-
Zündvorrichtung für Verbrennungsmotore
-
Die bekannten, üblichen Zündvorrichtungen für Otto-Motore bestehen
aus Hochspannungs-Zündkerzen, Hochspannungs-Verteiler, Zündspule, Niederspannungs-Unterbrecherkontakt
und Funkenlöschkondenzator. Diesen Zündvorrichtungen haftet als Nachteil an, daß
der Ablauf der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches durch eine Reihe von Ungenauigkeiten,
Unregelmäßigkeiten und zeitlichen Veränderungen nicht optimal verläuft. Der mechanische
Unterbrecherkontakt arbeitet nicht völlig gleichmäßig, weiter ist er zeitlichen
Veränderungen durch Abnützung, besonders auch durch die Abnützung der Kontakte durch
die Schaltfunken unterworfen, sodaß eine langfristig gleichmäßige Arbeitsweise nicht
erreicht werden kann. Im mechanischen Zündverteiler sind ebenfalls Ungenauigkeiten
im Ablauf zu beobachten, besonders durch die ständigen Veränderungen der Verteiler-1
Elektroden infolge der Ubergangsfunken. An den Zündkerzen treten durch die Zündfunken
selbst, aber auch durch Ablagerungen aus der Verbrennung und durch die rasch wechselnden
Betriebstemperaturen fortlaufend Veränderungen auf, die sich ebenfalls in Unregelmäßigkeiten
der Zündfunken
auswirken. Schließlich ist auch die Zündfähigkeit
des Kraftstoff-Luft-Gemisches und der zeitliche Verlauf seiner Zündung und Verbrennung
zu beachten.
-
Hier entstehen Unregelmäßigkeiten und Veränderungen durch die wechselnden
Betriebszustände des Motors ( Drehgeschwindigkeit, Füllung, Temperaturen u.s.w.
), durch Schwankungen in der Gemischaufbereitung und durch die Verwendung von Kraftstoffen
mit unterschiedlichen Eigenschaften. Durch die Wirkungsweise der Zündspule in Verbindung
mit dem mechanischen Unterbrecherkontakt reicht bei hohen Drehgeschwindigkeiten
des Motors manchmal die Zeit nichtzum vollständigen Aufladen der Zündspule, dadurch
wird die Energie der Zündfunken herabgesetzt, die Zündung wird unregelmäßiger und
weniger zuverlässig. Der Stromverbrauch ist bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten
des Motors unnötig hoch.
-
Zur optimalen Ausnutzung des Kraftstoffes ist eine präzise, genau
einstellbare und langfristig gleichbleibende Zündung notwendig. Jede Verbesserung
im Bereich -der Zündung kann einen'besseren Gesamtwirkungsgrad herbeiführen, d.h.
einen geringeren Kraftstoffverbrauch für gleiche Leistung oder eine höhere Leistung
bei gleichem Kraftstoffverbrauch.
-
Zur Beseitigung der Nachteile der oben geschilderten herkömmlichen
Zündung sind eine Reihe von Verbesserungen bekannt geworden.
-
So wird z.B. bei der " Transistorzündung " der Primärstrom der Zündspule
nicht mehr unmittelbar vom Unterbrecherkontakt geschaltet. Dieser braucht nur noch
den kleinen Basisstrom eines Transistors zu schalten, die Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors bewirkt dann die Unterbrechung des Zündspulen-Primärstromes. Dadurch
ist die Abnützung des Unterbrecherkontaktes durch die Schaltfunken stark vermindert.
-
So können bei der Transistorzündung auch Zündspulen mit größerem Primärstrom
und damit größerem Energieinhalt verwendet werden, es entsteht dann ein kräftigerer
Zündfunke, die Zündung wird zuverlässiger. Gleichzeitig wird aber die Abnützung
am Verteiler und an den Zündkerzen größer.
-
Bei der " Thyristor - " oder " Kondensatorzündung " wird der Zündfunke
nicht mehr durch Freisetzen der in der Zündspule gespeicherten elektromagnetischen
Energie erzeugt, sondern durch die Entladung eines Kondensators in den Primärkreis
der Zündspule hinein. Die Aufladung des Kondensators in den Pausen zwischen den
Zündungen erfolgt - auch bei hohen Drehgeschwindigkeiten des Motors - auf eine gleichbleibende
Spannung, es steht so praktisch immer die gleiche Energie für die Zündfunken zur
Verfügung. Der Stromverbrauch
ist bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten
niedrig. Da bei der Thyristorzündung der Unterbrecherkontakt nur den Zündkreis des
Thyristors ( meist über eine Transistorschaltung ) zu schalten braucht, ist die
Abnützung des Unterbrecherkontaktes gering. Wie bei der Transistorzündung kann durch
geeignete Dimensionierung von Kondensator, Ladespannung und Zündspule eine hohe
Energie für die Zündfunken bereitgestellt werden, allerdings auch hier durch höhere
Abnützung an Verteiler und Zündkerzen erkauft.
-
Zur Verbesserung der durch den mechanischen Aufbau und die mechanische
Betätigung des Unterbrecherkontaktes unvermeidlichen Ungenauigkeiten und Unsicherheiten
sind weitere Einrichtungen bekannt, bei denen die Unterbrechung des Zündspulen-Primärstromkreises
bzw. die Entladung des Speicherkondensators bei der Thyristorzündung über magnetischinduktive
oder über opto-elektronische Einrichtungen eingeleitet wird. Diese werden ihrerseits
- wie der mechanische Unterbrecherkontakt - von der Motorwelle ( Kurbelwelle ) her
gesteuert.
-
I Für einen optimalen Verbrennungsablauf muß der Zündzeitpunkt den
Betriebsverhältnissen entsprechend festgelegt sein.
-
Dazu müssen die Verzugszeiten zwischen dem Anstieg der Zündspannung
und
dem Funkenüberschlag - bedingt durch die notwendige Ionisierung des Gemisches im
Zündfunkenbereich -, sowie zwischen dem Uberschlag des Zündfunkens und der Zündung
des Gemisches, im richtigen Verhältnis zur Drehgeschwindigkeit des Motors berücksichtigt
werden. Neben der mechanischen Einstellmöglichkeit des Unterbrecherkontaktes dienen
dazu vorwiegend selbsttätig arbeitende Zündwinkel-Verstelleinrichtungen, die von
der Motordrehgeschwindigkeit oder vom Ansaugunterdruck gesteuert werden.
-
Diese Einrichtungen erlauben aufgrund ihrer einfachen Konstruktion
und Wirkungsweise nur eine ungefähre Annäherung an den jeweils günstigsten Zündzeitpunkt.
Bei magnetisch-induktiven und opto-elektronischen Einrichtungen zur Bestimmung der
Winkellage der Motorwelle ( Kurbelwelle ) sind auch elektronische Rechenschaltungen
bekannt geworden, die unter Berücksichtigung von verschiedenen meßbaren Einflußgrößen
eine selbsttätige Zündwinkelverstellung und damit eine Verbesserung des Zündzeitpunktes
bewirken.
-
Mit allen geschilderten, bekannten Vorrichtungen sind aber die:m Zündverteiler,
im Brennraum und insbesondere an den Zündkerzen auftretenden Unregelmäßigkeiten
nicht beseitigt.
-
Die Erfindung hat;sich zur Aufgabe gemacht, eine Zündvorrichtung für
Verbrennungsmotore, insbesondere für Otto-Motore vorzustellen,
die
bestehende Nachteile der geschilderten, bekannten Zündvorrichtungen vermeidet oder
verringert.
-
Erfindungsgemäß wird dizu jeder Zündkerze während des Verdichtungstaktes
und vor dem eigentlichen Zündzeitpunkt eine Vorbereitungs-Impulsfolge in Form von
energiearmen, nicht zündfähigen elektronischen Impulsen zugeführt. Unmittelbar daran
anschließend werden zum beabsichtigten Zündzeitpunkt energiereiche, zündfähige Impulse
an-die Zündkerzen gelegt.
-
Die Vorbereitungs-Impulsfolge im Verdichtungstakt bewirkt eine Polarisation
der polaren Moleküle des Gemisches, sie bewirkt ferner eine Ionisierung des Gemisches,
insbesondere im Bereich des späteren Zündfunkenüberschlages. Sowohl die Polarisation
als auch die Ionisierung bereiten die Zündung des Gemisches vor. Die nachfolgenden
zündfähigen Impulse finden den Funkenkanal schon ionisiert vor, deshalb werden die
Funken mit geringerem zeitlichem Verzug überspringen. Durch die Vorbereitung des
Gemisches wird ferner der zeitliche Verzug zwischen dem Uberspringen des Funkens
und dem Zünden des Gemischeslverringert. Beide Zeitverkürzungen bewirken, daß die
Zündung unabhängiger wird vom Zustand der Zündkerze und von den Eigenschaften des
Gemisches. Schließlich bewirkt die Vorbereitùng des Gemisches durch die Vorbereitungs-Impulsfolge
auch eine Herabsetzung der zur Zündung
des Gemisches mindestens
nötigen Energie. Es wird deshalb möglich, entweder die Energie der Zündfunken gegenüber
herkömmlichen Zündvorrichtungen herabzusetzen und so die Alterung (den Abbrand)
der Zündkerzen zu vermindern, oder es wird bei unveränderter Zündenergie die Zündung
zuverlässiger. Auch eine Kombination dieser beiden Vorteile ist durch entsprechende
Bemessung der zündfähigen Impulse möglich.
-
Damit durch die Impulse der Vorbereitungs-Impulsfolge keine ungewollte
Zündung des Gemisches erfolgt, müssen die Amplituden der Impulse unter der Durchschlagspannung
(Uberschlagspannung) der Zündkerzen liegen und/oder der Energieinhalt der Impulse
muß unter der Zündenergie des Gemisches liegen.
-
Beide Größen, die Durchschlagspannung und die Mindestzündenergie,
sind unter anderem vom Druck des Gemisches abhängig. Da sich der Druck des Gemisches
während des Kompressionstaktes ständig erhöht, können auch die Amplituden der Impulse
im Verlauf des Kompressionstaktes ständig erhöht werden. Die Amplitudensteuerung
der Vorbereitungs-Impulsfolge wird deshalb von einem von der Winkelstellung I der
Motorwelle (Kurbelwelle) abhängigen Signal übernommen, während die Impulsfolgefrequenz
für die einzelnen Impulse durch einen Oszillator mit konstanter
Frequenz
abgeleitet werden kann. Als Impulsform-werden vorwiegend Nadelimpulse verwendet.
Sie lassen sich leicht bilden und haben einen geringen Energieinhalt.
-
Die zum Zündzeitpunkt erforderlichen energiereichen, zündfähigen Impulse
können bezüglich ihrer Frequenz aus dem gleichen Oszillator abgeleitet werden, der
auch die Vorbereitungs-Impulsfolge steuert.
-
Die gesamte elektronische Aufbereitung der Signale erfolgt zweckmäßig
im Niederspannungsbereich. Die so aufbereiteten Impulse werden über zwei elektronische
Steuerungen zu den Zündspulen ( Zündübertragern ) geleitet und erst dort zu den
erforderlichen Hochspannungsimpulsen umgeformt.
-
Jeder Zündkerze ist eine eigene, einfache Zünspule zugeordnet. Damit
findet auf der Hochspannungsseite keinerlei Umschaltung mehr statt, der Zündverteiler
entfällt ganz.
-
Eine eiktronische Steuerung schaltet nun den Primärstrs,mkreis derjenigen
Zündspule, deren Zündkerze im Kompressionstakt liegt, entsprechend der geschilderten
Vorbereitungs-Impulsfolge.
-
Eine zweite elektronische Steuerung schaltet zum beabsichtigten Zündzeitpunkt
den Primärstromkreis derjenigen Zündspule, die zuvor mit der Vorbereitungs-Impulsfolge
beaufschlagt war,
entsprechend der geschilderten energiereichen,
zündfähigen Impulsfolge und bewirkt damit die eigentliche Zündung des Gemisches.
-
Beide elektronischen Steuerungen werden von demselben von der Winkelstellung
der Motorwelle (Kurbelwelle) abhängigen Signal gesteuert, das auch den Amplitudenverlauf
der Vorbereitungs-Impulsfolge steuert.
-
Um die Wirkungsweise der Erfindung näher zu erläutern, sei eine mögliche
Ausgestaltung anhand der Prinzipschaltung Figur 1 gezeigt und beschrieben. Die in
den folgenden Figuren gezeigten Signalverläufe sind dabei für einen Vierzylinder-Viertakt-Motor
gezeichnet, bei anderen Zylinder-bzw. Taktzahlen müssen sie entsprechend übertragen
werden.
-
Zur gesamten Ablaufsteuerung der Zündvorrichtung gemäß der Erfindung
ist ein von der Winkelstellung der Motorwelle (Kurbelwelle) abhängiges Signal erforderlich,
das vom Impulsgeber 1 geliefert wird. Der prinzipielle Verlauf dieses Signales ist
in Figur 2 gezeigt. Es ist ersichtlich, 1 daß dieser Verlauf unmittelbar aus dem
herkömmlichen Unterbrecherkontakt abgeleitet werden kann, da die erfindungs-,.gemäß
Zündvor;ichtung auch an einem herkömmlichen Unterbrecherkontakt
betrieben
werden kann. Es ist ebenso möglich, andere bekannte Signale, insbesondeiedurch magnetischinduktive
oder durch opto-elektronischgAbtastung gewonnene Signale zu verwenden. Das Signal
Winkelstellung kann die nach den jeweiligen Betriebsverhältnissen erforderliche
Zündwinkelverstellung bereits enthalten, z.B.
-
beim Anschluß an einen herkömmlichen mechanischen Unterbrecherkontakt
mit automatischer drehzahl- oder unterdruckabhängiger Zündwinkelverstellung. Es
kann die erforderliche Zündwinkelverstellung aber auch erst in der Stufe der Signalaufbereitung
auf bekannte Weise elektronisch erfolgen.
-
Das Signal Winkelstellung Motorwelle wird in einer Signalaufbereitungsschaltung
2 in die für die folgende Elektronik geeignete Form gebraucht. Insbesondere wird
mit bekannten elektronischen Mitteln Amplitude und Flankensteilheit optimiert. So
wird für die Anschaltung an mechanische Unterbrechehkontakte eine Entprellung erreicht.
Bei starr vom Drehwinkel der Motorwelle abhängigen Signalen kann die Zündwinkelverstellung,
wie bereits erwähnt, in der Signalaufbere,itungsschaltung 2 mit enthalten sein,
auf ähnliche Weise, wie es von elektronischen, rechnergesteuerten Zündvorrichtungen
her bekannt ist. Am Ausgang der Stufe Signalaufbereitung steht ein Signalverlauf
gemäß Figur 2 a an, wobei die fallenden Signalflanken bereits genau den entsprechend
nötigen
Zündwinkeln bzw. Zündzeitpunkten entsprechen.
-
Das Ausgangssignal der Signalaufbereitung wird zusammen mit dem Signal
eines üblichen Oszillators 3 mit konstanter Frequenz einem Modulator 4 zugeführt.
Durch Modulation beider Signale wird, zusammen mit der aus dem aufbereiteten Signal
Winkelstellung abgeleiteten Drehgeschwindigkeit (Drehfrequenz) eine Signalfolge
nach Fig. 3 erzeugt. Die Signalwerte befinden sich dabei noch in dem für die elektronische
Signalverarbeitung günstigen Spannungsbereich.
-
Das Zeitintervall, in dem sich der Amplitudenanstieg vollzieht, wird
drehgeschwindigkeitsabhängig kürzer, vergl.
-
Fig. 3.
-
Ein nachgeschalteter Verstärker 5 bringt die Signale bei im wesentlichen
unverändertem Verlauf auf die für die Primärseite der Zündspulen (Zündübertrager)
nötigen Spannungs-und Stromwerte.
-
Eine elektronische Steuerung 6 schaltet die im Verstärker 5 erzeugten
Impulse auf die jeweils gerade dem Kompressions-. t} takt zugehörige Zündspule.
In den Zündspulen werden die Impulse auf die für den beabsichtigten Zweck nötigen
Hochspannungswerte'übersetzt.
-
Damit steht erfindungsgemäß während des Verdichtungstaktes, genauer
von der steigenden Flanke des aufbereiteten Signales
Winkelstellung
bis zur fallenden Flanke dieses Signales, also bis zum beabsichtigten Zündzeitpunkt,
eine Vorbereitungs-Impulsfolge mit nicht zündfähigen Impulsen an der Zündkerze an.
-
In einem weiteren Verstärker 7, werden vom bereits erwähnten Oszillator
3 mit konstanter Frequenz energiereiche, nach Ubertragung durch die Zündspulen zündfähige
Impulsfolgen erzeugt. Die Steuerung 8 teilt diese Impulsfolgen entsprechend Figur
4 der jeweils gerade dem Zündzeitpunkt zugeordneten Zündspule zu. In den Zündspulen
werden die Impulse auf die für die Zündung nötigen Hochspannungswerte übersetzt.
-
Damit steht zum beabsichtigten Zündzeitpunkt eine zündfähige Impulsfolge
an der Zündkerze an.
-
Die beiden geschilderten Steuerungen 6 und 8 werden zum präzisen Ablauf
vom aufbereiteten Signal Winkelstellung angesteuert.
-
Es ist möglich, die elektronischen Komponenten für die Signalaufbereitung,
also die Schaltungen für Signalaufbezeitung 2, Oszillator 3, Modulator 4, ferner
für die Verstärker 5 und 7 und für die Steuerungen 6 und 8 in geeignete Schaltkreise
zu integrieren. Es können aber auch
übliche, vorhandene elektronische
Bauteile verwendet werden.
-
Wie in Figur 5 skizziert, kann die erfindungsgemäße Zündvorrichtung
so aufgebaut werden, daß sie aus einer Einheit oder aus wenigen, einfach zu verbindenden
Einheiten besteht, die als äußere Anschlüsse nur die Verbindungen 9, 10, 11, 12
zu den Zündkerzen, Verbindung 13, 14 zur Stromversorgung ( Bordnetz ) und Verbindung
15 zum drehwinkelabhängigen Impulsgeber 1 enthält.
-
Bei Ausfall der Batterie beginnt der Rechner immer wieder bei den
Signalen für den ersten Zylinder. Dieser Zustand muß aber nicht unbedingt mit dem
Zustand des Motors übereinstimmen (Lage der Kolben); der Motor könnte ohne vorbereitende
Synchronstellung der Kurbelwelle nicht anspringen. Deswegen muß entweder ein spezieller
Startimpulsgeber eingebaut werden, optoelektronisch, elektromagnetisch oder mechanisch,
oder es muß ein Akkumulator vorgesehen werden, der nur den Speicher des Rechners
zur Uberbrückung mit Strom versieht und während der Fahrt immer aufgeladen wird.
-
Der Erfindung zufolge kann auch vorgesehen werden, daß Vorbereitungs-Impulsfolgen
ebenfalls während des Ansaug- und/oder Adspuf-ftaktes an:d:ie Zündkerzen geliefert
werden.