-
Schaltungsanordnung zur Zündung von Brennkraftmaschinen Stand der
Technik Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Zündung von Brennkraftmaschinen
nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer bekannten Zündanlage dieser Art wird
der Zündzeitpunkt über den gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine von einem
Mikrocomputer berechnet, dessen Steuereingang mit der Generatorwicklung des Zündgenerators
verbunden ist (DE-OS 30 o6 288). Die zur Zündung benötigten Spannungshalbwellen
der Generator-ficklung bilden für den Mikrocomputer sowohl ein Drehzahlsignal als
auch ein Referenzsignal zur Berechnung des Zündzeitpunktes in Abhängigkeit von der
Motordrehzahl.
-
Mit dem Ausgangssignal des Mikrcomputers wird eine Zündschaltstufe
im Primärstromkreis der Zündanlage zum Zündzeitpunkt in den Sperrzustand gesteuert
und damit die Zündung ausgelöst. Bei derartigen Zündanlagen hat sich als nachteilig
herausgestellt, daß für
Brennkraftmaschinen mit sehr großem Drehzahlbereich,
wie z.B. Motorsägen, ein relativ aufwendiger Mikrocomputer mit sehr hoher Taktfrequenz
und relativ großem Speichervolumen benötigt wird, um über den großen Drehzahlbereich
eine ausreichend feine Abstufung der sogenannten Zündzeitpunkt-Verstellinie zu erreichen.
Außerdem muß der Mikrocomputer sehr schnell sein, damit er auch im hohen Drehzahlbereich
von über 14 000 Umdrehungen pro Minute noch zuverlässig arbeitet.
-
Bei einer anderen bekannten Zündanlage für hochdrehende Brennkraftmaschinen
wird die Verstellung des Zündzeitpunktes durch eine mit der Generatorwicklung des
Zündgenerators verbundene Zündzeitpunkt-Verstellschaltung erreicht (DE-OS 27 01
750). Im unteren Drehzahlbereich wird dort eine geringe Frühverstellung zur Reduzierung
der Abgasemissionen und erst im oberen Drehzahlbereich eine höhere Frühverstellung
des Zündzeitpunktes zur Leistungsoptimierung der Brennkraftmaschine bewirkt.
-
Diese Verstellschaltung ist jedoch für eine Stabilisierung der Leerlaufdrehzahl
der Brennkraftmaschine ungeeignet, da der Verstellwinkel des Zündzeitpunktes vor
dem oberen Totpunkt sich dort mit abnehmender Drehzahl ebenfalls verringert.
-
Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, eine rechnergesteuerte
Zündanlage der eingangs genannten Art in der Weise zu verbessern, daß sich bei guter
Leerlaufstabilisierung, gutem Abgasverhalten im Leerlauf sowie optimaler Leistungsabgabe
im Arheits-Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine ein einfacher Rechner mit möglichst
geringem Speichervolumen verwenden läßt.
-
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß im unteren
Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine der Rechner durch einen Eingriff in eine
Verstellschaltung eine Leerlaufstabilisierung sowie ein gutes Abgasverhalten der
Brennkraftmaschine sicherstellt. Je nach Speichervolumen des Rechners kann dann
im mittleren Drehzahlbereich der Eingriff des Rechners in die Verstellschaltung
beendet werden, so daß für höhere Drehzahlen - dem eigentlichen Arbeitsbereich der
Brennkraftmaschine - allein die Verstellschaltung den Zündzeitpunkt für eine optimale
Leistungsabgabe bestimmt. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß bei einem Defekt
des Rechners dieser sich selbst von der Verstellschaltung abschalten kann, so daß
auch dann die Zündanlage nicht ausfällt sondern mit der Kennlinie der Verstellschaltung
weiterarbeitet. Außerdem kann'für eine solche Schaltungsanordnung ein kostengünstiger
Mikrocomputer verwendet werden, da die Taktfrequenz niedrig gehalten werden kann.
-
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich.
-
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Eingriff des Rechners
in die Verstellschaltung derart erfolgt, daß in dem betroffenen Abschnitt des Drehzahlberei-chs
durch ein am Steuerausgang des Rechners auftretendes Signal der von der Zündzeitpunkt-Verstellschaltung
vorgegebene Zündzeitpunkt verzögert wird. Bei einem Defekt
im Rechner
kann diese Verzögerung aufgehoben werden so daß die Verstellschaltung weiterhin
arbeitet.
-
Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur
1 die Schaltungsanordnung einer Zündanlage für eine Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen
Steuerung des Zündzeitpunktes, Figur 2 zeigt den Schaltungsaufbau der Verstellschal=
tung und der Zündschaltstufe aus Figur 1 und Figur 3 zeigt die Zündzeitpunkt-Verstellinie
der Zündanlage nach Figur 1.
-
Beschreibung des Ausführungsbeispiels Die in Figur 1 dargestellte
Schaltungsanordnung zur Zündungs einer Ein-Zylinder-Brennkraftmaschine für eine
Baumsäge ist eine Transistor-Spulen-Zündanlage, die einen Zündgenerator 10 zur Erzeugung
der Zündenergie aufweist. Der Zündgenerator 10 besteht aus einem von der Brennkraftmaschine
angetriebenen umlaufenden Polrad 11, in dem ein Dauermagnetsegment 12 zur Erzeugung
eines Magnetfeldes am Umfang des Polrades 11 eingebettet ist. Außen am Umfang des
Polrades 11 ist ein Zündanker 13 stationär befestigt, der mit jedem Umlauf des Polrades
1 1 vom Magnetfeld des Dauermagnetsegmentes 12 durchsetzt ird. Der Zündanker 13
hat eine Primärwicklung 14 sowie eine Sekundärwicklung 25 die mit einem Ende der
Primärwicklung 24 verbunden ist.
-
Das andere Ende der Sekundärwicklung 2 5 ist über ein Zündkabel an
eine Zündkerze 16 angeschlossen. Primär-und Sekundärwicklung hilden eine Zündspule,
die auf einem
Eisenkern 17 des Zündankers 13 sitzt. Die Primärwicklung
14 ist an den Primärstromkreis der Zündanlage angeschlossen. Der Primärstromkreis
umfaßt eine Zündschaltstufe 18 und zwei Anschlußleitungen 19 und 20, über die die
Schaltstrecke der Zündschaltstufe 18 zur Primärwicklung 14 parallel geschaltet ist.
Der Steuereingang 18a der Zündschaltstufe 18 ist mit dem Ausgang einer Zündzeitpunkt-Verstellschaltung
21 verbunden, die eingangsseitig ebenfalls über die Anschlußleitungen 19 und 20
zur Primärwicklung 14 parallel geschaltet ist.
-
Zur Steuerung des Zündzeitpunktes ist ferner ein Mikrorechner 22 vorgesehen,
dessen Steuerausgang 22a in die Zündzeitpunkt-Verstellschaltung 21 eingreift. Der
Steuereingang 22b des Mikrorechners 22 ist über einen Widerstand 23 mit der Anschlußleitung
19 der Primärwicklung 14 verbunden und außerdem zur Spannungsbegrenzung über eine
Z-Diode 24 an die Anschlußleitung 20 der Primärwicklung 14 angeschlossen. Die Spannungsversorgung
des Mikrorechners 22 erfolgt über seinen Plus-Anschluß 25 und seinen Minus-Anschluß
26. Zur Spannungsversorgung dient ein weiterer, paralle zur Primärwicklung 14 liegender
Schaltungszweig mit einem Kondensator 27, einem dazu in Reihe geschalteten Widerstand
28 und einer vorgeschalteten Diode 29. Dieser Schaltungszweig ist mit dem Pluspol
des Kondensators 27 an die Anschlußleitung 20 und mit dem Kathodenanschluß der Diode
29 an die Anschlußleitung 19 angeschlossen. Parallel zum Kondensator 27 liegt zur
Spannungsbegrenzung der Versorgungsspannung des Mikrorechners 22 eine Z-Di-ode mit
einer Z-Spannung von etwa 5 V. Der Pluspol des Kondensators 27 ist über die Anschlußelitung
20 mit dem Plusanschluß 25 des Mikrorechners 22 verbunden und der Minuspol des Kondensators
27 ist zur Spannungsversorgung des Mikrorechners unmittelbar mit dessen Minusanschluß
26 verbunden.
-
Figur 2 zeigt den Schaltungsaufbau der Zündschaltstufe 18 und der
Zündzeitpunkt-Verstellschaltung 21 der Zündanlage nach Figur 1. Die Zündschaltstufe
18 enthält einen zweistufigen Darlington-Transistor 31, dessen Kollektor mit der
Anschlußleitung 19 und dessen Emitter mit der Anschlußleitung 20 verbunden ist.
In Reihe zur Schaltstrecke des Darlington-Transistors 31 liegt zum Schutz gegen
Inversstrom eine Diode 32; Die Basis des Darlington-Transistors 31 ist einerseits
als Steuereingang 18a ausgeführt und andererseits über einen Widerstand 33 mit seinem
Kollektor verbunden. Die Zündzeitpunkt-Verstellschaltung 21 enthält einen über die
Anschlußleitungen 19 und 20 parallel zur Primärwicklung 14 liegenden Schaltungszweig
mit einer Diodenanordnung aus einer Diode 34 und einer Z-Diode 35 und mit einem
Reihen-RC aus einem Widerstand 36 und einem Kondensator 37. Die Diode 34 ist anodenseitig
mit der Anschlußleitung 19 und der untere Kondensatoranschluß ist mit der Anschlußleitung
20 verbunden. Die Diode 34 ist in gleicher Durchlaßrichtung gepolt wie der Darlington-Transistor
31.
-
Die Z-Diode 35 ist zur Steuerung der Kondensatoraufladung zur Diode
34 entgegengesetzt gepolt. Parallel zum Kondensator 37 liegt ein Widerstand 38 sowie
die Steuerstrecke eines Steuertranssistors 39. Der Kollektoranschluß des Steuertransistors
39 ist mit dem Steuereingang 18a der Zündschaltstufe 18 und der Emitteranschluß
ist mit der Anschlußleitung 20 verbunden. Der Steuerausgang 22a des Mikrorechners
22 ist an die Verbindung zwischen Widerstand 36 und Kondensator 37 der Verstellschaltung
21 angeschlossen. Über einen im Ausgang des Mikrorechners 22 liegenden Feldeffekt-Transistor
40 ist der Kondensator 37 der Verstellschaltung 22 überbrückbar. Auf diese Weise
greift der Mikrorechner 22
in einem begrenzten Drehzahlbereich
der Brennkraftmaschine in die Zündzeitpunkt-Verstellschaltung 21 ein..
-
Die Wirkungsweise der Zündanlage soll nun mit Hilfe der Zündzeitpunkt-Verstellinie
nach Figur 3 näher erläutert werden. Dort ist über die Motordrehzahl n der Zündzeitpunkt
in Kurbelwellengraden vor dem oberen Totpunkt aufgetragen.
-
Beim Anlassen der Brennkraftmaschine muß zunächst die Startdrehzahl
n1 erreicht werden, um ein Anlaufen der Maschine zu ermöglichen. Bis zu diesem Drehzahlwert
n1 greift der Mikrorechner 22 noch nicht in die Verstellschaltung 21 ein. Mit dem
Beginn einer jeden positiven Halbwelle in der Primärwicklung 14 wird folglich über
den Widerstand 33 der Darlington-Transistor 31 in den stromleitenden Zustand geschaltet,
so daß in der Primärwicklung 14 ein ansteigender Primärstrom fließt. Erreicht die
positive Halbwelle der Primärspannung den Ansprechwert der Z-Diode 35. der Verstellschaltung
21, so wird nunmehr über den Widerstand 36 der Kondensator 37 aufgeladen. Zum Zündzeitpunkt
erreicht die Kondensatorladung die Ansprechspannung des Steuertransisotrs 39 und
schaltet diesen in den stromleitenden Zustand um. Damit wird die Basis-Emitterstrecke
des Darlington.-Transistors 31 vom Steuertransistor 39 überbrückt und der Darlington-Transistors
21 gelangt in den Sperrzustand. Der Primärstrom wird unterbochen und in der Sekundärwicklung
15 wird ein Hochspannungsimpuls erzeugt, der an der Zündkerze 16 einen Zündfunken
auslöst. Beim Erreichen der Anlaßdrehzahl nl im Punkt A der Verstellinie liegt die
Zündung bei etwa 100 vor OT.
-
Die von dem umflaufenden Magnetsystem 12 des Polrades 11 in der Primärwicklung
ik zur Zündung nicht benötigten
negativen Halbwellen werden zur
Spannungsversorgung des Mikrorechners 22 verwendet. Wie Figur 1 zeigt, ist die Diode
29 so gepolt, daß der Kondensator 27 über den Widerstand 28 von diesen Halbwellen
aufgeladen wird.
-
Beim Erreichen der Anlaßdrehzahl n1 wird auf diese Weise die Spannungsversorgung
des Mikrorechners 22 gewährleistet, so daß nunmehr der Mikrorechner 22 über seinen
Steuerausgang 22a in die Verstellschaltung 21 eingreifen kann. In Figur 3 ist der
normale Verlauf der Verstellinie ohne Eingriff des Mikrorechners 22 gestrichelt
dargestellt. Dort ist erkennbar, daß durch den Eingriff des Mikrorechners 22 im
Punkt A der durch die Zündzeitpunkt-Verstellschaltung 21 vorgegebene Zündzeitpunkt
verzögert wird. Dies geschieht dadurch, daß der Mikrorechner 22 über seinen Steuereingang
22b durch die positiven Spannungshalbwellen in der Primärwicklung 14 sowohl die
Drehzahl der Brennkraftmaschine erfaßt als auch mit dem Beginn einer jeden positiven
Spannungshalbwelle ein Referenzsignal zur Berechnung des Zündzeitpunktes erhält.
In Abhängigkeit von der Drehzahl wird nun der Feldeffekttransistor 40 im Ausgang
des Mikrorechners 22 von diesem vor jedem Zündvorgang für ein berechnetes Zeitintervall
in den leitenden Zustand geschaltet und damit der Kondensator 37 der Verstellschaltung
22 überbrückt. Dadurch wird die Aufladung des Kondensators 37 gezielt verzögert
und der Zündzeitpunkt wird folglich ebenfalls verzögert. Aus Figur 3 ist erkennbar,
daß die Brennkraftmaschine nach dem Starten bis zur Leerlaufdrehzahl n2 im Punkt
B der Verstelli-nie mit nahezu gleichem Zündwinkel betrieben wird. Mit weiter zunehmender
Drehzahl wird nunmehr der Zündzeitpunkt durch einen entsprechenden Eingriff am Steuerausgang
22a des Mikrorechners 22 in die Verstellschaltung 21 allmählich bis zu einem Winkel
von 200 vor OT angehoben. Bei einer
mittleren Drehzahl n3 wird
schließlich die vorgegebene, gestrichelt dargestellte Kennlinie der Verstellschaltung
21 im Punkt C der Verstellinie wieder erreicht und der Eingriff des Mikrorechners
22 wird aufgehoben. Im oberen Drehzahlbereich wird nunmehr der Zündzeitpunkt ausschließlich
von der Verstellschaltung 21 in der zuvor beschriebenen Weise bestimmt. Beim Erreichen
der maximal zulässigen Drehzahl n4 erfolgt durch den Mikrorechner 22 eine Drehzahlbegrenzung,
in dem dieser nunmehr den Kondensator 37 der Verstellschaltung 21 über den Steuerausgang
22a ständig überbrückt und dadurch eine Umsteuerung des Steuertransistors 39 und
des Darlington-Trsnsistors 31 verhindert. Damit setzt die Zündung aus, bis die Drehzahl
nk wieder unterschritten wird.
-
Während der Zündwinkel 9 im Arbeitsbereich der Brennkraftmaschine
mit etwa 200 vor OT auf eine optimale Leistungsabgabe eingestellt ist, soll er bei
Leerlauf in Hinblick auf geringe Abgasemisslonen der Brennkraftmaschine nicht über
10° vor OT liegen. Außerdem soll die Brennkraftmaschine in ihrer Leerlaufdrehzahl
stabilisiert werden.
-
Dies wird durch den Mikrorechner 22 dadurch sichergestellt, daß ein
Abfallen der Drehzahl unter der stabilisierten Leerlaufdrehzahl n2 von etwa 1000
min 1 vom Mikrorechner 22 erfaßt und abhängig davon der Zündzeitpunkt in Richtung
Frühzündung bis zum Punkt D der Verstellinie nach Figur 3 angehoben wird. Durch
diese stark zunehmende Vorverstellung des Zündzeitpunktes wird der Motor wieder
bis zur Leerlaufdrehzahl n2 beschleunigt. Der Aufbau und Funktionsablauf des Mikrorechners
22 ist beispielsweise in der DE-OS 30 OÓ 288 erläutert.
-
Sollte durch eine Störung im Mikrorechner 22 der Peldeffekttransistor
40 im Steuerausgang 22a nicht in den leitenden Zustand gesteuert werden oder zu
früh wieder
in den Sperrzustand umschalten, so wird dadurch der
Zündwinkel wieder auf die gestrichelt dargestellte Verstelllinie der Verstellschaltung
21 angehoben. Bleibt dagegen der Feldeffekttransistor 40 zu lange im stromleitenden
Zustand, so kann dies durch ein Prüfprogramm des Mikrorechners 22 erfaßt werden
und der Steuerausgang 22 wird dann abgeschaltet. Auch dann wird der Zündwinkel auf
die Verstellinie der Verstellschaltung 21 angehoben und die Zündanlage bleibt weiterhin
betriebsbereit.
-
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt,
da sowohl die Zündschaltstufe 18 als auch die Verstellschaltung 21 sowie die Spannungsversorgung
des Mikrorechners 22 in anderer Weise aufgebaut sein können. Für den Eingriff im
unteren Drehzahlbereich ist ein kostengünstiger Rechner z.B. C0P 311 zu verwenden.
Anstelle eines /uC kann auch ein kundenspezifischer IC-Baustein eingesetzt werden.
Dieser kann digital oder analog arbeiten.
-
Außerdem kann vom Rechner eine falsche Drehrichtung der Brennkraftmaschine
erkannt werden, da die vom Zündgenerator abgegebenen positiven und negativen Halbwellen
vielfach unterschiedliche Amplituden oder auch noch unterschiedliche Abstände bzw.
Frequenzen haben. Durch ein entsprechendes Programm des Rechners kann die bei Rücklauf
auftretende Umkehrung der positiven und negativen Spannungshalbwellen erkannt und
eine Rücklaufsicherheit bewirkt werden, in dem der Rechner dann die Zündschaltstufe
dauernd leitend steuert.
-
* von National Semiconductor