DE2928711C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kondensator- Zündanlage für Brennkraftmaschinen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannte Spannungsregulierkreise bei Magnetzündanlagen von Brennkraftmaschinen umfassen entweder SCR-Elemente, d. h. Thyristoren, oder Transistoren, welche mit Hilfe von Zenerdioden getriggert werden (US-PS 39 98 198), oder es sind eine oder mehrere in Serie angeordnete Zenerdioden vorgesehen, welche direkt parallel zum Ladungskondensator angeordnet sind (US-PS 32 40 198, US-PS 34 90 426). Derartige Regulierkreise verhindern eine zu hohe Ladung des Ladungskondensators, indem die Größe der an der positiven Klemme des Ladungskondensators anstehenden Spannung aufgrund der Zenerdioden-Durchbruchspannung begrenzt wird. Die einzelnen Elemente eines derartigen Spannungsregulierkreises haben jedoch relativ hohe innere Leistungsverluste, was in Verbindung mit den Elementtole­ ranzen und Überspannungen an dem Ladekondensator bzw. aufgrund von Spannungs- bzw. Stromspitzen während der Entladung des Ladekondensators über die Primärwicklung der Zündspule zu Störungen führt.

Der aus dem US-Patent 34 90 426 bekannte Span­ nungsregulierkreis weist eine Zenerdiode auf, welche parallel zur Ladewicklung in Verbindung mit einer Blockier­ diode angeordnet ist. Die Zenerdiode begrenzt in diesem Fall den positiven Spannungsausgang der Ladewicklung aufgrund der Zenerdioden-Durchschlagspannung, wobei jedoch der negative Ausgang der Ladewicklung überbrückt wird, wodurch in ungewünschter Weise die Geschwindigkeit der Kondensatoraufladung und demzufolge die Größe der an dem Kondensator anstehenden Spannung reduziert wird. Die Zenerdiode wird fernerhin einer erhöhten Ladewicklungs­ spannung ausgesetzt, was entweder durch die Toleranzen der Schaltelemente oder durch einen Fehler innerhalb des Zündtrigger-SCR-Elementes oder der Zündwicklung auf der Primärseite bedingt sein kann. Aufgrund derartiger Über­ spannungen wird die Zenerdiode einer erhöhten Leistungs­ aufnahme ausgesetzt, was zu einer Zerstörung des betref­ fenden Elementes führen kann.

Es zeigt sich somit daß bei Zündanlagen für Brennkraftma­ schinen mit Magnetzündung in bekannten Spannungsregulier­ kreisen Störungen aufgrund der Zerstörung der Zenerdioden bzw. anderer Spannungsregulierelemente auftreten können, so daß ein zuverlässiger Betrieb nicht gewährleistet ist. Derartige Störungen innerhalb der Spannungsregulierkreise erweisen sich als ganz besonders nachteilig, weil dies zu einer Fehlfunktion der ganzen Zündanlage führt.

Aus der DE-OS 22 30 386 ist eine Kondensator-Zündanlage bekannt, bei welcher ein Ladekondensator über einen Einweg-Gleichrichter an eine Ladespule eines Magnetinduk­ tors angeschlossen ist. Parallel zur Ladespule ist ein Triac angeschlossen, dessen Steuerstrecke ein Widerstand parallel geschaltet ist. Der Triac wird gezündet, wenn die Spannung an dem Ladekondensator einen vorbestimmten Wert übersteigt. Der gezündete Triac schließt die Lade­ spule kurz. Auf diese Weise wird der in den Entladekreis des Ladekondensators geschaltete Thyristor vor Überspan­ nungen geschützt.

Überspannungen können jedoch nicht nur beim Laden des Ladekondensators auftreten, sondern auch beim Zünden des Thyristors und der dadurch bedingten Entladung des Lade­ kondensators. Beim Entladen können Spannungspitzen auf­ treten, die ihrerseits zu einer Überlastung und damit Zerstörung des Triacs bzw. der zu seiner Steuerung vorge­ sehenen Elemente führen können.

Bei der aus dem US-Patent 39 98 198 bekannten Kondensator Zündanlage wird der Lade­ kondensator über einen Vollweg-Brückengleichrichter aus einer Ladespule eines Magnet-Induktors geladen. Zur Begrenzung der Spannung an dem Ladekondensator ist diesem ein Thyristor parallel geschaltet, der, gesteuert durch Zenerdioden, bei einer Überspannung an dem Ladekondensa­ tor gezündet wird und den Ladekondensator kurzschließt. Der Thyristor ist jedoch den Ausgangsanschlüssen des Brückengleichrichters parallel geschaltet und damit Spannungsspitzen, wie sie beim Entladen des Ladekondensa­ tors durch einen in den Zündspulen-Primärkreis geschalte­ ten Thyristor hervorgerufen werden, ausgesetzt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kondensator-Zündanlage der gattungsgemäßen Art, bei welcher mittels eines der Ladespule parallel geschalteten Halbleiterschalters Überspannungen der Ladespule verhindert werden, so zu verbessern, daß auch der Halbleiterschalter vor uner­ wünscht auftretenden Überspannungen geschützt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei einer solchen Zündanlage ist der den Ladekondensator ladende Ladegleichrichter als Vollweg-Brückengleichrich­ ter ausgebildet und mit seinen Eingangsanschlüssen dem die Spannung an dem Ladekondensator regulierenden Halb­ leiterschalter parallel geschaltet. Der Vollweg-Brücken­ gleichrichter isoliert den Halbleiterschalter von dem Ladekondensator, da er mit seinen Dioden zwischen dem Halbleiterschalter und dem Ladekondensator angeordnet ist. Beim Entladen des Ladekondensators entstehende Spannungspitzen haben deshalb keine Rückwirkung auf den Halbleiterschalter. Ein Überladen des Ladekondensators wird in sehr zuverlässiger Weise verhindert.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kon­ densator-Zündanlage ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die in diesem Zusammenhang verwendeten Schaltelemente besitzen eine sehr geringe Leistungsaufnahme, so daß eine Zerstörung dieser Schaltelemente weitgehend ausgeschlos­ sen ist.

Die Erfindung soll nunmehr anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltdiagramm der erfindungs­ gemäßen Zündanlage für Brennkraft­ maschinen mit Magnetzündung,

Fig. 2 ein schematisches Schaltdiagramm von bestimmten Schaltelementen, welche in Verbindung mit dem Spannungsregulator der erfindungsgemäßen Zünd­ anlage gemäß Fig. 1 verwendet werden.

Fig. 1 zeigt eine Zündeinrichtung 10 mit einem Ladungs­ kondensator 12, welcher parallel zu einer aus der Primärwicklung 14 einer Zündspule 16 und einem SCR-Ele­ ment 18 bestehenden Serienschaltung angeordnet ist, wobei die Zündelektrode des SCR-Elementes 18 mit einem Trigger­ kreis 20 verbunden ist, der das SCR-Element 18 periodisch leitfähig macht, so daß der Ladekondensator 12 über die Primärwicklung 14 entladen wird, so daß in der Sekundär­ wicklung 22 eine Spannung induziert wird, die an einer Zündkerze 24 zu einem Zündfunken führt. Parallel zu dem Ladungskondensator 12 sowie der Primärwicklung 14 sind zweckmäßigerweise Ableitdioden 15 vorgesehen, wodurch negative Spannungsspitzen abgeleitet werden. Um dem Ladungskondensator 12 Ladestrom zuzuführen, weist die Zündeinrichtung 10 einen Magnetzünder 26 auf, dessen Ladewicklung 28 mit Endklemmen 30, 31 versehen ist.

Die Zündeinrichtung 10 ist mit einem Kreis 29 versehen, dessen Leiter 32, 34 mit den Klemmen 30, 31 der Iadewicklung 28 verbunden sind. Dieser Kreis 29 ist mit einer Gleichrichteranordnung 38 versehen, welche den von der Ladewicklung 28 abgegebenen Strom gleichrichtet und in dieser Form an den Ladungskonden­ sator 12 leitet, wobei die Polarität derart ist, daß an der Kondensatorplatte 13 ein positiver und an der Konden­ satorplatte 15 ein negativer Spannungswert ansteht. Auf­ grund des Ladestromes ist die an dem Ladungskondensator 12 anstehende Spannung im wesentlichen identisch der von der Ladewicklung 28 abgegebenen Spannung. Bei der Gleichrichteranordnung 38 handelt es sich um einen Vollweg-Brückengleichrichter 39, dessen Eingangsklemmen 36, 37 über die Leiter 32, 34 mit der Ladewicklung 28 verbunden sind, während die Ausgangsklemmen 35, 40 über Leiter 43, 45 mit den beiden Kondensatorplatten 13, 15 verbunden sind.

Die Zündeinrichtung 10 weist fernerhin einen Spannungs­ regulierkreis 41 auf, welcher zwischen der Ladewicklung 28 und den Eingangsklemmen 36, 37 des Vollweg-Brücken­ gleichrichters 39 angeordnet ist. Dieser Spannungsregu­ lierkreis 41 besteht aus einem mit drei Anschlüssen ver­ sehenen, in beiden Richtungen arbeitenden steuerbaren Schalt­ element 42, dessen Anschlüsse 44, 46 über die Leiter 32, 34 mit den Endklemmen 30, 31 der Ladewicklung 28 verbunden sind. Das steuerbare Schaltelement 42 wird zwischen den beiden Anschlüssen 44, 46 in Abhängigkeit eines Stromtriggerimpulses leitfähig gemacht, welcher dem dritten Anschluß 48 zuge­ führt wird, wodurch die Ladewicklung 28 im wesentlichen kurzgeschlossen wird.

Der Spannungsregulierkreis 41 weist fernerhin ein mit zwei Anschlüssen versehenes in beiden Richtung arbeitendes Halbleiter-Triggerelement 50 auf, von welchem der eine An­ schlu8 54 mit dem dritten Anschluß 48 des steuerbaren Schaltelementes 42 verbunden ist, während der andere An­ schluß 52 zu der einen Endklemme der Ladewicklung 28 führt. Vorzugsweise ist der Anschluß 52 über den Leiter 53 mit der Endklemme 30 der Ladewicklung 28 verbunden, so wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Das Triggerelement 50 wird in Abhängigkeit der an dem Ladungskondensator 12 anstehenden Spannung leitfähig gemacht und gibt an den dritten Anschluß 48 des steuerbaren Schaltelementes 42 einen Triggerimpuls ab, sobald ein bestimmter Spannungswert überschritten wird, welcher gleich der Durchschlagspannung bzw. dem Kennlinien­ knick des Triggerelementes 50 ist. Bei Abgabe eines derar­ tigen Triggerimpulses an den dritten Anschluß 48 wird das steuerbare Schaltelement 42 zwischen den beiden An­ schlüssen 44, 46 leitfähig gemacht, wodurch die Ladewick­ lung 48 überbrückt wird, so daß eine weitere Ladung des Ladungskondensators 12 verhindert wird. Der Spannungs­ regulierkreis 41 begrenzt somit die Ladung des Ladungs­ kondensators 12, nachdem die an dem Kondensator anstehende Spannung einen vorgegebenen Wert bzw. die Durchschlagspan­ ung des Triggerelementes 50 überschritten hat, so daß die gewünschte Spannungsregulierung zustande kommt.

Der Spannungsregulierkreis 41 ist soliert und dabei vor Entladungs­ spitzen geschützt, welche während der Entladung des Ladungskondensators 12 auftreten. Da die beiden Klemmen 44, 46 des steuerbaren Schaltelementes 42 nämlich mit den Eingangsklemmen 36, 37 des Vollweg-Brückengleichrich­ ters 39 verbunden sind, kann keine Potentialdifferenz bzw. Spannung über die Eingangsklemmen 36, 37 an die beiden Anschlüsse 44, 46 zurückgeleitet werden. Die Brückendioden 47 erlauben nämlich nur einen in einer Richtung gerichteten Stromfluß und verhindern, daß eine positive Spannung zurück zu dem Spannungsregulierkreis 41 geleitet wird. Auf dem Leiter 43 auftretende negative Spannungen hingegen fließen durch die Dioden 47, deren Kathoden mit dem Leiter 43 verbunden sind, demzufolge die Eingangsklemmen 36, 37 auf demselben Potential liegen, so daß keine Potentialdifferenz bzw. Spannung zwischen den Leitern 32, 34 und somit an dem Spannungsregulierkreis 41 auftreten kann.

Im Hinblick auf eine genauere Funktionsbeschreibung soll nunmehr auf den in Fig. 2 dargestellten Spannungsregulier­ kreis 41b Bezug genommen werden, welcher Halbleiterelemente enthält, die vorzugsweise in Verbindung mit dem Spannungs­ regulierkreis 41 von Fig. 1 Verwendung finden. Gemäß Fig. 2 besteht das steuerbare Schaltelement vorzugsweise aus einem Triac 42b. Dieser Triac 42b besitzt Anoden 44b und 46b sowie ein Gatter 48b und wird zwischen den beiden Anoden mit Hilfe eines Triggerstromimpulse leitfähig ge­ macht, wobei dieser Triggerstromimpuls bei einer Spannung in der Größenordnung von 0,7 Volt und größer einen Strom­ wert zwischen 5 und 25 mA besitzt. Es können jedoch auch andere derartige steuerbaren Schaltelemente, beispielsweise zwei entgegengesetzt parallel angeordnete SCR-Elemente, mit einem gemeinsamen Gatter verwendet werden. Die Schalt­ eigenschaften sowie die Ansteuerbarkeit mit einem relativ niedrigen Spannungswert in der Größenordnung von 0,7 V sind wichtige Eigenschaften von Triac oder anderen Schalt­ elementen. Auf diese Weise ergibt sich mit Hilfe des Triacs eine Überbrückung der Ladewicklung 28 für beide Polaritä­ ten, wodurch die Aufladung des Ladungskondensators 12 wirksam begrenzt wird. Wegen des sehr geringen Spannung ergibt sich fernerhin ein sehr geringer Leistungsverbrauch innerhalb des Triacs bzw. eines entsprechenden Halbleiter­ elementes, so daß eine Beschädigung desselben weitgehend ausgeschlossen ist.

Das bidirektionale Triggerelement 50 besteht vorzugsweise aus einem Metalloxidvarister 50b, dessen spannungsabhängi­ ger nicht-linearer Widerstand bzw. Kennlinienknick einen derartigen Abfall hat, daß der Varistor im wesentlichen leitfähig wird, sobald die an dem Ladungskondensator 12 und somit an den Varistorklemmen 52b, 54b anstehende Spannung einen vorgegebenen Wert bzw. den Durchschlags­ wert des Varistors in der Größenordnung von 350-450 V überschreitet. Dabei kann der relative geringe Spannungs­ abfall an den Dioden 47 des Vollweg-Brückengleichrichters 39 sowie der Innenwiderstand zwischen der Triacanode 46b und dem Gatter 48b vernachlässigt werden. Auf diese Weise wird dann ein Triggerstromimpuls erzeugt, welcher dem Triacgatter 18b zugeleitet wird. Andere bidirektionale Triggerelemente mit ähnlichen Eigenschaften wie ein Varistor können ebenfalls verwendet werden, beispielsweise zwei Zenerdioden, welche in entgegengesetzter Richtung in Serie zueinander angeordnet sind. Die Durchschlagsspan­ nung und die biditektionale Schaltcharakteristik sind wichtige Merkmale eines Varistors bzw. ähnlicher Trigger­ elemente, weil mit Hilfe des Durchschlagswertes die Größe der Spannung für beide Polaritäten festgelegt wird, bei welcher der Triac angesteuert wird, wodurch der Spannungs­ wert festgelegt wird, mit welchem eine Ladung des Ladungs­ kondensators 12 erfolgt.

Während des Betriebes der Zündeinrichtung 10 wird an den Klemmen 30, 31 der Ladewicklung 28 in Abhängigkeit der Rotation der Polpaare 51 der in Fig. 1 angedeuteten Mag­ netscheibe 53 eine Wechselspannung induziert. Diese Wechselspannung wird mit Hilfe des Vollweg-Brückengleich­ richters 39 gleichgerichtet und dem Ladungskondensator 12 zugeführt, wobei die Kondensatorplatte 13 eine positive Polarität erhält. Da der Ladungskondensator 12 die Be­ lastung der Ladewicklung 28 bildet, ist die an der Ladewicklung 28 erzeugte Spannung im wesentlichen gleich der an dem Ladungskondensator 12 auftretenden Spannung. Der Maximalwert des an dem Ladungskondensator 12 auftretenden Spannung liegt dabei im Bereich zwischen 300 und 450 Volt. Das SCR-Zündelement 18 wird mit Hilfe eines konventionellen Triggerkreises, beispielsweise einer nicht dargestellten Triggerwicklung, leitfähig ge­ macht. Sobald das SCR-Element gezündet ist, fließt von der Kondensatorplatte 13 des Ladungskondensators 12 über die Primärwicklung 14 und durch das SCR-Element 18 hin­ durch ein Strom zu der Kondensatorplatte 15, wodurch in der Sekundärwicklung 22 der Zündspule 16 eine Spannung für die Bildung eines Zündfunkens an der Zündkerze 24 gebildet wird.

Der Spannungsregulierkreis 41 begrenzt Ladestrom sowie die an dem Ladekondensator 12 anstehende Spannung wie folgt: Während die Motordrehzahl zunimmt, nimmt die Größe der an dem Ladekondensator 12 anstehenden Spannung ebenfalls zu, wobei aufgrund von Toleranzen der Schaltelemente die zu­ lässige Spannung überschritten werden kann. Mit Hilfe des Varistors 50b wird jedoch ein derartiger unzulässiger Spannungsanstieg vermieden, weil der betreffende Varistor 20b leitfähig wird, sobald die Spannung des Ladungskonden­ sators 12 einen bestimmten durch den Varistor 50b fest­ gelegten Wert überschreitet. Der durch den Varistor 50b bei dieser vorgegebenen Spannung fließende Strom triggert das Triac 42b, so daß dasselbe zwischen den Anoden 44b und 46b leitfähig wird, woduich wiederum die Ladewicklung 28 überbrückt wird, so daß kein weiterer Ladestrom an den Ladungskondensator 12 gelangen kann. Wegen der Toleranzen des Triac 42b und des Varistors 50b variiert der Spannungs­ wert an dem Ladungskondensator 12 beispielsweise innerhalb des Bereiches von 350 und 450 Volt. Derartige Fluktuationen haben jedoch keinen störenden Effekt auf die Funktionsweise der Zündeinrichtung 10.

Sobald das Triac 42b gezündet ist, erreicht die an der Ladewicklung 28 und dem Varistor 50b anstehende Spannung sehr schnell den Wert Null, was zur Folge hat, daß der Varistor 50b seine Leitfähigkeit verliert. Das Triac 42b bleibt jedoch selbst bei sehr niedrigen Spannungen in der Größenordnung von 0,7 V durchgesteuert. Demzufolge tritt sowohl innerhalb des Varistors 50b als auch innerhalb des Triac 42b eine sehr geringe Leistungsabsorbtion auf. Das Triac 42b schaltet ab, sobald die an der Ladewicklung 28 anstehende Spannung einen Nulldurchgang aufweist. Das Triac 42b wird jedoch erneut in seinen leitfähigen Zustand ge­ bracht, sobald die an der Ladewicklung 28 anstehende Spannung entgegengesetzter Polarität erneut den vorgegebenen Wert bzw. den Durchschlagswert des Varistors 50b erreicht. Wenn somit die Größe der an der Ladewicklung 28 auftretenden Spannung, welche im wesentlichen der an dem Ladungskonden­ sator 12 anstehenden Spannung entspricht, den durch den Varistor 50b vorgegebenen Durchschlagswert erreicht, triggert der Varistor 50b den Triac 42b in seinen leit­ fähigen Zustand, wodurch die Ladewicklung 28 überbrückt wird, so daß ein weiteres Aufläden des Ladungskondensators 12 vermieden wird.

Falls aus irgendeinem Grunde die Ladung bzw. Entladung des Ladungskondensators 12 nicht in der gewünschter Weise erfolgt, was beispielsweise durch einen Fehler des SCR- Elementes 18 oder einer Leiterunterbrechung innerhalb der Primärwicklung 14 bewirkt sein kann, behält der Ladungs­ kondensator 12 seine Spannung aufrecht, wobei jedoch ein zu starkes Aufladen durch den Spannungsregulierkreis 41 verhindert wird, da die an der Ladewicklung 28 auftretende Spannung durch den Durchschlagswert des Varistors 50b begrenzt wird. In gleicher Weise werden negative Spannungs­ spitzen, die durch den Gleichrichter 39 zurück an den Spannungsregulierkreis 41 gelangen könnten, ebenfalls spannungsmäßig begrenzt, so daß die einzelnen Schaltkompo­ nenten des Spannungsregulierkreises 41 nicht beschädigt werden. Der Varistor 50b bleibt jedoch nur solange leit­ fähig, um das Triac 42b zu zünden, worauf die an dem Triac 42b anstehende Spannung sehr schnell den Wert Null er­ reicht, was eine zu starke Ladung des Ladungskondensators 12 verhindert. Demzufolge tritt innerhalb des Spannungs­ regulierkreises 41 eine sehr geringe Leistungsabsorbtion auf, so daß diese und andere Elemente der Zündeinrichtung 10 nicht beschädigt werden können.

Die beschriebene Zündeinrichtung kann sehr leicht derart modifiziert werden, daß sie für Brennkraft­ maschinen mit mehreren Zylindern Verwendung finden kann, indem mehrere Zündtriggerkreise sowie entweder mehrere Zündspulen oder ein Zündverteiler vorgesehen sind, wobei eine Vollweg-Gleichrichtung zur Ladung des Ladungskondensators vorgesehen ist.

Claims (3)

1. Kondensator-Zündanlage für Brennkraftmaschinen, deren Ladekondensator (13) über einen Ladegleichrichter (39) an eine Ladespule (28) eines Magnet-Induktors (26) angeschlossen ist, mit einem der Ladespule (281 parallel geschalteten, bidirektionalen, steuerbaren Halbleiterschalter (42) und einem zwischen einen Anschluß (30) der Ladespule (28) und einen Steueranschluß (48) des Halbleiter­ schalters (42) angeschlossenen Triggerelement (50), welches zur Regulierung der Spannung an dem Ladekon­ densator (13) einen den Halbleiterschalter (42) lei­ tend schaltenden Triggerimpuls an den Steueranschluß (48) des Halbleiterschalters (42) abgibt, wenn die Spannung an dem Ladekondensator (13) einen vorbestimm­ ten Wert übersteigt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladegleichrichter als Vollweg-Brückengleichrich­ ter (39) ausgebildet und mit seinen Eingangsanschlüs­ sen (36, 37) dem Halbleiterschalter (42) parallel ge­ schaltet ist.

2. Kondensator-Zündanlage nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Triggerelement als Varistor (50b) ausgebildet ist.

3. Kondensator-Zündanlage nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Halbleiterschalter als Triac (42b) ausgebildet ist.