DE2639794A1

DE2639794A1 - Zuendschaltung mit kapazitiver entladung

Info

Publication number: DE2639794A1
Application number: DE19762639794
Authority: DE
Inventors: Suetaroo Shibusawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-09-05
Filing date: 1976-09-03
Publication date: 1977-03-17
Also published as: US4108131A; JPS5231237A; DE2639794B2

Description

PATENTANWÄLTE
SCHIFF ν.. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBfIWFtAUS'¹'

MARIAHILFPLATZ 2 A 3, MDNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 OI 6O, D-8OOO MÖNCHEN 95

Hitachi, Ltd.

DA-12244 3. September 1976

Zündschaltung mit kapazitiver Entladung

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit kapazitiver Entladung arbeitende Zündschaltung für eine Brennkraftmaschine und betrifft insbesondere eine Steuerschaltung zur Ansteuerung oder Zündung eines Thyristors für eine derartige Zündschaltung.

' Es sind viele Typen von Zündschaltungen zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen für die Zündung des brennbaren Luft-Kraftstoff-Gemisches in den "Zylindern einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen worden. Ein Beispiel verschiedener Zündschaltungen, die mit einem Speicherkondensator -arbeiten, ist in der USA-Patentschrift 3 851 636 offenbart. In dieser Zündschaltung wird der Kondensator während des positiven Halbzyklus des von einer magnetelektrischen Maschine erzeugten Wechselstroms geladen und über einen Thyristor, der zu einem bestimmten Zeitpunkt während des negativen Halbzyklus gezündet oder angesteuert wird, ent-. laden. Bei der bekannten Zündschaltung muß ein weiterer "thyristor vorgesehen werden, um die Zündung beziehungsweise Ansteuerung desjenigen Thyristors, über den der Speicherkondensator entladen wird, zu steuern. Thyristoren sind generell im Vergleich mit Dioden sehr teuer. Daher ist es zweckmäßig, die Anzahl an erforderlichen Thyristoren so klein wie möglich zu halten.

ORIGiMAL INSPECTED

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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, eine verbesserte, mit kapazitiver Entladung arbeitende Zündschaltung für Brennkraftmaschinen zu schaffen, die mit einem einzigen Thyristor auskommt.

Zur Lösung dieser Aufgabe umfaßt die erfindungsgemäße Zündschaltung mit kapazitiver Entladung eine magnetelektrische Maschine, die mit der Brennkraftmaschine funktionsmäßig verbunden ist, ferner einen Zündtransformator mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung, einen Speicherkondensator, der während des ersten Halbzyklus der von der magnetelektrischen Maschine abgegebenen Spannung aufgeladen wird, einen Thyristor, der in Verbindung mit der Primärwicklung des Zündtransformators einen Entladekreis für den Speicherkondensator bildet, eine Widerstandseinrichtung, an der die Spannung während des zweiten Halbzyklus auftritt, wobei diese Spannung der Steuerelektrode des Thyristors zugeführt wird, sowie eine Einrichtung, die die Spannung an der Steuerelektrode unwirksam macht, sobald der Thyristor gezündet hat. Die Spannung an der Steuerelektrode wird dabei über eine mit dem Thyristor verbundene Diode und den Thyristor selbst geerdet.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild für ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zündschaltung;

Fig. 2a bis 2c Impulsdiagramme von Signalen, wie sie an verschiedenen Punkten der Zündschaltung nach Fig. 1 auftreten;

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels, das mit einer andersartigen magnetelektrischen Maschine arbeitet; Fig. 4a bis 4c Impulsdiagramme für Signale, wie sie an verschiedenen Punkten in der Zündschaltung nach Fig. 3 auftreten;

Fig. 5 Impulsdiagramme der Ausgangsspannung, wie sie an den Ausgangsklemmen der in der Schaltung

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nach Fig. 3 verwendeten magnetelektrischen Maschine auftritt;

Fig. 6 die Zündpunkt-Kennlinie des Thyristors in der Zündschaltung nach Fig. 3;

Fig. 7 ein schematisches Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels, das mit einer wieder anderen magnet elektrischen Maschine arbeitet; und

Fig. 8 die Zündpunkt-Kennlinie des Thyristors in der Zündschaltung nach Fig. 7.

In dem in Fig. 1 gezeigten schematischen Schaltbild umfaßt eine magnetelektrische Maschine 10 (nicht gezeigte) magnetische Polstücke, die am Rotor oder an einem Schwungrad einer Brennkraftmaschine montiert sind. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel arbeitet die Brennkraftmaschine mit vorgegebener konstanter Drehzahl, wie dies etwa bei Motoren für Rasenmäher der Fall ist. Die Windungszahl einer Wicklung 11 der magnetelektrischen Maschine 10 ist so gewählt, daß bei der vorgegebenen konstanten Drehzahl der Brennkraftmaschine die magnetelektrische Maschine 10 eine bestimmte Ausgangsspannung erzeugt.

Die eine Ausgangsklemme 15 der magnetelektrischen Maschine 10 ist mit der Kathode einer Diode 21 und der Anode einer weiteren Diode 20 verbunden, während die andere Ausgangsklemme 16 mit der Kathode einer Diode 22 und der Anode einer Diode 30 verbunden ist. Die Dioden 21 und 22 sind anodenseitig geerdet und kathodenseitig über die Dioden 20 bzw. 30 mit der einen Seite eines Speicherkondensators 50 verbunden. Die andere Seite des Kondensators 50 ist über die Primärwicklung 61 eines Zündtransformators 60 geerdet, der an seiner Sekundärwicklung 62 einen Hochspannungsimpuls erzeugt, wenn die Primärwicklung 61 von dem Entladungsstrom durchsetzt wird. Der Hochspannungsimpuls an der Sekundärwicklung 62 erzeugt zwischen den Elektroden einer Zündkerze 70 einen Zündfunken, der das brennbare Luft-Kraftstoff-Gemisch innnerhalb des (nicht gezeigten) Zylinders einer Brennkraftmaschine zündet. Zwischen die eine Seite des Speicherkondensators 50 und Erde ist ein großer Widerstand

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51 von etwa 3Mn eingeschaltet. Die von dem Kondensator und dem Widerstand 51 "bestimmte Zeitkonstante ist so groß eingestellt, daß die Ladespannung für den Kondensator während des Betriebs der Brennkraftmaschine nicht durch Entladung über diesen Widerstand beeinträchtigt wird. Steht die Brennkraftmaschine, so entlädt sich der Kondensator 50 gemäß der Zeitkonstante allmählich über den Widerstand 51.

Ein Thyristor 40 ist mit seiner Anode an den Speicherkondensator 50 angeschlossen und mit seiner Kathode geerdet. Zwischen Erde und die Anode des Thyristors 40 ist ferner ein Hochfrequenz-Nebenschluß eingeschaltet, der einen Widerstand 41 und einen Kondensator 42 umfaßt. Der Thyristor neigt dazu, durch an seiner Anode auftretende Hochfrequenzspannungen eingeschaltet zu werden. Dieser Nachteil wird durch die Funktion des Hochfrequenz-Nebenschlusses beseitigt. Hochfrequenzspannungen, die durch elektrische Wellen aus der Umgebung induziert werden, werden nämlich über den Hochfrequenz-Nebenschluß abgeleitet.

Die andere Ausgangsklemme 16 der magnetelektrischen Maschine 10 ist über einen Widerstand 31 mit der Steuerelektrode des Thyristors 40 verbunden. Zwischen Erde und die Steuerelektrode des Thyristors 40 ist ferner eine Widerstandseinrichtung eingeschaltet, die aus einer Serienschaltung eines Heißleiters 32 und eines Widerstands 33 besteht. Der Heißleiter 32 dient dazu, Änderungen in der Steuerspannung zum Einschalten des Thyristors 40 infolge von Änderungen in der Umgebungstemperatur zu kompensieren.

Beim Betrieb der oben beschriebenen Zündschaltung erzeugt die magnetelektrische Maschine 10 an den Ausgangsklemmen 15 und 16 die in Fig. 2a und 2c gezeigten Ausgangsspannungen V15 und V16. Während der Periode zwischen dem in Fig. 2 ersten Zeitpunkt TO und dem Zeitpunkt T1 fließt, durch die Diode 22, die Wicklung 11 der magnetelektrischen Maschine 10, die Diode 20, den Speicherkondensator 50 und die Primärwicklung 61 des Zündtransformators 60 ein Strom, der den Kondensator 50 auflädt. Das Impulsdiagramm der an dem Kondensator 50 sich aufbauenden Spannung V50 ist in Fig. 2b gezeigt. Während der gleichen Periode fließt kein Strom durch den Widerstand 31, den Heißleiter 32 und den

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Widerstand 33» und gleichzeitig verhindert die Diode 30, daß Strom von der einen Ausgangsklemme 15 zur anderen Ausgangsklemme 16 der magnetelektrischen Maschine 10 fließt. Die Spannung an der den Heißleiter 32 und den Widerstand 33 umfassenden Widerstandseinrichtung steigt nicht so weit an an, daß sie den Thyristor 40 einschalten würde; daher fließt auch durch den Thyristor 40 kein Strom. Der während dieser Periode die Primärwicklung 61 des Zündtransformators 60 durchsetzende geringe Strom erzeugt in der Sekundärwicklung 62 eine geringe Spannung. Wie in Fig. 2b gezeigt, nimmt jedoch die Spannung V50 am Kondensator 50 während dieser Periode allmählich zu, so daß die in der Sekundärwicklung 62 des Zündtransformators 60 erzeugte Spannung nicht ausreicht, zwischen den Elektroden der Zündkerze 70 einen Zündfunken zu erzeugen. Die Spannung V50 am Kondensator 50 baut sich bis zu einem stetigen Wert auf und bleibt danach konstant.

Während der Periode zwischen dem Zeitpunkt T1 und dem in Fig. 2 zweiten Auftreten des Zeitpunkts TO fließt durch die Diode 21, die Wicklung 11 der magnetelektrischen Maschine 10, den Widerstand 31, den Heißleiter 32 und den Widerstand 33 Strom. Gleichzeitig verhindert die Diode 20, daß von der anderen Ausgangsklemme 16 durch die Diode 30 zur einen Ausgangsklemme 15 der magnet elektrischen Maschine 10 Strom fließt.

Der Strom durch die Diode 30, den Kondensator 50 und die Primärwicklung 61 des Zündtransformators 60 fließt kaum, da der Kondensator 50 am Ende der vorhergehenden Periode fast vollständig aufgeladen ist. Der den Widerstand 31, den Heißleiter 32 und den Widerstand 33 durchsetzende Strom nimmt dagegen mit steigender Ausgangsspannung Vi6 zu, wobei die an der Steuerelektrode des Thyristors 40 liegende Spannung gemäß Fig. 2c ansteigt. Diese Spannung an der Steuerelektrode ist gegenüber der Kathode des Thyristors 40 positiv. Überschreitet die Spannung V16 zu dem in Fig. 2 gezeigten Zeitpunkt Tp einen Spannungswert Vf, so wird der Thyristor 40 leitend. In diesem Zeitpunkt entlädt sich der Speidberkondensator 50 momentan über den Thyristor 40 und die Primärwicklung 61 des Zündtransformators 60. In-

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folge dieses EntladungsStroms wird in der Sekundärwicklung 62 des Zündtransformators 60 ein Hochspannungsimpuls erzeugt, der ausreicht, um zwischen den Elektroden der Zündkerze 70 einen Zündfunken zu erzeugen.

Ist der Thyristor 40 leitend, so ist die Anode der Diode 30 über den Thyristor 40 geerdet. Daher fließt Strom von der anderen Ausgangsklemme 16 der magnetelektrischen Maschine 10 durch die Diode 30 und den Thyristor 40 nach Erde. Die an der Steuerelektrode des Thyristors 40 liegende Spannung wird daher auf Erdpotential vermindert. Vor der nachfolgenden Periode kehrt der Thyristor 40 in den nichtleitenden Zustand zurück.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die magnetelektrische Maschine 10 eine Wicklung 12 mit großer Windungszahl und eine Wicklung 13 mit geringer Windungszahl auf, wobei die beiden Wicklungen 12 und 13 in Serie liegen. Eine magnetelektrische Maschine dieses Typs eignet sich für Brennkraftmaschinen, die über einen großen Drehzahlbereich arbeiten. Bei zunehmender Drehzahl der am Rotor der Brennkraftmaschine montierten (nicht gezeigten) magnetischen Polstücke nimmt die abgegebene Ladung für die einzelne Umdrehung ab. Die über das Magnetfeld auf die Wicklung übertragene Gesamtenergie ist für jede Umdrehung etwa konstant. Je höher jedoch die Drehzahl ist, desto höhere Spannungen und geringere abgegebene Ladungen werden erzielt. Je größer ferner die Windungszahl einer Wicklung ist, desto höher ist die Spannung und desto geringer die Ausgangsladung. Der Ausgangsstrom der magnetelektrischen Maschine während einer Umdrehung ist insofern kritisch, als eine bestimmte Ladungsmenge erforderlich ist, um den Kondensator auf eine bestimmte Spannung aufzuladen. Selbstverständlich muß die von der magnetelektrischen Maschine erzeugte Spannung ausreichen, um den Kondensator zu laden. Indem nun zwei Wicklungen mit verschiedenen Windungszahlen vorhanda&i sind, werden ausreichender Strom und ausreichende Spannung über einen großen Drehzahlbereich gewährleistet.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist die Zündschaltung nach Fig. 1 an die magnetelektrische Maschine

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mit den "beiden Wicklungen 12 und 13 ungleicher Windungszahlen angepaßt. Gemäß Fig. 3 ist zusätzlich eine Diode 23 vorgesehen, die mit ihrer Anode an die Ausgangsklemme 15 der magnetelektrischen Maschine 10 und mit ihrer Kathode an die Diode 21 angeschlossen ist. Die Kathode der Diode 23 ist ferner mit einer mittleren Ausgangsklemme 17 verbunden, die zwischen den beiden Wicklungen 12 und 13 der magnetelektrischen Maschine 10 vorgesehen ist.

Die Schaltung dieses Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 arbeitet folgendermaßen. Während der Periode zwischen dem in Fig. 4 ersten Auftreten des Zeitpunkts TO und dem T1 fließt Strom durch die Diode 22, die beiden Wicklungen 13 und 12 der magnetelektrischen Maschine, die Diode 20, den Speifiierkondensator 50 und die Primärwicklung 61 des Zündtransformators 60. Die an den Wicklungen 13 und 12 vorhandene Spannung V15 lädt dabei gemäß Fig. 4a und 4b den Kondensator 50 auf. Während der Periode zwischen dem Zeitpunkt T1 und dem zweiten Auftreten des Zeitpunkts TO fließt Strom durch die Diode 21, die Wicklung 13 mit der geringen Windungszahl, den Widerstand 31, den Heißleiter 32 und den Widerstand 33. Gleichzeitig fließt Strom von der mittleren Ausgangsklemme 17 durch die Diode 23 zur Ausgangsklemme 15. Daher ist die Wicklung 12 mit der hohen Windungszahl kurzgeschlossen, und es wird nur die Spannung an der Wicklung 13 mit der geringen Windungszahl an der anderen Ausgangsklemme 16 gemäß Fig. 4c erzeugt.

In dem Diagramm nach Fig. 5 ist die an der anderen Ausgangsklemme 16 erzeugte Spannung V16 über dem Drehwinkel des betreffenden Polstücks gegenüber der Wicklung 13 aufgetragen. Der Spitzenwert der Spannung V16 steigt mit zunehmender Drehzahl der Maschine proportional an. Der Thyristor 40 zündet, wenn die Spannung V16 den Wert Vf erreicht. Je höher nun die Drehzahl der Maschine wird, desto schneller baut sich die Spannung V16 auf den zur Zündung des Thyristors 40 ausreichenden Wert Vf auf. Der Zeitpunkt, zu dem der Thyristor 40 zündet, wird daher mit steigender Drehzahl der Maschine vorverlegt, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist.

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In dem weiteren Ausführiingsbeispiel nach Fig. 7 weist die magnetelektrische Maschine 10 wiederum eine Wicklung mit großer Windungszahl und eine Wicklung 13 mit geringer Windungszahl auf. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für Kraftfahrzeugmotoren. Bekanntlich nimmt die Temperatur in den Maschinenzylindern mit steigender Drehzahl der Maschine zu. Ein zu starker Temperaturanstieg innerhalb der Zylinder bringt jedoch zahlreiche bekannte Nachteile mit sich. Der wichtigste Nachteil besteht dabei darin, daß die im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltende Menge an Stickstoffoxiden zunimmt. Zur Beseitigung dieses Nachteils wird der Zündpunkt im oberen Drehzahlbereich der Maschine, beispielsweise bei 2500 Upm, verzögert.

In der Schaltung nach Fig. 7 ist die Diode 23 zwischen den Ausgangsklemmen 15 und 17 der magnetelektrischen Maschine vorgesehen, und die Diode 21 liegt zwischen der Ausgangsklemme 15 und Erde. Der Thyristor 40, der Speicherkondensator 50 und die übrigen Schaltungselemente sind genauso wie in der Schaltung nach Fig. 1 aufgebaut und geschaltet.

Beim Betrieb der Schaltung nach Fig. 7 fließt während derjenigen Periode, während der die an der einen Ausgangsklemme 15 der magnetelektrischen Maschine 10 erzeugte Spannung V15 positiv ist, Strom durch die Diode 22, die beiden Wicklungen 13 und 12, die Diode 20, den Kondensator 50 und die Primärwicklung 61 des Zündtransformators 60. Der Kondensator 50 lädt sich dabei in der anhand von Fig. 3 beschriebenen Art und Weise auf. Während derjenigen Periode, in der die an der anderen Ausgangsklemme 16 der magnetelektrischen Maschine 10 erzeugte Spannung V16 positiv ist, fließt dagegen Strom durch die Diode 21, die beiden Wicklungen 12 und 13 der magnetelektris.chen Maschine 10, den Widerstand 31, den Heißleiter 32 und den Widerstand 33. Die Spannung an der Wicklung 12 mit der hohen Windungszahl wird durch die Diode 23 kurzgeschlossen, so daß an der anderen Ausgangsklemme 16 nur die Spannung der Wicklung 13 mit der niedrigen Windungszahl als Spannung V16 erscheint. Der den Heißleiter 32 und den Widerstand 33 durch-

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setzende Strom wird durch die Reaktanz der Wicklung 12 mit der hohen Windungszahl verzögert. Daher wird auch die der Steuerelektrode des Thyristors 40 zugeführte Spannung verzögert ..--■".

Bei steigender Drehzahl der am Rotor der Maschine montierten magnetischen Polstücke nimmt die an der anderen Ausgangsklemme 16 auftretende Spannung V16 zu. Andererseits wird mit steigender Drehzahl der magnetischen Polstücke die Verzögerung des Stromes durch die Wicklung .12 mit der hohen Windungszahl größer. Daher wird gemäß Fig. 8 der Zeitpunkt, zu dem der Thyristor 40 zündet, beim Betrieb der Maschine im unteren Drehzahlbereich vorverlegt und im oberen Drehzahlbereich verzögert. -

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Claims

Patentansprüche

Λ J Zündschaltung mit kapazitiver Entladung für Brennkraftmaschinen, mit einer mit der Brennkraftmaschine funktionsmäßig verbundenen magnetelektrischen Maschine, einem Zündtransformator mit Primär- und Sekundärwicklung, einem Speicherkondensator, der von der Ausgangsspannung der magnetelektrischen Maschine aufgeladen wird, und einem Thyristor, der zusammen mit der Primärwicklung einen Entladungskreis für den Kondensator bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetelektrische Maschine (10) mindestens eine Wicklung (11; 12, 13) hat, wobei der Kondensator (50) während des ersten Halbzyklus der an dieser Wicklung erzeugten Spannung aufgeladen wird, daß eine Widerstandseihrichtung (32, 33) vorgesehen ist, an der während des zweiten Halbzyklus eine Spannung erscheint, die der Steuerelektrode des Thyristors (40) zugeführt wird, und daß eine Einrichtung (30, 40) vorgesehen ist, die die Spannung an der Steuerelektrode beseitigt, wenn der Thyristor (40) gezündet hat.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandseinrichtung einen Heißleiter (32) umfaßt.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung an der Steuerelektrode des Thyristors (40) durch den gezündeten Thyristor (40) beseitigt wird.

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4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetelektrische Maschine (10) eine Hauptwicklung (13) und eine mit dieser in Serie geschaltete weitere Wicklung (12) umfaßt, wobei die Windungszahl der weiteren Wicklung (12) größer ist als die der Hauptwicklung (13).
5. Schaltung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (23), die die weitere Wicklung (12) während des zweiten Halbzyklus kurzschließt.
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußeinrichtung eine zu der weiteren Wicklung (12) parallel geschaltete Diode (23) umfaßt.
7. Schaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Hauptwicklung (13) während des zweiten Halbzyklus erzeugte Spannung direkt der Widerstandseinrichtung (32, 33) zugeführt wird. (Fig. 3)
8. Schaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Hauptwicklung (13) während des zweiten Halbzyklus erzeugte Spannung über die kurzgeschlossene weitere Wicklung (12) der Widerstandseinrichtung (32, 33) zugeführt wird..(Fig. 7)

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