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Zündsystem für einen Verbrennungsmotor
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Die Erfindung betrifft ein Zündsystem für einen Verbrennungsmotor
und insbesondere ein Zündsystem mit Zündkerzen, wobei während jeder Zündzeitspanne
oder jedes Zündzyklus mehrere, aufeinanderfolgende Funkenentladungen an verschiedenen
Stellen zwischen benachbarten Elektrodenoberflächen erzeugt werden, um die Verbrennungscharakteristik
des Motors zu verbessern.
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In letzter Zeit wird in zunehmendem Maße gefordert, daß Zündsysteme
für Kraftfahrzeug-Motoren sowohl dünne Gemische von Luft und Brennstoff, also Benzin,
als auch große Mengen eines Luft/Brennstoff-Gemisches, das einer Abgas-Rezirkulation
unterworfen worden ist, sicher zünden können, um das als Abgas ausgestoßene Gas
zu reinigen. Für ein mit einem katalytischen Umwandler ausgerüstetes Kraftfahrzeug
sind verbesserte Zündeigenschaften besonders wesentlich, weil beim Auftreten von
Versagern bzw. Fehlzündungen der Katalysator durch die dann auftretenden, großen
Mengen an unverbranntem Gas beschädigt werden kann.
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Unter Berücksichtigung dieser Zielsetzungen ist der Elektrodenspalt
einer Zündkerze vergrößert worden, um unter Ausnutzung der Lösch- bzw. Abkühl- bzw.
Abschreckwirkung (quenching action) der Elektroden schlechte Zündeigenschaften zu
vermeiden. Wenn jedoch der Elektrodenspalt verbreitert wird, muß auch die Funkenentladungsspannung
erhöht werden, so daß es erforderlich wird, eine stärkere Stromquelle einzusetzen;
dadurch nehmen jedoch wiederum die Kosten der Zündschaltung zu.
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Weiterhin ist bereits eine Zündkerze vorgeschlagen worden, wie sie
in Figur 1 dargestellt ist; dabei sind mehrere Elektrodenspalte in Reihe, also hintereinander,
angeordnet, so daß sich Funkenentladungen an mehreren Punkten ergeben. Die Konstruktion
und damit die Fertigung einer solchen Zündkerze ist jedoch relativ kompliziert,
aufwendig und empfindlich-und damit kostspielig, so daß sie für die Massenfertigung
nicht geeignet ist. Weiterhin ist auch bereits eine Hochspannung zu mehreren Zeitpunkten
an eine Zündkerze angelegt worden5 so daß sich aufeinanderfolgende Funkenentladungen
ergeben. Da jedoch bei einem solchen System die Zeitspanne zwischen den Spannungsimpulsen
relativ lang ist und in der Größen-
-ordnung von 1000 Mikrosekunden
liegt, werden während eines Zündzyklus nur relativ wenige Funken erzeugt; außrdem-
sind die Zündkerzen nicht so ausgelegt, daß sie radial verschobene Funken entwickeln.
Es ist deshalb schwierig, mit Ausnahme der Zeiträume, in denen der'Motor bei sehr
niedriger Drehzahl betrieben wird, mehrere Funkenentladungen während eines typischen
Zündzyklus zu liefern.
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Es ist deshalb- ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Zündsystem
für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, bei dem die oben erwähnten Nachteile vermieden
werden.
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Die wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß bei einem Verbrennungsmotor
eine Schaltung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen vorgesehen wird, um mehrere
aufeinanderfolgende Hochspannungsimpulse in Intervallen von 50 bis 500 Mikrosekunden
während jedes Zündzyklus an eine Zündkerze anzulegen. Dadurch entstehen mehrere,
aufeinanderfolgende -Funkenentiadungen an mehreren, unterschiedlichen Bereichen
zwischen den Elektrodenoberflächen in einem zylindrischen oder radialen Muster,
wodurch die Zünd-und Verbrennungs-Eigenschaften des Motors wesentlich verbessert
werden.
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Ein bevorzugter Gedanke liegt also in einem Zündsystem für einen Verbrennungsmotor
mit einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen, um mehrere,
aufeinanderfolgende Hochspannungsimpulse in Zeiträumen von 50 bis 500 Mikrosekunden
während jedes Zündzyklus an eine Zndkerze anzulegen. Dadurch werden viele, aufeinanderfolgende
Funkenentladungen an vielen verschiedenen Bereichen zwischen- den Elektrodenoberflächen
in einem zylindrischen oder radialen Muster erzeugt, wodurch die Zünd- und-Verbrennungscharakteristiken
des Motors verbessert werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch eine herkömmliche Zündkerze, Fig. 2 eine Funkenentladung
einer Dreifachelektroden-Zündkerze, die mit einer herkömmlichen Schaltungsanordnung
verbunden ist, Fig. 3, 4 und 5 Funkenentladungen in verschiedenen Typen von Zündkerzen,
die mit einer Zündschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden sind, Fig.
6 (a) und 6 (b) schematische Schaltdiagrammeeiner Zündschaltung nach der vorliegenden
Erfindung, Fig. 7 ein Zeitdiagramm der aufeinanderfolgenden Hochspannungs-Zündimpulse,
und Fig. 8 eine Kurvendarstellung der experimentell erhaltenen Ergebnisse, der man
die Beziehungen zwischen den Prozentzahlen für die Erzeugung von Funkenentladungen
und den Intervallen zwischen aufeinanderfolgenden Hochspannungs-Zündimpulsen entnehmen
kann.
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Im allgemeinen tritt eine einzige Funkenentladung zwischen den Elektroden
einer Zündkerze während jedes Zündzyklus auf, wie in Figur 2 dargestellt ist; es
wurde als schwierig angesehen, mehrere, aufeinanderfolgende Funkenentladungen an
verschiedenen Punkten zwischen den gleichen Elektrodenoberflächen zu erzeugen.
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Nun ist jedoch folgendes festgestellt worden: Wenn eine impulsförmige
Hochspannung zu mehreren Zeitpunkten in vorher bestimmten Intervallen zwischen die
Elektroden einer Zündkerze angelegt wird, dann findet bei der Zuführung des nächsten
Hochspannungsimpulses keine Entladung an dem Punkt statt, wo vorher eine Funkenentladung
auftrat, sondern es ergibt sich stattdessen eine Funkenentladung-an einem anderen
Punkt.
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Es wird angenommen, daß sich dieses Phänomen auf folgende Weise erklären
läßt: Wenn eine Funkenentladung an einem bestimmten Punkt zwischen den Elektroden
einer Zündkerze erfolgt, so wird-an diesem Punkt abrupt ein Ionenplasma ausgebildet.
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Nach der Beendigung der-Funkenentladung nimmt die Plasmadichte allmählich
ab, bis sich schließlich wieder die gleiche Ionendichte einstellt, die vor der Funkenentladung
vorgelegen hat.
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Sobald jedoch ein weiterer Hochspannungsimpuls angelegt wird, wenn
noch Teile des Ionenplasmas zurückgeblieben sind, dann nimmt die elektrische Feldstärke
in dem Bereich ab, in dem die Ionen vorhanden sind, während die elektrische Feldstärke
in den Umgebungsbereichen in entsprechender Weise erhöht wird.
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Die nächste Funkenentladung erfolgt also zwangsläufig in einem Bereich,
dessen-elektrische Feldstärke erhöht worden ist.
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Eine Ausführungsform einer Zündschaltung nach der vorliegenden Erfindung
ist in den Figuren 6(a) und 6(b) dargestellt. Wie sich aus Fig. 6(a) ergibt, enthält
eine Kapazitätsentladungs-Zündschaltung zur Erzeugung von Zündfunken an mehreren
Punkten sechs Stufen von CDI-Quellen für elektrische Energie, also ,Kollektor-Difftsions-Isolation-Stromquellen;
diese Quellen sind parallel geschaltet, während ihre Ausgänge jeweils durch Hochspannungsdioden
mit dem.Entladungsspalt bzw. den Entladungsspalten einer Zündkerze verbunden sind,
um sechs Zündfunken in einer minimalen Zeitspanne von ungefähr 30 Microsekunden
zu erzeugen. Eine Spannung von mehreren Hundert Volt wird. durch einen Gleichumrichter..an
die CDI-Quellen angelegt, um Kondensatoren C11 bis C16 rasch aufzuladen.
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Figur 6(b) zeigt eine Verknüpfungsschaltung mit mehreren Ausgängen
für die sech-sYrh b+&h9dath Fig. 6(a). Bei dieser
Schaltungsanordnung
werden die Steuersignale durch den leitenden Zustand eines Transistors Q1 unter
der Steuerung eines sich drehenden Rotors eines Magnet-Zündverteilers eingeleitet
bzw. ausgelöst, und es werden nacheinander verzögerte Impulssignale mit vorher bestimmter
Breite bzw. Dauer durch einen monostabilen Multivibrator, der aus Transistoren Q2
und Q3 besteht, sowie fünf Halb-Impuls (half-shot) Multivibratoren gebildet, die
aus Transistoren Q4 bis Q8 bestehen. Bei dieser Schaltungsanordnung handelt es sich
um eine sogenannte "Dominoschaltung". Jeder Multivibrator wird durch die hintere
Flanke des Impulses getriggert, der in dem vorhergehenden Multivibrator erzeugt
wird.
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Die Impulsdauer und damit die Zeitabstände zwischen aufeinan- -derfolgenden
Funkenentladungen können durch Einstellwiderstände R1 bis R6 in den jeweiligen RC-Zeitkonstantenschaltungen
variiert werden. Die Ausgangssignale der Multivibratoren werden invertiert und durch
Transistoren Qg bis Q14 differenziert, so daß Triggersignale entstehen, die an die
Thyristoren in der Zündschaltung nach Fig. 6Ca) angelegt werden. Die Transistorzündungen
entladen nacheinander die Kondensatoren cli bis C16, so daß an den Ausgängen der
Sekundärwicklungen von Abnehr.er- bzw. Abgriffspule L1 bis L6~IIochspannungs-Funkenentladungsimpulse
entstehen Figur 7 zeigt die Wellenform eines Hochspannungs-Zündimpulses, der durch
die in den Figuren 6(a) und 6(b) gezeigten Schaltungsanordnungen erzeugt worden
ist. Wenn eine solche Wellenform an eine Zündkerze mit mehreren Umfangselektroden
angelegt wird, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, so erfolgt die Funkenentladung
auf einer Art "Rotationsbahn" rund um die Elektroden.
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Wenn es sich bei der Zündkerze um einen Typ mit "kriechender" Entladung
handelt, wie er in Fig. 4 dargestellt ist, so ergeben sich mehrere radiale Funkenentladungen,
und zwar auch auf einer ähnlichen "Rotationsbahn". Wenn die Zündkerze die in Fig.
5 gezeigte Konstruktion mit einer zentralen Elektrode mit großem Durchmesser sowie
einer einzigen Umfangselektrode hat, so definieren die Orte der aufeinanderfolgenden,
rotierenden Funkenentladungen einen expandierten Zylinder oder eine Tonnenform.
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Es wurden Untersuchungen durchgeführt, um die optimalen Bedingungen
für die Erzeugung von aufeinanderfolgenden Funkenentladungen zu bestimmen, wobei
die Zeitspanne zwischen benachbarten Hochspannungsimpulsen von 30 bis 1.000 Microsekunden
variinert wurde.- Dabei wurde eine Zündkerze mit drei Umfangselektroden verwendet,
wie sie in Fig. 3 dargestellt ist; außerdem -wurden sowohl der Durchmesser der zentralen
Elektroden als auch die Polarität variiert. Die Elektrodenspalte wurden auf 1 5
mm eingestellt. Die Meßergebnisse sind in Fig. 8 dargestellt.
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-Es stellte sich heraus, daß bei negativer Impulspolarität (-) Entladungen
mit mehreren Funken ständig über Impuls intervallen von ungefähr-70Mlcrosekunden
stattfanden. Wenn der Außendurchmesser der mittleren Elektrode 1,6 bis 2,5 mm betrug,
trat die Entladung mit mehreren Funken besonders effektiv bei Impulsintervallen
von 200 bis~300 Microsekunden auf; die Wahrscheinlichkeit einer Entladung mit mehreren
Funken nahm mit Zentralelektroden abt deren Durchmesser außerhalb dieses Bereichs
lag. Wenn die Impulspolarität positiv (+) war, so war die Wajirscheinlichkeit, aufeinanderfolgende
Funkenentladungen zu den- drei- Umfangseiektroden zu erhalten, für kurze Spannungsimpulsintervalle
vergleichsweise gering, und auch unter den besten Bedingungen war es nicht möglich,
einen Wahrscheinlichkeitswert von-100 t zu erreichen. Obwohl also, offensichtlich
die Wahrscheinlichkeit für aufeinanderfolgende Funkenentladungen von derForm und
der Polarität der Elektroden abhängt, wird darauf hingewiesen, daß der Wahrscheinlichkeitsfaktor
in erster -Linie:von der Größe der Anderung in den Hochsapnnungs-Impulsintervallen
abhängt.
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Es istzweckmäßig,. daß in einer Zündkerze während jedes Zündzyklus
so. viele aufeinanderfolgende Funkenentladungen wie möglich auftreten, um die Verbrennungseigenschaften
des Motors zu verbes-sern. - Aus -demoben beschriebenen Experiment kann abgeleitet
werden, daß das Intervall für die Hochspannungsimpulse zweckmäßigerwei-se auf einen
Wert zwischen 50 und 500 Microsekunden, nach einer bevorzugten Ausführungsform von
70 bis 400 Microsekunden,
eingestellt wird. Bei Intervallen von
weniger als 50 Microsekunden ist es schwierig, aufeinanderfolgende Funkenentladungen
Zu erzeugen. Andererseits nimmt bei Intervallen über 500 Microsekunden die Zahl
der Funkenentladungen während eines gegebenen Zyklus ab, weil sich das Ionenplasma
während dieser relativ langen Intervalle zu stark verschlechtert.
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In Bezug auf die Konstruktion der Zündkerze hat sich herausgestellt,
daß Mehrfachelektrodenzündkerzen mit zwei oder mehr Umfangselektroden sowie Zündkerzen
mit langsamer bzw. kriechender Entladung die besten Ergebnisse lieferten.
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L e e r s e i t e