DE2637102A1 - Kondensator-zuendeinrichtung fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Kondensator-zuendeinrichtung fuer brennkraftmaschinen

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DE2637102A1 DE19762637102 DE2637102A DE2637102A1 DE 2637102 A1 DE2637102 A1 DE 2637102A1 DE 19762637102 DE19762637102 DE 19762637102 DE 2637102 A DE2637102 A DE 2637102A DE 2637102 A1 DE2637102 A1 DE 2637102A1
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Description

SEMIKRON
Gesellschaft für Gleichrichterbau und Elektronik m.b.H.
8500 Nürnberg, Wiesentalstraße 40
Telefon 0911 /37781 - Telex 06 - 22155
16. August 1976
PA - Bu/wl
K 27602
KONDENSATOR-ZÜNDEINRICHTUNG FÜR BRENNKRAFTMASCHINEN
Die Erfindung betrifft eine Kondensator-Zündeinrichtung für
Brennkraftmaschinen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 1.
Mit derartigen Zündeinrichtungen mit kapazitiver Energiespeicherung ist, teilweise unabhängig von der Stellung des Unterbrecherkontakts, stets die volle Zündspannung bei hoher Anstiegsgeschwindigkeit erzielbar und können durch entsprechende Wahl des Kondensators
auch hohe Spitzenstromstärken erzeugt werden. Dadurch werden in allen Fällen energiereiche Zündfunken zwischen den Elektroden der Zündkerzen gebildet· Aufgrund des Aufbaus bekannter Systeme wird jedoch
die Zündenergie aus dem Speicherkondensator größtenteils zur Ausbildung des sogenannten ZUndfunkenkopfes, d.h. zur Einleitung der Ionisierung der Zündfunkenstrecke, entnommen, so daß nicht immer gewährleistet ist, daß auch für die im Anschluß an die Ionisierung zur
entsprechenden Standzeit des Zündfunkens notwendige sogenannte Nachentladung, die ebenfalls energiereich sein soll, ausreichend Energie aus dem Speicherkondensator zur Verfügung steht. Aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Kondensatorentladung werden somit
Einrichtungen, bei welchen die gesamte Zündenergie von einem Speicherkondensator geliefert wird, nicht allen Anforderungen beim Einsatz
gerecht.
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it
Es sind Kondensator-Zündeinrichtungen bekannt, bei denen zur Aufladung des Speicherkondensators durch jeweils einen Ladeimpuls die Primärspule des zwischen Steuerkreis und Zündkreis geschalteten Übertragers über ein Halbleiter-Schaltbauelement mit der Batterie im Zündfolgetakt verbunden ist ( Elektronik 1968, Heft 8, Seite 239 ). Dadurch ist jeder Aufladevorgang von der Speisespannung abhängig, so daß bei niedriger Batteriespannung kein optimales Zündverhalten gewährleistet ist.
Weiter sind Zündeinrichtungen der eingangs erwähnten Art bekannt, bei denen zwar der Speicherkondensator batteriespannungsunabhängig aufgeladen wird, jedoch nicht immer ausreichend Zündenergie für die Nachentladung zur Verfugung steht ( Elektronik 1966, Heft 7, Seite 201 ff ).
Zur Vermeidung dieses Nachteils ist eine Zündeinrichtung bekannt geworden, bei welcher die Energie des Speicherkondensators zur Ionisierung der Zündfunkenstrecke dienen soll und die Energie zur Nachentladung unmittelbar der Batterie entnommen wird ( Elektronik 1976, Heft 1 Seite 61 ff ). Bei dieser Schaltung ist die Dauer der Energielieferung aus der Batterie mit der Schaltzeit einer Kippstufe des Steuerkreises und mit der Magnetisierung des Sperrwandlers der Schaltung gekoppelt, wodurch nicht in allen Fällen ausreichende Standzeit des Zündfunkens gewährleistet ist. Weiterhin wird der Speicherkondensator jeweils mit nur einem Ladeimpuls aufgeladen, so daß eine den Einsatzbedingungen entsprechende Optimierung der Zündenergiemenge fraglich erscheint.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kondensator-Zündeinrichtung zu schaffen, die hinsichtlich verfügbarer Zündenergie während der Standzeit des Zündfunkens allen Anforderungen, auch bei extremen Betriebsbedingungen, gerecht wird.
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Die Lösung der Aufgabe besteht in den Merkmalen gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1.
Anhand der Darstellungen in den Figuren 1 bis 3 wird der Gegenstand der Erfindung aufgezeigt und erläutert. Figur 1 zeigt das Blockschaltbild, Figur 2 den Spannungsverlauf an einem der Speicherkondensatoren und Figur 3 ein Schaltungsbeispiel der Zündeinrichtung.
Gemäß Figur 1 lädt der an sich bekannte Gleichspannungswandler W, für den bevorzugt ein Sperrwandler vorgesehen ist, die Speicherkondensatoren C., Cp auf, während der Thyristor gesperrt und der Unterbrecherkontakt geschlossen ist. Die Aufladung der Speicherkondensatoren erfolgt mit Hilfe eines einen Schmitt-Trigger aufweisenden Regelkreises RK, der die Funktion des Wandlers W regelt, mit einer Frequenz unabhängig von dem durch Öffnen und Schließen des Unterbrecherkontaktes bestimmten Zyklus des Energieflusses. Wenn die Speicherkondensatoren C, und C~ aufgeladen sind, schaltet der Regelkreis RK den Wandler W ab. Die Schwingfrequenz des Wandlers W,d.h. die Frequenz der Ladeimpulse für die Speicherkondensatoren,kann bedarfsweise höher sein als die Zündfolgefrequenz und wird durch entsprechende Bemessung des Regelkreises vorgegeben. Dadurch ist auch bei hohen Drehzahlen immer die volle Aufladung der Speicherkondensatoren und stets die gleiche Zündenergiemenge gewährleistet. Der Kondensator C1 ist zur Speicherung der Energie für die Ausbildung des Funkenkopfes, d,h. für die Ionisierung der Funkenstrecke, bestimmt und bemessen und weist nach der Aufladung eine Spannung auf, die nach dem Durchschalten des Thyristors mit Sicherheit die erforderliche Zündspannung an der Zündkerze erzeugt. Die Diode D„ verhindert eine Energieumsetzung vom ersten Speicherkondensator (C-) zum zweiten (C«). Weiterhin dient sie dazu, nach dem Entladen des Kondensators C,, bei niedrigem Potential am Thyristor, die Energie aus
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dem Speicherkondensator C„ zur Nachentladung,d.h. zur erforderlichen Standzeit des Zündfunkens, freizugeben.
Nach einer Verzögerungszeit im Anschluß an die Entladung der Kondensatoren C1 und C_ schaltet der Regelkreis RK den Wandler W wieder ein. Da der Thyristor bei Verringerung seines Durchlaßstromes unter den Haltestrom sperrt, und da·'außerdem durch verzögerte Ansteuerung des Wandlers W nicht sofort nach Entladung der Speicherkondensatoren neue Energie erzeugt wird und nachfließen kann, erlischt der Zündfunken schaltungsbedingt, so daß ein durch Abreißen desselben beim Verdrehen des Zündverteilers entstehender, unerwünschter Verschleiß von Bauteilen verhindert wird. Die Ausschaltzeit des Wandlers W setzt sich demnach aus der Entladezeit der Speicherkondensatoren C., C„, die der Standzeit des Zündfunkens für Funkenkopf und Nachentladung entspricht, und aus der Einschaltverzugszeit zusammen.
Die Zündung des Thyristors im Durchschaltkreis DS erfolgt in an sich bekannter Weise mithilfe einer Kondensatorentladung und eines dadurch erzielten Impulses eines Zündübertragers. Nach dem Durchschalten des Thyristors wird die Stromflußzeit lediglich durch die Zeitdauer bestimmt, in welcher der Entladestrom des Kondensators C1 und anschließend derjenige des Kondensators C~ höher als der Haltestrom des Thyristors ist. Wird der Haltestrom bei Entladung des Kondensators C„ unterschritten, so sperrt der Thyristor wieder. Ein geringer Teil der gespeicherten Energie bleibt daher in den Kondensatoren C1 und C„ zurück.
In Figur 1 ist weiterhin noch eine Umschalteinrichtung S auf normale Spulenzündung dargestellt. Bei entsprechender Stellung von S wird die Zündspule bei geschlossenem Unterbrecherkontakt direkt von der Batterie
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gespeist, und bei öffnen des Unterbrecherkontakts entsteht durch den
Ladestoß des Kondensators in an sich bekannter Weise der Zündimpuls
in der Zündspule.
In Figur 2 ist der Verlauf der Spannung am Speicherkondensator C,
während des Ladevorgangs und während der Energiespeicherung dargestellt. Der Regelkreis RK schaltet den Wandler W ab, wenn am Kondensator C-,
die für das Abschaltsignal vorgegebene Spannung erreicht ist. Aufgrund der zu Figur 3 erläuterten Vorschriften über die Bemessung der Speicherkondensatoren C-, C1. ist aber dann auch am Kondensator C1 eine für die Ausbildung des Zündfunkens ausreichende Speicherspannung erreicht. Um eine Aufladung speziell des Kondensators C1 auf unzulässige Spannungswerte und dadurch mit Hilfe der Induktivitäten der Schaltung die Ausbildung eines Schwingkreises mit unerwünschten Hochfrequenzerscheinungen zu vermeiden - insbesondere wenn lediglich die Zündung eingeschaltet ist - ist zwecks Teilentladung der Entladewiderstand R1 vorgesehen. Für den Kondensator C« dient der Kopplungswiderstand R~ gleichzeitig
als Entladewiderstand. Demzufolge kann entsprechend dem Verlauf der
Erstaufladung im Punkt, b eine erste Nachladung erfolgen und dann weitere, bis das Durchschalten zum Entladen des Kondensators C1 im· Punkt e einsetzt. Nach der Einschaltverzugszeit beginnt dieser aus Teilladungsvorgängen bestehende Zyklus erneut.
In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel für die Zündschaltung gemäß der Erfindung dargestellt. Mit Z ist der an sich bekannte Schaltkreis einer üblichen SpulenzUndung bezeichnet.
Dieser Zündkreis Z, bestehend aus Zündspule, Unterbrecherkontakt und Kondensator C , ist über das Zündschloß ZS an die Batterie angeschlossen.
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Der Schalter S ermöglicht die Umschaltung von Kondensatorzündung auf konventionelle Spulenzündung. Der Durchschaltkreis DS, der als elektronischer Schalter gelten kann, gibt in einem durch den Takt der Funktion des Unterbrecherkontakts bestimmten Rhythmus die in den Speicherkondensatoren C,, C« gespeicherte Energie für die Zündspule frei. Schaltungsbauteil für die Freigabe der Zündenergie ist ein Thyristor Th, dessen Steuerelektrode mit Zündimpulsen aus dem Übertrager Tr« beaufschlagt wird. Bei geschlossenem Unterbrecherkontakt fließt aus der Batterie Strom über die Widerstände Rco und RC1 nach Erde. Die-
OZ. Ol
se sind so bemessen, daß der Transistor Τς gesperrt ist. Gleichzeitig wird der Kondensator Cc aufgeladen. Öffnet der Unterbrecherkontakt, so schaltet aufgrund anderer Spannungsteilung im Basiskreis des Transistors T1. und eines dadurch fließenden Basisstromes über den Widerstand ο
Rp.- der Transistor durch und bringt den Kondensator C_ zur Entladung, wodurch im Übertrager Tr„ ein Impuls für den Thyristor Th erzeugt wird. Der Durchschaltkreis DS ist nicht Gegenstand der Erfindung und kann in anderer, an sich bekannter Weise aufgebaut sein.
Zur geregelten und dem Takt der Funktion des Unterbrecherkontakts entsprechenden Erzeugung der Zündenergie in den Speicherkondensatoren C, und C0 dient der Sperrwandler W mit dem Regelkreis RK.
Der Regelkreis RK besteht aus einem modifizierten Schmitt-Trigger mit den Transistoren" T0 und T„, einem Reihen-RC-Glied (Ro, Co) sowie einem Schalttransistor T,. Zur Gewährleistung einer stabilisierten Speisespannung für den Regelkreis RK dienen ein Feldeffekttransistor TK als Konstantstromquelle und eine ZenerdiodeZD. Die Triggerung des Sperrwandlers W erfolgt stets mit gleichen Betriebswerten.
Im entladenen Zustand der Speicherkondensatoren C,, C„ fließt zunächst
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- r-
kein ausreichender Basisstrom durch den Kopplungswiderstand R0 des Wandlers W für den Regelkreis RK, und der Eingangstransistor T„ ist, da der Basiswiderstand R00 an Erde liegt, gesperrt. Gleichzeitig ist der Ausgangstransistor T0 leitend, weil über die Widerstände R0,, R00 und R ein Basisstrom fließen kann. Der Kollektor des Transistors T0 liegt an sehr niedrigem Potential, - der Widerstand R bildet einen Spannungsabfall von beispielsweise etwa 0,3 Volt - so daß der Basisstrom durch den Schalttransistor T. nicht ausreicht, um den letzteren durchzuschalten. Dieser ist daher gesperrt, und der Wandler W kann zur Erzeugung der Zündenergie schwingen.
Wird der Speicherkondensator C0 aufgeladen, so wird bei Erreichen eines bestimmten Spannungsabfalls am Widerstand R_ durch einen entsprechenden Basisstrom der Transistor T0 leitend und schließt den Basiskreis des
Transistors T0 kurz. Wird T0 aber gesperrt, so kann über die Widerstände R0- und R__ ein Basisstrom durch den Schalttransistor T. fließen, wodurch der Transistor T, des Wandlers W gesperrt wird und letzterer aufhört zu schwingen.
Durch Entladung der Speicherkondensatoren C1, C0 wird der Eingangstransistor T0 des Regelkreises gesperrt, und der Ladetakt beginnt von neuem. Dabei fließt zunächst über den Widerstand R01 ein Ladestrom in den Kondensator C-, der über die Widerstände R0. und Ru nach einer Zeitkonstanten aufgeladen wird, die das Durchschalten des Transistors T« und damit das Abschalten des Transistors J. verzögert. Gerade diese erfindungsgemäß durch die Reihenschaltung des Kondensators Cß und der Widerstände R0. und R_ gebildete Zeitkonstante stellt aber die vorgesehene Einschaltverzugszeit dar, welche verhindert, daß der Wandler W zu früh anschwingen und unerwünscht Zündenergie zum Ende der Standzeit des Zündfunkens nachliefern kann.
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Wenn nach Aufladung des Kondensators Cn die Potentialverhältnisse einen Basisstrom durch den Transistor T9 über den Widerstand R_9 ermöglichen, wird T9 leitend. Infolgedessen sperrt der Transistor T, und damit wird der Wandler W elektrisch vom Regelkreis RK getrennt.
Aus der Einschaltverzugszeit sowie aus der Wahl der Transistoren T9 bis T. sind die Widerstände des Regelkreises RK bestimmbar.
Es kann davon ausgegangen werden, daß der Transistor T. einen Basisstrom des Transistors T1 von höchstens 1 A "schalten" muß. Beträgt zum Beispiel dieser Basisstrom 500 mA und die Stromverstärkung ß50, so würde sich für den Transistor T. ein Basisstrom von 1OmA ergeben. Daraus ist bei einer durch die Zenerdiode ZD stabilisierten Spannung von z.B. 4,7 Volt und bei symmetrischer Bemessung des Triggers sowie bei entsprechend gewähltem Transistor T9 die Dimensionierung der Widerstände R_- und R99 möglich. Weiter ist, wenn der Basisstrom für den Transistor T. bekannt ist, auch der Kollektorstrom durch den Transistor T9 gegeben. Bei etwa gleichen Widerständen R91 und R„9 und den genannten Größenangaben führt der Transistor T2 einen Kollektorstrom von ca. 2OmA und der Transistor T« ist entsprechend gewählt.
Aus den Kenndaten der Transistoren T2 und T„ und aus der Vorgabe der Speisespannung sind dann aber auch die Widerstände R^1/ R«™ und R_9 zu bemessen.
Die Einschaltverzugszeit kann aus der Zündfolge bei einem mit hoher Drehzahl beanspruchten Motor, die beispielsweise 5 msec beträgt, sowie aus der Standzeit des Zündfunkens, die etwa 1,5 msec betragen kann, vorgegeben werden und sei beispielsweise 0,5 msec.Daraus kann schließlich nach Ermittlung des Widerstandes R^1 die Kapazität des Kondensators Cu bestimmt werden.
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Bei den ^angenommenen Zeiten würde die verfügbare Zeit zur Aufladung der Speicherkondensatoren maximal 3 msec betragen.
Wie aus der voraufgehenden Funktionsbeschreibung zu erkennen ist, erfolgt die Entladung der Speicherkondensatoren zur Bildung des Zündfunkens im Takt der Zündfolge. Der Auf- und Abbau des Feldes im Transformator des Wandlers W, d.h. das Schwingen desselben, und damit die Frequenz der Aufladung der Speicherkondensatoren wird jedoch durch den Entladewiderstand R1, durch die Transistorschaltung T0, T_ des Regel-
1 L- O
kreises RK und durch den Spannungsteiler R0 - R„_ im Basiskreis des Eingangstransistors T_ bestimmt und kann daher unabhängig vom Zyklus der Zündung erfolgen. Während der durch die Zündfolgefrequenz'gegebenen Ladezeit für die Speicherkondensatoren ist, wie aus der Darstellung in Figur 2 zu erkennen ist, eine mehrfache Aufladung der Kondensatoren, auch unter extremen Betriebsbedingungen,möglich.
Der Wandler W besteht aus einer an sich bekannten sogenannten Eintaktschaltung mit Transformator Tr und Transistor T1, womit erfindungsgemäß die Kondensatoren C1, C0 zur Speicherung der Zündenergie aufgeladen werden. Bei der Eintaktschaltung dient zunächst der Transformator als Energiespeicher für magnetische Energie, in dem ein Magnetfeld im Wechsel auf- und wieder abgebaut wird. Während der sogenannten "Sperrphase", d.h. in dem Zeitintervall des Feldabbaus, werden die Kondensatoren aufgeladen. Zu diesem Zweck sind die Gleichrichter D1 und D0 vorgesehen. Die Eintaktschaltung ist so ausgelegt, daß der Speicherkondensator C. auf eine Spannung entsprechend einem Übersetzungsverhältnis der Zündspule zur Erzielung einer Durchbruchsspannung zur Ionisierung der Funkenstrecke von etwa 15 bis 30 kV und der Kondensator C9 auf eine Spannung zur Erzielung einer Nachentladungsspannung von etwa 0,5 bis 2 kV aufgeladen
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werden. Beispielsweise kann der Kondensator C1 eine Spannung von 300 bis 400 Volt und der Kondensator C„ eine solche von etwa 100 Volt aufweisen.
Zur Bemessung der Entladewiderstände R.. und R_ soll die Vorschrift gelten, daß im wesentlichen die Zeitkonstanten der beiden RC-Glieder übereinstimmen. Zusätzlich ist für die Dimensionierung des Widerstandes R9, der mit dem Widerstand R__ den Basisspannungsteiler für den Eingangs-
transistor Tn des Regelkreises bildet, zu beachten, daß der durch den ο
Basisstrom von T_ bewirkte Spannungsabfall die Potentialverhältnisse im Speicherkreis des Kondensators C„ nicht beeinträchtigen darf. Bei der Wahl des Transistors T„ gemäß den voraufgehenden Bemessungsangaben kann der Widerstand R„ beispielsweise in der Größenordnung von 100 Κ-Π-liegen.
Die Kapazität der Speicherkondensatoren C. und C„ ist unkritisch. Sie wird im wesentlichen durch die Forderung bestimmt, daß der Energieinhalt der beiden Kondensatoren bei niedrigen Drehzahlen wenigstens gleich demjenigen der Zündspule bei konventioneller Spulenzündung ist.
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Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    1J Kondensator-Zündeinrichtung für Brennkraftmaschinen mit einem Gleichspannungswandler und einem mit diesem gekoppelten Regelkreis, zur zyklischen Kondensatoraufladung, mit einem Durchschaltkreis zur zündfolgeabhängigen Kondensatorentladung und mit einem Zündkreis zur Erzeugung der Zündspannung, dadurch gekennzeichnet,
    daß mit dem Gleichspannungswandler (W) ein erster Speicherkondensator (C1) im wesentlichen zur Speicherung der zur Ionisierung der Zündfunkenstrecke erforderlichen Zündenergie und ein zweiter Speicherkondensator (C~) im wesentlichen zur Speicherung der zur Gewährleistung der Standzeit des Zündfunkens erforderlichen Zündenergie verbunden ist,
    daß zur geregelten Funktion des Gleichspannungswandlers (W) ein Regelkreis (RK) vorgesehen ist, der ein Reihen-RC-Glied zum verzögerten Einschalten des Wandlers nach der Kondensatorentladung aufweist, und
    daß die Schaltungsteile zur Kondensatoraufladung so bemessen sind, daß die Frequenz der Aufladung unabhängig von der Zündfolgefrequenz des Unterbrecherkontakts ist.
  2. 2. Kondensator-Zündeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis RK) aus einer als Schmitt-Trigger bekannten Transistorschaltung (Τ^,Τ«) und einem Schalttransistor(T.) besteht ,und daß zur Erzeugung einer stabilisierten Speisespannung für den Regelkreis (RK) ein Konstantstrom-Schaltbauteil und ein Spannungsstabilisierungsbauteil vorgesehen sind.
    8C'!°08/0
    ORiGiNAL INSPECTED
  3. 3. Kondensator-Zündeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Konstantstrom-Schaltbauteil ein Feldeffekttransistor verwendet ist.
  4. 4. Kondensator-Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistorschaltung (T0, T0 ) des Regelkreises (RK) parallel zur Kollektor-Emitterstrecke des Eingangstransistors
    (T-) ein Reihen-RC-Glied (Rn,,Co, Ro) aufweist, ο öl
  5. 5. Kondensator-Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu jedem Speicherkondensator ein ohmischer Widerstand (R-, R„) vorgesehen ist, und daß die Speicherkondensatoren und die Widerstände jeweils so bemessen sind, daß die durch die einander schaltungstechnisch zugeordneten Bauteile Kondensator und Widerstand bestimmten Zeitkonstanten wenigstens annähernd gleich sind.
  6. 6. Kondensator-Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichspannungswandler eine Schaltung verwendet ist, bei der ein Transformator und ein Transistor in sogenannter Eintaktschaltung beschrieben werden und die Kondensatoraufladung nur während der Sperrzeit des Transistors erfolgt.
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