DE3137240C2

DE3137240C2 - Zündanlage für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3137240C2
Application number: DE3137240A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Endo; Iwao Yokosuka Kanagawa Imai; Yasuki Ishikawa
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1980-09-18
Filing date: 1981-09-18
Publication date: 1986-12-11
Also published as: US4366801A; GB2085523B; JPS5756667A; DE3137240A1; GB2085523A

Abstract

Eine Plasma-Zündanlage für eine Brennkraftmaschine kann eine unerwünschte Zündung verhindern, wenn die Isolation zwischen den Elektroden der Zündkerze infolge von Kohlenstoff auf den Elektroden schlechter wird, und kann auch die Abstrahlung von elektrischem Rauschen verhindern. Die erfindungsgemäße Zündanlage weist mehrere unabhängige Plasma-Zündenergie-Speicherkondensatoren (C ↓1), Schaltereinheiten (11) und Verstärker-Transformatoren (T) auf, wobei jeweils einer für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Bei dieser Zündanlage wird eine hohe Spannung an der Sekundärwicklung des Verstärker-Transformators erzeugt, um einen Zündfunken zwischen den Elektroden der Zündkerze (P) zu erzeugen, wonach ein großer Strom über die Elektroden durch die verbliebene, in dem Kondensator gespeicherte Energie fließt.

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündanlage der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.
Bei einer solchen, aus der DE-OS 21 52 253 bekannten Zündanlage wird ein einziger Zündkondensator von einem Gleichspannungs-Gleichspannungs-Umformer aufgeladen. Der Zündkondensator ist über die Primär-

bo wicklung des Zündtransformators mit jeweils einem, jeder Zündkerze individuell zugeordneten Hilfskondensator kleinerer Kapazität verbunden, der über einen als Entladeschalter wirkenden Thyristor mit Erde verbunden ist. Außerdem ist der Zündkondensator über die Primärwicklung des Zündtransformators mit der Zündkerze verbunden. Die den einzelnen Zündkerzen individuell zugeordneten Thyristoren werden nach Maßgabe der bestimmten Zündfolge und des jeweils festgelegten Zündzeitpunktes wahlweise angesteuert, wodurch sich der Zündkondensator teilweise in den mit der Primärwicklung verbundenen Hilfskondensator entlädt. Dadurch findet eine Hochspannungsentladung über die Entladungsstrecke der Zündkerze statt, wodurch das Dielektrikum in der Entladungsstrecke zusammenbricht. Anschließend entlädt sich der Zündkondensator vollständig über die Sekundärwicklung und die in Reihe mit dieser geschaltete Er.tladungsstrecke der Zündkerze, wodurch

|f die vollständige Erzeugung des Zündfunkens an der Zündkerze stattfindet. Den Thyristoren sind jeweils Dioden

It· parallel geschaltet die eine Entladung der Hilfskondensatoren bewirken sollen, um die Intensität der an den

£ä Zündkerzen erzeugten Zündfunken zu e.-höhen.

Il Bei einer aus der US-PS 41 70 207 bekannten Zündanlage ist keine gesonderte Erzeugung eines Zündplasmas

|| in den Zylindern der Brennkraftmaschine vorgesehen, was eine zweistufige Zuleitung von Zündenergie erfor-

f|? dem würde, nämlich die Zuführung von Plasmaenergie an die Zündkerze, nachdem durch eine Hochspannungs-

i3 entladung das Dielektrikum in der Entladungsstrecke der Zündkerze zusammengebrochen ist Bei dieser be-

• 1 kannten Zündanlage werden die Zündkondensatoren durch geeignete Ansteuerung der Entladeschalter an

■ ihrem mif dem Ausgang der Gleichspamtungs-Gleichspannungs-Umformer verbundenen Anschluß geerdet so

!.; daß sich dadurch die im Zündkondensator gespeicherte Zündenergie schlagartig über die Primärwicklung des

i^!;i Zündtransformators nach Erde entlädt Dadurch wird in der Sekundärwicklung ein hoher Spannungs- bzw.

«;& Stromstoß erzeugt,der zu der Hochspannungsentladung über die Entladestrecke der Zündkerze führt.

■S Aus der US-PS 41 22 816 ist eine Zündanlage mit Plasmazündkerzen bekannt, die zwei getrennte Speisequel-

ί ? len aufweist Von einem Zündtransformator, der von einem Zündzeitpunktssignal angesteuert wird, gelangt eine

H entsprechend erhöhte Spannung über einen Verteiler an eine die Mittelelektrode umgebende Zwischenelektro-

|! de der Plasmazündkerze, um an dieser ein sich zwischen der Mittelelektrode und der Mantelelektrode der

[^ Plasmazündkerze ausbildendes, relativ geringvolumiges Plasma zu erzeugen. Von dem gleichen Zündzeitpunkts-

te signal wird ein Thyristor angesteuert der einen von der zweiten Speisequelle aufgeladenen Zündkondensator

!ί über eine Induktivität und einen weiteren Kondensator an die Mittelelektrode der Pfasmazündkerze entlädt, um

dort das eigentliche Plasma zu erzeugen. Dabei findet eine sehr hohe Stromentladung in der Größenordnung von 1000 A statt, die ein entsprechend großes Magnetfeld erzeugt, das das Plasma tief in die Brennkammer des Zylinders hinein beschleunigt Diese hohe Stromentladung kann mit Hilfe eines einzigen Zündkondensators für alle Zündkerzen oder aber mit jeweils einem Zündkondensator für jede Zündkerze bewirkt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Zündanlage der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art so weiterzubilden, daß eine zufällige und unerwünschte Entladung zwischen den Elektroden der Zündkerzen (·■■ vermieden und gleichzeitig die Zündanlage hinsichtlich Leistungsverbrauch, Wirkungsgrad einer Plasmazür-

i" dung sowie konstruktivem Aufbau weiter optimiert wird.

5 Bei einer Zündanlage der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentan-

t' spruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

"■'j Die erfindungsgemäße Zündanlage zeichnet sich dadurch aus, daß mit Hilfe der mit den Primärwicklungen

U jeweils in Reihe geschalteten Hilfskondensatoren der Entladungswirkungsgrad der Zündkondensatoren erhöht

ν' wird. Mit Hilfe der Dioden kann trotzdem eine wirksame Aufladung der Zündkondensatoren erreicht werden,

|: obwohl die galvanische Verbindung des anderen Anschlusses des Zündkondensators über die Primärwicklung

\s, des Zündtransformators nach Erde durch den Hilfskondensator aufgetrennt ist. Da andererseits der Zündkon-

ift densator immer nur dann entladen werden kann, wenn sein mit dem Gleichspannungs-Gleichspannungs-Umfor-

t| mer verbundener Anschluß über den zugeordneten Entladeschalter mit Erde verbunden wird, können keine

fS zufälligen und unerwünschten Entladungen von Zündenergie über die Sekundärwicklung der Zündtransfonna-

Ά toren und die Entladungsstrecke der Plasmazündkerzen auftreten, selbst wenn in deren Entladungsstrecke eine

:, hohe Luftfeuchtigkeit herrschen sollte und/oder die Elektroden an der Entladungsstrecke durch Kohlenstoffab-

:7 lagerungen verschmutzt sind. Bei der erfindungsgemäßen Zündanlage sind keine gegenüber Hochspannung

·;? widerstandsfähigen Dioden zwischen dem Zündkondensator und der Plasmazündkerze erforderlich, wodurch

! ■ die Schaltung nicht nur vereinfacht, sondern auch ein unnötiger Energieverbrauch in derartigen Dioden vermie-

;■ den wird.

;'■■·' Da außerdem sowohl die Hochspannungs-Zündenergie als auch die Plasma-Zündenergie über die Sekundärwicklung des Zündtransformators nur über eine einzige Leitung der Plasmazündkerze zugeführt wird, ist auch nur ein einziges hochspannungsfestes Kabel für diese Leitung erforderlich, wodurch die Verdrahtung der Zündanlage sehr kompakt und auch störungssicher wird.

Schließlich sind bei der erfindungsgemäßen Zündanlage der Zündtransformator, der Hilfskondensator und die Plasmazündkerze örtlich sehr dicht anzuordnen und zu einer Baueinheit zusammenzufassen, die von einem ; Abschirmmetallgehäuse eingeschlossen werden kann, um jegliches durch diese eingeschlossenen Bauteile er-

i ■ zeugtes hochfrequentes Rauschen nach außen hin abzuschirmen.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

i Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Im einzelnen zeigt:

i Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen

¹ Zündanlage,

; Fig. 2 Signalformen der Zündsignalimpulse, die an bestimmten Schaltpunkten der in Fig. 1 gezeigten Zündanlage erzeugt werden,

Fig. 3 (A) einen Stromlaufplan eines ersten Ausführungsbeispiels des Entladeschalters, der bei der erfindungsgemäßen Zündanlage benutzt wird,

Fig. 3(B) einen Stromlaufplan eines zweiten Ausführungsbeispiels des Entladeschalters, der bei der erfin- bo dungsgemäßen Zündanlage benutzt wird,

Fig. 3 (C) einen Stromlaufplan eines dritten Ausführungsbeispiels des Entladeschalters, der bei der erfindungsgemäßen Zündanlage benutzt wird,

Fig. 3 (D) Signalformen, die Zündsignalimpulse zeigen, die an verschiedenen Schaltpunkten der Schaltung der Fig. 3 (C) erzeugt werden, (,5

Fig. 4 (A) eine Äquivalenzschaltung der Zündschaltung, die bei der erfindungsgemäßen Zündanlage benutzt wird,
Fig. 4 (B) eine weitere Äquivalenzschaltung der in Fig. 4 (A) gezeigten Schaltung,

Fig. 5 (A) eine Äquivalenzschaltung, die die Primärwicklung des in Fig. 4 (A) gezeigten Zündtransformator umfaßt,

Fig. 5 (B) eine weitere Äquivalenzschaltung der in Fig. 5 (A) gezeigten Schaltung,

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Übergangszustandes einer Spannung Vp, die über der Primärwicklung des Zündtransformators erzeugt wird, nachdem die Entladung in der Plasmazündkerze durchgeführt wurde,

Fig. 7 eine Äquivalenzschaltung, die die Sekundärwicklung des in Fig. 4 (A) gezeigten Zündtransformators umfaßt,

Fig. 8 eine graphische Darstellung, die den Übergangszustand des Stroms i_s zeigt, der durch die Sekundärwicklung des Zündtransformators fließt, nachdem die Entladung in der Plasmazündkerze ausgeführt wurde, und ίο Fig. 9 eine graphische Darstellung des Übergangszustandes der Spannung, die über den Elektroden der Plasmazündkerze entsteht.

In Fig. 1, in der der Gesamtaufbau der Zündanlage gezeigt ist, sind für jeden Zylinder eine Diode D\, ein Zündkondensator Ci mit einer Kapazität von etwa 1 μΡ,der Kern eines zylindrischen Kondensators Ci kleiner Kapazität von etwa 100 pF und die Mittenelektrode einer Plasmazündkerze P über die Sekundärwicklung Lv eines Zündtransformators T mit dem Ausgangsanschluß VO eines gemeinsamen Gleichspannungs-Gleichspa η nungs-Umformers 10 verbunden, der eine Batterie-Gleichspannung von 12 Volt auf eine Gleichspannung von 1000 Volt erhöhen kann. Der Verbindungspunkt zwischen jeder Diode D\ und jedem Zündkondensator Ci ist über Entladeschalter 11 geerdet, die alle mit Ausgangsanschlüssen einer Verteilersteuereinheit 12 verbunden sind und von diesen gesteuert werden, die aus 4-Bit-Ringzählern 12/4 und monostabilen Multivibratoren 12S aufgebaut ist, so daß die Entladeschalter unabhängig voneinander jeweils leitend geschaltet werden, wenn die jeweiligen Signale a bis d von den jeweiligen Ausgangsanschlüssen der Verteilersteuereinheit 12 zu den jeweiligen bestimmten Zündzeitpunkten abgegeben werden. Außerdem ist der Verbindungspunkt zwischen jedem Zündkondensator Ci und jedem zylindrischen Kondensator C3 über eine Diode L\ geerdet, um zu verhindern, daß Ströme durch die Zündtransformatoren fließen, wenn die jeweiligen Zündkondensatoren Q geladen werden.

Die Primärwicklungen Lp der Zündtransformatoren Tsind über jeweilige Hilfskondensatoren Ci geerdet, die eine geringere Kapazität von etwa 0,2 μΡ als die Zündkondensatoren Q haben. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jedes System aus Zündkerze P, Zündtransformator Γ und Hilfskondensator Ci mit Hilfe eines Metallgehäuses 16 abgeschirmt, und die jeweiligen zylindrischen Kondensatoren C3 sind in dem Metallgehäuse vorgesehen, wobei die geerdete Wand des zylindrischen Kondensators C3 mit der Wand des Metallgehäuses 16 in Berührung gebracht wird.

Bei dem zylindrischen Kondensator Cj zum Kurzschließen von Rauschen, wie er in Fig. 1 durch eine vergrößerte Teilansicht gezeigt ist, wird ein Draht 20 durch die Mittenbohrung von ihm durchgeführt, und das zylindrische Metallgehäuse 21 von ihm ist an einer geerdeten Metallabschirmung 16 befestigt, wobei die Isolation 23 zwischen diesen liegt. Daher kann Rauschen auf dem Draht 20 wirksam an das Metallgehäuse 16 kurzgeschlossen werden, d. h., nach Erde über die Isolation 23 hinaus, so daß eine Abstrahlung von Rauschen verhindert werden kann.

Jetzt folgt eine Erläuterung der Betriebsweisen der so aufgebauten Zündanlage.

Eine hohe Spannung Ko von etwa 100 Volt, die von dem Gleichspannungs-Gleichspannungs-Umformcr 10 μ abgegeben wird, wird an den Zündkondensator Ci über die Dioden D\ und Di gegeben, um den Zündkondensator C. mit einer hohen Zündenergie von etwa 0,5 Joule aufzuladen.

Wenn das Ausgangssignal von dem Kurbelwellenwinkelfühler 13. der ein Impulssignal bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle synchron mit der Kurbelwellenumdrehung zweimal erzeugt, an den 4-Bit-Ringzähler 12Λ der Verteilersteuereinheit 12 gegeben wird, erzeugt der Ringzähler 12Λ vier Impulssignale hohen Pegels von 0,5 ms in der Zündfolge nach Maßgabe des bestimmten Zündzeitpunktes, wie dieses durch die Impulssignale von B-E in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Impulse werden an die jeweiligen monostabilen Multivibratoren 12ß gegeben, um die jeweiligen Zündimpulssignale von a bis t/an den jeweiligen Ausgangsanschlüssen an die jeweiligen Entladcschalter 11 zugeben.

Wenn ein Zündimpulssignal hohen Pegels an einer Entladeschalter 11 gegeben wird, wird dieser leitend geschaltet, um den Anschluß A des Zündkondensators Ci zu erden. In diesem Augenblick ändert sich die Potentialdifferenz V_Ar zwischen den Anschlüssen A und ßdes Zündkondensators Ci plötzlich von Null auf — V« infolge des Einflusses der Induktivität der Primärwicklung Lp des Zündtransformators, da das Potential am Anschluß A plötzlich von K₀ auf Null fällt.

Auf diese Weise wird eine hohe Spannung von — Vo an dem jeweiligen Zündtransformator Tüber die Mitte des zylindrischen Kondensators C3 gegeben. Da ein Strom von dem Zündkondensator Ci an den Hilfskondensator Ci, der eine geringere Kapazität als der Zündkondensator Ci hat, über die Primärwicklung Lp gegeben wird, wird eine Hochspannung mit dem maximalen Wert von etwa + V₀ zwischen Anschlüssen der Primärwicklung Lp erzeugt-

Wenn das Windungsverhältnis der Primärwicklung Lp zu der Sekundärwicklung Ls= 1 : N, z. B. 20, ist, wird eine Hochspannung von etwa ± NV₀, d. h. von ± 20 KV₁ über der Sekundärwicklung so verstärkt wird, daß sie N mal größer als die der Primärwicklung ist, so daß eine Entladung zwischen der Mittenelektrode und der Seitenelektrode der Plasmazündkerze PauftritL

Wenn damit eine Entladung innerhalb der Plasmazündkerze P auftritt wird der Zwischenraum zwischen den Elektroden mit einem bestimmten Entladewiderstand leitend, und daher wird die hohe Energie von etwa 0,5 Joule, die in dem Zündkondensator C\ gespeichert ist, anschließend zwischen die Elektroden der Plasmazündkerze P während einer kurzen Zeitdauer über die Sekundärwicklung Ls gegeben, wobei in diesem Fall der Spitzenwert des Stromes unterhalb von mehreren zehn Ampere gehalten wird.

Wenn diese elektrische Ladung hoher Energie zugeführt wird, wird ein Plasma innerhalb des Entladezwi-

schenraums der Plasmazündkerze Perzeugt, so daß das Gemisch vollständig gezündet wird. Außerdem werden bei diesem Ausführungsbeispiel die Entladeschalter 11 durch die Zündimpulssignale hohen Pegels α bis d, die von der Verleilersleuerschallung 12 abgegeben werden, leitend geschaltet, um hohe Energie an die zugehörigen Plasmazündkerzen Pin der gleichen Reihenfolge von a bis c/zu geben, so daß die Zylinder in der Reihenfolge erster, vierter, dritter und zweiter Zylinder gezündet werden. Die Spannung Vs zwischen den Elektroden einer jeden Plasmazündkerze Pändert sich, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.

Bei der so aufgebauten Zündanlage kann, da ein Plasma-Zündstrom an die Plasmazündkerze P nur zu dem Zündzeitpunkt zugeführt wird, und da die Zuführung einer Hochspannung während der Speisung der anderen Plasmazündkerzen verhindert werden kann, zuverlässig eine unerwünschte Entladung verhindert werden, so daß keine unerwünschten Zündungen innerhalb der Zylinder während der anderen Hübe auftreten.

Da außerdem in der Entladeieitung von dem Zündkondensator Q zum Spalt zwischen den Elektroden der Plasmazündkerze P keine hochspannungsfeste Diode erforderlich ist, kann ein Verbrauch von Zündenergie in der Diode verhindert werden, wodurch der Speisewirkungsgrad der Zündanlage erheblich verbessert wird.

Da außerdem ein einziges Hochspannungskabel zur Zuführung der Zündfunken-Entladespannung an die Plasmazündkerze P bei Beginn der Zündung und zur Zuführung der Plasma-Zündstroms während der Zündung benutzt werden kann, kann die Verkabelung sehr kompakt ausgebildet werden.

Da außerdem die Plasmazündkerze P, der Zündtransformator T und der Hilfskondensator C2 durch das Metallgehäuse 16 abgeschirmt sind, wie dieses in der Zeichnung gezeigt ist, und da der zylindrische Kondensator Ci zum Kurzschließen von Rauschen in den Eingangsanschluß eingepaßt ist, kann das Abstrahlen von Rauschen verhindert werden, das durch die Impulsströme erzeugt wird, die nahe der Plasmazündkerze P bei Beginn der Entladung fließen.

Jetzt werden verschiedene Arten bevorzugter Ausführungsbeispiele der Entladeschalter 11 erläutert.

Fig. 3(A) zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem ein SCR, d. h. ein Thyristor, als Entladeschalter 11 benutzt wird. Bei diesem Entladeschalter wird, wenn der Zündimpuls a, der von der Verteilersteuereinheit 12 abgegeben wird, sich auf einen hohen Pegel von 8 V ändert, ein Transistor Q\, der in Emitter-Folgerschaltung arbeitet, leitend geschaltet, und die Emitterspannung wird Ve= 7,2 V. In diesem Augenblick wird, da ein Gate-Strom von

, - 7,2 - V_UK
" " A₂ '

wobei Van die Gate-Spannung des Thyristors ist, durch die Gate-Elektrode C des Thyristors hindurchfließt, der Anschluß A des Zündkondensators Q geerdet.

Bei diesem Ausführungsbeispiel muß, da der Entladeschalter 11 nach der Zuführung der hohen Plasma-Zündenergie von dem Zündkondensator Q zu der Plasmazündkerze P gesperrt werden muß, der Thyristor durch Verminderung des Stroms /0, der über den Thyristor fließt, auf einen Wert unterhalb des Haltestroms gesperrt werden. Um den Thyristor zu sperren, wird ein Schalter 15, der in Fig. 1 zwischen den Kurbelwellenwinkelfühler 13 und den monostabilen Multivibrator 14 geschaltet ist, leitend geschaltet, um ein Impulssignal mit einer Impulsbreite von 1 ms, das von dem Kurbeiwellenwinkelfühler 13 erzeugt wird, an den monostabilen Multivibrator 14 zu geben. Daher wird ein Impulssignal e mit einer Impulsbreite von 1 ms an dem Ausgangsanschluß des monostabilen Multivibrators 14 erzeugt und an einen die Arbeitsweise unterbrechenden Anschluß des Glcichspannungs-GIeichspannungs-LJmformers 10 gegeben, um dessen Ausgangssignal für eine Zeitdauer von 1 ms zu unterbrechen. Wenn die Zeitdauer von 1 ms verstrichen ist, beginnt der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Umformer 10 erneut zu arbeiten, und der Thyristor wird durch den Zündimpuls a von der Verteiler-Steuereinheit 12 gezündet, um damit das Plasma intermittierend zu bilden.

Fig. 3(B) zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei der als Entladeschalter 11 ein hochspannungsfester Transistor Q 3 benutzt wird. Bei dieser Schaltung wird, wenn das Zündimpulssignal a, das von der Verteiler-Steuereinheit 12 abgegeben wird, sich auf einen hohen Pegel von 8 V ändert, die Emitterspannung des Transistors Qi gleich Ve=T2 V, und es fließt ein Basisstrom

. _ 7,2-0,8

'"-—rT~

über die Basis des Transistors Q₃, um diesen leitend zu schalten, so daß der Anschluß A des Zündkondensators Q geerdet wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel muß der Wert von R₃ so bestimmt werden, daß die Bedingung erfüllt ist, daß der Basisstrom Ib größer als I_cpi'h_FE ist, wobei Iifedie Stromverstärkung ist, wenn eine elektrische Ladung hoher Energie von dem Zündkondensator Q an die Plasmazündkerze Pgegeben wird, da der Kollektorstrom I_c des Transistors Q₃ seinen Spitzenwert von I_cp von mehreren zehn Ampere erreicht.

Fig. 3 (C) zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Transistor des elektrostatischen !nduktionstyps, eine Art eines hochspannungsfesten Feldeffekttransistors, als Entladeschalter 11 benutzt wird, während Fig. 3 (D) die Signalformen an verschiedenen Schaltpunkten der Schaltung zeigt. Bei dieser Schaltung wird die Emitterspannung V_c des Transistors Qa immer auf Vf=- 5 V gehalten, da ein Strom an eine Zenerdiode ZDi mit einer Zenerspannung von Vz\ = 5 V von der Speisespannung Ve= —80 V über einen Widerstand R$ gegeben wird. Wenn der Zündimpuls einen niedrigen Pegel hat, ist daher die Spannung V₁ an dem Verbindungspunkt, an dem eine Zenerdiode ZDi mit einer Zenerspannung Vz2=8 V und ein Widerstand Rn miteinander verbunden sind, gleich —5 V, so daß der Transistor Qa gesperrt gehalten wird. Die Spannung Vj an dem Verbindungspunkt, an dem ein Widerstand R₆ und ein Widerstand R₇ miteinander verbunden ist, ist daher gleich Null, so daß ein Transistor Qs gesperrt gehalten wird. Das heißt, da die Spannung V3 der Gate-Elektrode G des Transistors Qe

des elektrostatischen lnduktionstypes gleich V3= Vg(=—80 V) unterhalb der Abknickspannung V/> gehalten wird, wird auch der Transistor Qe gesperrt gehalten.

Bei diesem Ausführungsbeispiel fällt die Spannung Vi auf 0 V, um den Transistor Q4 leitend zu schalten, wenn das Zündimpulsignal a sich auf einen hohen Pegel von 8 V ändert, wodurch die Kollektorspannung V2 des Transistors Q* gleich —5 V wird, um den Transistor Q5 leitend zu schalten. Dadurch wird die Gate-Spannung Vi des Transistors Qe gleich 0 V, und der Transistor Qe wird leitend geschaltet, um die Drain-Elektrode D und die Source-Elektrode 5 miteinander zu verbinden, wodurch der Anschluß A des Zündkondensators Q geerdet wird. In diesem Fall muß, da der Drainstrom I_d des Transistors Q₆ mehrere zehn Ampere im Spitzenwert erreicht, wenn eine elektrische Ladung hoher Energie von dem Zündkondensator Ci an die Plasmazündkerze Pgegeben wird, ein Transistor Qe benutzt werden, dessen innerer Leitungswiderstand geringer als mehrere Ohm ist.

Jetzt folgt eine theoretische Analyse des Übergangsphänomens der Zündschaltung, die hier benutzt wird, um die Änderung der Entladespannung V₅ zu untersuchen, die zwischen den Elektroden der Plasmazündkerze erzeugt wird.

Wenn das Symbol /v,„ den Innenwiderstand des Entladeschalters 11 in seinem leitenden Zustand bezeichnet, kann die Zündschaltung für jeden Zylinder in der in Fig. 4 (A) gezeigten Weise wiedergegeben werden. Wenn der Anschluß (A) des Zündkondensators Ci, der zuvor auf Vo aufgeladen wurde, durch Leitendschalten des Schalters SWgeerdet wird, kann die Äquivalenzschaltung von Fig. 4 (A) durch die von Fig. 4 (B) ersetzt werden, da die Spannung am Anschluß Bsich von 0 auf — Vo ändert.

Außerdem kann die Äquivalenzschaltung, die die Primärwicklung Z-pdes Zündtransformators Tumfaßt, der in Fig. 4 (B) gezeigt ist, in der in Fig. 5 (A) angegebenen Weise dargestellt werden. Bei dieser Äquivalenzschaltung verringert sich die Anschlußspannung des Zündkondensators Ci nur auf 80% des Anfangswertes, da die Kapazität des Hilfskondensators C₂ (0,2 μΡ) klein verglichen mit der des Zündkondensators Ci (1 μΡ) ist, selbst wenn ein Strom von dem Zündkondensator Ci zu dem Hilfskondensator C2 fließt und damit die Anschlußspannungen der beiden Kondensatoren Ci und C₂ einander gleich im stabilen Zustand werden, wodurch es näherungsweise möglich ist, die in Fig. 5 (A) gezeigte Äquivalenzschaltung in der in Fig. 5 (B) gezeigten Weise anzugeben, in der der Zündkondensator Ci durch eine Speisegleichspannung von — Vo ersetzt ist.

Bei der in Fig. 5(B) gezeigten Schaltung kann die in dem Hilfskondensator C₂ während der Zeitdauer von / unmittelbar nach dem Leitendschalten des Schalters 5VV gespeicherte Ladung q in der folgenden Weise ausgedrückt werden, wenn das Symbol /den in diesem Augenblick durch die Schaltung fließenden Strom angibt:

+ /"ein

Aa.

df

■{τ--V₀

(1)

Wenn

r,.„,

wobei die Lösung dieser Gleichung (1) ist:

1 -■

_ C₂ ( /·,,,„ γ

Lp \~T~J

=7-· sin(/?,/+ Θ)

(2)

d<7

Da der Strom /aus der Gleichung (2) durch -jj· erhalten werden kann, ergibt sich:

K,

=r- ϊ "^>! sin/?,/

(3)

U _//·,.,„ V TT VT)

Wenn Vp die Spannung über den Anschlüssen der Wicklung Lp bezeichnet, kann Vp aus der Gleichung (3) in

der folgenden Weise ausgedrückt werden, da Vp= Lp-r- ist:

Vp =

JdL - ( C₂ Λ 2

Γ"¹'sin

(4)

ct| und ßi in der Gleichung (4) kann ausgedrückt werden durch:

(5)

ßx "

L₁-C₂ \ 2 L₁

(6)

Wenn die Schaltungskonstanten so festgelegt sind, daß:

L/'= 10 μΗ, C₂ = 0,2 μΡ, rein = 1,5 Ohm, ergibt sich aus den Gleichungen (5) und (6),

ex = 7,5 xiO⁵, tan Θι= -^- =9,3

Damit ergibt sich Θι = 1,46 (rad), Θι/βι =2,1 (μβ). Die Periodendauer 7>i von V_P kann aus der Gleichung (4) in der folgenden Weise erhalten werden:

Tp ι =2π/β, =9(μ5)

Wenn ί=0 ist, ergibt sich aus der Gleichung (4) außerdem Vp= — Vo.

Aufgrund der vorstehenden Werte kann die Spannung Vp über den Anschlüssen der Wicklung Lp, die durch die Gleichung (4) gegeben ist, als eine hochfrequente, gedämpfte Schwingungssignalform mit einem Spitzenwert von — Vo und einer Periodendauer Tp ι von 9 μ-S ausgedrückt werden, wie es in Fig. 6 gezeigt ist.

Fig. 7 zeigt eine Äquivalenzschaltung zu der in Fig. 4 (A) gezeigten, die die Sekundärwicklung LS des Zündtransformators Tumfaßt, nachdem die Plasmazündkerze Pzu leiten beginnt. Hier bezeichnet das Symbol r_s den Entladewiderstand zwischen den Elektroden der Plasmazündkerze P. Außerdem ist bei dieser Äquivalenzschaltung eine Speisewechselspannung V_s /V-mal größer als die Spannung V_P, die zwischen den Anschlüssen der Primärwicklung Lp erzeugt wird, durch die eine Entladung zwischen der Mittenelektrode und der Seitenelektrode der Plasmazündkerze Fbewirkt wird.

Bei einer solchen Äquivalenzschaltung kann der Strom /5, der durch die Schaltung während einer Zeitdauer / nach dem Leitendschalten des Schalters SWfließt, in der folgenden Weise ausgedrückt werden: Wenn

R = r,_iu + r_s, und R<2-^-,

Γ"²' · sinß₂t (7)

V4L_xQ -R²C]
Hier können a₂ und ßj in der Gleichung (7) durch die folgenden Ausdrücke angegeben werden:

: - 2i; (8)

2U.-

Wenn die Schaltungskonstanten so bestimmt werden, daß L₅=I mH, Ci =1 uF und der Entladewiderstand gleich T₅ = 30 Ohm sind, wobei L₅ die Induktivität der Primärwicklung gleich 10 μΗ und das Wicklungsverhälinis 4« von der Primär- zu der Sekundärwicklung gleich 1:10 sind, die Induktion der Sekundärwicklung L₄ gleich 10Hx10²=l mH ist. Da K=31,5Ohm ist, ergibt sich aus den Gleichungen (8) und (9) ct₂=l,6xl0⁴ und |ί₂ = 2,7χ10⁴.

Jetzt kann der minimale Wert des Stroms ;₅durch Differenzieren des Stroms erhalten werden:

d» A4 L, C₁ -R²C])

wobei

lan (■), --- J^-

-Lr- (H)

In der Gleichung (10), wenn ~- =0, d. h„ wenn f„₂= -r-, da I₅ seinen minimalen Wert l_p2 hat, wird durch

θ P2

Einsetzen von I= -γ- in die Gleichung (7) erhalten:

J^fli (12,

' V4L_iC_i-R]C]

Zuerst kann durch Einsetzen von aj=l,6x 10⁴ und ß2 = 2,7x 10⁴ in die Gleichung (11) Oj =1,0 (rad) erhalten werden. Durch Einsetzen von ©2=1, Ci = IO-⁶, L₁=IO-³, Ä=31,5 und V₀=IO³ in die Gleichung (12) wird der

minimale Stromwert:
Ip 2 = —17A, wobei t_p ζ = 37 us ist
Da außerdem die Periodendauer T₉ 2 des Stromes i_s gleich

^Tp2 ⁼ nk ^{= 23}° ^^Χ%Χ~

kann der über die Plasmazündkerze fließende Entladestrom U mit einer gedämpften Signalform mit einem Spitzenwert von I_P2= — \7A gezeigt werden, wie es in Flg. 8 angegeben ist Mit anderen Worten, eine elektrische Ladung hoher Energie von etwa 0,5 Joule, die in dem Zündkondensator Ct gespeichert ist, wird an die

Plasmazündkerze während einer kurzen Zeitdauer von etwa —^ = 115 \is gegeben.

Die Spannung V₅, die zwischen die Anschlüsse der Plasmazündkerze P in diesem Augenblick gegeben wird, kann annäherungsweise durch die folgende Gleichung angegeben werden:
V₅ = V₅+i₅ χ T₅,
wobei ihre Signalform in Rg. 9 gezeigt ist

Wie zuvor beschrieben wurde, kann, da die Zündanlage so aufgebaut ist daß die Zündkondensatoren zum Speichern der Zündenergie für jeden Zylinder unabhängig voneinander mit dem Ausgangsanschluß des Gleichspannungs-Gleichspannungs-Umformers verbunden sind, um die Plasma-Zündung durch Zuführen des von dem Zündkondensator entladenen Stroms an den Zwischenraum zwischen den Elektroden der Plasmazündkerze durch den Zündtransformator hindurch zu bewirken, wenn der Entladeschalter bei bestimmten Zündzeitpunkten leitend geschaltet ist, eine unerwünschte Entladung zwischen den Elektroden verhindert werden, hochspannungsfeste Dioden sind in der Entladeschaltung nicht erforderlich, der Leistungs verbrauch vermindert werden und damit der Wirkungsgrad der Speisezufuhr für die Zündanlage erheblich verbessert werden.

Da außerdem die Spannung über dem Zündkondensator, der die Zündenergie speichert nach Maßgabe des Windungsverhältnisses des Zündtransformators geringer gemacht werden kann, kann die Standfestigkeit des Entladeschalters verbessert werden, und da nur ein einziges Hochspannungskabel zum Zuführen der Zündfunken-Entladespannung und des Plasma-Zündstromes benutzt werden kann, wird die Verkabelung sehr kompakt.

Da außerdem Plasmazündkerze, der Zündtransformator und der Hilfskondensator so angeordnet sind, daß sie von einer Metallabschirmung umgeben sind, und ein zylindrischer Kondensator zum Kurzschließen von Rauschen in dem Gehäuse vorgesehen ist, kann das Abstrahlen von Rauschen verhindert werden.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche

1. Zündanlage für eine Brennkraftmaschine

mit einer der Zahl der Zylinder der Maschine entsprechenden Anzahl an Zündkerzen, deren einer Anschluß an Masse liegt,

mit einer der Zahl der Zündkerzen entsprechenden Anzahl an Zündtransformatoren mit jeweils einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, wobei die Sekundärwicklung jedes Zündtransformators mit ihrem einen Ende mit dem nicht an Masse liegenden Anschluß einer Zündkerze verbunden ist und mit ihrem anderen Ende an einem Verknüpfungspunkt liegt, und wobei die Primärwicklung jedes Zündtransformators

ίο mit ihrem einen Ende an dem Verknüpfungspunkt geschaltet ist und mit ihrem anderen Ende mit dem einen

Anschluß eines Hilfskondensator verbunden ist, der mit seinem anderen Anschluß mit Masse in Verbindung steht,

mit mindestens einem Zündkondensator, dessen einer Anschluß mit dem Verknüpfungspunkt an den Zündtransformatoren verbunden ist,

mit einem Gleichspannungs-Gleichspannungs-Umformer zum Erhöhen einer Speisegleichspannung auf eine hohe Spannung und zum Aufladen des mindestens einen Zündkondensators über eine mit dem anderen Anschluß des mindestens einen Zündkondensators verbundene Ladediode auf diese hohe Spannung, mit einer der Zahl der Zündkerzen entsprechenden Anzahl an Entladeschaitern, von denen je einer jedem Zündtransformator zugeordnet ist, um den aufgeladenen mindestens einen Zündkondensator zur Erzeugung eines Zündfunkens zunächst über die Primärwicklung des zugehörigen Zündtransformators und den mit ihr verbundenen Hilfskondensator teilweise zu entladen und zur Aufrechterhaltung des Zündfunkens anschließend über die Sekundärwicklung des zugehörigen Zündtransformator vollständig zu entladen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zündkerzen (P) speziell ausgebildete Plasma-Zündkerzen sind und daß jedem Zündtransformator

(T) eine eigene Ladediode (Di) und ein eigener Zündkondensator (CX) zugeordnet ist, dessen anderer Anschluß über einen Entladeschalter (11) an Masse legbar ist und dessen mit dem Verknüpfungspunkt verbundener einer Anschluß (B) über eine weitere Ladediode (D 2) mit Masse verbunden ist, wobei die weitere Ladediode (D 2), über die der vom Gleichspannungs-Gleichspannungs-Umformer (10) gelieferte Ladestrom des Zündkondensators (Ci) fließt, bewirkt, daß eine im Zündkondensator (Ci) gespeicherte hohe Spannung gegenüber den Zündkerzen (P) vollständig isoliert ist

2. Zündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zusammengehörige Zündkerze (P), Zündtransformator (T) und Hilfskondensator (C 2) in einem an Masse liegenden Abschirmmetallgehäuse (16) eingeschlossen sind,

und daß die Verbindung des einen Anschlusses (B) des zugeordneten Zündkondensators (Cl) mit dem Verknüpfungspunkt an dem Zündtransformator (T) über einen in der Wand des Abschirmmetallgehäiise

(16) angeordneten zylindrischen Durchführungskondensator (CZ) erfolgt, dessen einen Belag (20) die durch diesen Kondensator (Ci) hindurch laufende Verbindungsleitung zwischen Zündkondensator (Ci) und Zündtransformator (T) bildet, dessen anderer, den Kondensator (C3) zylinderförmig umgebender Belag

(21) mit dem Abschirmmetallgehäuse (16) verbunden ist, und der hochfrequente Störimpulse unterdrückt, die in der Verbindungsleitung erzeugt werden,

wodurch bei der Plasmazündung zwischen den Elektroden der Zündkerze (P) erzeugte unerwünschte Hochfrequenz-Störwellen abgeschirmt werden.

3. Zündanlage nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Entladeschalter (11) im Ansprechen auf von einer Zeitgebereinheit (11,12,13) abgegebene Zeitgabeimpulssignale zu geeigneten Zündzeitpunkten angesteuert werden, wobei die Zeitgabeeinheit gekennzeichnet ist durch:

a) Einen Kurbelwellen-Winkelfühler (13) zum Abgeben eines Impulssignals synchron mit der Kurbelwellendrehung,

b) einen Mehrbit-Ringzähler (12/4^zum Abgeben von mehreren unabhängigen Impulssignalen in einer Reihenfolge und in Abhängigkeit von dem von dem Kurbelwellen-Winkelfühler (13) abgegebenen Impulssignal, und

c) mehrere monostabile Multivibratoren (i2B), die jeweils Zündzeitpunkt-lmpulssignale mit einer geeigneten konstanten Impulsbreite an die jeweiligen Entladeschalter (11) in Abhängigkeit von den Signalen von dem Ringzähler (12Λ,) abgeben.