser bekannten Ausführungsform soll jedoch diese Kombination als Ersatz für die Sekundärwicklung eines Transformators benutzt werden, der seinerseits mit einem Kondensator in Verbindung steht. Die Entladung des Kondensators erfolgt auf der Primärwicklung eines weiteren Transformators, dessen Sekundärwicklung mit den Zündkerzen des Motors verbunden ist. Die bekannte Ausführungsform betrifft daher die übliche Maßnahme, mit einer kapazitiven Entladung und einem Transformator zur Spannungserhöhung zu arbeiten. Die verwendete Kombination ist bei der bekannten Ausführungsform deshalb von Nutzen, weil sie schneller auf die Impulse bei der Primärwicklung des Transformators anspricht, als wenn eine Sekundärwicklung mit Kern usw. zur Anwendung kommen würde, wobei die auftretende Hysterese zu beachten ist. Es ist grundsätzlich nicht bezweckt, eine Vorrichtung für die Erzeugung von Entladungen oder Zündfunken zu schaffen, sondern einen Transformator, der schneller arbeitet als die üblichen Transformatoren. Demgegenüber ist bei der Erfindung lie piezoelektrische-elektromagnetostriktive Vorrichtung mit dem Verteiler oder bei günstigen Raumverhältnissen mit der Zündstelle, z. B. den einzelnen Kerzen eines Verbrennungsmotors, unmittelbar verbunden, wogegen bei der bekannten Ausführungsform ein Transformator als Zwischenelement zwischen der Vorrichtung und dem Verteiler bzw. der Zündstelle (den Zündkerzen) vorgesehen sein muß. Die Erfindung bringt daher für die Praxis den besonderen Vorteil, daß unter anderem eine wesentliche Vereinfachung erzielt wird, da Teile der bekannten Ausführungsform weggelassen werden können. Es fehlt bei der Erfindung nicht nur ein Transformator zur Spannungssteigerung, sondern auch ein Kondensator sowie eine Steuerung für die Entladung des Kondensators. Das Fehlen des Transformators ist deshalb wesentlich, weil hierdurch die Möglichkeit gegeben wird, die piezoelektrische-elektromagnetostriktive Vorrichtung in unmittelbarerNähe der Arbeitsstelle, d. h. der Zündstelle anzuordnen, ohne daß es notwendig ist, lange elektrische Verdrahtungen vorzusehen, durch die bekanntlich stets nachteilige Wirkungen und Aufbauten eintreten bzw. erforderlich werden. Verwiesen wird beispielsweise auf das Auftreten erheblicher Kapazitätsstörungen. Durch die Erfindung wird es möglich, den Verteiler wahlweise vor oder hinter der Einrichtung anzuordnen. Dabei wird eine Anordnung bevorzugt, bei welcher sich der Verteiler vor der Einrichtung befindet, weil die an die Kontakte angelegte Spannung dann noch verhältnismäßig niedrig sein kann. In diesem Fall ist es auch möglich, eine der Anzahl von Zündkerzen entsprechende Anzahl von Einrichtungen vorzusehen. Für das Zündsystem eines Motors an Kraftfahrzeugen ist es besonders günstig, daß die Steuerung völlig elektrisch ohne irgendwelche mechanischen Regeleinrichtungen erfolgen kann.

Weitere Merkmale der Erfindung betreffen vorteilhafte Weiterentwicklungen bzw. technische Einzelheiten der grundsätzlichen Erfindungslösung.

Die Erfindung soll nun an Hand eines Zündsysiems für eine Brennkraftmaschine mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert werden, in der

F i g. 1 eine teilschematische Darstellung einer Zündanordnung für eine Brennkraftmaschine, in die die piezoelektrische Zündeinrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung eingebaut ist, zeigt;
Fig.2 ist eine teilgeschnittene Darstellung längs

ao der Linie II-II in Fig. 1;

Fig.3 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Zündeinrichtung nach der Erfindung; und

F i g. 4 ist eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Zündeinrichtung nach der Erfindung.

Das in den F i g. 1 und 2 dargestellte Zündsystem 'imfaßt eine Gleichspannungsquelle 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, so daß die Kapazität 12 von der Ouelle 10 aus gespeist wird. Ein Thyristor 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.

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

Die Wicklung 14 ist auf einen toroidförmigen Kern 22 gewickelt, der aus magnetostriktivem Material von negativer Magnetostriktion besteht. Ein piezoelektrischer Kristall 24 ist diametral zum magnetostriktiven Kern 22 angeordnet. Der piezoelektrische Kristall 24 liegt gegen den Kern 22 mittels Trägerelenienten 26, 28 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 Fall aus einer Zündkerze 38 einer Brennkraftmaschine gebildet ist.

Wird der Thyristor 16 gezündet und sorgt er für eine Entladung des Kondensators 12 über die Wicklurg 14, so sorgt der im magnetostriktiven Kern 22 induzierte magnetische Fluß für eine scharfe Kontraktion des Kerns 22, der seinerseits eine elastische Kompressionswelle an den piezoelektrischen Kristall 24 über die Trägerelemente 26, 28 gibt. Die Trägerelemente 26, 28 übertragen auf Grund ihrer Härte die Welle an den Kristall 24 ohne eine merkliche

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Dämpfung. Zwischen den Flächen 30, 32 des piezo- dung. Nach dieser Ausführungsform wird die Wickelektrischen Kristalls 24 wird so eine Potentialdiffe- lung 14 auf einen Schenkel 46 eines zweischenkligen renz erzeugt, die über die Leiter 34, 36 an die Zünd- Kernes 46, 47 in Form einer geschlossenen Schleife kerze 38 übertragen wird undp-möM3 aus positiv magnetostriktivem Material gewickelt, induziert. ⁵ Die beiden Schenkel 46, 47 sind parallel und an

Da mit der beschriebenen Anordnung die Span- einem Ende mit einem festen Träger 48 befestigt, der

nung im piezoelektrischen Kristall 24 durch eine ela- am gegenüberliegenden Ende gegen den piezoelektri-

stische Kompressionswelle erzeugt wird, hat der Kri- sehen Kristall 24 anliegt. Die gegenüberliegenden

stall eine potential längere Lebensdauer auf Grund Flächen 30, 32 des Kristalls 24 sind mit Leitern 34.

des Fehlens von mechanischen Stoßen, wie sie bei io 36 versehen, die an die Elektroden einer Zündkerze

bekannten piezoelektrischen Zündeinrichtungen auf- 38 angeschlossen sind.

treten, bei denen der piezoelektrische Kristall von Auch nach dieser Ausführungsform wird eine Stu-

einem Schlagelement getroffen wird. Darüber hinaus fenspannung an die Klemmen 13, 15 der Wicklung

wird der Augenblick der Funkenbildung an der 14 gelegt und erzeugt einen magnetischen Fluß im

Zündkerze 38 genau definiert, der von den genau de- 15 Kern 46, der dessen Längung hervorruft,

finierten elektrischen Charakteristiken der Schalt- Eine elastische Spannungswelle wird daher dem

kreiskomponenten abhängig ist. piezoelektrischem Kristall 24 erteilt. Die Dicke des

Fig.3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer piezoelektrischen Kristalls 24 zwischen den Flächen

Funkenerzeugereinrichtung nach der Erfindung. 30, 32 wird in diesem Fall geringer als die Wellen-

Nach dieser Ausführungsfonn wird die Wicklung 14 ao länge der elastischen Spannungswelle im Kristall ge-

auf einen hufeirenförmigen Eisenkern 40 aufgewik- wählt, so daß der gesamte Kristall zu irgend einem

kelt, der aus nicntmagnetostriktivem Material aufge- gegebenen Augenblick sich unter im wesentlichen

baut ist, dessen Polschuhe 42, 44 jedoch aus positiv den gleichen Spannungsbedingungen befindet. Der

magnetostriktiven Material bestehen. Zwischen den Kristall 24 wird also periodisch über seine gesamte

Polschuhen 42, 44 ist ein piezoelektrischer Kristall as Dicke Kompressionen derart unterworfen, daß eine

24 zwischengeschaltet, dessen gegenüberliegende hohe Zündspannung zwischen den Leitern 34, 36 in-

Parallelflächen 30, 32 in Kontakt mit den Polschu- duziert wird, was zu einer Funkenbildung an dei

hen 42, 44 kommen. Die Kristallflächen 30, 32 sind Zündkerze 38 führt.

auch über Leiter 34, 36 mit der Zündkerze 38 ver- Obwohl besonderer Bezug auf Zündanordiiunger

bunden. 30 für Brennkraftmaschinen genommen wurde, ist es

Wird die Wicklung 14 durch eine an die Klemmen selbstverständlich, daß die funkenerzeugende Ein-

13, 15 gelegte Stufenspannung, wie vorher beschrie- richtung nach der Erfindung auch anders angewendet

ben, erregt, so induziert der durch den Kern 40 werden kann, und zwar immer dort, wo eine Funken-

durch die magnetostriktiven Polschuhe 42, 44 ge- entladung zwischen zwei Elektroden einer Funken

führte magnetische. Fluß eine Längung dieser Schuhe 35 strecke erforderlich wird.

und komprimiert den piezoelektrischen Kristall 24 Abgesehen von den bevorzugten beschriebener

mit einer elastischen Komprcssionswelle. Es wird Ausführungsformen sind andere ähnliche praktische

also zwischen den Leitern 34, 36 eine Impulsspan- Verwirklichungsformen möglich, bei denen ein pie

nung erzeugt, die ausreicht, um einen Funken an der zoelektrischer Kristall einer durch magnetosiriktivc

Zündkerze 38 zu erzeugen. 40 Einrichtungen erzeugten Kompressionsweiie ausge

Fig.4 zeigt noch eine weitere Ausführungsform setzt wird. Alle diese Ausiührungsformen sind als zui

einer Funkenerzeugereinrichtung nach der Erfin- Erfindung gehörig zu betrachten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (7)

1 2 ... teilweise aus magnetostriktivem Material besteht, wo- Patentanspruche: ^. nm den Träger umgebende wicklung so elek-

1. Elektromagrj.etostriktive-piezoelektrische trisch erregt wird, daß ein magnetischer Fluß im ma-Funkenzündeinrichtung, insbesondere für Brenn- gnetostriktiven Material in dem an den Enden des kraftmaschinen, mit einem Träger für den piezo- 5 piezoelektrischen Kristalls angeschlossenen Elektroelektrischen Kristall, der wenigstens teilweise aus denpaar eine Funkenspannung erzeugt,
magnetostriktivem Material besteht, wobei eine Bekannte Funkenerzeugereinrichtungen für Brennden Träger umgebende Wicklung so elektrisch er- kraftmaschinen erzeugen einen Funken zwischen regt wird, daß ein magnetischer Fluß im magne- zwei Elektroden einer Funkenstrecke, indem eine tostriktiven Material in dem an den Enden des io Stufenspannung an die Primärwicklung eines hinaufpiezoelektrischen Kristalls angeschlossenen Elek- transformierenden Transformators gelegt wird, destrodenpaar eine Funkenspannung erzeugt, da- sen Windungsverhältnis derart ist, daß über die mit durch gekennzeichnet, daß die magne- der Funkenstrecke verbundene Sekundärwicklung tostriktive Wicklung von einer Zünd-Impulsspan- eine ausreichende Spannung, um eine Funkenausbilnung beaufschlagt wird und die Elektroden des 15 dur.g über die Funkenstrecke oder den Spalt hervorpiezoelektrischen Kristalls unmittelbai mit den zurufen, erzeugt wird. Der Hauptnachteil der be-Zündelektroden verbunden sind. kannten Einrichtungen besteht darin, daß die Span-

2. Funkenzündeinrichtung nach Anspruch 1, nung an der Primärwicklung gewöhnlich sehr niedrig dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsspan- ist und somit ein Transformator mit hohem Winnung aus einer an sich bekannten thyristorgesteu- ao dungsverhältnis notwendig wird, um eine adäquate erten Kondensatorzündeinrichtung gewonn-η Spannung an der Sekundärseite zu induzieren; dieses wird. hohe Wicklungsverhältnis bedingt notwendigerweise

3. Funkenzündeinrichtung nach Anspruch 1 eine hohe Induktanz, ein erhebliches Gewicht und und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger einen hohen Platzbedarf sowie hohe Produktionskofür den piezoelektrischen Kristall einen toroidför- 35 sten.

migen Kern (22) aus negativ magnetostriktivem Andererseits ist ein piezoelektrischer Hochspan-Material, auf den die elektrische Wicklung (14) nungserzeuger entwickelt worden (Funktechnik, gewickelt ist, aufweist, daß der piezoelektrische 1968, Nr. 8, Band 23, S. 260), der dazu bestimmt Kristall (24) diametral zum Kern (22) angeordnet sein soll, die Hochspannungsversorgung eines Fernist und gegen den letzteren mittels Trägerelemen- 30 sehempfängers zu übernehmen. Bei diesem soll der ten (26, 28) im wesentlichen von einer Härte Piezokristall durch aus dem 220-Volt-Lichtnetz gleich der des Kristalls anliegt. abgeleitete Impulse angestoßen werden und dann me-

4. Funkenzündeinrichtung nach Anspruch 1 chanisch in seiner Resonanzfrequenz anschwingen,
und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger Auch hier besteht auf Grund der hohen Belastunfür den piezoelektrischen Kristall (24) einen huf- 35 gen die Gefahr einer leichten Beschädigung des pieeisenförmigen, die elektrische Wicklung (14) tra- zoelektrischen Kristalls; andererseits werden zur genden Kern (40) aufweist und Polschuhe (42, Durchführung der bekannten Maßnahme relativ 44) positiv magnetostriktiven Materials trägt, wo- hohe Spannungen notwendig, die beispielsweise im bei der piezoelektrische Kristall zwischen den Zündsystem für ein Kraftfahrzeug nicht zur Vcrfü-Polschuhen angeordnet ist. 40 gung stehen.

5. Funkenzündeinrichtung nach Anspruch 1 Auch sind funkenerzeugende Einrichtungen be- und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger kannt, die einen über eine Funkenstrecke verbundefür den piezoelektrischen Kristall (24) ein Kern nen Kristall sowie einen Schlagarm umfassen, der so mit geschlossener Schleife (46, 47) aus positiv angeordnet ist, daß er auf den Kristall schlägt, oder magnetostriktivem Material mit zwei Schenkeln 45 alternativ sind irgendwelche anderen Perkussions-(46, 47) ist, von denen einer die elektrische oder Kompressionseinrichtungen vorgesehen, die me-Wicklung (14) trägt, wobei dieser Kern an einem chanisch betätigbar und mit dem Kristall in Eingriff Ende an einen festen Träger (48) befestigt ist und bringbar sind. Die so im Kristall erzeugten Stoßwelam anderen Ende gegen den piezoelektrischen len sind derart, daß eine hohe Spannung über dem Kristall anliegt. 50 Kristall erzeugt und diese Spannung ausgenutzt wird,

6. Funkenzündeinrichtung nach Anspruch 5, um einen Funken über die Funkenstrecke zu erzeudadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des pie- gen.

zoelektrischen Kristalls (24) wesentlich geringer Solche bekannte piezoelektrischen Einrichtungen

als die Wellenlänge der elastischen Spannung haben aber auch Nachteile, wobei der Hauptnachteil

bzw. der elastischen Beanspruchung ist, welche in 55 darin zu sehen ist, daß der piezoelektrische Kristall

den Kristall durch den magnetostriktiven Kern schnell unter mechanischen Beanspruchungen, denen

beim Betrieb der Vorrichtung induziert wird. er im Betrieb ausgesetzt wird, beschädigt wird. Ein

7. Funkenzündeinrichtung nach einem der vor- anderer Nachteil ist darin zu sehen, daß solche Einhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- richtungen mit mechanischen Elementen, wie Unternet, daß die Funkenstrecke durch eine Zündkerze 60 brechern, Hebeln und Nocken mit folglicher Ungemeiner Brennkraftmaschine gebildet ist. nauigkeit in dem Takt der Funkenerzeugung auf

Grund von Trägheit und Spiel dieser mechanischen

Einrichtung arbeiten.

Diese Nachteile sind besonders ernst bei einer