DE3221885C2

DE3221885C2 - Plasma-Zündsystem für eine mehrere Zylinder aufweisende Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3221885C2
Application number: DE3221885A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Endo; Iwao Yokosuka Kanagawa Imai; Yasuki Ishikawa; Masazumi Sone
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1981-06-09
Filing date: 1982-06-09
Publication date: 1986-10-02
Also published as: US4448181A; JPS57203867A; DE3221885A1

Abstract

Ein Plasma-Zündsystem für einen Verbrennungsmotor mit beliebiger Zahl von Zylindern weist folgende Bauteile auf: A) Mehrere Plasma-Zündkerzen, die jeweils in einem entsprechenden Zylinder angebracht sind; B) eine erste Energiequelleneinheit für die Zuführung einer ersten elektrischen Energie zu jeder Plasmazündkerze, um so in jeder Plasma-Zündkerze eine Funkenentladung zu erzeugen; C) eine erste Schaltanordnung, um nacheinander die erste Energiequelleneinheit entsprechend einer vorgegebenen Zündfolge mit jeder Plasmazündkerze zu verbinden; D) eine zweite Energiequelleneinheit, um jeder Plasmazündkerze eine zweite elektrische Energie zuzuführen, um so in jeder Plasmazündkerze ein Hochtemperatur-Plasmagas zu erzeugen; und E) eine zweite Schaltanordnung, um nacheinander zwei der Plasma-Zündkerzen in den jeweiligen Zylindern so anzuschalten, daß sich ein Zylinder des Motors am Beginn eines Explosionshubs und der andere Zylinder des Motors nahezu um Ende eines Auslaß- bzw. Ablaßhubs befindet, und zwar mit einer vorgegebenen Verzögerung nach dem Auftreten der Funkentladung an der entsprechenden Plasmazündkerze, wenn die Drehzahl des Motors unter einem vorgegebenen Wert liegt; dadurch läßt sich die Zahl der Hochspannung aufnehmenden Kondensatoren und Schaltelemente (Thyristoren) der Schaltanordnungen auf die Hälfte der Zahl der Zylinder verringern; außerdem läßt sich der Energieverbrauch dieser ersten und zweiten Energiezuführungseinheiten merklich reduzieren, und zwar ........

Description

5. Zündsystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch:

a) einen Frequenz-Spannungsumformer (12), der mit dem Fühler (6) verbunden ist und die Frequenz des ersten Impulssignals in einen entsprechenden Spannungspegel umformt,

b) einen Vergleicher (13) der ein Spannungssignal niedrigen Pegels immer dann abgibt, wenn das Spannungssignal von dem Frequenz-Spannungs-Umformer eine Bezugsspannung übersteigt, die einen bestimmten Wert der Drehzahl entspricht,

c) einen zweiten monostabilen Multivibrator (11), der mit dem Fühler (6) verbunden ist und ein viertes Impulssignal an erste und zweite Gleichspannungs-Gleichspannungs-Umformer (Da, Db) im Ansprechen auf das erste Impulssignal von dem Fühler abgibt, um zeitweilig die Umformerfunktion der ersten und zweiten Gleichspannungs-Gleichspannungs-Umformer anzuhalten, um die Abgabe der ersten und zweiten hohen Gleichspannungen zu unterbrechen, und

d) mehrere UND-Glieder (14a, 14b) die jeweils mit den zugehörigen ersten ODER-Gliedern (9a, 9b) und dem Vergleicher (13) verbunden sind, um eine logische UND-Verknüpfung zwischen dem Spannungssignal niedrigen Pegels von dem Vergleicher und jedem ersten Impulssignal herzustellen, das durch das zugeordnete ODER-Glied hindurchgeleitet ist, um das Zuführen eines jeden ersten Ansteuersignals an jede Verzögerungsschaltung (10a, 10b) zu verhindern.

6. Zündsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Schalterschaltungen (SCRlS, SCR16, D_n, D₁₄) jeweils Thyristoren (SCR15, SCR16) umfassen.

7. Zündsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Kondensatoren (C₁₂) und Thyristoren (SCR15, SCR16) eine höhere Spannung aufnehmen können als die ersten Kondensatoren (C₁₁) and Thyristoren (SCRU bis SCR14).

8. Zündsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Verzögerungszeit der Verzögerungsschaltungen (10a, IQb) etwa gleich 100 MikroSekunden ist.

9. Zündsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Wert der Drehzahl 3000 Umin ' ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Plasma-Zündsystem der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Bei einem solchen, mit der DE-OS 31 37 240 angegebenen Plasma-Zündsystem erfolgt eine gezielte Ansteuerung der ersten Schalterschaltungen mit dem von dem ersten Ansteuersignal-Generator erzeugten ersten Ansteuersignal genau zu den Zeitpunkten, zu denen eine Zündung der jeweiligen Plasma-Zündkerze erfolgen soll. Wenn jeweils eine der ersten Schalterschaltungen den zugeordneten ersten Kondensator mit dem Spannungs-Erhöhungs-Transformator verbindet, wird die erste hohe Gleichspannung über die Primärwicklung des Erhöhungstransformators entladen, so daß damit von der Sekundärwicklung eine hohe Spannung an die zugeordnete Plasma-Zündkerze gegeben wird.

Aus der DE-OS 22 40 539 ist eine Zündanlage für eine Brennkraftmaschine bekannt, die eine Spannungsquelle hoher Spannung, einen Speicherkondensator, eine Diode, über die der Speicherkondensator von der Spannungsquelle aufgeladen wird, einen Transformator mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung, einen auf einen Ansteuerimpuls ansprechenden Thyristor zum Entladen des Speicherkondensators über die Primärwicklung des Transformators, um damit an der Sekundärwicklung einen Zündimpuls zu erzeugen, eine Aufnehmerspule, die auf das Vorbeilaufen eines Magneten an ihr anspricht, der an einem umlaufenden Teil der Brennkraftmaschine angeordnet ist, um damit den Ansteuerimpuls und schließlich den Zündimpuls zum Ionisieren eines Zündspaltes der Zündkerze zu erzeugen, und einen weiteren Speicherkondensator sowie eine weitere Diode aufweist, über die der weitere Speicherkondensator aufgeladen wird. Dieser weitere Speicherkondensator wird über den Zündspalt immer dann entladen, wenn dieser ionisiert ist, um damit die in dem Zündspalt erzeugten Zündfunken zu intensivieren. Der Entladekreis des weiteren Speicherkondensators wird daher immer dann geschlossen, wenn die elektrisch isolierende Luftschicht im Zündspalt durch den Zündimpuls ausreichend ionisiert ist. In dem Entladekreis des zweiten Speicherkondensators liegt dabei die Sekundärwicklung des Transformators mit der Zündkerze in Reihe.

Aus der EP-OS 00 26 429 ist eine Zündanlage für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der jede Zündkerze im Sekundärkreis eines Zündtransformators

angeordnet ist, dessen Primärwicklung mit einer kapazitiven Energiequelle durch eine Zündverteilerschaltung verbindbar ist, die mit elektronischen Schaltern arbeitet.

Aus der WO 81/00 885 ist eine Plasma-Zündanlage für eins Brennkraftmaschine bekannt, bei der ein Kondensator der Sekundärwicklung eines Zündtransformators parallel geschaltet ist. Ferner ist eine Bypaßschaltung vorgesehen, über die in der Primärschaltung des Zündtransformators gespeicherte Energie um die eine hohe Impedanz aufweisende Sekundärwicklung des Zündtransformators herum gebbar ist, nachdem die an der Sekundärwicklung erzeugte hohe Spannung einen Hilfsspalt der Plasma-Zündkerze ionisiert hat, so daß dann über die Bypaßschaltung die in dem Primärkreis gespeicherte Energie über den Hauptzündspalt der Plasma-Zündkerze entladen wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Zündsystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art so weiterzubilden, daß nach dem Zünden der jeweiligen Plasma-Zündkerze mit der ersten hohen Gleichspannung die an sich bekannte Verstärkung oder Verlängerung der Plasma-Zündung mit Hilfe einer zweiten hohen Gleichspannung in einer zeitlich genau gesteuerten Weise bei geringem Schaltungsaufwand erfolgt.

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

Das erfindungsgemäße Zündsystem zeichnet sich dadurch aus, daß die zweite hohe Gleichspannung an mehrere zweite Kondensatoren gegeben wird, wobei deren Anzahl nur gleich der Hälfte der geraden Anzahl der vorhandenen Zylinder der Brennkraftmaschine ist. Diesen zweiten Kondensatoren sind jeweils zweite Schalterschaltungen zugeordnet, die die zweiten Kondensatoren jeweils mit zwei Spannungs-Erhöhungstransformatoren verbinden, die damit auch zwei Zylindern der Brennkraftmaschine zugeordnet sind. Die jeweils einem der zweiten Kondensatoren gemeinsam zugeordneten zwei Zylinder sind dabei nach Maßgabe der Zündfolge so ausgewählt, daß sich einer dieser Zylinder jeweils in seinem Expansionshub befindet, während der andere der beiden Zylinder sich jeweils in seinem Auslaßhub befindet. Mit Hilfe eines zweiten Ansteuersignal-Generators wird ein zweites Ansteuersignal erzeugt, das gegenüber der Erzeugung des ersten Ansteuersignals um eine bestimmte Zeitdauer verzögert ist. Dadurch erfolgt die jeweilige Entladung eines zweiten Kondensators um eine ganz bestimmte Zeitdauer verzögert zur Erzeugung des an die jeweilige Plasma-Zündkerze gegebenen Zündfunkens, wodurch sichergestellt ist, daß der jeweilige Luftspalt der Zündkerze durch diesen Zündfunken bereits ionisiert ist und damit die erzeugte Plasmazündung entsprechend verstärkt bzw. verlängert wird. Durch das Vorsehen einer Anzahl von zweiten Kondensatoren und auch zweiten Schalterschaltungen, die nur halb so groß ist wie die Anzahl der Plasma-Zündkerzen ist die Schaltung einfach ausgebildet.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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

Fig. 1 ein typisches Beispiel einer Plasma-Zündkerze, wie sie bei einem Plasma-Zündsystem nach der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines Plasma-Zündsystems für einen Vierzylinder-Motor,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des Plasma-Zündsystems, wobei insbesondere der Gleichspannungswandler dargestellt ist,

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform eines Plasma-Zündsystems für einen Vierzylindermotor,

Fig. 5 eine vierte Ausführungsform eines Plasma-Zündsystems für einen Vierzylindermotor und

Fig. 6 ein Zeitdiagramm der Signalformen der einzelnen Schaltungsteile, die in der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt sowie eine Bodenansicht (X und Y) einer Plasma-Zündkerze, die in einem der Zylinder einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs angebracht werden soll.
In Fig. 1 sind eine zentrale Elektrode 1 und eine Seitenelektrode 2 zu erkennen. Ein isolierendes Element 3, das beispielsweise aus einem keramischen Werkstoff hergestellt wird, ist zwischen der zentralen Elektrode 1 und der seitlichen Elektrode 2 vorgesehen.

Weiterhin ist ein Entladungsspalt 4 mit kleinem Volumen an den unteren Enden des isolierenden Elementes 3 und der zentralen Elektrode 1 ausgebildet, so daß die zentrale Elektrode 1 der Seitenelektrode 2 zugewandt ist; unter dem Entladungsspalt 4 und der unteren Mitte der Seitenelektrode 2 ist ein Düsenloch 5 vorgesehen, um ein Hochtemperatur-Plasmagas, das an dem Entladungsspalt 4 erzeugt wird, in eine Verbrennungskammer einzublasen, wodurch ein Luft/Kraftstoff-Gemisch gezündet wird; die in Fig. 1 gezeigte Plasma-Zündkerze ist in einer solchen Verbrennungskammer angeordnet. Es läßt sich weiterhin erkennen, daß die seitliche Elektrode 3 geerdet ist.

Fig. 2 zeigt den gesamten Schaltungsaufbau einer ersten Ausführungsform des Plasma-Zündsystems, wie es bei einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann.

Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß sich das Plasma-Zündsystem auch bei Brennkraftmaschinen mit anderen geraden Zylinderzahlen verwenden läßt.

In Fig. 2 ist eine erste Gleichspannungs-Erhöhungseinrichtung Da zu erkennen, der durch Oszillations-Wirkung eine niedrige Gleichspannung (beispielsweise eine Gleichspannung von 12 V) von einer Gleichspannungsquelle, wie beispielsweise einer Fahrzeugbatterie B, in eine entsprechende Wechselspannung und diese Wechselspannung in eine relativ hohe Gleichspannung (beispielsweise eine Gleichspannung von 300 V) umwandelt. Ein Ausgang der ersten Erhöhungseinrichtung Da ist mit mehreren ersten Kondensatoren C₁₁

so über erste Dioden D₁₁ verbunden, deren Zahl der Zahl der ersten Kondensatoren C_n entspricht. Die ersten Kondensatoren C₁₁ haben eine Kapazität von ungefähr 0,2 Mikrofarad. Jeder erste Kondensator C_n ist mit einer Primärwicklung Lp eines entsprechenden Transformators T verbunden. Die Zahl der Transformatoren T ist gleich der Zahl der ersten Kondensatoren C_n, d. h., der Plasma-Zündkerzen P, bis P₄. Die Folgezahl der Plasma-Zündkerzen P₁ bis P₄ entspricht der Folgezahl der Zylinder des Motors. Die Zündfolge der Zündkerzen P₁ bis P₄ wird vorher festgelegt, und zwar in der üblichen Reihenfolge gemäß P₁, P₃, P₄ und P₂. Der erste Kondensator C_n ist mit einer zweiten Diode D₁₂ verbunden. Thyristoren SCRU bis SCRU liegen ebenfalls zwischen dem entsprechenden ersten Kondensator C_n und Erde. Jeder Thyristor SCRIl bis SCRU dient als erste Schalterschaltung. Es läßt sich erkennen, daß eine Seite jeder Primärwicklung Lp des Transformators T und die Seitenelektrode 2 der Plasma-Zündkerze P₁

bis P₄ geerdet sind. Ein Fühler 6 für den Winkel der Kurbelwelle stellt die Hälfte einer vollständigen Drehung einer Kurbelwelle, d. h., eine Drehung der Kurbelwelle um 180", fest und erzeugt ein entsprechendes, erstes Impulssignal, dessen Periode einer Drehung der Kurbelwelle, d. h., der Brennkraftmaschine um 180° entspricht; außerdem erzeugt der Fühler ein zweites Inipulssignal, dessen Periode einer Drehung der Kurbelwelle um 720" (2 Umdrehungen) entspricht. Die Drehung um 720^u stellt einen Betriebszyklus bei einer beliebigen Zahl von Zylindern dar. Bei einer '6-ZyHnder-Maschine entspricht beispielsweise die Periode des ersten Impulssignals einer Drehung um 120°; bei'einer 8-Zylindermaschine entspricht die Periode einer Drehung um 90". Ein Vierbit-Ringzähler 7 ist mit dem Fühler 6 für den Drehwinkel der Kurbelwelle verbunden und empfängt das erste Impuissignai, das von dem Fühler 6 abgegeben wird; der Ringzähler 7 gibt als Folge ein drittes Impulssignal zu den einzelnen monostabilen Multivibratoren 8a bis 8d ab; der Ringzähler 7 wird beim Empfang des zweiten Impulssignals von dem Fühler 6 zurückgesetzt. Bei einer 6-Zylindermaschine muß ein 6-Bit-Ringzähler verwendet werden.

Die Ausgänge des ersten, zweiten, dritten und vierten monostabilen Multivibrators 8α bis Sd sind mit den jeweiligen Steueranschlüssen der Thyristoren SCRU bis SCR14 verbunden. Die beiden Ausgänge des ersten und des dritten monostabilen Multivibrators 8α und 8c sind an ein erstes ODER-Glied 9a angeschlossen; die beiden Ausgänge des zweiten und des vierten monostabilen Multivibrators Sb und 8rf sind an ein zweites ODER-Glied 9b angeschlossen. Der Ausgang des ersten ODER-Gliedes 9a ist mit einer ersten Verzögerungsschaltung 10a verbunden; der Ausgang des zweiten ODER-Gliedes 9b ist mit einer zweiten Verzögerungsschaltung Wb verbunden. Ein Zündimpulssignal α bis d wird von dem entsprechenden rnonostabilen Multivibrator 8a bis Sd zu dem entsprechenden Steueranschluß des Thyristors SCRIl bis SCRU zu einem vorgegebenen Zeitpunkt abgegeben, um den entsprechenden Thyristör SCRU bis SCR14 einzuschalten. Die Impulsdauer jedes Zündimpulssignals α bis d beträgt näherungsweise 100 Mikrosekunden. Wenn jeder Thyristor SCRU bis SCTJ14 eingeschaltet wird, befindet sich die entsprechende Diode D₁₂ in einem schwebenden, also erdfreien Zustand in bezug auf Erde.

Als nächstes wandelt eine zweite Gleichspannungs-Erhöhungseinrichtung Db die niedrige Gleichspannung von der Batterie B in eine entsprechende Wechselspannung und dann diese Wechselspannung in eine relativ hohe Gleichspannung, von beispielsweise 1000 Volt, um. Der Ausgang der zweiten Erhöhungseinrichtung Db ist mit mehreren zweiten Kondensatoren C₁₂ über die zugehörigen Dioden D₁₃ verbunden. Es wird darauf hingewiesen, daß die Zahl der zweiten Kondensatoren C_n um die Hälfte der Zahl der Zylinder verringert wird. Jeder zweite Kondensator C₁₂ liegt auch zwischen einer entsprechenden vierten Diode D₁₄ und einem entsprechenden zweiten Thyristor SCR15 oder SCR16, der als zweite Schalterschaltung dient. Weiterhin ist jeder zweite Kondensator C₁₂ über eine Sekundärwicklung Lj des entsprechenden Transformators T mit der zentralen Elektrode der entsprechenden Plasma-Zündkerze P₁ bis P₄ verbunden. Zwei gestrichelte Linien jedes Transformators P bezeichnen seinen Eisenkern. Es läßt sich erkennen, daß der Steueranschluß e des unteren Thyristors SCR15 mit der ersten Verzögerungsschaltung 10a und der Steueranschluß/des Thyristors SCR16 mit der zweiten Verzögerungsschaltung 10ö verbunden sind.

Der obere zweite Kondensator C₎₂, der mit dem oberen Thyristor SCR16 verbunden ist, ist auch an die jeweiligen Plasma-Zündkerzen in dem dritten und dem zweiten Zylinder angeschlossen, während der untere zweite Kondensator Q₂, der mit dem unteren Thyristor SCRlS verbunden ist, auch an die jeweiligen Plasma-Zündkerzen in dem ersten und vierten Zylinder angeschlossen ist, wie man in Fig. 2 erkennen kann.

Es wird noch darauf hingewiesen, daß sich der erste Zylinder am Beginn einer Zündung befindet, wenn der vierte Zylinder nahezu das Ende eines Auslaßhübes erreicht hat, und umgekehrt; der zweite Zylinder befindet sich am Beginn einer Zündung, wenn der dritte Zylinder nahezu das Ende des Auslaßhubes erreicht hat, und umgekehrt.

Der Steueranschiuß des unteren Thyristors SCRiS empfängt ein erstes Triggerimpulssignal e von der ersten Verzögerungsschaltung 10a. Die Dauer des ersten Triggerimpulssignals beträgt ungefähr 100 Mikrosekunden und ist gleich der Dauer der jeweiligen Ausgangsimpulssignale α und b des ersten bzw. dritten monostabilen Multivibrators 8α und 8c; ihr Ausgangszeitpunkt ist 100 Mikrosekunden später als die jeweiligen Zünd-Startzeitpunkte des ersten und vierten Zylinders; dies ist auf die Verwendung der ersten Verzögerungsschaltung 10a zurückzuführen.

In der gleichen Weise empfängt der Steueranschluß des oberen Thyristors SCRId ein zweites Triggerimpulssignal / von der zweiten Verzögerungsschaltung 10£>. Die Dauer des zweiten Triggerimpulssignals / beträgt ungefähr 100 Mikrosekunden und ist gleich der Dauer der jeweiligen Ausgangsimpulssignale b und d des zweiten bzw. vierten monostabilen Multivibrators Sb und Sd. Ihr Zünd-Startzeitpunkt ist ungefähr 100 Mikrosekunden später als die jeweiligen Zündstartzeitpunkte des zweiten und dritten Zylinders; dies ist auf die Verwendung der zweiten Verzögerungsschaltung 1Od zurückzuführen.

Andererseits ist ein fünfter monostabiler Multivibrator 11 zwischen dem Fühler 6 für den Drehwinkel der Kurbelwelle und der ersten und zweiten Erhöhungseinrichtung Da und Db vorgesehen. Der fünfte monostabile Multivibrator 11 gibt ein Impulssignal mit konstanter Dauer (1 Millisekunde) ab, wenn das erste Impulssignal (das Signal für den Winkel von 180") von dem Fühler 6 für den Drehwinkel der Kurbelwelle empfangen wird; dieses Impulssignal des fünften monostabilen Multivibrators 11 wird auf die erste und zweite Erhöhungseinrichtung Da und Db gegeben, so daß die Oszillation für die Umwandlung der kleinen Gleichspannung in die entsprechende Wechselspannung in einem Zeitintervall (1 Millisekunde) unterbrochen wird, die gleich der Dauer des Ausgangsimpulssignals von dem fünften rnonostabilen Multivibrator 11 ist; dies geschieht jedes Mal bei Beginn jeder Plasma-Zündung. Als Folge hiervon kann der Energieverbrauch der Batterie B wesentlich verringert und damit Energie eingespart werden.

Die Anstiegs- und Abfallzeiten jedes Impulssignals, das oben erwähnt wurde, wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben.

Die hohen Ausgangs-Gleichspannungen von der ersten und zweiten Erhöhungseinrichtung Da und B werden über die ersten bzw. dritten Dioden D_n bzw. D₁₃ vollständig in den ersten und zweiten Kondensatoren C_n und C₁₂ gespeichert, indem diese Kondensatoren vollständig aufgeladen werden.

Beispielsweise wird der Thyristor SCRl in Abhängigkeit von dem ersten Zündimpulssignal α von dem ersten monostabilen Multivibrator 8a, das an seinem Steueranschluß erscheint, eingeschaltet. Eine elektrische Ladung in dem entsprechenden ersten Kondensator C_n wird über den Thyristor SCRU zu der Primärwicklung Lp des Transformators T entladen. Damit wird die an die Primärwicklung Lp angelegte Gleichspannung an der Sekundärwicklung Ls entsprechend dem Wicklungsverhältnis zwischen Primärseite und Sekundärseite verstärkt, beispielsweise auf —15 kV in bezug auf Erde. Dementsprechend erzeugt die erste Plasma-Zündkerze Pi eine Funkenentladung an dem Entladungsspalt 4, und der darauf beruhende elektrische Durchschlag geschieht aufgrund des Potentials von -15 kV, das is oben erwähnt wurde, an der Seitenelektrode 2 und der zentralen Elektrode 1. Der Widerstand zwischen der zentralen Elektrode 1 und der Seitenelektrode 2 wird deshalb stark verringert, und zwar im wesentlichen auf Null. 100 Mikrosekunden später wird beim Auftreten der Funkenentladung das erste Triggerimpulssignal e von der ersten Verzögerungsschaltung 10a an den Steueranschluß des in der Zeichnung unteren Thyristors SCRlS angelegt, um diesen einzuschalten. Wenn der untere Thyristor SCRlS eingeschaltet wird, wird eine elektrische Ladung in dem in der Zeichnung unteren, zweiten Kondensator C₁₂, der eine große Energiemenge (ungefähr 0,5 Joule) enthält, der ersten Plasmazündkerze F₁ zugeführt, in der die Funkenentladung bereits erfolgt ist. Deshalb erzeugt die erste Plasma-Zündkerze P₁ eine Lichtbogenentladung, um das in dem Entladungsspalt 4 erzeugte Hochtemperaturplasmagas in den ersten Zylinder einzublasen. Dadurch wird das komprimierte Luft/Kraftstoff-Gemisch vollständig ohne Fehlzündung gezündet. In diesem Fall wird die elektrische Ladung in dem in der Zeichnung unteren, zweiten Kondensator C₁₂ auch über die entsprechende Sekundärwicklung Ls des Transformators T an die vierte Zündkerze P₄ angelegt. Der vierte Zylinder befindet sich jedoch nahezu am Beginn eines Ansaughubes, so daß die vierte Plasmazündkerze P₄ keine Serie von Plasma-Entladungen durchführen kann, weil der entsprechende Thyristor SCRIo nicht leitend ist und die vierte Plasmazündkerze P₄ keine Funkenentladung erzeugt.

Da die Oszillation der ersten Erhöhungseinrichtung Da zeitweilig aufgrund des Ausgangsimpulssignals des vierten Multivibrators 11 unterbrochen wird, wie oben beschrieben wurde, während der Thyristor SCRU eingeschaltet ist, kehrt der Thyristor SCRU bei Beendigung der Entladung von dem entsprechenden ersten Kondensator 11 in seinen ursprünglichen, gesperrten Zustand zurück, und zwar aufgrund der gedämpften Schwingung zwischen dem entsprechenden ersten Kondensator C₁₁ und der Primärwicklung Lp des entsprechenden Transformators T.

Zu dem in der Zeichnung unteren Thyristor SCR15 wird darauf hingewiesen, daß dieser ebenfalls bei der Beendigung der Entladung des entsprechenden zweiten Kondensators C₁₂ in den ursprünglichen, gesperrten Zustand zurückkehrt.

Auf diese Weise wird eine Folge von Plasma-Zündungen in den Zylindern mit Ausnahme des ersten Zylinders durchgeführt, wie oben beschrieben wurde, und zwar entsprechend der vorgegebenen Zündfolge; dabei geschieht die Funkenentladung aufgrund der Entladung von dem entsprechenden ersten Kondensator C_n über jeden Thyristor SCR12, SCR13 und SCR14; die Zuführung der hohen Energie erfolgt anschließend aufgrund der Entladung von dem entsprechenden zweiten Kondensator C₁₂ durch jeden Thyristor SCRlS und SCR16.

Da bei der ersten in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform das Plasma-Zündsystem zwei getrennte Erhöhungseinrichtungen Da und Db und zwei getrennte Gruppen von Kondensatoren C₁₁ und C₁₂ für die Aufladung der relativ hohen Gleichspannung (3(K) Volt) von der ersteh Erhöhungseinrichtung Da und für die Aufladung der noch höheren Gleichspannung (10(K) Volt) von der zweiten Erhöhungseinrichtung Db verwendet werden, kann wenigstens die erste Erhöhungseinrichtung Da vollständig die obere Gleichspannung für jeden ersten Kondensator C₁₁ liefern und wiederum jeder Kondensator C₁₁ vollständig die hohe Gleichspannung von dem ersten Kondensator C_n aufladen, und zwar sogar in einem Bereich, bei dem die Brennkraftmaschine mit hoher Drehzahl läuft. Deshalb kann die Zündung des Luft/Kraftstoffgemisches ohne Probleme erreicht und anschließend eine stabile Verbrennung bei jedem möglichen Betriebszustand der Brennkraftmaschine ablaufen. Da die Zahl der Thyristoren SCR\5 und SCR16 und der zweiten Kondensatoren C,₂ die jeweils hohe Spannungen aufnehmen können, nur halb so groß wie die Zahl der Zylinder ist, hat dieses Plasmazündsystem eine geringe Größe und kann mit relativ geringen Kosten hergestellt werden.

Fig. 3 zeigt den internen Schaltungsaufbau in Form eines Blockschaltbildes der Gleichspannungs-Erhöhungseinrichtung D, die bei einer zweiten Ausführungsform des Plasma-Zündsystems verwendet wird.

Gemäß Fig. 3 weist diese Erhöhuiigseinrichtung D die folgenden Teile auf:

a) eine Oszillatorschaltung, die die geringe Gleichspannung (12 Volt) von der Batterie B in eine entsprechende Wechselspannung umwandelt;

b) einen Transformator T_D, der die Wechselspannung an seiner Sekundärwicklung in eine Wechselspannung mit höherer Amplitude umwandelt und verstärkt;

c) einen ersten (Vollwellen-)Gleichrichter F₁, der die hohe Wechselspannung in eine entsprechende Gleichspannung (300 Volt) umwandelt, die an seinem Ausgang d_x auftritt;

d) ein zweiter (Vollwellen-)Glcichrichter F₂, der die hohe Wechselspannung in die entsprechende hohe Gleichspannung (1000 Volt) gleichrichtet, die an seinem Ausgang d₂ auftritt.

Der Ausgang des ersten Gleichrichters F₁ ist über die jeweiligen ersten Dioden D₁₁ mit den ersten Kondensatoren C₁₁ verbunden, wie man in Fig. 2 erkennen kann. Der Ausgang des zweiten Gleichrichters F₂ ist andererseits über die jeweiligen dritten Dioden D₁₃ mit den zweiten Kondensatoren C₁₂ verbunden, wie es ebenfalls in Fig. 2 dargestellt ist. Es wird darauf hingewiesen, daß die Oszillatorschaltung auch mit dem fünften, in Fig. 2 gezeigten monostabilen Multivibrator 11 an seinem Halteanschluß verbunden ist. Diese Schaltung hat die Funktionsweise, wie sie oben bereits unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wurde.

Da bei der zweiten Ausführungsform die Erhöhungseinrichtung D als erste und zweite Erhöhungseinrichtung Da und Db dient, läßt sich die Größe dieses Plasma-Zündsystems noch weiter verringern.

Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform eines solchen Plasmazündsystems.

Il

Gemäß Fig. 4 wird das erste Impulssignal (das 180°- Signal) von dem Fühler 6 für den Drehwinkel der Kurbelwelle auf einen Frequenz/Spannungs-Wandler 12 (der im folgenden einfach als F/V-Wandler bezeichnet werden soll) gegeben, der das erste Impulssignal (180°- Signal) von dem Fühler 6 empfängt und ein Spannungssignal abgibt, welches der Frequenz des ersten Impulssignals entspricht. Dieses Spannungssignal, welches also der Drehzahl entspricht, wird mit einer Bezugsspannung verglichen, die einer vorgegebenen Drehzahl entspricht (beispielsweise einer Drehzahl von 3000 U min '); der Vergleich erfolgt mittels eines Komparators 13, der an den F/V-Wandler 12 angeschlossen ist. Der Komparator 13 gibt ein Spannungssignal mit hohem Pegel ab, welches dem positiven logischen Pegel »1« entspricht, wenn das Spannungssignal von dem F/V-Wandler 12 die Bezugsspannung übersteigt. Der Ausgang des Komparators 13 ist mit einem dritten ODER-Glied 9c sowie mit dem fünften monostabilen Multivibrator Il verbunden, der auch in Fig. 2 zu erkennen ist. Der Ausgang des dritten ODER-Gliedes 9c ist an den zweiten Gleichumrichter Da, und zwar an seinem Oszillator-Unterbrechungsanschluß, angeschlossen, der ebenfalls in Fig 2 dargestellt ist. Wenn also das hohe Spannungssignal, welches der positiven logischen »1« entspricht, durch das dritte ODER-Glied 9c von dem Komparator 13 empfangen wird, unterbricht die zweite Erhöhungseinrichtung Db die Schwingung und gibt deshalb nicht die hohe Gleichspannung (1000 Volt) zu jedem zweiten Kondensator C_n ab. Als Folge hiervon empfangen die Plasma-Zündkerzen P, bis P₄ nicht die hohe Energie, die von den jeweiligen zweiten Kondensatoren C₁₂ entladen werden soll, wenn die Drehzahl einen vorgegebenen Wert (3000 U min"¹) übersteigt, der der Bezugsspannung des Komparators 13 entspricht. In einem solchen Bereich hoher Drehzahl, der den vorgegebenen Wert für die Drehzahl übersteigt, können jedoch die Plasma-Zündkerzen das komprimierte Luft/Kraftstoff-Gemisch zünden, das den jeweiligen Zylindern zugeführt wird, und zwar durch eine kleine Energiemenge (ungefähr 0,1 Joule), die ausreicht, um nur die Funkenentladung zu erzeugen; diese kleine Energiemenge wird von den jeweiligen ersten Kondensatoren C_n zugeführt. Damit läßt sich der Energieverbrauch der Batterie P weiter verringern und damit der Kraftstoffverbrauch weiter verringern. Es läßt sich erkennen, daß dieses Plasma-Zündsystem, mit Ausnahme der oben beschriebenen, zusätzlichen Schaltungen, den gleichen Aufbau wie das Zündsystem hat, das unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 erläutert wurde.

Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform des Plasma-Zündsystems, bei dem die Ausgangstriggersignale von dem ersten, zweiten, dritten und vierten monostabilen Multivibrator 8a bis Sd (siehe auch Fig. 2) durch ein Signal mit logischem Pegel gesperrt werden, das einem positiven, logischen Signal »0« von dem Komparator 13' entspricht.

Es wird darauf hingewiesen, daß der Komparator 13' das Signal mit logischem Pegel immer dann abgibt, wenn die Drehzahl den vorgegebenen Wert (3000 U min ') übersteigt, d. h., wenn das Ausgangsspannungssignal von dem F/V-Wandler 12 die Bezugsspannung übersteigt; dies stellt den wesentlichen Unterschied zu der dritten Ausführungsform nach Fig. 4 dar.

Aus diesem Grunde sind erste und zweite UND-Glieder 14a und 14b elektrisch zwischen die ersten und zweiten ODER-Glieder 9a und 9b bzw. die ersten und

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50 zweiten Verzögerungsschaltungen 10a und 106 eingefügt. Wenn der Komparator 13 so arbeitet, wie es oben unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben wurde, muß ein Inverter zwischen den Ausgang des Komparators 13 und die ersten und zweiten UND-Glieder 14a und 14£> eingefügt werden. Die übrigen Schaltungen haben die gleiche Funktionsweise, wie sie bereits oben unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wurde.

Das verbesserte Plasmazündsystem mit einer Plasma-Zündkerze in jedem Zylinder weist also die folgenden, wesentlichen Bauteile auf:

a) mehrere Transformatoren T, die jeweils eine Primärwicklung Lp und eine Sekundärwicklung Ls enthalten; ein Anschluß einer Primärwicklung Lp ist zusammen mit einer Seitenelektrode der Plasma-Zündkerze geerdet, während der andere Anschluß mit einem Anschluß eines ersten Kondensators sowie auch mit einer Anode einer zweiten Diode, deren Kathode geerdet ist, verbunden ist; ein Anschluß der Sekundärwicklung Ls des Transformators ist mit einer zentralen Elektrode der Zündkerze verbunden, während der andere Anschluß mit einem der zweiten Kondensatoren C₁₂ verbunden ist; die Zahl der zweiten Kondensatoren ist gleich der Hälfte der Zahl der Zylinder;

b) mehrere Schalterschaltungen, die durch Thyristoren SCRU bis SCR14 gebildet werden; jede dieser Schalterschaltungen wird leitend, um den anderen Anschluß des entsprechenden ersten Kondensators zu erden, wodurch eine Funkenentladungsenergie von dem ersten Kondensator der Plasmazündkerze zugeführt wird, und zwar in Abhängigkeit von einem angelegten Triggersignal;

c) mehrere weitere Schalterschaltungen, die durch weitere Thyristoren SCRlS und 5Ci?16 gebildet sind; die Zahl dieser Schalterschaltungen ist gleich der Hälfte der Zahl der Zylinder; jede dieser Schalterschaltungen wird leitend geschaltet, um den anderen Anschluß des entsprechenden zweiten Kondensators zu erden, wodurch eine Funkenentladungsenergie in dem zweiten Kondensator zu einem vorgegebenen Zeitintervall nach der Funkenentladung der zugehörigen Plasmazündkerze zugeführt wird, und zwar in Abhängigkeit von einem weiteren Triggersignal; dieses Signal wird um das erwähnte Zeitintervall in bezug auf das zuerst erwähnte Triggersignal verzögert. Deshalb kann die Aufladung der ersten Kondensatoren sogar in einem Bereich erfolgen, bei dem die Brennkraftmaschine mit höherer Drehzahl läuft, weil die kleinere Energiemenge, die in den ersten Kondensatoren geladen werden soll, ausreicht, damit die Plasma-Zündkerze wenigstens eine Zündentladung liefern kann; dadurch läßt sich die Zündung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in jedem Zylinder ohne Probleme und Störungen der Kraftstoffverbrennung in jedem möglichen Bereich der Drehzahl durchführen.

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65 Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Plasma-Zündsystem für eine mehrere Zylinder aufweisende Brennkraftmaschine mit:

a} mehreren Plasma-Zündkerzen, die jeweils innerhalb eines zugeordneten Zylinders angeordnet sind,

b) einer Gleichspannungs-Erhöhungseinrichtung zum Erhöhen einer niedrigen Gleichspannung auf eine erste hohe Gleichspannung,

c) mehreren ersten Kondensatoren, deren Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine entspricht, wobei jeder Kondensator mit der ersten hohen Gleichspannung aufgeladen wird,

d) mehreren Spannungs-Erhöhungstransformatoren, die jeweils zwischen den zugeordneten ersten Kondensator und eine Plasma-Zündkerze geschaltet sind und die aus dem ersten Kondensator entladene erste hohe Gleichspannung erhöhen, so daß die erhöhte erste hohe Gleichspannung an einen Zündspalt der zugeordneten Plasma-Zündkerze gegeben wird,

e) mehreren ersten Schalterschaltungen, die jeweils zwischen den zugeordneten ersten Kondensator und den Spannungs-Erhöhungstransformator geschaltet sind und die in dem zugeordneten ersten Kondensator geladene erste hohe Gleichspannung im Ansprechen auf ein erstes Ansteuersignal entladen, und

f) einem ersten Ansteuersignal-Generator, der das erste Ansteuersignal aufeinanderfolgend und synchron mit der Drehzahl der Brennkraftmaschine bei jedem Zündzeitpunkt nach Maßgabe einer bestimmten Zündfolge erzeugt und abgibt,

dadurch gekennzeichnet, daß

g) die Gleichspannungs-Erhöhungseinrichtung (D; Da; Db) die niedrige Gleichspannung auch auf eine zweite hohe Gleichspannung (1000 V) erhöht und daß vorgesehen sind:

h) mehrere zweite Kondensatoren (C₁₂), deren Anzahl gleich der Hälfte der Anzahl der Zylinder ist, wobei die Anzahl dei Zylinder geradzahlig ist und wobei jeder dieser zweiten Kondensatoren mit der zweiten hohen Gleichspannung geladen wird und mit zwei Spannungs-Erhöhungstransformatoren (L_P, L_s) derart verbunden ist, daß diese zwei Zylindern zugeordnet sind, von denen sich jeweils einer im Expansionshub befindet, wenn sich der andere Zylinder im Auslaßhub befindet,

i) eine der Zahl der zweiten Kondensatoren (C₁₂) entsprechende Anzahl von zweiten Schalterschaltungen (SCR15, SCR16, D_n, D₁₄), die jeweils zwischen den zweiten Kondensator (C₁₂) und die zwei zugeordneten Spannungs-Erhöhungstransformatoren (L_P, L₅) geschaltet sind, um die zweite hohe Gleichspannung aus dem zweiten Kondensator im Ansprechen auf ein zweites Ansteuersignal zu entladen, das eine bestimmte Verzögerungszeit nach dem ersten Ansteuersignal zugeführt wird, und

k) ein zweiter Ansteuersignal-Generator (9a, 9b, 10a, 10£>), der das zweite Ansteuersignal um die bestimmte Verzögerungszeit nach der Erzeugung des ersten Ansteuersignals erzeugt und abgibt.

2. Zündsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs-Erhöhungseinrichtung (D, Da, Db) einen einzigen Gleächspannungs-Gleichspannungs-Umformer (D) aufweist, der eine Oszillatorschaltung (OSC-Schaltung), die mit der niedrigen Gleichspannung gespeist ist, und einen weiteren Transformator (T_D) umfaßt mit einer Primärwicklung, die mit der Oszillatorschaltung verbunden ist, einer ersten Sekundärwicklung, die mit einer ersten Gleichrichter-Schaltung (F₁) verbunden ist, um die erste hohe Gleichspannung zu erzeugen, und mit einer zweiten Sekundärwicklung, die mit einer zweiten Gleichrichterschaltung (F₂) verbunden ist, um die zweite hohe Gleichspannung zu erzeugen.

3. Zündsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Ansteuersignal-Generator aufweist:

a) einen Fühler (&) zum Erfassen der Drehzahl der Brennkraftmaschine und zum Abgeben eines ersten Impulssignals, dessen Periodendauer nach Maßgabe der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine bestimmt ist, sowie zum Abgeben eines zweiten Impulssignals bei jedem Ende eines Brennkraftmaschinen-Arbeitszyklus,

b) eine Zündsignal-Verteilerschaltung (7), die ein drittes Impulssignal, dessen Impulsbreite gleich der Periodendauer des ersten Impulssignals ist, immer dann erzeugt und abgibt, wenn das erste Impulssignal von dem Fühler erhalten wird, und bei Erhalt des zweiten Impulssignals von dem Fühler zurückgesetzt wird, und

c) mehrere erste monostabile Multivibratoren (8a, Sb, Sc, Sd), von denen jeder mit der Zündsignal-Verteilerschaltung verbunden ist und das erste Ansteuersignal an die zugehörige erste Schalterschaltung beim Ansprechen auf das dritte Impulssignal von der Zündsignal-Verteilerschaltung abgibt, wobei jede Verbindung der ersten monostabilen Multivibratoren mit den ersten Schaltcrschaltungen von der bestimmten Zündfolge des zugehörigen Zylinders abhängt,

dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ansteuersignal-Generator aufweist:

d) mehrere erste ODER-Glieder (9a, 9b), die jeweils mit zwei der ersten monosfabilen Multivibratoren (Sa-Sd) verbunden sind, wobei diese zwei monostabilen Multivibratoren eine solche Beziehung haben, daß ein Zylinder, der einem der beiden monostabilen Multivibratoren zugeordnet ist, sich am Beginn des Expansionshubes befindet, während der andere Zylinder, der dem anderen monostabilen Multivibrator zugeordnet ist, sich etwa am Ende des Auslaßhubes befindet, und

e) mehreren Verzögerungsschaltungen (10α, 10έ>). die jeweils mit je einem der ersten ODER-Glieder (9a, 9b) verbunden sind und jeweils das zweite Ansteuersignal an die zugeordnete zweite Schalterschaltung (SCRlS, SCR16, D_n, D₁₄) mit einer Verzögerung des bestimmten Zeitintervalls im Ansprechen auf das erste Ansteuersignal abgeben, das durch das zugeordnete ODER-Glied hindurchgelangt.

4. Zündsystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch:

a) einen Frequenz-Spannungs-Umformer (12), der mit dem Fühler (6) verbunden ist und die Frequenz des ersten Impulssignals in einen zugehörigen Spannungspegel umformt,

b) einen mit dem Frequenz-Spannungs-Umformer verbundenen Vergleicher (13), der die vom Frequenz-Spannungs-Umformer zugeführte Spannung mit einer Bezugsspannung vergleicht und ein Spannungssignal hohen Pegels immer dann abgibt, wenn die von dem Frequenz-Spannungs-Umformer zugeführte Spannung die Beaigsspannung übersteigt, die einem bestimmten Wert der Drehzahl entspricht,

c) einen zweiten monostabilen Multivibrator (11), der mit dem Fühler (6) verbunden ist und ein viertes Impulssignal an einen ersten Gleichspannungs-Gleichspannungs-Umformer (Da) in Abhängigkeit von dem ersten Impulssignal von dem Fühler (6) abgibt, um den Umformervorgang des ersten Gleichspannungs-Gleichspannungs-Umformers zeitweilig anzuhalten, wodurch die Abgabe der ersten hohen Gleichspannung von dem ersten Gleichspannungs-Gleichspannungs-Umformer unterbrochen wird, und

d) ein zweites ODER-Glied (9c), das mit dem zweiten monostabilen Multivibrator und dem Vergleicher verbunden ist, um beide, das vierte Impulssignal von dem zweiten monostabilen Multivibrator und das Spannungssignal hohen Pegels von dem Vergleicher hindurchzulassen, so daß ein zweiter Gleichspannungs-Gleichspannungs-Umformer
(Db) die Abgabe der zweiten hohen Gleichspannung in Abhängigkeit von beiden, dem vierten Impulssignal und dem Spannungssignal hohen Pegels, unterbricht.