DE3928726A1 - Zuendsystem mit stromkontrollierter halbleiterschaltung - Google Patents

Zuendsystem mit stromkontrollierter halbleiterschaltung

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Description

Das gegenwärtig gebräuchliche Prinzip einer Zündung des Brenn­ stoffgemisches bei Ottomotoren besteht darin, daß eine Indukti­ vität vom Bordnetz (Batterie) geladen wird und zum benötigten Zeitpunkt durch Öffnen eines Schalters die gespeicherte Energie in einem Lichtbogen an die Zündkerzen wieder abgibt. Die Schalt­ einrichtung besteht in modernen Zündanlagen aus einer stromkon­ trollierten Halbleiterschaltung.
Diese sog. Transistorzündung hat gegenüber der herkömmlichen An­ ordnung mit dem Unterbrecherkontakt einige Vorteile, wie z. B. exaktes Einschalten des Zündvorganges und weitgehende stabili­ sierte Zündenergie, unabhängig von der Bordnetzspannung.
Ein wesentlicher Nachteil dieses Systems ist jedoch die unabhän­ gig von der Drehzahl konstante Brenndauer. Sie erzwingt Kompro­ misse zwischen schnell und langsam laufenden Motor. Insbesondere wäre eine längere Zünddauer während der Startphase (bei langsam laufender Maschine) wünschenswert. Um problemlos anlaufen zu können, benötigt man eine Mindestgeschwindigkeit, die mit Hilfe eines elektrischen Motors (Starter) erreicht werden muß.
Ein weiterer Nachteil ist die große, teure, erforderliche Spei­ cherinduktivität. Sie ist der Grund dafür, am Verteilerprinzip aus Kostengründen festzuhalten.
Das mit der Erfindung vorgeschlagene Konzept einer Zündung weist diese Nachteile nicht auf.
Die grundsätzlichen Vorschläge gemäß vorliegender Erfindung sind mit den Ansprüchen 1 bis 4 gekennzeichnet.
Nach dem erfindungsgemäßen Konzept ist es möglich, bei erheblichen Kosteneinsparungen eine kompromißfreie, optimale Zündung zu erreichen.
Die Kosteneinsparungen bestehen im wesentlichen aus:
  • 1. Fortfall des Zündverteilers
  • 2. Kleine, kostengünstige Zündspulen
  • 3. Im Falle von Einspritzung unmittelbar in den Zylinder ist der Fortfall der kompletten Starteinrichtung denkbar!
Die optimale Zündung wird dadurch sichergestellt, daß sie während der gesamten Brenndauer, unabhängig von der Dreh­ zahl, eingeschaltet bleibt (auch bei Drehzahl Null, während der Startphase).
Die vorteilhaften Eigenschaften werden durch zwei Hauptmerk­ male errreicht:
  • 1. Hochfrequente Wechselstromzündung
  • 2. Statische Erfassung des Kurbelwellenwinkels verbunden mit einer elektronischen Triggerung der Zündung über den gesamten Zündwinkel.
Hochfrequente Wechselstromzündung
Die Wechselstromzündung läßt sich beliebig lange ein- und ausschalten.
Es ist möglich, mit einem Zündtrafo und der dazugehörigen Elek­ tronik jeweils eine Zündkerze (Bild 1 und 2) oder zwei Zündker­ zen zu betreiben. Eine Zündkerze startet die Verbrennung und die praktisch gleichzeitig gezündete zweite Kerze in einem Zylinder ohne Treibstoff behindert die Funktion des Motors nicht.
Die Versorgung der Zündstufen kann unmittelbar aus dem Batte­ riebordnetz erfolgen. Eine Versorgung aus einem Schaltnetzteil ist auch denkbar. Letztgenannte Betriebsart hat den Vorteil ko­ stengünstiger Zündendstufen. Der Aufwand des zusätzlichen Netz­ teiles kann sich bei einer großen Anzahl von Zündendstufen (gro­ ße Zylinderanzahl) durchaus rentieren. Außerdem könnte ein zen­ trales, geregeltes Schaltnetzteil im Kraftfahrzeug Einsparungen in anderen Funktionsgruppen (z. B. Versorgung für Hochdruckgas­ entladungslampen, Autoradio, Bordcomputer, Navigationssystem usw.) bewirken.
Zündendstufen
Die Zündstufe besteht im wesentlichen aus einem Schalter (Transi­ stor), einer Energierückgewinnungsdiode, einer Ladespule L1, ei­ ner Sekundärspule L2 und einem Schwingkreiskondensator CR (Bil­ der 1, 2 und 3).
Die Ersatzschaltbilder (1a und 3a) veranschaulichen die Funk­ tion. Die Spulen Lσ und LH zusammen mit dem Schwingkreiskonden­ sator CR und der Wicklungskapazität Cw bilden ein Bandfilter, das über die Magnetisierungsinduktivität M lose verkoppelt ist. Im Falle der Doppelzündung (Betrieb von zwei Zündkerzen gleich­ zeitig pro Zündzweig) ist der Sekundärkreis als π-Schaltung ausgeführt (Bilder 3 und 3a). Die Energiezufuhr erfolgt während der Leitphase des Transistors. Nach dem Öffnen des Transistors transferiert ein Teil der Energie von L1 primärseitig in CR und nach einer halben Sinusperiode wieder über die Energierückliefe­ rungsdiode D und L1 in das Bordnetz zurück (Bild 4). Der restli­ che Teil der Energie erregt über die Kopplungsindiutkvität M den durch Transformation hochohmigen Sekundärschwingkreis, der bis zum nächsten Energietransfer bedämpfte Schwingungen ausführt. Es entsteht die für eine Zündung ausreichend hohe Wechselspannung. Die Freilauffrequenz des Primärkreises (L1/CR) kann der Sekun­ därkreisfrequenz (L2/Cw) entsprechen. Die Endstufe wird im Cur­ rent-mode betrieben, d. h. eine Regelschaltung sorgt dafür, daß der Transistor immer bei gleicher Stromamplitude abschaltet. Hierdurch wird eine von der Batteriespannung unabhängige Hoch­ spannung erzeugt. Die Einschaltzeit des Transistors richtet sich nach der Batteriespannung (niedrige Spannung = lange Zeit, hohe Spannung = kurze Zeit). In Abhängigkeit der Leitzeit liegt nach dem Abschalten die positive Sinushalbwelle in einer beliebigen Phasenlage zur Sekundärspannung. Die Folge ist ein Phasensprung des sekundären Spannungsverlaufes, der jedoch bedeutungslos ist. Es darf davon ausgegangen werden, daß die Zündung sofort erfolgt.
Bei nicht erfolgter Zündung (Fehlerfall oder Testschaltung) ver­ ursacht dieser Phasensprung einen von Periode zu Periode bezogen auf die Primärspannung sekundärseitig einen Spannungsverlauf, dessen Scheitelwert abwechselnd positiv und negativ sein kan. Dieser unsymmetrische Spannungsverlauf behindert die Zündfunk­ tion nicht. Nach dem Zünden bricht die Sekundärspannung auf die Brennspannung (bipolar) zusammen. Sie ist etwas stromabhängig. Die Ionisierung ist ausreichend träge, so daß praktisch keine Spannungsspitze (Neuzündung) nach dem Polaritätswechsel entsteht (Bild 7). Der Brennstrom ist nahezu sägezahnförmig (Bild 7) und proportional dem Primärstrom, der sich sequentiell aus den Strö­ men durch den Transistor i Drain, den Kreiskondensator i CR und der Energierücklieferungsdiode i Diode zusammensetzt.
Bild 8 zeigt eine mögliche Gesamtschaltung für sechs Zylinder mit drei Zündwegen. Mit drei Eingängen können jeweils zwei Zünd­ kerzenpaare ein- bzw. ausgeschaltet werden. Solange an einem der drei Eingänge low-Signal anliegt, ist die Zündung für das ent­ sprechende Zylinderpaar eingeschaltet. Die Einschaltverzögerung entspricht einer Periode (Transistoreinschaltzeit plus ca. eine Halbsinusperiode der Freilaufzeit). Bei einer Arbeitsfrequenz von 25 kHz beträgt die Einschaltverzögerung somit nur ca. 40 µs (konstant) und ist damit vernachlässigbar gering.
Die Schaltung erlaubt, je nach Drehzahl, unterschiedliche Brenn­ dauer, so daß drehzahlunabhängig über einen konstanten Winkel an der Kurbelwelle eine durchgehende Zündung garantiert werden kann.
Statische und/oder dynamische Erfassung des Kurbelwellenwinkels
Zur Triggerung der einzelnen Zündwege sind verschiedene Metho­ den denkbar:
Bekannt ist eine dynamische Erfassung des Kurbelwellenwinkels und der Rotationsgeschwindigkeit. Hierbei werden mit einem induk­ tiven Sensor, der z. B. nach dem Wirbelstromprinzip arbeitet, und einer auf der Nockenwelle montierten mit einer Zahnlücke versehe­ nen Zahnradscheibe Impulse gewonnen, die in einer Elektronik aus­ gewertet werden. Die Elektronik liefert dann die Ein- und Aus­ schaltsignale für die Zündzweige. Diese bekannte Methode ist auch zum Triggern der hochfrequenten Wechselstromzündung geeig­ net.
Nachteilig bei der dynamischen Erfassung ist, daß zur Positions­ bestimmung mindestens eine Umdrehung notwendig ist, bevor eine Signalausgabe vorhanden sein kann.
Im Hinblick auf den Selbststart muß der Winkel auch im ruhenden Zustand bekannt sein.
Eine Lösung dieser Aufgabenstellung wird z. B. wie folgt er­ reicht:
Ein Rad, das auf der Nockenwelle montiert ist, besitzt auf sei­ ner Oberfläche einen Code, der unmittelbar das Einschalten der Zündwege auslöst und die Brenndauer bestimmt. Pro Zündung wan­ delt ein induktiver Sensor diesen mechanischen Code in elektri­ sche Signale. Dieser Code ist zweckmäßigerweise in seiner Phasen­ lage für die höchste Motorgeschwindigkeit (Frühzündung) ausge­ legt. Eine nachgeschaltete Elektronik verzögert das Signal in Abhängigkeit der Drehzahl und des Unterdrucks.
Eine volldigitale Schaltung, bei der die Auswertung der Zünd­ phasen im Bordcomputer stattfinden kann ist auch möglich:
Für diesen Fall kann auf der peripheren Oberfläche eines Nocken­ wellenrades ein 10 bit-Gray-Code vorhanden sein, der von zehn Mi­ niatursensoren induktiv abgetastet wird und elektrische Signale liefert. Die Auflösung beträgt 0,35° an der Nockenwelle, bzw. 0,7° an der Kurbelwelle. Eine Reduzierung der Auflösung ist denk­ bar, indem man den Code nichtlinear ausführt. Eine hohe Auflö­ sung ist nur im Bereich von O. T. notwendig.
Durch die beiden Triggerungsmöglichkeiten, die den Kurbelwellen­ winkel statisch erfassen, zusammen mit der Wechselstromzündung ist in Verbindung mit einer Direkteinspritzung in den Brennraum die Einsparung der kompletten, heute üblichen Starteinrichtung (Anlasser) denkbar!
Da die volldigitale Winkelerfassung die Information über die Kolbenstellungen hat, ist eine Gemisch- und Dosierungssteuerung des Treibstoffes beim Start möglich. Um ein Anlaufen des Motors sicherzustellen, muß das Gemisch mit ausreichend Druck einge­ spritzt oder durch Ventilsteuerung der Kompressionsverlauf wäh­ rend der Startphase der eingespritzten Treibstoffmenge angepaßt werden.
Beide aufgezeigten Triggersysteme für die Zündung sind geeignet, eine Drehzahlkontrolle bzw. -begrenzung zu steuern. Außerdem ist eine Betriebsüberwachung möglich. Arbeitet der Motor trotz einge­ schalteter Zündung nicht (z. B. Unfall) kann das ganze System nach kurzer Zeit abgeschaltet werden.
Bilder 9 bis 11 zeigen einige mögliche Ausführungsformen der Wechselstromzündung.
Die Bilder 12 und 13 zeigen zwei Möglichkeiten für die Trigge­ rung der Zündwege.

Claims (4)

1. Zündsystem, mindestens bestehend aus einer Gleichspan­ nungsquelle, einer Zündspule mit Primär- und Sekundär­ wicklung, einem steuerbaren Halbleiterschalter zwischen Zündspule und Spannungsquelle und einer im Stromkreis der Sekundärwicklung angeordneten Zündkerze, gekenn­ zeichnet durch eine den Halbleiterschalter derart steu­ ernde Regel- und Steuerschaltung, daß die Zündkerze während der Zündphase einen bipolaren Zündstrom erzeugt, dessen Dauer veränderbar ist und dessen zeitliche Ände­ rung (di/dt) im Nulldurchgang so groß ist, daß der Zündfunke nicht abreißt.
2. Zündsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regelschaltung eine den Halbleiter steuernde Impulsfolge während der Zündphase erzeugt, daß die Primärwicklung der Zündspule mit einem Kondensator einen ersten Schwingkreis bildet, der von der Impulsfol­ ge in Schwingungen versetzt wird, und daß die Sekundär­ wicklung mit der Wicklungs- und Zündkapazität einen zweiten Schwingkreis bildet, der mit dem ersten über die Kopplungsinduktivität gekoppelt ist, wobei die Resonanz­ frequenz der Schwingkreise vorzugsweise größer als 16 kHz ist.
3. Zündsystem, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Zündwege durch Erfassung der Rotationsge­ schwindigkeit und/oder des Winkels von Kurbel- bzw. Nockenwelle getriggert werden, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Nocken- bzw. Kurbelwelle ein Rad drehfest verbunden ist, dessen Oberfläche einen die Winkelposi­ tion eindeutig identifizierenden Code trägt, der von einem Sensor abgetastet und mittels einer elektronischen Schaltung in die Zündung steuernde Signale umgewandelt wird.
4. Zündsystem nach Anspruch 3 für einen Verbrennungsmotor mit mindestens zwei Zylindern, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit der Kolbenstellungen den Zylindern derart ein zündfähiges Treibstoffgemisch zugeführt und die Zündung sowie die Ventile derart gesteuert werden, daß ein Selbstanlauf ohne Anlassermotor erfolgt.
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