DE3221990A1

DE3221990A1 - Plasmazuendanlage fuer eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3221990A1
Application number: DE19823221990
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Yokosuka Kanagawa Endo; Iwao Yokosuka Kanagawa Imai; Yasuki Ishikawa; Masazumi Tokyo Sone
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1981-06-12
Filing date: 1982-06-11
Publication date: 1982-12-30
Also published as: US4433669A; DE3221990C2; JPS57198372U

Description

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Plasmazündanlage für eine Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Plasmazündanlage für eine Brennkraftmaschine, bei der insbesondere eine als Zeitgeber
dienende Hilfsschaltung an der die Plasmazündenergie
ladenden Einrichtung vorgesehen ist, um jeden als Schaltelement dienenden Thyristor zum Verbinden der die Plasmazündenergie ladenden Einrichtung mit der entsprechenden
Zündspule und der entsprechenden Plasmazündkerze, in der
eine Funkenentladung mittels einer eine hohe Stossspannung erzeugenden und verteilenden Einrichtung erzeugt wird, während eines bestimmten Zeitintervalls nach dem

auf einen anliegenden Zündzeitimpuls ansprechend erfolgenden Durchschalten jedes Thyristors durchgeschaltet zu halten, und bei der insbesondere ein Thyristor und eine die Plasmazündenergie ladende Einrichtung für jeden Maschinenzylinder vorgesehen sind, so dass eine günstige Plasmazündung selbst dann erfolgen kann, wenn der Spannungsabfall von der negativen Hochspannung in Richtung auf eine Spannung gleich Null aufgrund eines übermässigen Anstieges der Temperatur im Entladespalt jeder Plasmazündkerze langsam erfolgt,und eine

nicht passende Zündung zu einem irregulären Zündzeitpunkt vermieden werden kann.

Es ist bereits eine Plasmastrahlzündanlage als eine Einrichtung entwickelt worden, die eine genaue Zündung und eine stabilere Verbrennung des Kraftstoff/Luftgemisches ohne Fehlzündung bei verschiedenen Maschinenarbeitsverhältnissen, beispielsweise bei einer geringen Last oder einer instabilen Verbrennung mit einem armen Kraftstoff/Luftgemisch liefert.

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Die herkömmliche Plasmazündanlage umfasst a) eine Niedergleichspannungsquelle, beispielseise eine Fahrzeugbatterie, b) einen Transformator, dessen Primärwicklung mit der Batterie verbunden ist und dessen Sekundärwicklung mit einem An-Schluss mit der Primärwicklung als gemeinsamen Anschluss verbunden ist, c) einen Kontaktunterbrecher, der zwischen dem gemeinsamen Anschluss des Transformators und Masse liegt und jeweils synchron mit der Drehung der Maschine an- und ausschaltet, um eine Stosspannung mit beträchtlicher Höhe an der Sekundärwicklung des Transformators zu erzeugen,

d) einen mechanischen Verteiler mit einem Rotor, der sich synchron mit der Drehung der Maschine dreht, und mit einer Vielzahl von Kontakten, die jeweils in festen Abständen, von zwei benachbarten Kontakten angeordnet sind und von denen jeder im Kreis mit dem Rotor in Kontakt kommt, während sich der Rotor mit der Maschine dreht, e) eine Vielzahl von Plasmazündkerzen, von denen jede in der entsprechenden Verbrennungskammer eines MaschinenZylinders angeordnet ist, f) einen Triggerimpulsgenerator, der mit dem gemeinsamen Anschluss des Transformators verbunden ist, an dem der Reihe nach die induktiven Stosspannungsimpulse liegen, die am gemeinsamen Anschluss des Transformators auftreten und der die Stossspannungsimpulse formt, g) einen Thyristor, dessen Steuerklemme mit dem Triggerimpulsgenerator verbunden ist und der auf jeden geformten Spannungsimpuls vom Triggerimpulsgenerator ansprechend durchschaltet, h) einen Gleichspannungswandler, der die niedrige Gleichspannung von der Batterie auf eine hohe Gleichspannung verstärkt, i) einen Kondensator, der mit dem Gleichspannungswandler verbunden ist, um die hohe Gleichspannung vom Gleichspannungswandler zu .laden, j) eine erste Diode, die mit einer Seite des Kondensators verbunden ist und diese Seite des Kondensators leitend mit Masse verbindet, wenn der Kondensator die hohe Gleichspannung vom Gleichspannungswandler lädt,und die diese Seite des Kondensators von Masse löst, wenn der Thyristor durchschaltet, um die andere

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Seite des Kondensators mit Masse zu verbinden und dadurch den Kondensator mit der einen Plasmazündkerze zu verbinden, in der die Funkenzündung aufgetreten ist, und k) eine Vielzahl zweiter Dioden, von denen jede zwischen dem Kondensator und der entsprechenden Plasmazündkerze liegt, um das Fliessen eines Stromes aufgrund der Funkenentladung in den Kondensator zu verhindern.

Wenn das wiederholte Schalten des Kontaktunterbrechers eine Unterbrechung des elektrischen Stromes bewirkt, der durch die Primärwicklung des Transformators fliesst, erzeugt die Sekundärwicklung des Transformators eine extrem hohe Stosspannung mit einem Spitzemvert von -20 bis -30 kV gegenüber dem Massepotential. Diese hohe Spitzenspannung wird dem Verteiler zugeführt, so dass die jeweiligen Plasmazündkerzen diese hohe Spitzenspannung der Reihe nach über jeweilige Hochspannungskabel mit Hochfrequenzwiderstandseigenschaften erhalten.

Zu diesem Zeitpunkt erzeugt jede Plasmazündkerze eine Funkenentladung im Zündspalt zwischen der Seitenelektrode und der zentralen Elektrode, so dass die Seitenelektrode und die zentrale Elektrode im wesentlichen leitend miteinander verbunden sind.

Ein Zündimpuls, der durch den Triggerimpulsgenerator geformt ist, schaltet andererseits den Thyristor zu jedem Zeitintervall durch, so dass die im Kondensator geladene hohe Gleichspannung der einen Plasmazündkerze, in der die Funkenentladung bereits erfolgte, über den Thyristor und die entsprechende zweite Diode zugeführt wird. Die Plasmazündkerze erzeugt daher ein Hochtemperaturplasmagas und stösst dieses Gas in die entsprechende Verbrennungskammer aus, um eine vollständige Verbrennung des in die Verbrennungskammer eingeführten Kraftstoff/Luftgemisches zu bewirken.

Bei der herkömmlichen Plasmazündanläge besteht jedoch die Schwierigkeit, dass dann, wenn der Spannungsabfall über den beiden Elektroden jeder Plasmazündkerze von einer hohen negativen Spannung auf eine Spannung Null aufgrund eines übermässigen Anstieges der Temperatur im Spalt zwischen beiden Elektroden ausserordentlich langsam erfolgt, wobei der oben beschriebene übermässige Anstieg der Temperatur hauptsächlich von den wiederholten Plasmazündungen hervorgerufen wird, der Thyristor somit auf den Zündimpuls vom Zündimpulsgenerator ansprechend durchschaltet, während die Spannung über dem Zündspalt zwischen beiden Elektroden der einen Plasmzündkerze, in der die Funkenentladung aufgetreten ist, noch für ein langes Zeitintervall auf einem relativ hohen negativen Wert bleibt. Der Thyristor kann daher die im Kondensator geladene Plasmazündenergie der Plasmazündkerze zum Erzeugen des Plasmagases für das oben beschriebene Zeitintervall nicht zuführen, so dass ein elektrischer Strom, der den Thyristor im durchgeschalteten Zustand hält, unter der Bedingung nicht durch den Thyristor fliesst, dass die oben genannte Spannung (Widerstand) über dem Zündspalt einen schwachen negativen Wert hat, der im wesentlichen gleich dem Wert der Spannung über dem Kondensator unmittelbar nach dem Durchschalten des Thyristors ist, und dadurch der Thyristor sofort in den Sperrzustand zurückkehrt.

Aufgrund der Tatsache, dass bei der herkömmlichen Plasmazündanlage ein einziger Thyristor- und Kondensatorsatz für alle Plasmazündkerzen verwandt wird, besteht weiterhin die Schwierigkeit, dass die Klemmenspannung über dem Kondensator bei angeschaltetem Thyristor über allen Plasmazündkerzen liegt, so dass irgendein Maschinenzylinder, beispielsweise im Ansaughub, bei dem die Spannung über den beiden Elektroden der entsprechenden Plasmazündkerze zum

Auslösen der Funkenentladung bezüglich des Massepotentials relativ niedrig ist, eine ungünstige, d.h. eine unpassende Entladung einleiten wird.

Im Hinblick auf die oben beschriebenen Probleme soll durch die Erfindung eine Plasmazündanlage für eine Brennkraftmaschine mit einer beliebigen Anzahl von Maschinenzylindern geschaffen werden, die selbst bei einem übermässig hohen Temperaturanstieg in den Plasmazündkerzen, die sich in den Maschinenzylindern befinden, für eine günstige Plasmazündung sorgt und eine unpassende Zündung, die zu einem Zeitpunkt ausserhalb der regulären Zündzeitpunkte auftreten kann, ausschliesst.

Das wird dadurch erreicht, dass ein bestimmter Zeitgeber (Lade- und Entladeschaltung) vorgesehen ist, der dem durchgeschalteten Thyristor einen Strom liefert, der den Thyristorhaltestrom überschreitet, um den Thyristor während eines bestimmten Zeitintervalls durchgeschaltet zu halten, damit die im Kondensator geladene Zündenergie nach dem Durchschalten des Thyristors auf einen Zündauslöseimpuls vom Triggerimpulsgenerator ansprechend vollständig der entsprechenden Plasmazündkerze zugeführt wird, wobei für jeden Maschinenzylinder ein Thyristor- und Kondensatorsatz vorgesehen ist. 25

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben:

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer Plasmazündkerze, die

in einem Maschinenzylinder eingesetzt ist.

Fig. 2 zeigt das Schaltbild einer herkömmlichen Plasmazündanlage, bei der eine Anzahl der in Fig. 1 dargestellten Plasmazündkerzen verwandt wird.

Fig. 3A zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Plasmazündanlage, bei der Plasmazündkerzen, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, in die jeweiligen Maschinenzylinder eingesetzt sind.
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Fig. 4 zeigt in einem Zeitdiagramm die Wellenform aller Ausgangssignale der in Fig. 3A und 3B dargestellten Schaltung.

Fig. 5 zeigt die Wellenform der Spannung über einer

Plasmazündkerze in Fig. 3A, wenn die Temperatur

in der Plasmazündkerze nicht übermässig angestiegen

ist.

Fig. 6 zeigt die Wellenform der Spannung über einer

der Plasmazündkerzen in Fig. 3A, wenn die Temperatur in der Plasmazündkerze übermässig angestiegen ist.

Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung zeigt eine Längsschnittansicht sowie eine Ansicht von unten einer Piaszündkerze.

In Fig. 1 sind eine zentrale Elektrode 1, beispielsweise aus Wolfram, und eine Seitenelektrode 2 dargestellt, die so vorgesehen ist, dass sie die zentrale Elektrode 1 umschliesst.

Ein elektrisches Isolierelement 3, beispielsweise aus einem keramischen Material, ist in Sandwichbauweise zwischen der zentralen Elektrode und der Seitenelektrode 1 und 2 vorgesehen. Am oberen Ende der zentralen Elektrode 1

ist weiterhin ein Entladehohlraum 4 ausgebildet, derart, dass das obere Ende der zentralen Elektrode 1 einer Wand der Seitenelektrode 2 zugewandt ist, wobei ein Ausstossloch 5 in der Mitte der Wand der Seitenelektrode 2 so vorgesehen ist, dass es den Entladehohlraum 4 mit einem äusseren Medium, d.h. mit dem komprimierten Kraftstoff /Luftgemisch verbindet, das in die Verbrennungskammer jedes Maschinenzylinders eingeführt wird. Der Potentialunterschied (Widerstand) zwischen der zentralen Elektrode und der Seitenelektrode 1 und 2 wird daher aufgrund eines elektrischen Durchbruches im wesentlichen gleich Null, wenn eine Funkenentladung im Entladehohlraum 4 auf einen hohen Zündimpuls ansprechend auftritt, woraufhin ein Hochtemperaturplasmaflammengas im Entladehohlraum 4 anschliessend an die Funkenentladung auf eine hohe Zündenergie ansprechend auftritt, die zwischen die Elektroden gelegt wird. Das Hochtemperaturplasmagas wird daher in die entsprechende Kammer durch das Ausstossloch 5 ausgestossen, um das Kraftstoff/Luftgemisch zu zünden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Seitenelektrode 2 an Masse liegt.

Fig. 2 zeigt den gesamten Schaltungsaufbau einer herkömmlichen Plasmazündanlage für eine Vierzylindermaschine.

In Fig. 2 sind eine Niedergleichspannungsquelle B beispielsweise die Fahrzeugbatterie und Plasmazündkerzen P. bis P. dargestellt, von denen jede einen Aufbau hat, wie er in Fig. 1 dargestellt ist und von denen jede in dem entsprechend numerierten Maschinenzylinder angeordnet ist. Ein Kontaktunterbrecher 6 schaltet wiederholt synchron mit der Umdrehung der Maschine an und aus. Ein Transformator 7 hat einen gemeinsamen Anschluss der primären und sekundären Wicklung 7a und 7b über den Kontaktunterbrecher an Masse. Ein mechanischer Verteiler 8 ist mit einem Rotor 8a versehen, der mit der Sekundärwicklung 7b des Transformators

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verbunden ist und sich synchron mit der Umdrehung der Maschine dreht, wobei vier feste Kontakte 8b.. bis 8b. jeweils mit der zentralen Elektrode 1 der entsprechenden Plasmazündkerze P- bis P. verbunden sind. Der Abstand zwischen den festen Kontakten Sb₁ bis 8b₄ ist gleich

gross, so dass ein angemessener Kontaktzeitpunkt zwischen dem Rotor 8a und einem der festen Kontakte 8b erhalten wird. An einem Triggerimpulsgenerator 9 liegt ein induktiver Stosspannungsimpuls, der immer dann erzeugt wird, wenn der Kontaktunterbrecher 6 öffnet, wobei der Triggerimpulsgenerator diesen anliegenden Impuls in einen Rechteckspannungsimpuls umformt. Ein Gleichspannungswandler 10 verstärkt die niedrige Gleichspannung von der Batterie B auf eine hohe Gleichspannung über eine Um-Wandlung der niedrigen Gleichspannung in eine entsprechende Wechselspannung mittels eines Schwingvorganges und durch ein Umwandeln der Wechselspannung in eine hohe Gleichspannung über eine eingebaute Transformator- und Gleichrichterschaltung. Ein kurz als Thyristor 11 bezeichneter in Sperrichtung blockierter Triodenthyristor ist mit seiner Steuerklemme mit dem Triggerimpulsgenerator 9 verbunden. Weiterhin sind ein Kondensator 12 und eine erste Diode 13 vorgesehen. Eine Seite des Kondensator 12 ist mit dem Gleichspannungswandler 10 und der Anode des Thyristors 11 verbunden, während die andere Seite mit der Anode der ersten Diode 13 und den zentralen Elektroden 1 der Plasmazündkerzen P- bis P* über jeweilige zweite Dioden 14a bis 14d verbunden ist. Es ist ersichtlich, dass ein Ende des Kontaktunterbrechers und die Kathoden des Thyristors 11 und der ersten Diode 13 an Masse liegen.

Aufgrund der Schaltwirkung des Kontaktunterbrechers 6 wird ein-^ hohe Stosspannung mit einem negativen Spitzenwert von -20 bis -30 kV in der Sekundärwicklung 7b des Transformators 7 induziert. Die in dieser Weise erzeugte hohe Stosspannung liegt der Reihe nach an einer der Plasma-

zündkerzen P₁ bis P₄ über den Verteiler 8 und ein entsprechendes Hochspannungskabel in einer Zündfolge, die durch den Anschluss an den Verteiler 8 bestimmt ist. Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, empfängt die erste Plasmazündkerze P^ die hohe Stosspannung über den Verteiler 8 und erzeugt die erste Plasmazündkerze eine Funkenentladung zwischen der zentralen Elektrode und der Seitenelektrode 1 und 2, so dass der Potentialunterschied am Entladehohlraum 4 zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 im wesentlichen gleich Null wird. Andererseits wird der Thyristor durch den vom Generator 9 synchron mit der Umdrehung der Maschinen erzeugten Triggerimpuls durchgeschaltet, so dass die eine Seite des Kondensators an Masse liegt/ während die andere Seite des Kondensators gelöst oder frei ist und die hohe Gleichspannung ( 1 bis 2 kV), die im Kondensator geladen ist, der ersten Plasmazündkerze P₁ über die entsprechende zweite Diode 14a zugeführt wird, um dadurch das Hochtemperaturplasmagas im Entladehohlraum 4 zu erzeugen. Es sei darauf hingewiesen, dass kein Strom über die zweiten Dioden 14a bis 14d zum Kondensator fliesst, da der Spannungspegel an der Sekundärwicklung negativ grosser als der im Kondensator 12 geladene Spannungspegel ist.

Wenn der Isolierwiderstand des Entladehohlraumes 4 nicht innerhalb kurzer Zeit im wesentlichen gleich Null wird, d.h. wenn der Potentialunterschied über dem Entladehohlraum 4 nicht gleich oder positiv höher als die Spannung wird, die am Kondensator 12 beim Auftreten der Funkenentladung liegt, während der Thyristor 11 auf den Triggerimpuls ansprechend durchgeschaltet wird, der an seiner Steuerklemme im wesentlichen gleichzeitig mit der Funkenentladung durch den Triggerimpulsgenerator liegt, fliesst kein Strom, der den Thyristor 11 durchgeschaltet hält, durch den Thyristor 11, so dass der Thyristor 11 in den Sperrzustand zurückkehrt und die im Kondensator 12 geladene

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Zündenergie nicht der Zündkerze P₁ bis P- zuführen kann, in der die Funkenentladung aufgetreten ist.

Fig. 3 zeigt den Gesamtaufbau eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Plasmazündanlage für eine Vierzylindermaschxne. Die Batterie B ist in der in Fig. 3 dargestellten Weise mit zwei Schaltungen verbunden. Die eine ist der Funkenentladegenerator/ der eine Funkenentladung an jeder Plasmazündkerze P^ bis P« dadurch erzeugt, dass er eine negative hohe Spitzenspannung an die Elektroden jeder Plasmazündkerze P-j bis P, liegt. Die andere Schaltung ist eine Plasmazündschaltung, die eine hochenergetische elektrische Ladung erzeugt und an die eine Plasmazündkerze P* bis P* legt, an der die Funkenentladung bewirkt wurde, um das Plasmaflammengas in der Plasmazündkerze P.. bis P^ zu erzeugen.

Die zuerst genannte Schaltung umfasst a) einen Transformator 7, dessen Primärwicklung 7a mit der Batterie B verbunden ist und dessen Sekundärwicklung 7b eine grössere Windungszahl als die Primärwicklung 7a hat, b) einen Kontaktunterbrecher 6, der zwischen dem gemeinsamen Anschluss des Transformators 7 und Masse liegt und synchron mit der Drehung der Maschine an- und ausschaltet, d.h. immer bei einer halben Umdrehung der Maschine (180°) ausschaltet, und c) einen Verteiler 8, dessen Rotor 8a mit der Sekundärwicklung 7b des Transformators 7 verbunden ist und der vier feste Kontakte 8b.j bis 8b^ aufweist, von denen jeder mit der zentralen Elektrode 1 der entsprechenden Plasmazündkerze P^ bis P- verbunden ist. Der Aufbau und die Arbeitsweise jedes Bauelementes sind im wesentlichen gleich dem Aufbau und der Arbeitsweise jedes Bauelementes, das in Fig. 2 dargestellt ist.

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Die zuletzt genannte Schaltung umfasst: a) einen Gleichspannungswandler 10', der die niedrige Gleichspannung (12 V) von der Batterie B in eine hohe Gleichspannung (Vo = 1000 V) verstärkt, b) eine Hilfsschaltung 15, die mit dem Ausgang des Gleichspannungswandler verbunden ist und eine dritte Diode D₃, deren Anode mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers 10' verbunden ist, eine vierte Diode D₄, deren Anode mit der Kathode der dritten Diode D₃ verbunden ist, einen ersten Kondensator C.., dessen eine Seite mit der Kathode der vierten Diode D₄ verbunden ist und dessen andere Seite an Masse liegt, und einen Widerstand R aufweist, der über die vierte Diode geschaltet ist, c) vier fünfte Dioden Dj. bis D₁-^, die jeweils mit ihrer Anode mit der Anode der dritten Diode D₃ der Hilfsschaltung 15 verbunden sind, d) vier zweite Kondensatoren C-» deren eine Seite mit der Anode der entsprechenden fünften Diode D₁- bis D₁. , verbunden ist, e) vier Thyristoren 1ia bis11d, deren Anoden mit der entsprechenden Kathode der jeweiligen fünften Diode D₁. bis D₁-J und mit einer Seite des jeweiligen zweiten Kondensators C₂ verbunden sind und deren Kathoden an Masse liegen, f)v£er erste Dioden 13a-13d, deren Anoden mit einer Seite der jeweiligen zweiten Kondensatoren C₂ verbunden sind und deren Kathoden an Masse liegen, g) vier Spulen L, die jeweils mit einer Seite der zweiten Kondensatoren C~ verbunden sind und h) vier zweite Dioden 14a bis 14d, von denen jede zwischen die entsprechende Spule L und die zentrale "Elektrode der entsprechenden Plasmazündkerze P- bis P₄ geschaltet ist. Diese zuletzt genannte Schaltung umfasst weiterhin a) einen Kurbelwinkelsensor 16, der einen Kurbelwinkelimpuls 16a, dessen Periode einer halben Umdrehung der Maschine (180°) entspricht, immer dann erzeugt und abgibt, wenn sich die Maschine um ein Viertel des Maschinenzyklus im Falle einer Vierzylindermaschine dreht und der gleichfalls ein Maschinenzyklussignal 16b

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ausgibt, wenn ein Maschinenzyklus (720°) beendet ist, wobei die Wellenform dieser beiden Signale 16a und 16b in Fig. 4 dargestellt ist, b) einen 4-Bit-Ringzähler 17, der der Reihe nach Impulssignale 17a bis 17d immer dann ausgibt, wenn das Kurbelwinkelsignal 16a empfangen wird, wobei die Breite der Impulssignale 17a bis 17d 180° der Umdrehung der Maschine entspricht, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, und der Zähler immer dann rückge-. setzt wird, wenn das Maschinenzyklussignal 16b empfangen wird, c) vier erste monostabile Multivibratoren 18, von denen jeder mit dem entsprechenden Ausgang des 4-Bit-Ringzählers 17 verbunden ist, von denen jeder ein Triggerimpulssignal a bis d mit bestimmter Impulsbreite von beispielsweise 100 με immer dann ausgibt, wenn das entsprechende Impulssignal 17a bis 17d vom 4-Bit-Ringzähler 17 empfangen wird, wobei jedes Triggerimpulssignal a bis d an den entsprechenden Thyristoren 11a bis 11d in einer bestimmten Zündreihenfolge der Maschinenzylinder, d.h. in der Reihenfolge des ersten, des dritten, des vierten und des zweiten Zylinders liegt/ und d) einen zweiten monostabilen Multivibrator 19, der immer dann,, wenn er das Kurbelwinkelsignal 16a vom Kurbelwinkelsensor 16 empfängt, ein Impulssignal 19a zum Gleichspannungswandler 10' ausgibt, wobei das Impulssignal 19a eine bestimmte Breite von beispielsweise 1 Millisekunde hat, so dass der Gleichspannungswandler 10' kurzzeitig die Ausgabe der Ausgangsspannung Vo, d.h. seine Schwingung während des Empfanges des Impulssignales 19a vom zweiten monostabilen Multivibrator 19 anhält.

Im folgenden wird anhand von Fig. 4 die Arbeitsweise des bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Plasmazündanlage beschrieben.

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Wenn zunächst die Maschine angelassen wird und der Unterbrecherkontakt 6 wiederholt geöffnet und geschlossen wird, liegt eine hohe Spxtzenstosspannung, die an der Sekundärwicklung 7b des Transformators 7 erzeugt wird, an einer der Plasmazündkerzen P. bis P. über den Verteiler 8 augenblicklich am Anfang des Explosionstaktes des entsprechenden Zylinders. Die Plasmazündkerze P-. bis P₄, die oben beschrieben wurde, erzeugt eine Funkenentladung zwischen der zentralen Elektrode und der Seitenelektrode 1 und 2, so dass ein Durchbruch der Isolierung im Entladehohlraum 4 auftritt, der in Fig. 1 dargestellt ist.

Der 4-Bit-Ringzähler 17 erzeugt andererseits Impulssignale 17a bis 17d zu den gleichen Zeitpunkten, zu denen der Verteiler 8 die hohe Spitzenstosspannung auf eine der Plasmazündkerzen P.« bis P. verteilt ,und die jeweiligen ersten monostabilen Multivibratoren 18a bis 18d geben die Impulssignale a bis d der Reihe nach an die jeweiligen Steuerklemmen der Thyristoren 11a bis 1Id in der Reihenfolge des ersten Thyristors 11a, des dritten Thyristors 11c, des vierten Thyristors 11d und des zweiten Thyristors 11b aus.

Der Gleichspannungswandler 10' verstärkt andererseits die niedrige Gleichspannung von der Batterie B auf eine hohe Gleichspannung (Vo = 1000 V) und legt die hohe Gleichspannung an jeden zweiten Kondensator C^ mit Hochspannungsbeständigkeit über die Dioden D^ und D₅ bis D₅,, um die hohe Gleichspannung an jedem zweiten Kondensator C- während eines Zeitintervalls zu laden, das auf das Anhalten der Schwingung durch das Halbzyklussignal 19a vom zweiten monostabilen Multivibrator 19 zwischen allen Zündzeitpunkten der Maschinenzylinder folgt, wobei gleichzeitig die hohe

Gleichspannung über die Dioden D, und D₄ an dem ersten Kondensator C₁ liegt, um am ersten Kondensator C₁ die hohe Gleichspannung zu laden.

Die sich anschliessende Arbeit der in Fig. 3A und 3B dargestellten Plasmazündanlage wird im folgenden unter Bezug auf den ersten Maschinenzylinder als Beispiel beschrieben.

Gleichzeitig mit dem Auftreten der Funkenentladung an der ersten Plasmazündkerze P- aufgrund des Anliegens einer hohen Spitzenstosspannung, die in der Sekundärwicklung des Transformators erzeugt wird, und zwar über den Verteiler 8, dessen Rotor 8a mit dem ersten festen Kontakt Sb₁ in Kontakt steht, schaltet der erste Thyristor 11a auf das Triggerimpulssignal a vom entsprechenden ersten monostabilen Multivibrator 18a ansprechend durch, so dass der entsprechende zweite Kondensator C, elektrisch über die erste Plasmazündkerze P₁ über die entsprechende zweite Diode 14a und die Spule L geschaltet wird, so dass eine eine gedämpfte Schwingung ausführende Reihenschaltung gebildet wird, wobei die elektrische Ladung im entsprechenden zweiten Kondensator C~ als Dämpfungsquelle dient. Folglich wird ein Plasmaflammengas im Entladehohlraum 4 der ersten Plasmazündkerze P^ als Bogenentladungsprodukt erzeugt und wird das Plasmagas durch das Ausstossloch 5 in Fig. 1 in die entsprechende Verbrennungskammer des ersten Zylinders ausgestossen, um das komprimierte Kraftstoff/ Luftgemisch zu zünden.

Bei abnehmender Geschwindigkeit des Spannungsabfall über der ersten Plasmazündkerze P₁ nach dem Auftreten der Funkenentladung allmählich von etwa -2 kV auf -500 V bezüglich der an Masse liegenden Seitenelektrode 2 in der in Fig.

dargestellten Weise aufgrund eines übermässigen Anstieges

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der Temperatur der Zündkerze P₁ selbst, muss der erste Thyristor 11a im durchgeschalteten Zustand gehalten werden, bis der Spannungsabfall zwischen der zentralen Elektrode und der Seitenelektrode 1 und 2 der ersten Plasmazündkerze P₁ positiv höher als etwa -1000 V ist, um den entsprechenden zweiten Kondensator C₂ zu entladen.

In diesem Fall wird ein Strom, der auf der elektrischen Ladung im ersten Kondensator C₁ der Hilfsschaltung 15 basiert, über den Hauptschaltkreis des ersten Thyristors 11a (Anode zu Kathode), der gerade durchgeschaltet ist, über den Widerstand R zur Masse geleitet, so dass der erste Thyristor 11a im durchgeschalteten Zustand während eines bestimmten Zeitintervalls, d.h. der Zeitkonstante, die durch den ersten Kondensator C₁ und den Widerstand R bestimmt ist, gehalten wird. Der Zeitpunkt, an dem der oben beschriebene Strom zu fHessen beginnt, ist der gleiche Zeitpunkt, an dem der erste Thyristor 11a durchgeschaltet wird und der Gleichspannungswandler 10' das Anhaltesignal 19a vom zweiten monostabilen Multivibrator 19 empfängt. D.h., dass dann, wenn die Werte des ersten Kondensators C₁ und des Widerstandes R in geeigneter Weise gewählt sind, beispielsweise bei C₁ = 0,07 \iF und R = 100 Ohm liegen, ein Haltestrom von annähernd 50 mA im ersten Thyristor 11a während eines Zeitintervalls von 200 με zugeführt werden kann. Während des Zeitintervalls von 200 \is erreicht der Spannungsabfall zwischen der zentralen Elektrode und der Seitenelektrode 1 und 2 im wesentlichen -1000 V oder einen Wert, der positiv höher als -1000 V ist, so dass die Hochenergie

über den im durchgeschalteten Zustand gehaltenen Thyristor 11a und die entsprechende Spule L der ersten Plasmazündkerze P- zugeführt werden kann. Das ergibt sich ohne weiteres aus der in Fig. 6 dargestellten Spannungskurve. 35

Darüberhinaus liegt das Anhaltesignal 19a vom zweiten monostabilen Multivibrator 19 am Gleichspannungswandler 10', um die Schwingung des Gleichspannungswandler anzuhalten. Das Anhaltezeitintervall des Gleichspannungswandler 10' hängt von der Breite (1 Millisekunde) des Anhalteimpulssignales 19a ab und ist länger als das Zeitintervall, in dem der erste Thyristor 11a durchschaltet, so dass der Thyristor 11a in den Sperrzustand zurückkehrt, nachdem der zweite Kondensator C₂ in ausreichendem Masse entladen ist. Da die Thyristoren 11a bis 11d und jeder entsprechende zweite Kondensator C₂ für jeden Zylinder vorgesehen sind, kann eine unpassende Entladung aufgrund des Anliegens elektrischer Ladungsenergie an den anderen Plasmazündkerzen, die sich gegenwärtig in irgendeinem Maschinenhub befinden, zu anderen Zeitpunkten als den Zündzeitpunkten verhindert werden. Der verschwenderische Verbrauch von Energie vom Gleichspannungswandler 10' zum ersten Kondensator C. kann verhindert werden, da die vierte Diode D₄ der Hilfsschaltung 15 vorgesehen ist. Wenn die Temperatur der ersten Plasmazündkerze P₁ normal ist und die Abnahmegeschwindigkeit des Spannungsabfalles über der Zündkerze P₁ verglichen mit dem in Fig. 6 dargestellten Fall gross ist, wird der erste Thyristor 11a während eines Zeitintervalls durchgeschaltet gehalten, das gleich dem in Fig. 6 dargestellten Zeitintervall ist. Das ist aus der Darstellung von Fig. 5 erkennbar.

Da in der oben beschriebenen Weise die erfindungsgemässe Plasmazündanlage mit der Hilfsschaltung versehen ist, um jeden Thyristor während eines Zeitintervalls durchgeschaltet zu halten, das lang genug ist, um die Plasmazündenergie der entsprechenden Plasmazündkerze zuzuführen, kann die Entladung jedes zweiten Kondensators selbst d?^n vollendet werden, wenn das Abfallender Spannung zum Beibehalten der Plasmaentladung anschliessend an die Funkenentladung nicht schnell auf Null erfolgt, da die Temperatur der

Plasmazündkerze übermässig angestiegen ist. Da darüberhinaus ein Thyristor und ein zweiter Kondensator für jeden Maschinenzylinder vorgesehen sind, kann die oben beschriebene nicht zum passenden Zeitpunkt erfolgende Entladung vermieden werden.

Leerseite

Claims

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GRÜNECKER, KINKELDEY, STOCKMAIR &

PATENTANWÄLTE

PATFNrATTORNEVS

A GRÜNECKER, on. ing

DR H. KINKELDEY. »pl-inö

DR W. STOCKMAIR. ocR. iMO..»ee I

DR K. SCHUMANN, dipl-ph«.

P. H. JAKOB, on. ire

DR G BEZOLD. ση. ο*μ

W. MEISTER, aPL ir«

H. HILGERS, oipl ing

DR H. MEYER-PLATH, Oipl-ing

15

ITISSAlT MOTOR COMAPNY, LIMITED 2, Takara-cho Kanagawa-ku Yokohama-shi, Kanagaxva-ken, Japan

8000 MÜNCHEN 22 MAXiMILIANSTRASSe 43

P 17 302

PATENTANSPRÜCHE

Plasmazündanlage für eine Brennkraftmaschine mit in jedem Maschinenzylinder angeordneter Plasmazündkerze, gekennzeichnet durch

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a) eine Niedergleichspannungsquelle (B),

b) eine eine hohe Stosspannung erzeugende und verteilende Einrichtung (6, 7, 8), die eine hohe Stosspannung auf der Grundlage der niedrigen Gleichspannung von der Niedergleichspannungsquelle (B) erzeugt und die hohe Stosspannung auf eine der Plasmazündkerzen (P₁ bis P₄) entsprechend einer bestimmten Zündfolge verteilt/

TELEFON (OB9) 23 as05

TELEX Ο3-39.19Ο

um eine Funkenentladung an der Plasmazündkerze (P.. bis P.) hervorzurufen,

c) eine Plasmazündenergie erzeugende Einrichtung (10'), die eine hohe Gleichspannung auf der Grundlage der niedrigen Gleichspannung von der Niedergleichspannungsquelle (B) erzeugt, um die Plasmazündenergie für jede Plasmazündkerze (P₁ bis P.) zu liefern,

d) eine Anzahl von die Plasmazündenergie ladenden Einrichtungen (C-) , von denen jede mit der die Plasmazündenergie erzeugenden Einrichtung (10') verbunden ist, und von denen jede die hohe Gleichspannung von der die Plasmazündenergie erzeugenden Einrichtung (10') empfängt, um die Plasmazündenergie für die entsprechende Plasmazündkerze (P- bis P,) zu laden,

e) eine Anzahl von Schaltelementen (11a bis 1Id), von denen· jedes mit der die Plasmazündenergie erzeugenden Einrichtung (10') verbunden ist und von denen jedes auf einen Triggerimpuls ansprechend durchschaltet, der entsprechend der vorbestimmten Zündfolge anliegt, um die Plasmazündenergie in der entsprechenden die Plasmazündenergie ladenden Einrichtung (C₂) an die entsprechende Plasmazündkerze (P₁ bis P^) zu legen, und

f) eine das Durchschaltintervall verlängernde Hilfseinrichtung (15), die mit der die Plasmazündenergie erzeugenden Einrichtung (10') parallel zu jedem Schaltelement (11a bis 11d) verbunden ist und das Durchschaltzeitintervall jedes Schaltelementes (11a bis 11d) so verlängert, dass die Plasmazündenergie in einer der die Plasmazündenergie ladenden Einrichtung (C₂) vollständig zu der entsprechenden Plasmazündkerze (P₁ bis P^) entladen wird,

wodurch die Plasmazündung sicher an jeder Plasmazündkerze (P- bis P₄) erfolgen kann.

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2. Plasmazündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Schaltelemente (11a bis 11d) Thyristoren sind, und dass die das Durchschaltintervall verlängernde Hilfseinrichtung (15) 5

a) einen Kondensator (Cj, der parallel zu den die Plasmazündenergie ladenden Einrichtungen (C₂) mit der die Plasmazündenergie erzeugenden Einrichtung (10') verbunden ist und der die hohe Gleichspannung empfängt und lädt, die von der die Plasmazündenergie erzeugenden Einrichtung (10') ausgegeben wird, wenn die Thyristoren (11a bis 11d) sperren, und

b) einen Widerstand (R) umfasst, der zwischen den Kondensator (C₁) und jeden Thyristor (11a bis 11d) geschaltet ist und eine Einrichtung bildet, die einen Entladestrom vom Kondensator (C.) zu dem einen Thyristor (11a bis 11d), der angeschaltet ist, mit einer bestimmten Zeitkonstanten leitet, um das Durchschaltzeitintervall des Thyristors (11a, bis 11d) zu verlängern, wobei der Entladestrom grosser als ein Haltestrom ist, der den Thyristor (11a bis 11d) durchgeschaltet hält.
3. Plasmazündanlage für eine Brennkraftmaschine mit in jedem Maschinenzylinder angeordneter Plasmazündkerze, gekennzeichnet durch

a) eine Niedergleichspännungsquelle (B), 30

b) eine eine hohe Stosspannung erzeugende und verteilende Einrichtung (6, 7, 8), die mit der Niedergleichspännungsquelle (B) verbunden ist, um eine hohe Spitzenstossspannung zu erzeugen und der Reihe nach an eine der Plasmazündkerzen (P₁ bis P^) entsprechend einer bestimmten Zündfolge der zugehörigen Maschinenzylinder

zu legen und dadurch eine Funkenentladung an der Plasmazündkerze (P₁ bis P₄) zu bewirken,

c) einen Gleichspannungswandler (10')# der mit der Niedergleichspannungsquelle (B) verbunden ist und die niedrige

Gleichspannung über eine Schwingung in eine entsprechende Wechselspannung umwandelt, die Wechselspannung verstärkt und die verstärkte Wechselspannung in eine hohe Gleichspannung umwandelt,
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d) eine Anzahl von die Plasmazündenergie ladenden Einrichtungen (C₂), die mit dem Gleichspannungswandler (10¹) verbunden sind und über jeder von denen die hohe Gleichspannung liegt, die vom Gleichspannungswandler (10¹) ausgegeben wird, um Plasmazündenergie für die zugehörige Plasmazündkerze (P- bis P,) darin zu laden,

e) eine Anzahl von Thyristoren (11a bis 11d), von denen jeder mit einer der Plasmazündenergie ladenden Einrichtungen (C₂) verbunden ist, um eine die Plasmazündenergie ladende Einrichtung (C₂) mit der entsprechenden Plasmazündkerze (P₁ bis P^) in Arbeitsverbindung zu bringen und somit eine hohe Gleichspannung, die in der die Plasmazündenergie ladenden Einrichtung (C₂) geladen ist, der entsprechenden Plasmazündkerze (P.. bis P.) zuzuführen,

f) eine Triggerimpulsgeneratoreinrichtung (16, 17, 18, 19), die einen ersten Triggerimpuls, erzeugt und der Reihe nach an die Steuerklemme eines der Thyristoren (11a bis 11d) legt, um den Thyristor (11a bis 11d) entsprechend der bestimmten Zündfolge des zugehörigen Maschinenzylinders durchzuschalten, und die gleichfalls einen zweiten Triggerimpuls an den Gleichspannungswandler (10') ausgibt, um

die Schwingung des Gleichspannungswandlers (10') anzuhalten und dadurch die Ausgabe der hohen Gleichspannung vom Gleichspannungswandler (10¹) zu unterbrechen, immer wenn der zweite Triggerimpuls ausgegeben wird, wobei die Impulsbreite des zweiten Triggerimpulses grosser als die des ersten Triggerimpulses ist,

g) eine Anzahl von induktiven Einrichtungen (L), von denen jede zwischen die entsprechende die Plasmazündenergie ladende Einrichtung (C₂) und die Plasmazündkerze (P.. bis P4) geschaltet ist, um eine gedämpfte Schwingung auf der Grundlage der hohen Gleichspannung, die von der die Plasmazündenergie ladenden Einrichtung (C₂) entladen wird, zu erzeugen, wenn der entsprechende Thyristor (11a bis 11d) durchgeschaltet ist,und

h) eine Hilfslade- und -entladeeinrichtung (15), die mit dem Gleichspannungswandler (10¹) parallel zu jeder die Plasmazündenergie ladenden Einrichtung (C₂) verbunden ist, die die hohe Gleichspannung vom Gleichspannungswandler (1-0¹) empfängt und die hohe Gleichspannung mit einer bestimmten Zeitkonstanten zu dem einen Thyristor (11a bis 11d) entlädt, der gerade auf den ersten Triggerimpuls von der Triggerimpulsgeneratoreinrichtung (16, 17, 18, 19) ansprechend durchgeschaltet ist, um den durchgeschalteten Zustand des Thyristors (11a bis 11d) für ein Zeitintervall, das durch die vorgegebene Zeitkonstante bestimmt ist, nach dem Auftreten der Funkenentladung an der zugehörigen Plasmazündkerze (P., bis P^) zu verlängern und dadurch sicher anschliessend ein Plasmahochtemperaturgas an der Zündkerze (P₁ bis P^) durch die Entladung der Plasmazündenergie zu erzeugen, wodurch eine vollständige Zündung des komprimierten Kraftstoff/Luftgemisches im entsprechenden Maschinenzylinder erzielt werden kann.

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4. Plasmaziindanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , dass die Hilfslade- und -entladeeinrichtung (15)

a) eine erste Diode (D₃), die mit dem Gleichspannungswandler (10¹) verbunden ist,

b) eine zweite Diode (D-) , die mit der ersten Diode (DJ verbunden ist,

c) einen zweiten Kondensator (C..), der mit der zweiten Diode (D-) verbunden ist und der die hohe Gleichspannung über die erste und die zweite Diode (D-., D^) empfängt und lädt, und

d) einen Widerstand (R) umfasst, der über die zweite Diode (D₄) geschaltet ist, um einen Widerstandsweg für die hohe Gleichspannung zu liefern, die vom zweiten Kondensator (C-) zu dem einen Thyristor (11a bis 11d) entladen wird, der auf den ersten Triggerimpuls von der Triggerimpulsgeneratoreinrichtung (16, 17, 18, 19) ansprechend durchgeschaltet ist.
5. Plasmazündanlage nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet, dass die die hohe Stosspannung erzeugende und verteilende Einrichtung (6, 7, 8)

a) einen Transformator (7) mit einem gemeinsamen Anschluss der primären und sekundären Wicklung. (7a, 7b), wobei der 0 andere Anschluss der primären Wicklung (7a) mit der Niedergleichspannungsquelle (B) verbunden ist,

b) einen Schalter (6), der zwischen den gemeinsamen Anschluss des Transformators (7) und Masse geschaltet ist und wiederholt mit einer Geschwindigkeit öffnet, die mit der Drehung der Maschine synchronisiert ist, und

c) einen Verteiler (8) umfasst, der einen Rotor (8a), der sich synchron mit der Drehung der Maschine dreht, und eine Vielzahl von festen Kontakten (Sb₁ bis 8b₄) aufweist, die in gleichen Abständen zueinander so angeordnet sind, dass sie mit dem Rotor (8a) an den jeweiligen Zündzeitpunkten in Kontakt kommen,und von denen jeder mit der entsprechenden Plasmazündkerze (P- nis P^) verbunden ist,

und dass die Triggerimpulsgeneratoreinrichtung (16, 17, 18, 19)

a) einen Sensor (16), der die Drehung der Maschine wahrnimmt und einen dritten Impuls,dessen Periode in Abhängigkeit von der Anzahl der Maschinenzylinder bestimmt ist, zu jedem Zündzeitpunkt synchron mit der Drehung der Maschine sowie einen vierten Impuls ausgibt, dessen Periode einem Maschinenzyklus entspricht,

b) einen Mehr-Bit-Ringzähler (17), der in einen kreisförmigen Arbeitsvorgang einen fünften Impuls immer dann ausgibt, wenn der dritte Impuls vom Sensor empfangen wird, und der durch den vierten Impuls vom Sensor (16) rückgesetzt wird, wobei die Impulsbreite jedes fünften Impulses gleich der Periode des dritten Impulses ist,

c) eine Anzahl erster monostabiler Multivibratoren (18), die mit dem Mehr-Bit-Ringzähler (17) verbunden sind 0 und von denen jeder den ersten Triggerirapuls dem entsprechenden Thyristor (11a, 11d) ausgibt, immer wenn der entsprechende fünfte Impuls vom Mehr-Bit-Ringzähler (17) empfangen wird, und

d) einen zweiten monostabilen Multivibrator (19) umfasst, der mit dem Gleichspannungswandler (10') verbunden ist und den zweiten Triggerimpuls auf den dritten Impuls vom Sensor (16) ansprechend ausgibt.