DE2934573A1

DE2934573A1 - Zuendanlage

Info

Publication number: DE2934573A1
Application number: DE19792934573
Authority: DE
Inventors: Hisasi Kawai; Seiji Morino
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1978-09-28
Filing date: 1979-08-27
Publication date: 1980-04-03
Also published as: JPS5840030B2; DE2934573C2; JPS5546067A; US4245594A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Zündanlagen und ist insbesondere auf die Erzielung einer langandauernden und annähernd kontinuierlichen Funkenentladung an Zündkerzen gerichtet.

Bei üblichen fremdgezündeten Brennkraftmaschinen besteht die Zündanlage im wesentlichen aus einer Zündspule und einem mit Unterbrecherkontakten versehenen Unterbrecher, wobei für einen Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine an den jeweiligen Zündkerzen eine Schnellentladung herbeigeführt wird und der hierbei entstehende elektrische Zündfunke das komprimierte Brennstoffgemisch zündet.

Wenn jedoch das Brennstoffgemisch mager ist oder ein zu großer Abgasanteil zurückgeführt wird, ist die Zündung bzw. der Zündfunke bei einer solchen Anlage nicht kräftig genug, wodurch Probleme, wie z.B. ein Anstieg des Brennstoffverbrauchs sowie der Schadstoffe in den Abgasen auftreten.

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Deutsche Hunk (Munclien) Kto 51/61 0/0

Dreadntif Bank (München) KtO 393U844

Postscheck (München) Kto 6.'0-43-8CM

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Aufgabe der Erfindung ist es daher, zur Behebung des vorstehend beschriebenen Nachteils eine einfach aufgebaute Zündanlage derart auszugestalten, daß die Funkenentladungen an den Zündkerzen annähernd kontinuierlich über eine längere Zeitdauer erfolgen, so daß sich sowohl der Brennstoffverbrauch der Brennkraftmaschine als auch der Anteil der Schadstoffe in den Abgasen verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß ein Transformator mit einem Zwischenabgriff versehen und über Dioden und Transistoren gesteuert wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Gesamtdarstellung einer

Ausführungsform der Zündanlage,

Fig. 2 eine Ausführungsform der Zündschaltung

gemäß Fig. 1,
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Fig. 3 eine Querschnittsansicht des Transformators der Zündschaltung gemäß Fig. 2,

Fig. 4 und 5 Spannungsverläufc, die Funktion und Wirkungsweise dor Zündanlage: veranschau

lichen ,

Fig. 6 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis und dem Brennstoffverbrauch veranschaulicht,

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Fig. 7 und 8 weitere Ausführungsformen tler

Zündschaltung und

Fig. 9 und 10 graphische Darstellungen von unter Verwendung der Zündanlage er

mittelten Versuchsergebnissen.

In Fig. 1 sind jeweils in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeordnete Zündkerzen 1 bekannter Art mit einer Mittelelektrode und einer Masseelektrode schematisch dargestellt. Die Brennkraftmaschine ist nicht dargestellt, soll jedoch eine fremdgezündete Vierzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug sein.

Von einer Zündschaltung 20 wird den Zündkerzen 1 über einen Zündverteiler 10 eine Hochspannung zugeführt, wobei der Zündverteiler 10 mit den Zündkerzen 1 über vier Hochspannungskabel 2 und mit der Zündschaltung 20 über ein Hochspannungskabel 3 verbunden ist.

Der Zündverteiler 10 ist in bekannter Weise aufgebaut und weist kreisförmig in gleichmäßigen Abständen angeordnete Verteilerelektroden 11 sowie eine Lauferelek-Lrode 12 auf. Die Lauferelektrode 12 führt für jeweils

2b zwei Umdrehungen der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine eine Umdrehung aus, wobei jeweils beim Vorbeilaufen an einer Verteilerelektrode 11 der zugehörigen Zündkerze 1 eine Hochspannung von der Zündschaltung 20 zugeführt wird.

Mit der die Läuferelektrode 12 des Zündverteilers 10 tragenden Verteilerwelle dreht sich außerdem ein mit vier Nockenvorsprüngen versehener Unterbrechernocken 13, der Unterbrecherkontakte 14 öffnet und schließt, wobei das EIN/AUS-Signal der Unterbrecherkontakte

der Zündschaltung 20 als Eingangssignal zugeführt wird

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und Beginn und Ende der Funkenentladung (Zündung) angibt.

Die Zündschaltung 20 setzt eine Gleichspannung von 12 Volt, die von einer die Gleichspannungsquelle bildenden Fahrzeugbatterie 4 abgegeben wird, in eine Hochspannung von 20 kV um.

Nachstehend wird die Zündschaltung 20 unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher beschrieben. Zunächst ist eine Signalformerschaltung 21 bekannter Art vorgesehen, die das von den Unterbrecherkontakten 14 abgegebene EIN/AUS-Signal als Eingangssignal erhält und in ein Rechteckimpulssignal umformt.

Eine Oszillatorschaltung 22 weist einen.

astabilen Multivibrator bekannter Art auf, der ein Rechteckimpulssignal mit einer konstanten Frequenz von etwa 5 kHz erzeugt.

Ein UND-Glied 23 stellt eine logische UND-Verknüpfungsschaltung für die Ausgangssignale der Signalformerschaltung 21 und der Oszillatorschaltung 22 dar. Wenn das Ausgangssignal der Signalformerschaltung 21 den Wert "1" aufweist, wird es mittels des Ausgangsimpulses der Oszillatorschaltung 22 weitergeleitet, während im Falle des Wertes "0" des Ausgangssignals der Signalformerschaltung 21 das Ausgangssignal des UND-Gliedes 23 stets ein Signal des Wertes "0" ist.

Ein UND-Glied 24 stellt eine logische UND-Verknüpfungsschaltung für die Ausgangssignale der Signalformerschaltung 21 und das Ausgangssignal eines Inverters 25 dar, das das invertierte Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 22 darstellt. Das UND-Glied 24 leitet das Aus-

3~> gangsimpulssignal des Inverters 25 weiter, wenn das Aus-

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] gangssignal der Signalformerschaltung 21 den Wert "1" aufweist, und gibt stets ein Signal des Wertes "0" ab, wenn das Ausgangssignal der Signalformerschaltung 21 den Wert "0" aufweist.

Zwei NPN-Leistungstransistoren 26 und 27 sind

mit den Ausgängen der UND-Glieder 23 und 24 in Form einer Gugentakt-Schaltung verbunden. Hierbei ist die Basis des Transistors 26 über einen Widerstand 28 mit dem Ausgang

^q dos UND-Gliedes 23 verbunden, während die Basis des anderen Transistors 27 über einen Widerstand 29 mit dem Ausgang des UND-Gliedes 24 verbunden ist. Außerdem sind die Transistoren 26 und 27 jeweils über eine entsprechende Diode 31 bzw. 32 mit einem Transformator 4 0 verbunden, wobei ihr Kollektor jeweils mit der Kathode der zugehörigen Diode 31 bzw. 32 verbunden ist. Die Emitter der Transistoren 26 und 27 liegen hierbei über eine Leitung L₁ an dem negativen Anschluß N der Batterie 4.

Ue^r Transformator 4 0 weist eine Primärwicklung

41 und eine Sekundärwicklung 4 2 in einem Windungsverhältnis von 1 : 100 auf, so daß die von der Primärwicklung erzeugte Spannung von der Sekundärwicklung 4 2 als hochtransformierte Ausgangsspannung abgegeben wird. Die Endanschlüsse 43 und 44 der Primärspule 41 sind mit der Anode der Diode 31 bzw. der Anode der Diode 32 verbunden, während ein Zwischenabgriff 45 über eine Leitung L_ mit dem positiver. Anschluß P der Batterie 4 verbunden ist. Ein Anschluß 46 der Sekundärspule 4 2 ist mit der Läuferelektrode 12 des Zündverteilers 10 verbunden, während der andere Anschluß 47 an Masse liegt.

Die Primärspule 41 und die Sekundärspule

42 sind in der in Fig. 3 dargestellten Weise auf einem

Spulenkörper um 2 U-förmige Ferritkerne 48 herumgewickelt, die einen geschlossenen magnetischen Kreis bilden. Der

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von den Ferritkernen 48 gebildete magnetische Kreis ist außerdem mit zwei Luftspalten 4 9 von jeweils annähernd 0,25 mm versehen, so daß der gemeinsame bzw. zusammengefaßte Luftspalt annähernd 0,5 mm beträgt.

Durch Versuche wurde ermittelt, daß bei einem

Windungsverhältnis zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung von 1 : 100 die Primärwicklung 20 Windungen und die Sekundärwicklung 2 000 Windungen aufweisen sollte. In Fig. 9 sind die Ergebnisse der zur Bestimmung des Windungsverhältnisses durchgeführten Versuche graphisch dargestellt, während Fig. 10 die Beziehung zwischen der Trigger-Hochspannung der Sekundärspule 4 2 und dem Luftspalt der Ferritkerne 48 veranschaulicht. Wie Fig. 10 zu entnehmen ist, wird die höchste Spannung bei einem Luftspalt von mehr als 0,5 mm erzeugt. Demgegenüber ist nach der Erzeugung der Trigger-Hochspannung zur Aufrechterhaltung der Funkenentladung mit einer stärkeren Rechteckimpulsspannung ein möglichst kleiner Luftspalt erforderlieh.

Wenn eine Brennkraftmaschine mit der vorstehend beschriebenen Zündanlage betrieben wird, dreht sich der Unterbrechernocken 13 des Zündverteilers 10 kontinuierlich und bewegt hierdurch ein öffnen und Schließen der Unterbrecherkontakte 14, was zur Folge hat, daß die Signalformerschaltung 21 der Zündschaltung 20 ein Rechteckimpulssignal mit dem in Fig. 4(a) dargestellten Verlauf abgibt. Das heißt, die Signalformerschaltung 21 gibt ein Signal des Wertes "1" ab, wenn die Unterbrecherkontakte 14 vom geschlossenen in den geöffneten Zustand übergehen, während beim übergang der Unterbrecherkontakte 14 von dem geöffneten in den geschlossenen Zustand ein

Signal des Wertes "0" abgegeben wird. 35

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Die Oszillatorschaltung 22 erzeugt das in

Fig. 4 (b) dargestellte Rechteckimpulssignal mit einer konstanten Frequenz von 5 kHz, wobei der Inverter 25 dieses Signal durch Inversion in ein neues Impulssignal umsetzt.

UND-Glied 23 erzeugt dann das in Fig.4(c) dargestellte zusammengesetzte Impulssignal, während das andere UND-Glied 24 das zusammengesetzte Impulssignal gemäß Fig. 4(d) erzeugt. Die Leistungstransistoren 26 und werden in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des zugehörigen UND-Gliedes 23 bzw. 24 durchgeschaltet und gesperrt, und zwar jeweils für die Zeitdauer T gemäß Fig. 4, da den Basen der beiden Leistungstransistoren 26 und 27 Impulssignale entgegengesetzter Phase zugeführt werden, so daß die Leistungstransistoren 26 und 27 den EIN-AUS-Schaltbetrieb ständig wiederholen.

In Fig. 5(a) ist der Signalverlauf gemäß Fig. 4(d) für die Zeitdauer T in vergrößertem zeitlichen Maßstab dargestellt. Hierbei wird der Leistungstransistor 26 zur Zeit t.. ,bei der das Ausgangssignal des UND-Gliedes 24 von dem Wert "0" auf den Wert "1" übergeht, vom leitenden Zustand in den Sperrzustand geschaltet, während der andere Leistungstransistor 27 vom Sperrzustand auf den leitenden Zustand umschaltet.

Wenn der Leistungstransistor 26 in den Sperrzustand geschaltet wird, fallt der bis zu diesem Zeitpunkt über die Diode 31 und den Leistungstransistor 26 fließende Primärstrom der Primärwicklung nicht sofort auf Null ab, wobei an den Anschlüssen 43 und 44 der Primärwicklung 41 eine Gegen-EMK in der in Fig. 2 durch den Pfeil X gekennzeichneten Richtung erzeugt wird.

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Ohne die Diode 32 würde der Primärstrom zwischen Basis und Kollektor des Leistungstransistors 27 fließen, so daß am Anschluß 43 der Primärspule 41 lediglich eine kleine Spitzenspannung erzeugt würde. Erfindungsgemäß ist jedoch die den Anschluß 44 und den Transistor 27 miteinander verbindende Diode 32 vorgesehen, die nach der Umschaltung des Leistungstransistors 26 in den Sperrzustand den Stromkreis zwischen Kollektor und Basis des Leistungstransistors 27 unterbricht, was zur Folge hat, daß in der ⁱⁿ Fig. 5(B) dargestellten Weise am Anschluß 43 der Primärwicklung 41 eine Trigger-Hochspannung V₁ erzeugt wird, die danach auf den ungefähr das Zweifache der Batteriespannung betragenden Wert V„ abfällt.

In gleicher Weise wird der Leistungstransistor 26 zur Zeit t₂, bei der der Rechteckimpuls von dem Wert "1" auf den Wert "0" übergeht, vom Sperrzustand in den leitenden Zustand geschaltet, während der Leistungstransistor 27 vom leitenden Zustand in den Sperrzustand übergeht.

Dementsprechend wird der über die Diode 32 und den Leistungstransistor 27 fließende Primärstrom unterbrochen und in der Primärwicklung 41 eine Gegen-EMK in der in Fig. 2 durch den Pfeil Y gekennzeichneten Richtung erzeugt. Am Anschluß 43 der Primärwicklung 41 wird daher eine negative Trigger-Hochspannung V₃ erzeugt, die danach auf Massepotential abfällt.

Dieser Vorgang wiederholt sich ständig, wodurch der Primärspannungsverlauf gemäß Fig. 5 (B) erhalten wird. In der Sekundärwicklung 4 2 des Transformators 4 0 wird hierbei entsprechend der Primärspannung eine hochtransformierte Sekundärspannung induziert, die sodann den Zündkerzen 1 zugeführt wird.

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Die Sekundärspule 4 2 erzeugt im Leerlauf eine Sekundärspannung mit dem in Fig. 5(C) dargestellten Verlauf, während bei Anschluß einer Zündkerze 1 die Sekundärspannung den in Fig. 5(D) dargestellten Verlauf annimmt.

Während der von dem EIN/AUS-Schaltvorgany

der Unterbrecherkontakte bestimmten Zeitdauer T gelangt nun die Läuferelektrode 12 des Zündverteilers 10 in die Nähe einer der Verteilerelektroden 11, so daß einer der Zündkerzen 1 eine Hochspannung von der Zündschaltung 20 zugeführt wird.

An der Zündkerze 1 erfolgt somit eine

Kapazitätsentladung in Abhängigkeit von der der Primärspannung V₁ entsprechenden Sekundärspannung, woraufhin
die Funkenentladung in Abhängigkeit von der der Primärspannung V₃ entsprechenden Sekundärspannung kontinuierlich für eine lange Zeit erfolgt.

Dieser Vorgang wiederholt sich sodann, so daß die Zündkerze 1 eines jeden Zylinders der Brennkraftmaschine eine annähernd kontinuierliche Funkenentladung über eine lange Zeitdauer durchführt und das
Brennstoffgemisch bei jedem Verbrennungszyklus gleich-

mäßig und zuverlässig gezündet wird.

Hierbei kann das der Brennkraftmaschine

zugeführte Brennstoffgemisch abgemagert oder eine beträchtliche Abgasrückführung vorgenommen werden, ohne daß nachteilige Auswirkungen in Bezug auf die Zündleistung auftreten, wodurch die Brennkraftmaschine einen niedrigeren Brennstoffverbrauch aufweist und der Anteil an Schadstoffen in den Abgasen in hohem Maße verringert wird.

Die in Bezug auf den Brennstoffverbrauch erzielbare Verbesserung ist in Fig. 6 veranschau-

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licht. Die zur Erstellung des Diagramms gemäß Fig. 6 an einer Brennkraftmaschine durchgeführten Versuche wurden bei einer Drehzahl von 14 00 min und einer Belastung bzw. einem Drehmoment von 1,2 kg-m sowie einem dem stöchiometrischen Wert entsprechenden Luft/Brennstoff-Verhältnis A/F von 14,8 vorgenommen. Bei Ausstattung mit einer üblichen Zündanlage hatte die Brennkraftmaschine den durch die Kurve A gemäß Fig. 6 veranschaulichten Brennstoffverbrauch, der einer Rate F von 460 (g/PS-h) entspricht, während bei Ausstattung der Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Zündanlage die Kurve B erhalten wurde, die einer Verbrauchsrate von 425 (g/PS*h) entspricht, was ein zufriedenstellendes Ergebnis darstellt.

Außerdem ist Fig. 6 zu entnehmen, daß bei einer üblichen Zündanlage im Falle eines über dem Wert 18 liegenden Luft/Brennstoff-Verhältnisses ein Fehlzündungsbereich beginnt, in welchem die Brennkraftmaschine zum Stillstand kommt, während der Fehlzündungsbereich bei der erfindungsgemäßen Zündanlage erst bei einem Luft/Brennstoff-Verhältnis von mehr als 20 einsetzt, wodurch sich ebenfalls die Steigerung der Zündleistung belegen läßt.

Obwohl bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Zündanlage die verwendeten Leistungstransistoren 26 und 27 NPN-Transistoren sind, können in der in Fig. 7 dargestellten Weise auch PNP-Transistoren stattdessen verwendet werden, wenn die Dioden 31 und 32 in entgegengesetzter Richtung geschaltet und die Batterie-Masseverbindung vertauscht werden.

Ferner wird bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsf orm der Zündverteiler IU zur VerLe i .1 umj <ier Hochspannung auf die Zündkerzen 1 verwendet, jedoch ist ^OJ im Falle einer Zweizylinder-Brennkraftmaschine auch

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] (.ine direkte Verbindung der Zündkerzen 1 mit den Anschlüssen 46 und 47 des Transformators 40 in der in Fig.8 dargestellten Weise möglich. Dieses System kann selbstverständlich auch bei einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine Verwendung finden, wenn zwei Transformatoren bzw. Zündspulen 4 0 vorgesehen werden.

Im übrigen kann die vorstehend beschriebene Zündanlage nicht nur bei Brennkraftmaschinen, sondern auch IQ bei Gasturbinen, Dampfkesseln und dergleichen Verwendung finden.

Zusammengefaßt besteht die Wirkung der vorstehend beschriebenen Zündanlage somit darin, daß in der geöffneten Schaltstellung der Unterbrecherkontakte eines Zündverteilers von einer Oszillatorschaltung erzeugte Impulse mit einer konstanten Frequenz einer mit der Primärwicklung eines Transformators bzw. einer Zündspule verbundenen Transistor-Gegentaktschaltung zugeführt werden. In Abhängigkeit von der mit konstanter Frequenz erfolgenden Umschaltung der Transistoren wird hierbei die Funkenentladung über die mit der Sekundärspule des Transformators bzw. der Zündspule verbundenen Zündkerzen wiederholt.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1J Zündanlage für Brennkraftmaschinen, gekennzeichnet durch eine Gleichspannungsquelle (4), durch einen mit einem Luftspalt (49) versehenen Magnetkern (48), durch eine um den Magnetkern gewickelte Primärwicklung (41) mit einem an einem Anschluß der Gleichspannungsquelle liegenden Zwischenabgriff (45), durch eine um den Magnetkern gewickelte und über einen Endanschluß mit einer Zündkerze (1) verbundene Sekundärwicklung (42), durch eine Steuersignalgeneratoreinrichtung (13, 14, 21)zur Erzeugung von jeweils Beginn und Ende einer Zündung der Brennkraftmaschine bezeichnenden Signalen, durch eine mit der Steuersignalgeneratoreinrichtung verbundene Impulssiqnalgeneratoreinrichtunq (22) zur Erzeugung von Impulssignalen mit einer konstanten Frequenz vom Beginn bis zum Ende der Zündung und durch einen Schalt-Kreis (23 bis 29), der zwei jeweils mit einer Steuerelektrode versehene Schaltelemente (26, 27) aufweist, die jeweils zwischen einen Endanschluß der Primärwicklung und den anderen Anschluß der Gleichspannungsquelle geschaltet sind, wobei ihre Steuerelektroden zur Erzielung eines in Abhängigkeit von den Impulssignalen erfolgenden abwechselnden Einschaltens und Abschaltens des durch die Primärwicklung fließenden elektrischen Stromes jeweils mit der Impuls

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Dresdner Pank (München» Kto 3939 844

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generatoreinrichtung verbunden sind.
2. Zündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Gegenstrom-Sperrdiode (31; 32) zwischen den jeweiligen Endanschluß der Primärwicklung und das zugeordnete Schaltelement geschaltet ist.
3. Zündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt des Magnetkerns annähernd mehr als 0,5 mm beträgt.
4. Zündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente jeweils aus einem Transistor bestehen.
5. Zündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Windungsverhältnis der Primärwicklung zu der Sekundärwicklung annähernd 1 : 100 beträgt und daß die Primärwicklung mehr als 20 Windungen aufweist.

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