DE3928726A1 - Zuendsystem mit stromkontrollierter halbleiterschaltung - Google Patents
Zuendsystem mit stromkontrollierter halbleiterschaltungInfo
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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.
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.
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.
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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