DE3137239A1

DE3137239A1 - Plasmazuendvorrichtung und -verfahren fuer eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3137239A1
Application number: DE19813137239
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Yokosuka Kanagawa Endo
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1980-09-18
Filing date: 1981-09-18
Publication date: 1982-05-27
Also published as: DE3137239C2; GB2085076A; GB2085076B; US4369758A; JPS5756668A

Description

Plasmazündvorrichtung und -verfahren für eine Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Plasmazündvorrichtung, bei der insbesondere ein einziger Kondensator, der die hohe Zündenergie für jeden Zylinder speichert, mit der Ausgangsklemme eines Gleichspannungswandlers verbunden ist, um eine Plasmazündung dadurch zu bewirken, dass der Entladungsstrom des Kondensators dem Raum zwischen . den Elektroden der jeweiligen Zündkerzen über jeweilige Booster- oder Zusatztransformatoren zugeführt wird, wenn zu vorbestimmten Zündzeitpunkten jeweilige Schalter angeschaltet werden.

Plasmazündvorrichtungen wurden als Möglichkeit der Erzielung einer zuverlässigen Zündung und einer höheren Zuverlässigkeit der Kraftstoffverbrennung selbst unter Ϊ5- .Maschinenarbeitsverhältnissen entwickelt, bei denen die Gefahr besteht, dass die Verbrennung instabil ist, wenn die Maschine bei geringer Last arbeitet oder das Kraft-■ stoff/Luftgemisch arm ist.

· Bei bekannten Plasmazündvorrichtungen wird jedoch ein Strom, der von einer Batterie zur Primärwicklung einer Zündspule fliesst, durch einen Kontaktpunkt an- und abgeschaltet, der entsprechend der Umdrehung der Kurbelwelle betätigt wird, um Hochspannungsimpulssignale in der Sekundärwicklung der Zündspule zu erzeugen. Diese Hochspannungsimpulse liegen über eine Diode am Verteiler und anschliessend der Reihe nach über jeweilige Hochspannungskabel an jeweiligen Zündkerzen. Zwischen den Elektroden der Zündkerzen wird daher ein Zündfunke erzeugt, woraufhin die elektrische Ladung hoher Energie und relativ niedriger Spannung von einer Plasmazündenergieversorgungseinheit

* da »ο ρ» α* ο

*« β * « 0« μ π a β, 4

V^ «α» ^e Ao ο» » α *öft

an die Elektroden für ein kurzes Zeitintervall gelegt wird, um ein Plasma zu erzeugen.

Da bei den bekannten Plasmazündvorrichtungen die. Äusgängsspannung der Plasmazühdenergieversorgungseinheit gleichzeitig an allen Zündkerzen liegt, können unerwünschte Entladungen zwischen den Elektroden zu anderen Zeitpunkten als den gewünschten Zündzeitpunkten auftreten, was zu der Schwierigkeit einer irregulären Entladung führt. 10

In der Diode wird weiterhin eine grosse Energiemenge verbraucht.

Da darüberhinaus bei den bekannten Plasmazündvorrichtungen Hochspannungskabel zwischen die Zündkerzen und die .Energieversorgungseinheit geschaltet sind, fliesst ein impulsförmiger Strom durch die Kabel, was zu der weiteren Schwierigkeit führt, dass ein starkes elektrisches Breitbandrauschen von den Hochspannungskabeln erzeugt wird.

Weitere Einzelheiten der bekannten Plasmazündvorrichtungen werden später in Verbindung mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert.

In Hinblick auf die oben beschriebenen. Schwierigkeiten bei bekannten Plasmazündvorrichtungen ist es das Ziel- der Erfindung, eine Plasmazündvorrichtung zu schaffen, die zuverlässig eine irreguläre Entladung zwischen den Elektroden vermeidet und die Notwendigkeit, eine hochspannungsbeständige Diode vorzusehen, beseitigt, so dass der Energieverbrauch herabgesetzt wird und dadurch die Zuverlässigkeit und die Wirksamkeit der Plasmazündung erhöht werden»

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine Plasmazündvorrichtung, bei der ein einziges Hochspannungskabel sowohl zum Zuführen der Funkenentladespannung als auch des Plasmazündströmes verwandt werden kann, so dass die Verdrahtung kompakt wird.

Ziel der Erfindung ist auch eine Plasmazündvorrichtung, bei der es möglich ist, zu vermeiden, dass ein elektrisches Rauschen von der Zündkerze ausgeht, das bei der Entladung der Zündkerze erzeugt wird.

. Dazu umfasst die erfindungsgemässe Plasmazündvorrichtung einen Gleichspannungswandler zum Verstärken einer Versorgungsgleichspannung auf eine Hochspannung, einen einzigen Zündenergiekondensator zum Speichern der elektrischen Zündenergie, der mit dem Ausgang des Wandlers verbunden ist, eine Anzahl von Schaltern, -um die Zündenergie an die Plasmazündkerzen zu geeigneten Zündzeitpunkten zu legen . und eine Vielzahl von Zusatztransformatoren.

.. . Bei der erfindungsgemässen Plasma zündvorrichtung dient weiterhin ein einziges Hochspannungskabel· dazu, sowohl die Zündfunkenentladespannüng als auch den Plasmazündstrom zuzuführen, um die Verdrahtung kompakt zu machen.

Bei der erfindungsgemässen Plasmazündvorrichtung sind weiterhin die Zündkerze, der Zusatztransformator, der Hilfskondensator durch eine Metallabschirmung abgeschirmt und ist ein zylindrischer Rausch-Kurzschlusskondensator in der Metallabschirmung vorgesehen, der den Eingangsleiter umgibt, um zu verhindern, dass ein elektrisches Rauschen erzeugt wird, wenn die Zündkerze entladen wird.

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Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine Längsschnittansicht einer Plasmazündkerze, die bei einer Plasmazündvorrichtung verwandt wird.

Fig. 2 zeigt das schematische Blockschaltbild einer typischen bekannten Plasmazündvorrichtung.

Fig. 3 zeigt das schematische Blockschaltbild eines

bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Plasmazündvorrichtung. .

Fig. 4 zeigt die Wellenformen der Zündsignalimpulse, die an den verschiedenen Punkten der in Fig. 3 dargestellten Plasmazündvorrichtung erzeugt werden.
20

Fig. 5 zeigt das Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Schalters für die erfindungsgemässe Plasmazündvorrichtung.

Fig. 6 zeigt die Wellenform der Zündsignalimpulse, die

an den verschiedenen Punkten der in Fig. 5 dargestellten Schaltung erzeugt werden.

Fig. 7a zeigt das äquivalente Schaltbild der Zylinderzündschaltung für die erfindungsgemässe Plasma

zündvorrichtung.

I * · B

-JS-

Fig. 7B zeigt das äquivalente Schaltbild einschliess-• lieh der Primärwicklung des Zusatztransformators in Fig. 7A.

. 5 . Fig. 8 zeigt ein weiteres äquivalentes Schaltbild

der in Fig. 7B dargestellten Schaltung.

Fig. 9 zeigt in einer grafischen Darstellung den Einschwingzustand der Spannung V_p und des Stromes ip in und über der Primärwicklung des

Zusatztransformators, nachdem eine Entladung in der Zündkerze erfolgt ist. ■

Fig. 10 .zeigt das äquivalente Schaltbild einschliesslich der Sekundärwicklung des Zusatztransformators

in Fig. 7A.

Fig. 11 zeigt in einer grafischen Darstellung den Einschwingzustand der Spannung -v , die über der 20■ Sekundärwicklung des Zusatztransformators

entwickelt wird, nachdem in der Zündkerze eine Entladung erfolgt ist.·

Fig. 12 · zeigt in einer grafischen Darstellung den EiniSchw-Lngzustand; des Stromes i , der < Elektroden der Zündkerze fliesst.

iSchw-Lngzustand; des Stromes i , der durch die

Im folgenden wird zunächst anhand der Fig. 1 und 2 und insbesondere anhand von Fig. 2 eine bekannte Plasmazündvorrichtung beschrieben. ·

Fig. 1 zeigt eine typische Plasmazündkerze 1, die bei einer bekannten Plasmazündvorrichtung verwandt wird. Bei dieser Zündkerze ist der Zündspalt zwischen einer zentralen Elektrode 1A und einer Seitenelektrode 1B von einem elektrisch isolierenden Material 1c, beispielsweise einem keramischen

Material, umgeben, um einen kleinen Entladezwischenraum 1a zu bilden. Fig. 2 zeigt das Schaltbild einer bekannten Plasmazündvorrichtung, bei der die oben beschriebenen Plasmazündkerzen 1 verwandt werden. Bei dieser Schaltung wird der von einer Batterie 3 zur Primärwicklung einer Zündspule 4 fliessende Strom über einen Kontaktpunkt 2 an- und abgeschaltet, der durch die Umdrehung der Kurbel- ' welle betätigt wird, um ein Hochspannungsimpulssignal mit einer maximalen Spannung -20 bis -30 kV in der Sekundärwicklung der Zündspule 4 zu erzeugen. Der Hochspannungsimpuls liegt über eine Diode 5 an einem Verteiler 6, um zu verhindern, dass Plasmaenergie verlorengeht,und an- ' schliessend in der Zündreihenfolge über jeweilige Hochspannung skabel 7„von denen jedes einen Widerstand enthält, an den Zündkerzen 1, die in den Verbrennungskammern der jeweiligen Zylinder angeordnet sind. Die Zündkerze T, an der ein Hochspannungsimpuls liegt, erzeugt einen Zündfunken zwischen der zentralen Elektrode IA und der Seitenelektrode 1B und anschliessend fliesst eine elektrische

20. Entladung mit hoher Energie von einigen Joules und relativ niedriger Spannung von -1 bis -2 kV zwischen den Elektroden für ein kurzes Zeitintervall von beispielsweise einigen . hundert Mikrosekunden von einer Plasmazündenergieversorgungseinheit 8, um ein Plasma im Entladezwischenraum 1a zu erzeugen. Es ist daher möglich, das Gemisch sicher zu zünden und die Verbrennung durch Einstrahlen des Plasmas von einem Einstrahlloch 1b in der Zündkammer 1 in die Verbrennungskammer zu stabilisieren. In Fig. 2 sind weiterhin Dioden 9 dargestellt, die zum Schutz der Plasmazündenergie-Versorgungseinheit 8·vorgesehen sind.

Da bei der in Fig. 2 dargestellten bekannten Plasmazündvorrichtung die Ausgangsspannung von der Plasmazündenergieversorgungseinheit 8 jedoch gleichzeitig an allen Zündkerzen 1 in den Zylindern liegt, kann dann, wenn die Isolierung zwischen den Elektroden der Zündkerzen 1 aufgrund

AH*

JT-

des Einflusses von Feuchtigkeitsänderungen im Gemisch während des Ansaugtaktes oder aufgrund von an den Zündkerzen 1 haftenden Kohlenstoffes durchbricht, eine unerwünschte Entladung zwischen den Elektroden der Zünd-5" kerzen 1 durch die Spannung der Energieversorgungseinheit 8 zu anderen Zeitpunkten als den gewünschten Zündzeitpunkten erzeugt werden, was zu der Schwierigkeit von irregulären Entladungen, beispielsweise einer Entladung in der Zündkerze 1 an einem anderen als dem bestimmten Zündzeitpunkt führt.

Es wird weiterhin eine grosse Energiemenge verbraucht, wenn der Plasmazündstrom durch die hochspannungsbeständigen Dioden 9 fliesst, wobei dieser Energieverbrauch etwa die Hälfte der gesamten Entladungsenergie ausmacht.

Da weiterhin Hochspannungskabel 7' mit einem Widerstand von einigen zehn Ohm oder weniger die Anschlüsse jeder Zündkerze 1 mit der Energieversorgungseinheit 8 über die hochspannungsbeständigen Dioden 9 ^verbinden, wandert dann, wenn sich die Zündkerze 1, an der ein Hochspannungszündimpuls von der Zündspule 4 liegt, zu entladen- beginnt, ein impulsförmiger Strom mit einem Spitzenwert von beispielsweise einigen zehn Amperes und einer Impulsbreite von beispielsweise einigen Nanosekunden, der um die Zündkerze 1 fliesst, zu den Hochspannungskabels 7', was zu der weiteren Schwierigkeit führt, dass ein starkes elektrisches Breitbandrauschen von den Hochspannungskabeln 7¹ im Bereich von einigen zehn MHz bis einigen · hundert MHz ausgeht.

In Hinblick auf die obigen Ausführungen wird im folgenden anhand der Fig. 3 bis 13 und insbesondere anhand von Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung beschrieben.

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Bei der' erfindungsgemässen Plasmazündvorrichtung ist ein einziger Kondensator zum Speichern der Zündenergie für eine Vielzahl von Zylindern vorgesehen, fliesst.ein Teil des vom Kondensator entladenen Stromes der Reihe nach durch die Primärwicklung jedes Zusatztransformators, wird die von der Sekundärwicklung erzeugte Hochspannung der jeweiligen Zündkerze zugeführt, um darin eine Funkenentladung hervorzurufen und wird der restliche Entladestrom der Zündkerze später zugeführt, um die Plasmazündung zu bewirken.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Plasmazündvorrichtung beschrieben.

· .

-Wie es in.Fig. 3 dargestellt ist, die den Aufbau der gesamten Vorrichtung zeigt, sind ein Zündenergieladekondehsator C₁ mit einer Kapazität von beispielsweise etwa 4 μΡ und eine Vielzahl von Schaltereinheiten 15, die jeweils mit einem zylindrischen Rausch-Kurzschlusskondensator C kleiner Kapazität von beispielsweise etwa 1000 pF, der Sekundärwicklung Ls eines Booster- oder Zusatztransformators T und der zentralen Elektrode einer Zündkerze P in Reihe geschaltet sind, parallel mit der Ausgangsklemme Vo eines gemeinsamen Gleichspannungswandlers 10 verbunden, der die Batteriegleichspannung von 12V. auf eine Gleichspannung von 10 00 V verstärken kann.

Die Schaltereinheiten. 15 werden über die Ausgangsklemmen einer Verteilersteuereinheit 14 gesteuert und sind mit den Ausgangsklemmen der Verteilersteuereinheit 14 verbunden, die unabhängig aus 4-Bit-Ringzählern 12A und monostabilen Multivibratoren 13 aufgebaut ist, so dass die Schaltereinheiten jeweils angeschaltet werden, wenn 35

jeweilige Signale a bis d von den jeweiligen Ausgangsklemmen der Verteilersteuereinheit 14 zu den jeweiligen bestimmten Zündzeitpunkten anliegen.,

Die Primärwicklungen Lp der Zusatztransformatoren T liegen jeweils über Hilfskondensatoren C₂ an Masse, die eine kleinere Kapazität von beispielsweise etwa 0,2 üF als der Zündenergiespeicherkondensator C-. haben. Bei .dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedes System aus einer Zündkerze P, einem Zusatztransformator T und dem Hilfskondensator C-j von einem Metallgehäuse 16 abgeschirmt und ist im Metallgehäuse der jeweilige zylindrische Rausch-Kurzschlusskondensator Co vorgesehen, wobei die an Masse liegende Wand des zylindrischen Kondensator C₃ mit der Wand des Metallgehäuses 16 in Kontakt steht.

Wie es in einer vergrösserten Teilansicht in Fig. 3 dargestellt ist, geht im zylindrischen Rausch-Kurzschlusskondensator C₃ ein Draht 20 durch dessen mittlere Öffnung hindurch, wobei das zylindrische Metallgehäuse 21 an einer an Masse liegenden Metallabschirmung 16, befestigt ist ■ und zwischen dem Draht und dem Gehäuse 21 eine Isolation 23 vorgesehen ist.· Das elektrische Rauschen im Draht 20 kann daher wirksam zum Metallgehäuse 16, d.h. zur Masse über die Isolation 23 kurzgeschaltet werden, so dass das Ausgehen eines Rauschens vom Draht 20 verhindert werden kann,

Im folgenden wird die Arbeitsweise der in der oben beschriebenen Weise aufgebauten Plasmazündvorrichtung beschrieben.

Eine Hochspannung Vo von beispielsweise 1000 V vom Gleichspannungswandler 10 liegt direkt am Kondensator C.,um den Kondensator C₁ mit hoher Zündenergie von beispielsweise 2 Joüles aufzuladen.

Wenn das Ausgangssignal von einem Kurbelwellenwinkelsensor 11, der zweimal pro Umdrehung der Kurbelwelle ein Impulssignal bei einer Vierzylindermaschine synchron mit der Umdrehung der Kurbelwelle erzeugt, am 4-Bit-Ringzähler 12 der Verte.ilersteuereinheit 14 liegt, erzeugt der Ringzähler 12 vier Impulssignale mit hohem Pegel und einer Breite von 0,5 ms in der Zündreihenfolge entsprechend dem vorbestimmten Zündzeitpunkt, wie es durch die Impulssignale'B-E in Fig. 4 dargestellt ist. Diese Impulse liegen der Reihe nach an den jeweiligen monostabilen MuIt!vibratoren 13, um jeweilige Zündimpuls-. signale a-d von den jeweiligen Ausgangsklemmen den jeweiligen Schaltereinheiten 15 auszugeben.

Wenn ein Zündimpulssignal mit hohem Pegel an einer Schaltereinheit 15 liegt, wird die Schaltereinheit 15 angeschaltet, um die im Kondensator C₁ gespeicherte Zündenergie zu entladen. Da zu diesem Zeitpunkt das Potential an der Anschlussklemme A abrupt von V_Q auf Null abfällt, ändert sich der Potentialunterschied V _ß zwischen den Klemmen A und B des Kondensators C, abrupt von

Null auf -V aufgrund des Einflusses der Induktivität ο

der Primärwickluhc, L_p des Zusatztransformator.

Eine Hochspannung -V liegt somit am jeweiligen Zusatztransformator T über die Mitte des zylindrischen Kondensators C-j. Da ein Strom vom Kondensator C, zum Kondensator C₂ mit einer kleineren Kapazität als der Kondensator C₁ über die Primärwicklung Lp fliesst, wird eine hochfrequente Spannung mit einem maximalen Wert von etwa +_ V zwischen den Klemmen der Primärwicklung Lp erzeugt.

- rf -

Wenn das Windungsverhältnis der Primärwicklung Lp zur Sekundärwicklung Ls 1:N,beispielsweise 20 beträgt, wird eine hochfrequente Spannung von etwa + N · V, beispielsweise _+. 20 kV über der Sekundärwicklung Ls erzeugt, da die Spannung der Sekundärwicklung so ver-• stärkt wird, dass sie N mal grosser als die der Primärwicklung wird, so dass eine Entladung zwischen der zentralen Elektrode und der Seitenelektrode der Zündkerze P auftritt.

Wenn somit, einmal eine Entladung in der Zündkerze P aufgetreten ist, wird der Zwischenraum zwischen den Elektroden mit einem gewissen Entladewiderstand leitend und liegt daher ein Teil der Hochenergie von etwa 2 Joules _f die im Kondensator C₁ gespeichert ist, anschliessend zwischen den Elektroden der Zündkerze P für. ein kurzes Zeitintervall über die Sekundärwicklung Ls, wobei in diesem Fall der Spitzenwert des Stromes unter einigen zehn Amperes gehalten wird.

.":■■■

' Wenn diese elektrische Ladung mit hoher Energie zugeführt wird, wird im EntladeZwischenraum der Zündkerze P ein Plasma erzeugt, so dass das Gemisch vollständig gezündet wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden weiterhin die Schaltereinheiten 11 durch die Zündimpulssignale a-d mit .hohem Pegel angeschaltet', die von der Verteilersteuereinheit 14 ausgegeben werden, um die Hochenergie den entsprechenden Zündkerzen P in derselben Reihenfolge a bis d zuzuführen, so dass die Zylinder in der Reihenfolge des 1.,4.,3. und 2.. Zylinders gezündet werden. Die Spannung Vs zwischen den Elektroden jeder Zündkerze P ändert sich in der in Fig. "4 dargestellten Weise.

Da bei einer Plasmazündvorrichtung mit diesem Aufbau der Plasmazündstrom det: Zündkerze P nur zum Zündzeitpunkt zugeführt wird und da es möglich ist, zu verhindern, dass eine Hochspannung während der Erregung der anderen Zündkerzen anliegt, ist es möglich, zuverlässig eine irreguläre Entladung zu vermeiden, so dass keine unerwünschte Zündung in den Zylindern während der anderen Takte auftritt.

Da es weiterhin nicht notwendig ist, eine hochspannungsbeständige Diode in der Entladeleitung vom Kondensator Cj zum Zündspalt zwischen den Elektroden der Zündkerze· P vorzusehen, kann ein Zündenergieverbrauch in der·Diode • vermieden werden, so dass der Energieversorgungswirkungsgrad der Zündvorrichtung merklich grosser ist.

Da es weiterhin möglich ist, ein einziges Hochspannungskabel zur Zuführung der Funkenentladespannung zur Zündkerze P zu Beginn der Zündung und zur Zuführung des Plasmazündstromes während der Zündung zu verwenden, kann die Verdrahtung kompakt gemacht werden.

Da weiterhin die Zündkerze P, Der Zusatztransformator T und der Hilfskondensator C- durch das Metallgehäuse 16 in der in der Zeichnung dargestellten Weüse abgeschirmt ■ sind und der zylindrische Rausch-Kurzschlusskondensator C₃ auf die Eingangsklemme gepasst ist, ist es möglich, zu vermeiden, dass ein elektrisches Rauschen von der Zündvorrichtung ausgeht, das durch Impulsströme erzeugt wird, die in der Nähe der Zündkerze P zu Beginn der Entladung f Hessen.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Schaltereinheit 11 beschrieben.
35

t * -ι-·

Fig. 5 zeigt den Schaltungsaufbau eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Schaltereinheit 11. Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel ein elektrostatischer Induktions- oder Influenztransistor, d.h. eine Art eines hochspannungsbeständigen Feldeffekttransistors, als Halbleiterschaltelement verwandt wird, ist es natürlich auch möglich, einen Thyristor, d.h. einen siliciumgesteuerten Gleichrichter, einen hochspannungsbeständigen Transistor usw. als Schaltelement zu verwenden. Da im . normalen Zustand das Zündimpulssignal einen niedrigen Pegel hat und somit das Ausgangssignal des Inverters 13 einen hohen Pegel hat, wird der Transistor Q^ durchgeschaltet gehalten. Wenn die Eingangsspannung V. (1000 V) •beträgt, und die Ausgangsspannung V₂ durch die Widerstände R.. und R₂ modifiziert ist, ergibt sich die Spannung V-in der folgenden Weise:

Da bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Spannung V der Z-Diode ZD so gewählt ist, dass

R₁ + R₂

ist, fliesst kein Strom durch die Z-Diode ZD und beträgt die Spannung V „ zwischen der Source S und dem Gate G . des elektrostatischen Induktionstransistors Q₂

^VSG ⁼ " R₁ + R₉
35

so.dass die Spannung V _G unter der Pinch-Off-Spannung gehalten wird, um dadurch den zwischen dem Drain D und der Source S des Transistors Q2 fliessenden Drainstrom zu unterbrechen.

Der Transistor Q₂ sperrt daher, so dass die Schaltereinheit geöffnet oder ausgeschaltet ist.

Wenn sich das Zündimpulssignal anschliessend auf einen hohen Pegel ändert und somit das Ausgangssignal des Inverters 13 auf einen niedrigen Pegel kommt, sperrt der Transistor Q₁. Da die Spannung V__G von

^R2 ·

~ Έ~—x~^B * V₁ auf Null geht, wird dementsprechend

- .

der Transistor Q₂ durchgeschaltet, so dass die Ausgangsspannung V„ des Transistors Q. gleich V., wird. In diesem Fall beträgt der Widerstand zwischen dem Drain und der

Source r etwa 3 Ohm.
on

Wenn das Zündimpulssignal a wieder auf den niedrigen Pegel zurückkehrt, wird der Transistor Q., durchgeschaltet.. In diesem Augenblick ändert sich die Spannung über dem Widerstand R„ augenblicklich auf V^, da der Transistor Q₂ durchgeschaltet ist. Da jedoch ein Strom durch die Z-Diode fliesst, die bereits durchgeschaltet wurde, wird die Spannung V_c,_c zwischen der Source und dem Drain auf der Spannung -V gehalten, ohne über die maximale Nenn-Spannung von V_gG0 anzusteigen. Da in diesem Fall die" folgende Beziehung

V_p

erfüllt ist, bleibt die Spannung V_gG unter der Pinch-Off-Spannung V , so dass der Transistor Q^ wieder sperrt und der Strom zwischen dem Drain und der Source wieder unterbrochen wird.

Il

Fig. 6 zeigt die Wellenform der Spannung an den verschiedenen Punkten der in Fig. 5 dargestellten Schaltung mit Schalterfunktion.

im folgenden wird eine theoretische Analyse der Einschwingerscheinungen der Zündschaltung gegeben, die bei der erfindungsgemässeh Plasmazündvorrichtung verwandt wird,

• um die Änderungen der Entladespannung V_g zwischen den Elektroden der Zündkerze zu untersuchen. -

Wenn mit r der Innenwiderstand der Schaltereinheit 15 bezeichnet wird, ist es möglich, die jeweiligen Zündschaltungen für die jeweiligen Zylinder in Form einer äquivalenten" Schaltung darzustellen, die in Fig. 7A wiedergegeben ist. In dieser äquivalenten Schaltung fehlt der Konden-. .sator C₃, da die Kapazität des Kondensators C₃ mit 1000 pF sehr klein verglichen mit der des Kondensators C- mit 0,2 \iF ist, so dass der Kondensator C₃ nur einen sehr kleinen Einfluss auf die Einschwingerscheinungen der Schaltung ausübt.

Wie es bei der äquivalenten Schaltung von Fig. 7A der Fall ist, ist es auch möglich, die andere äquivalente Schaltung

einschließlich nur der Primärwicklung L~ in der in Fig. 7B dargestellten Weise darzustellen.

Wenn mit V die Spannung über dem Kondensator C, unmittelbar vor dem Anschalten des Schalters SW bezeichnet wird, ergibt die im Kondensator C₁ gespeicherte elektrische Ladung Q als

.Q= C₁V₀ ■ (1)

Wenn mit q die elektrische Ladung bezeichnet wird, die im Kondensator C~ t Sekunden nach dem Anschalten des Schalters gespeichert ist, ergibt sich aufgrund der Tatsache, dass die elektrische Ladung im Kondensator C. gleich Q₁-q ist, die folgende Gleichung:

^Lp 7Ϊ²" ⁺ "on "df- ⁺ -% ^s C_{1 (2A)}

Wenn die Gleichung (2A) durch Einsetzen der Gleichung (1) umgeschrieben wird, ergibt sich die folgende" Gleichung:

L ^{d q} 4. r dg .,1^1, Q

is. ^lp _dt2 ^{+ r}on -ar ⁺ (-ej ⁺ -c^)q - -^ = v_o ■ _(2B)

Wenn C. - 4 μΓ und C₂ = 0,2 μΡ, ist die Beziehung

1 ss 1 erfüllt, so dass die Gleichung (2B) in ^C1 ^C2

der folgenden Weise vereinfacht werden kann:

^Lp "ö"^{+ r}- ■%- ⁺ -% ^{= v}° ^(2c)

In Abhängigkeit von der Gleichung (2C) ist es möglich, die äquivalente Schaltung von Fig. 7B auf die in Fig. dargestellte Schaltung umzuschreiben.

Eine Einschwingerscheingun für den Fall, dass der Schalter vom geöffneten Zustand auf den geschlossenen Zustand bei der Äquivalentschaltung von Fig. 8 umgeschaltet wird, wird im folgenden analysiert. Auf der Basis der üblichen Schwingungstheorie einer Schaltung mit einer Induktivität, einem Kondensator und einem Widerstand, die in Reihe geschaltet sind, ergibt sich die folgende Analyse.

Wenn r_Qn = 3 Ohm, L_p = 100 μ Η und C₂ = 0,2 ist die folgende Beziehung erfüllt:

On«»/¹·

Der Strom i t Sekunden nach dem Anschalten des Schal-

P
ters SW kann aus dem theoretischen Ausdruck dieser

.10 Schwingungsschaltung in der folgenden Weise erhalten werden:

i = ° » _e'^a-^fc.sin ß.t

Durch Einsetzen der Bedingung (3) in die Gleichung (4) ergibt sich: "

. ·

ip = 4.5 χ ΙΟ"² ν_ο._ε~^α1¹ sin B^ (5)

wobei
25' ' '

^ßi ⁼ /-TTc- - i-ir¹-¹² - ²·³ *

^ ^{P 2 P}

Die Schwingungsperiode ist daher ^TP1 = 2UZB₁ = 27 v

Die Zeit t . von dem Zeitpunkt an, an dem der Schalter angeschaltet wird, bis zu dem Zeitpunkt, an dem der

Strom i seinen ersten Spitzenwert i erreicht, ist ρ · ^c mo

aus einem anderen theoretischen Ausdruck dieser Schaltung in der folgenden Weise gegeben:

t■ . = ®i/^i' wobei tan θ^ = ß]/^ai

Θ_Ί = tan ^x( ) = 0.487Γ = 1.5

¹ .1.5 χ ICP ,

t - ist daher gleich 6,5 μβ, wobei weiterhin gilt

■ ^lmo - ^.J-^e-T^l - 4.1 χ 10"²V₀ (A)

Wenn andererseits V die Spannung über der Wicklung L_p bezeichnet,so ist:
20

= _L * ip h_n. _dt

ο -Λ. t·

t - e,)

25 ν '2 /__P_ _ ₍_^n_j2

(6)

. Fig. 9 zeigt den Strom ip und die Spannung V_p einer hochfrequenten gedämpften Schwingung, die durch die Gleichungen (4) und (6) ausgedrückt wird.

Dabei kann die Halbamplitudenperiode T, während der die Amplitude der Schwingungsspannung V auf die Hälfte ihre Anfangswertes abnimmt, dadurch erhalten werden, dass Jj _Λ = 1,5 χ 10⁴ in die Beziehung ί~^\^% = 0,5 eingesetzt wird, so dass sich ergibt:

Y = 0,46 χ 1 θ"⁴ s = 46 με

W *

Fig. 10 zeigt andererseits eine zu der in Fig. 7A dargestellten Schaltung äquivalente Schaltung einschliesslich der Sekundärwicklung L_ des Zusatztransformators T. ■

■ Wenn η das Windungsverhältnis des Zusatztransformators T ist, kann die Klemmenspannung ν -über der Sekundärwicklung L ausgedrückt werden als ν = η·ν , was in Fig. 11 in Form einer hochfrequenten gedämpften Schwingung dargestellt ist. Wenn beispielsweise das Schwingungsverhältnis η gleich 20 ist und der maximale Wert V„ von ν 1000 V beträgt, erreicht der maximale Wert von ν 20 kV, was eine zuverlässige Funkenentladung unter allen Maschinenarbeitsverhältnissen zulässt.

Der Strom i t Sekunden nach dem Anschalten des Schalters . SW kann in der folgenden Weise erhalten werden■.

Da der Entladewiderstand

r > r s ^ on

ist, wobei R = r = 100 Ohm, L„ = 40 μΗ, C₁ = 4 [ΐΈ_t ist

S - to .I

die Beziehung R < 2 —^— erfüllt. 25· Wenn im theoretischen Ausdruck i = - i ■ist, ergibt sich aufgrund der Tatsache, dass Q = C-j *V_Q ist:

'. ... 2C,V _{α t} ■/

da α_ο = r /2L_C = 1250

^Ls^Cl ^2Ls

^s = 2170

Wenn

i = I₀ ist, beträgt der Spitzenwert I_ü0 von i

ΙΩΟ ir £ ir £ ·.

nach einer Zeit von t ~:

p2

^B2 ²

wobei tan9₂ -i

Daher ist ^ao .

-^θ₂ -0.58

Ein Einsetzen dieses Wertes in Gleichung (8) ergibt

¹P₂ - 5.6 χ 1O~^{3 x v}o ^und

_h ⁹2

P2 ⁼ ~fj- ^s °-46 (ms)

Der Strom i„ kann daher als ein Impulssignal ausgedrückt werden, das in Fig. 12 dargestellt ist, so dass eine hohe Energie von etwa 2 Joules, die im Kondensator C. geladen ist, während eines kurzen Zeitintervalls

2«

T ~/2 = —τι— = 1,4 ms der Zündkerze zugeführt wird/ .p2 /S₂

wobei T₂ die Periode des Stromes i bezeichnet.

Da zu diesem Zeitpunkt ν und die Entladespannung i · r beim Zuführen von i einander" überlagern, ergibt sich die Klemmenspannung V " über den Klemmen der Zündkerze P durch den folgenden Ausdruck:

^Vs ^{= v}s ⁺ V^rs "

Fig. 13 zeigt die Wellenform der Spannung V .

Da in der oben beschriebenen Weise die erfindungsgemässe Plasmazündvorrichtung so ausgebildet ist, dass der Kondensator zum Speichern der hohen Zündenergie für jeden Zylinder unabhängig mit der Ausgangsklemme des Gleichspannungswandlers verbunden ist, um eine Plasmazündung dadurch zu bewirken, dass der vom Kondensator entladene Strom dem Zwischenraum zwischen den Elektroden der Zündkerze über den relevanten Zusatztransformator zugeführt wird, wenn die relevante Schaltereinheit zu dem bestimmten Zündzeitpunkt angeschaltet wird, ist es möglich, eine irreguläre Entladung zwischen den Elektroden zu vermeiden,· die Notwendigkeit, hochspannungsbeständige Dioden in der Entladeschaltung vorzusehen, zu beseitigen, den Energieverbrauch herabzusetzen und dadurch merklich den Wirkungsgrad der Energieversorgung der Zündvorrichtung zu erhöhen.

.

Da weiterhin die Spannung über dem die Zündenergie speichernden Kondensator entsprechend dem Windungsverhältnis des Zusatztransformators kleiner sein kann, ergibt sich eine höhere Haltbarkeit der Schaltereinheit. Da weiterhin ein einziges Hochspannungskabel· dazu benutzt

werden kann, die Funkenentladespannung und den Plasmazündstrom zuzuführen, ist es möglich, die Verdrahtung kompakt auszugestalten.

Da weiterhin jede Zündkerze, jeder Zusatztransformator und jeder Hilfskondensator so angeordnet ist, dass sie von einer Metallabschirmung umhüllt sind und ein zylindrischer Rausch-Kurzschlusskondensator im Gehäuse um den Zuleitungsdraht herum vorgesehen ist, ist es möglich, zu verhindern, dass ein elektrisches Rauschen austritt, das dann erzeugt wird, wenn die Zündkerze entladen wird.

Claims

GRÜNECKER, KINKELDEY. STOCKMAIR & PART&ER*· - ^: '.'..'« ■ PATENTANWÄLTE

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A GRÜNECKER, oft. irrt

DR H. KINKELDEY. nut. κ

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OR K. SCHUMANN, r«v pwys

P. H. JAKOB, Dipu iNO

DR G. BEZOLD. oipl-chem

W. MEISTER, oir-ino

H. HlLGERS. dipl-ino:

DR H. MEYER-PLATH. opu-ino

. ITISSAIT KOTOH COMPAKT, LIMITED 2, 'T^:'.kara-cho, Kanagawa-ku, Yol:ahaaa-shi,
'Kanagawa-ken, Japan

PATENTANSPRÜCHE

8000 MÜNCHEN 22

MAXIMILtANSTRASSE 43 P 16 568 P/ht.

1G. September 1981

t.J Plasma zündvorrichtung für eine Brennkraf tnaaschine, .

gekennzeichnet durch

(a) eine Vielzahl von Plasmazündkerzen (P), deren eine Anschlussklemme an Masse liegt,

(b) einen Gleichspannungswandler (10) zum Verstärken einer Versorgungsgleichspannung auf eine Hochspannung,

(c) einen.Zündenergiekondensator (C-) zum Speichern der elektrischen Zündenergie, wobei der Zündenergiekondensator (C.) mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers (10) verbunden ist.

TFLtPON (O Θ9) 22 28 β2

¹TLEXQI 2Ö360

(d) eine Vielzahl von Schaltereinheiten (15), von denen jede die im Zündenergiekondensator (C₁) geladene Zündenergie der jeweiligen Plasmazündkerze (P) zu einem geeigneten Zündzeitpunkt zuführt, wobei die Schaltereinheiten (15) mit dem Zündenergiekondensator (C₁) verbunden sind,

(e) eine Vielzahl von Booster- oder Zusatztransformatoren (T), von denen jeder die Spannung über dem Zündenergiekondensator (C.) auf eine noch höhere Spannung verstärkt, wobei der gemeinsame Anschluss der Primärwicklung (L ) und der Sekundärwicklung (L ) jeweils

P ^s

mit der entsprecheden Schaltereinheit (15) verbunden ist, während die andere Anschlussklemme der jeweiligen Sekundärwicklung mit derjenigen Anschlussklemme der jeweiligen Plasmazündkerze (P) verbunden ist, die nicht an Masse liegt, und

(f) eine Vielzahl von Hilfskondensatoren (C2)/ von denen jeder dazu dient, die andere Anschlussklemme der Primärwicklung des jeweiligen Zusatztransformators mit Masse zu verbinden, wobei die Hilfskondensatoren zusammen . mit der Primärwicklung des Zusatztransformators einen Schwingkreis bilden, so dass dann, wenn die Schaltereinheit angeschaltet wird, um einen Strom von dem Zündenergiekondensator (C ) zum Hilfskondensator (C-) über die Primärwicklung (L ) zu entladen, eine Hochspannung an der Sekundärwicklung des Zusatztransformators erzeugt wird, um einen Zündfunken zwischen den Elektroden der Plasmazündkerze zu" erzeugen_Aund anschliessend ein hoher Strom über die Elektroden der Zündkerze aufgrund der Restplasmazündenergie geleitet. wird, die im Zündenergiekondensator gespeichert ist, ' . um'ein Plasma zwischen den Elektroden zur Vervollständigung der Plasmazündung zu erzeugen.
2. Plasmazündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

(a) eine Vielzahl von Metallabschirmgehäusen (16), von denen jedes jeweils eine der Zündkerzen (P), einen Zusatztransformator (T) und einen Hilfskondensator (C₂) aufnimmt, wobei die Meta11abschirmungen an Masse liegen, und

(b) eine Vielzahl von zylindrischen Rausch-Kurzschlusskondensatoren (C.,), von denen jeder din hochfrequentes Rauschen zur Masse kurzschliessty das in dem Zuleitungsdraht erzeugt wird, der jede Schaltereinheit (15) und den zugehörigen Zusatztransformator (T) verbindet, wobei der zylindrische Kondensator (C₃) in einer derartigen Lage angeordnet ist, dass er durch das Metallabschirmgehäuse hindurchgeht und der die Schaltereinheit (15) und den Transformator (T) verbindende Draht durch den zylindrischen Rausch-Kurzschlusskondensator geht, so dass das elektrische Rauschen, das.dann erzeugt wird, wenn die Plasmazündung zwischen den Elektro- dein der Zündkerze erfolgt, abgeschirmt werden kann.
3. Plasmazündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine. Zeitgebereinheit, die geeignete Zeitimpulssignale der Vielzahl der Schaltereinheiten (15) ausgibt, um die Zündenergie an die Zündkerzen zu legen, und die

(a) einen Kurbelwinkelsensor (11), der ein Impulssignal synchron mit der Umdrehung der Kurbelwelle ausgibt, und

(b) einen Mehr-Bit-Ringzähler (12) umfasst, der eine Vielzahl von unabhängigen Impulssignalen der Reihe nach auf das Impulssignal vom Kurbelwellenwinkelsensor (1.1) ansprechend ausgibt, um die geeigneten Zündzeitsignale an die jeweiligen Schaltereinheiten zu legen.
4. Plasmazündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von monostabilen Multivibratoren (13), von denen jeder die jeweiligen Impulszündzeitsignale mit geeigneter konstanter Impulsbreite für die jeweiligen Schaltereinheiten auf das Signal vom Kurbelwellenwinkelsensor ansprechend ausgibt, wobei die monostabilen Multivibratoren zwischen die jeweiligen Ausgänge des Ringzählers und die jeweiligen Schaltereinheiten geschaltet sind. ■ -
5. Plasmazündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass eine.der Schaltereinheiten (15) ein hochspannungsbeständiges Halbleiterschaltelement enthält.
6. Plasmazündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der hochspannungsbeständige Halbleiter ein Thyristor ist.
7. Plasmazündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der hochspannungsbeständige Halbleiter ein hoch-

.25 spannungsbeständiger Transistor ist..
8. Plasmazündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der hochspannungsbeständige Halbleiter ein FeId-

30. effekttransistor ist.
9. Plasmazündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , dass jede Schaltereinheit (15), die einen Feldeffekttransistor enthält,

«a * * β* ft

9 * ώ» ft « Φ

(a) einen ersten Widerstand (R₁),

(b) einen zweiten Widerstand (R„), " .

(c) einen Inverter (13) zum Umkehren des Zündzeitsignales von der VerteilerSteuereinheit (14),

(d) einen hochspannungsbeständigen Transistor (Q₁), der auf das Signal vom Inverter ansprechend durchschaltet oder sperrt, wobei die Basis des Transistors (Q-) mit dem Ausgang des Inverters verbunden ist, während sein Emitter an Masse liegt,

(e) einen hochspannungsbeständigen elektrostatischen Induktionsfeldeffekttransistor oder'Influenzfeldeffekttransistor ,(Q₂) zum Entladen der im Zündenergiekondensator (C-) geladenen Zündenergie zum Zμsatztransformator (T), wobei der Drain (D) des Transistors (Q₂) mit dem Kondensator (C..), seine Source (S) mit dem Zusatztransformator und dem Kollektor des Transistors (Q₁) über den zweiten Widerstand (R₂) verbunden ist, der erste Widerstand (R₁) zwischen den Drain und die Source geschaltet ist und das Gate (G) am Kollektor des Transistors (Q₁) liegt, so dass dann, wenn ein Zündzeitsignal am Inverter (13) liegt, um den hochspannungsbeständigen Kondensator (Q₁) zu sperren, der Influenztrarisistor (Q₂) durchschaltet, da die Spannung zwischen der Source und dem Gate sich auf Null Volt ändert und dann, wenn kein Zündzeitsignal am Inverter liegt, um den Transistor (Q^) durchzuschalten, der Influenztransistor (Q₂) sperrt, da die Spannung an seinem Gate auf einen negativen Wert verglichen mit der Spannung an seiner Source abfällt.

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10. Plasmazündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Hilfskondensatoren (C₂) eine Kapazität haben, die kleiner als die des Zündenergiekondensators (C-,) ist =
11. Plasmazündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Anzahl der Plasmazündkerzen, der Schaltereinheiten (15), der Zusatztransformatoren (T), der Hilfskondensatoren (C₂), der Metallabschirmgehäuse (16) und der zylindrischen Rausch-Kurzschlusskondensatoren (Co) gleich der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine ist.
12. Plasmazündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Mehr-Bit-Ringzähler (12) und der monostabilen Multivibratoren (13) gleich der der Zylinder der Brennkraftmaschine ist*
13. Piasmazündverfahren zum Zünden des Kraftstoffes in den Zylindern einer Brennkraftmaschine, dadurch g e k en nzeichnet, dass

(a) die Versorgungsspannung auf eine Hochspannung verstärkt wird,

(b) die Zündenergie mit der verstärkten Hochspannung in einem Kondensator gespeichert wird,

(c) ein Teil der Zündenergie, die im Kondensator gespeichert ist, über einen Schwingkreis entladen wird, in

-25. dem die Primärwicklung eines Zusatztransformators und ein Hilfskondensator liegen, um einen Zündfunken aufgrund einer noch höheren Spannung über der Sekundärwicklung zu einem geeigneten Zündzeitpunkt zu erzeugen, so dass der Zwischenraum zwischen den Elektroden und der Zündkerze mit einem gewissen Entladewiderstand " leitend wird,und

(d) die im Kondensator gespeicherte Restenergie über die Sekundärwicklung des Zusatztransformators zum Zwischenraum zwischen den Elektroden der Zündkerze "entladen wird, um ein Plasma dazwischen' zu erzeugen und dadurch das Gemisch im Zylinder zu zünden.

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14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , dass die im Kondensator geladene Zündenergie mit hoher Spannung in der geeigneten Reihenfolge über den jeweiligen Zusatztransformator, der für den jeweiligen Zylinder vorgesehen ist, entsprechend dem jeweiligen Zündzeitpunkt entladen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt dadurch gegeben wird, dass bestimmte Umdrehungswinkel der Kurbelwelle wahrgenommen werden.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , dass die jeweiligen Zusatztransformatoren, die jeweiligen Hilfskondensatoren und die jeweiligen Zündkerzen von einem Metallgehäuse umgeben sind, das an Masse liegt,und dass der den Zusatztransformator mit der Schaltereinheit verbindende Draht durch einen zylindrischen Rausch-Kurzschlusskondensator herausgeführt ist, der an einem geeigneten Teil des Metallabschirmgehäuses vorgesehen ist, so dass das elektrische Rauschen abgeschirmt werden kann, das dann erzeugt wird, wenn.die Plasmazündung erfolgt.