DE3212874C2

DE3212874C2 - Plasmazündanlage für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3212874C2
Application number: DE3212874A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Endo; Iwao Imai; Yasuki Yokosuka Kanagawa Ishikawa; Masazumi Sone
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1981-04-07
Filing date: 1982-04-06
Publication date: 1986-10-09
Also published as: GB2099917B; US4418660A; GB2099917A; JPS57165673A; DE3212874A1

Abstract

In einer Plasmazündanlage für eine Brennkraftmaschine werden die Plasmazündkerzen (P ↓1 bis P ↓4) über einen Speicherkondensator (C ↓1 ↓a bis C ↓1 ↓d) und einen Entladeschwingkreis (L ↓p ↓a bis L ↓p ↓d, C ↓2 ↓a bis C ↓2 ↓d) immer dann mit Zündenergie beaufschlagt, wenn der Speicherkondensator über einen zugeordneten elektronischen Schalter (PSCR ↓1 bis PSCR ↓4) entladen wird. Diese Schalter sind lichtempfindlich und werden mit Hilfe eines von einer lichtemittierenden Diode abgegebenen Lichtimpulses leitend geschaltet, so daß keine fehlerhaften Zündungen durch hochfrequentes Zündrauschen auftreten können.

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

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ei) die Thyristoren (PSCRi bis PSCRn) Fotothyristoren sind,

f 1) der Triggersignalgenerator (A) eine Anzahl von Licht emittierenden Halbleitern (LEDi bis LEDa) aufweist, die elektrische Triggersignale erhalten und diese in optische Triggersignale umformen, die ar. die jeweiligen Fotothyristoren (PSCRi bis PSCRn) gegeben werden, um diese leitend zu schalten, und da ß

g) eine mit Masse verbundene Abschirmung (M) vorgesehen ist, die den Triggersignalgenerator (A, LEDi bis LED₄) gegen hochfrequentes Zündrauschen abschirmt.

chenden Licht emittierenden Halbleiter (LEDi bis LED₄) und Fotothyristor (PSCR_x bis PSCR₄) geschaltet ist

3. Plasmazündanlage nach Anspruch 1 oder 2. gekennzeichnet durch

a) eine der Anzahl der Zylinder entsprechende Anzahl erster Dioden (Du bis Did), von denen jede zwischen den Gleichspannungswandler (E) und den einen Anschluß des entsprechenden Plasmazündenergiekondensators (Ci₃ bis Cu) geschaltet ist, um zu verhindern, daß die im entsprechenden Plasmazündenergiekondensator (Cu bis Qd) gespeicherte Zündenergie in den Gleichspannungswandler f-ξ) zurückfließt, und

b) eine der Anzahl der Zylinder entsprechende Anzahl zweiter Dioden (D^ bis D>d), von denen jede zwischen den anderen Anschluß des entsprechenden Plasmazündenergiekondensators (Cu bis Qd) und Masse geschaltet ist, um den anderen Anschluß des entsprechenden Plasmazündenergiekondensators (Cu bis Qd) nur dann an Masse zu legen, wenn der entsprechende Plasmazündenergiekondensator (Cu bis Qd) aufgeladen ist

4. Plasmazündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht emittierenden Halbleiter (LEDi bis LED₄) Leuchtdioden sind, von denen jede in Reihe mit einem Widerstand (R) zwischen den Triggersignalgenerator (A) und Masse geschaltet ist.

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2. Plasmazündanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anzahl von optischen Fasern (Fi bis F₄), von denen jeweils eine zwischen den entspre-Die Erfindung bezieht sich auf eine Plasmazündanlage der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Bei einer solchen, mit der DE-OS 31 37 240 angegebenen Plasmazündanlage werden von dem Triggersignalgenerator elektrische Triggersignale unmittelbar an die als elektronische Schalter wirkenden Thyristoren gegeben.

Aus der GB-PS 12 57 794 ist eine Zündanlage bekannt, die mit Fotothyristoren arbeitet, die jeweils mit einer Zündkerze in Reihe geschaltet sind, um an diese Zündenergie durchzuschalten. Jeder der Fotothyristoren ist über eine ihm individuell zugeordnete optische Faser mit einer optischen Verteilerschaltung verbunden, in der die anderen Enden der mit den Fotothyristoren verbundenen Fasern über den Umfang einer Scheibe gleichmäßig verteilt sind. Über dieser Scheibe dreht sich das Ende einer weiteren optischen Faser, deren anderes Ende mit einer Lichtquelle optisch verbunden ist. Diese weitere optische Faser wird synchron mit den Umdrehungen der Brennkraftmaschine angetrieben, so daß die mit den Fotothyristoren verbundenen Fasern entsprechend einer bestimmten Zündfolge über die weitere Faser Licht erhalten, das dann zum Leitendschalten der jeweiligen Fotothyristoren an diese weitergegeben wird. Ein solcher Lichtenergie übertragender optischer Verteiler ist jedoch konstruktiv aufwendig und hat hinsichtlich seiner optischen Übertragungsfähigkeit einen nur geringen Wirkungsgrad.

Aus der DE-OS 26 41 239 ist eine Zündanlage bekannt, bei der von einer Lichtquelle abgegebenes Licht über eine erste optische Faser an ein synchron mit den

Umdrehungen der Brennkraftmaschine angetriebenes Bauteil gegeben wird, von dem das Licht reflektiert und über eine weitere optische Paser an ein lichtempfindliches, elektrisches Schaltglied gegeben wird, das z. B. Zündcnergie an eine Zündkerz.e durchschallet

Aus der GB-PS 20 21 686 ist eine Zündanlage mit einem optischen Verteiler bekannt, bei dem eine Anzahl von Licht emittierenden Dioden, die von Triggerimpulsen gespeist werden, auf einem Kreisring angeordnet sind, der einem Kreisring von Fototransistoren gegenüberliegt Dk: Fototransistoren schalten Zündenergie an eine Zündkerze durch, wenn sie leitend geschaltet werden. Zwischen den beiden gegenüberliegenden Kreisringen von Licht emittierenden Dioden und Fototransistoren dreht sich eine Blende synchron mit den Triggerimpulsen, so daß jeweils nur einer der Fototransistoren optisch mit einer der Licht emittierenden Dioden verbunden wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Plasmazündanlage der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art so weiterzubilden, daß eine zeitlich sehr genau gesteuerte und von Zündrauschen nicht gestörte Zündung der einzelnen Plasmazündkerzen erfolgt

Bei einer Plasmazündanlage der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Plasmazündanlage zeichnet sich dadurch aus, daß bei einer an sich bekannten optischen Auslösung der Plasmazündkerzen über Fotothyristoren jedem dieser Fotothyristoren ein Licht emittierender Halbleiter individuell zugeordnet ist, mit dem er optisch verbunden ist. Die von dem Triggersignalgenerator erzeugten und synchron mit der Umdrehung der Brennkraftmaschine abgegebenen elektrischen Triggersignale gelangen nacheinander an die einzelnen Licht emittierenden Halbleiter, damit diese nacheinander Licht abgeben. Die erfindungsgemäße Plasmazündanlage benutzt also keinen optischen Verteiler, sondern wandelt vielmehr die in der bestimmten Reihenfolge synchron mit der Umdrehung der Brennkraftmaschine erzeugten elektrischen Triggersignale in optische Triggersignale um. Eine mit Masse verbundene Abschirmung umgibt den Triggersignalgenerator und auch die Licht emittierenden Halbleiter, so daß die gesamte elektrische bzw. elektronische Schaltung zur Erzeugung der optischen Triggersignale gegen hochfrequentes Zündrauschen abgeschirmt ist. Auf diese Weise ist ohne mechanisch konstruktivem Aufwand mit Hilfe von elektronischen Schaltungen und einer optischen Signalübertragung eine sehr genaue und gegenüber dem Zündrauschen unempfindliche Ansteuerung der Plasmazündkerzen mit hoher Energie möglich.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert Im einzelnen zeigen

Fig. IA und 1Bein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Plasmazündanlage,

F i g. 2 ein Zeitsignaldiagramm für die Schaltung der in F i g. 1 dargestellten Plasmazündanlage und

F i p. .1 pin Aiisführiirigsbcispip! ριπργ bei der in F ι<*.! dargestellten Plasmazündanlage verwendbaren Plasmazündkerze.

Anhand der Zeichnung und insbesondere zunächst anhand von F i g. 1 wird ein Schaltungsaufbau für die Plasmazündanlage bei einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine beschrieben.

In Fig. IA und IB ist ein Gleichspannungswandler E dargestellt der mit einer Gleichspannungsversorgung B niedriger Spannung verbunden ist, um die niedrige Gleichspannung von beispielsweise 12 V auf eine hohe Gleichspannung von beispielsweise 1000 V zu erhöhen. Der Aufbau des Gleichspannungswandlers E ist allgemein bekannt Vier erste Dioden D\_a bis D\a liegen mit ihren Anoden am Ausgang des Gleichspannungswandlers E und laden Plasmazündenergiekondensatoren Ci₃ bis Qd auf. Spannungserhöhungstransformatoren T_a bis

ίο Td haben einen gemeinsamen Anschluß, der zwischen einem Anschluß der Primär- und der Sekundärwicklung L_p und Ls liegt, wobei der jeweils andere Anschluß der Sekundärwicklung L_M bis L«/ über einen Hilfskondensator C23 bis Cw an Masse liegt und der jeweils andere Anschluß der Primärwicklung L_pi bis Lpd an einer Plasmazündkerze P\ bis Pi liegt, die später beschrieben wird und sich in jedem Zylinder befindet Vier zweite Dioden L\a bis D-id liegen jeweils mit ihrer Anode an einem Anschluß jedes Plasmazündenergiekondensators Q_a bis C\d und mit ihrer Kathode an Masse, um den Durchgang der Plasmazündenergie zu steuern. Fotothyristoren PSCR\ bis PSCRi liegen jeweils mit ihrer Anode am anderen Anschluß jedes Plasmazündenergiekondensators C\_a bis C\d und mit ihrer Kathode an Masse. Vier optische Fasern Fi bis Fa liegen jeweils zwischen Licht emittierenden Halbleitern, beispielsweise Leuchtdioden LED\ bis LEDa und dem Steueranschluß eines zugeordneten Fotothyristors PSCRi bis PSCRa. Weiterhin sind Widerstände R vorgesehen. Ein Triggersignalgenerator A ist mit seinen Ausgängen mit den Anoden der Leuchtdioden LEDt bis LEDa über die jeweiligen Widerstände R verbunden, wobei die Kathoden der Leuchtdioden an Masse liegen. Der Triggersignalgenerator A umfaßt einen Mehrbitringzähler, der eine Vielzahl von Bits zählen kann, deren Anzahl von der Anzahl der Zylinder abhängt, und monostabile Multivibratoren mit einer der der Bits des Ringzählers gleichen Anzahl, die Triggerimpulse a, b, c und d an der ansteigenden Flanke jedes Bitimpulses vom Ringzähler in der in F i g. 2 dargestellten Weise mit einer Breite von 0,5 ms in Abhängigkeit davon abgeben, welches Bit des Ringzählers den Bitimpuls auslöst, wobei der Triggersignalgenerator A mit einem Sensor, beispielsweise mit einem Kurbelwellendrehwinkelsensor verbunden ist, der eine in F i g. 2 dargestellte Impulsfolge /abgibt, um den Plasmazündzeitpunkt anzugeben. Dieser gibt einen Impuls / immer dann ab, wenn die Kurbelwelle sich bei der Vierzylindermaschine um 180° gedreht hat. Im Fall einer Sechszylindermaschine gibt der Sensor einen Impuls immer dann ab, wenn sich die Kurbelwelle um 120° gedreht hat. Eine Abschirmung M umfaßt die Signalleitung zwischen dem Sensor und dem Triggersignalgenerator A.

Wenn die in Fig. IA und IB dargestellten Plasmazündkondensatoren Cu bis C\d mit der hohen Gleichspannung vom Gleichspannungswandler E über die entsprechende Diode Dia bis Did und die entsprechende zweite Diode D₂₁ bis Did aufgeladen sind, die einen Anschluß jedes Plasmazündkondensators Ci₈ bis C\d an Masse legen, wird einer der Fotothyristoren PSCRi bis PSCRa durch ein Lichtsignal (ein optisches Signal) von Ηργ *»ηίθΓ\ΓΓ»Γ·Ι"»^ηΗ»η \_jc*\\f>\\tA\r\Aa T ΪΓΓΊ. Kit· / JT/"). nUai·

die entsprechende optische Faser Fi bis Ft leitend geschaltet, wobei die jeweilige Leuchtdiode LfDj bis LED* immer dann Licht aussendet, wenn sie vom Tr iggersignalgenerator A einen Triggerimpuls mit einer Breite von 0,5 ms erhält. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich die Spannung am Punkt Qin Fig. IA schnell vom Wert Null auf eine negative hohe GleichsDannune von

beispielsweise 1000 V. Diese Spannungsänderung liegt am entsprechenden Spannungserhöhungstransformator T„ bis Td, und zwar an dem von der Primärwicklung L_ps bis Lpd und dem Hilfskondensator C_2a bis C₂₁/ gebildeten Primärschaltkreis, dessen Einschwingvorgang durch die Gleichung

/. (Frequenz) =

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ausgedrückt werden kann, wobei L_p eine der Primärwicklungen der Spannungserhöhungstransformatoren T₁ bis Td und C₂ einen der Hilfskondensatoren C_2a bis C_2</ bezeichnen. Folglich wird eine schwingungsgedämpfte Wechselspannung mit einer Frequenz /1 und einer maximalen Amplitude von beispielsweise ± 1000 V erzeugt Die an der Primärwicklung L_p der Transformatoren T, bis Td erzeugte Spannung wird weiter entsprechend dem Wicklungsverhältnis N zwischen der Sekundärwicklung L₅ und der Primärwicklung L_p verstärkt Die um den Faktor N an der Sekundärwicklung L₅ der Transformatoren T, bis Td verstärkte Wechselspannung, die in F i g. 2 dargestellt ist, liegt an der entsprechenden Plasmazündkerze P\ bis P₄. An der Plasmazündkerze P\ bis Pa wird ein elektrischer Durchbruch zwischen der zentralen Elektrode und der an Masse liegenden Seitenelektrode erzeugt, um den Widerstand der Zündkerze P\ bis P₄ auf einen leitenden Zustand herabzusetzen, so daß ein Plasmagas in den Zylinder zum Zünden des Kraftstoffes eingeblasen wird.

Folglich liegt die Hochspannungszündenergie, die am entsprechenden Kondensator C\_a bis C\d gespeichert ist und beispielsweise etwa 0,5 Joules beträgt, innerhalb eines kurzen Zeitintervalls von beispielsweise 0,1 ms an der entsprechenden Plasmazündkerze P\ bis Pt,.

Ein Hauptmerkmal des Aufbaues der verbesserten Plasmazündanlage besteht darin, daß die Fotothyristoren PSCRi bis PSCRa als lichtempfindliche, elektrische Schaltelemente für die Schaltkreise mit Schalterfunktion in der oben beschriebenen Weise verwandt werden und dementsprechend elektrische Triggersignale a, b, c und d der Reihe nach vom Triggersignalgenerator A erzeugt und in Lichtauslösesignale a' b', c'und d'mittels der Leuchtdioden LEDi bis LEDa als lichtaussendende Elemente für die Fotothyristoren PSCRi bis PSCR₄ jeweils umgewandelt werden, so daß jedes Lichtauslösesignal a', b', c' und d' über die entsprechende optische Faser Fj bis F₄ am entsprechenden Fotothyristor PSCRt bis PSCRa liegt

F i g. 3 zeigt ein Beispiel einer Plasmazündkerze P\ bis Pn für die Plasmazündanlage.

In F i g. 3 sind eine in Längsrichtung geschnittene Seitenansicht X und eine Unteransicht Y jeder Plasmazündkerze P\ bis Pa dargestellt Die Plasmazündkerze Pi bis Pa umfaßt eine zentrale Elektrode 1, die axial in der Mitte angeordnet ist eine Seitenelektrode 2, die so angeordnet ist daß sie die zentrale Elektrode umschließt und in der Mitte des unteren Endes eine Einblasöffnung 5 aufweist, und ein elektrisches Isolierelement 3 aus einem keramischen Material, das zwischen der zentralen Elektrode 1 und der Seitenelektrode 2 angeordnet ist so daß ein Entladezwischenraum 4 mit kleinem Volumen von annähernd einigen Quadratmillimetern in der Nähe der Einblasöffnung 5 gebildet ist Wenn Hochspannungsenergie in der Größenordnung von annähernd 0,5 Joules zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 liegt wird im Entladezwischenraum 4 ein Plasmagas erzeugt und durch die Einblasöffnung 5 in die Verbrennungskammer des entsprechenden Zylinders geblasen.

Es versteht sich, daß trotz der Tatsache, daß die anhand von Fig. IA und IB und 2 beschriebene Plasmazündanlage bei einer Vierzylindermaschine Anwendung findet, diese auch bei einer Brennkraftmaschine mit einer beliebigen Anzahl von Zylindern angewandt werden kann.

Es wird weiterhin darauf hingewiesen, daß parallel zum Triggersignalgenerator A ein monostabiler Multivibrator vorgesehen ist, so daß das Impulssignal vom Sensor auch am monostabilen Multivibrator liegt, der ein Impulssignal zum Unterbrechen der Schwingung des Gleichspannungswandlers E mit einem gegebenen Zeitintervall abgibt

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Plasmazündanlage für eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, mit

a) einer Plasmazündkerze (Pi bis ft) in jedem zugehörigen Zylinder, die eine zentrale Elektrode

(1) und eine an Masse liegende Seitenelektrode

(2) aufweist,

b) einem Gleichspannungswandler (E) zum Erhöhen einer zugeführten niedrigen Gleichspannung auf eine hohe Gleichspannung,

c) einer der Anzahl der Zylinder entsprechenden Anzahl von Plasmazündenergiekondensatoren (Cu bis Qd), die mit ihrem einen Anschluß mit dem Gleichspannungswandler (E) verbunden sind und von denen jeder mit der hohen Gleichspannung vom Gleichspannungswandler (E) aufgeladen wird,

d) einer der Anzahl der Zylinder entsprechenden Anzahl von Spannungserhöhungstransformatoren (T, bis Td), von denen jeder einen gemeinsamen Anschluß der Primär- und Sekundärwicklung (L_M bis L_pa bis Lpd) aufweist, der mit dem anderen Anschluß jedes zugehörigen Plasmazündenergiekondensators (Q_a bis Qd) verbunden ist, wobei der andere Anschluß der Sekundärwicklung (L_sa bis Lsd) mit der zentralen Elektrode der entsprechenden Plasmazündkerze (Pi bis ft) verbunden ist, und der andere Anschluß der Primärwicklung (L_pa bis Lpd) über einen Hilfskondensator (C2a bis Q\d) zum Erzeugen einer gedämpften Schwingung mit Masse verbunden ist,

e) einer der Anzahl der Zylinder entsprechenden Anzahl von Thyristoren (PSCRt bis PSCRa), die jeweils zwischen den einen Anschluß des zugehörigen Plasmazündenergiekondensators (Cu bis Ctd) und Masse geschaltet sind und leitend geschaltet werden, wenn sie ein Triggersignal erhalten, und

f) einem Triggersignalgenerator (A) zum Erzeugen der Triggersignale, die nacheinander an jeweils einen der Thyristoren (PSCR₁ bis PSCR₄) synchron mit der Umdrehung der Brennkraftmaschine entsprechend einer bestimmten Zündfolge gegeben werden,