DE4038440C2

DE4038440C2 - Elektronisches Zündsystem für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE4038440C2
Application number: DE4038440A
Authority: DE
Inventors: Linhard Niemetz
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Aumovio Microelectronic GmbH
Priority date: 1990-12-01
Filing date: 1990-12-01
Publication date: 1994-09-22
Anticipated expiration: 2010-12-02
Also published as: DE4038440A1; MX9102295A; BR9105227A; EP0489264B1; ES2118732T3; US5220903A; EP0489264A3; EP0489264A2; DE59109012D1

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Zündsystem für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Zündsystem ist aus der US-PS 44 06 273 bekannt.

In elektronischen Zündsystemen werden über einen Geber und ein Steuergerät mittels Schalttransistoren Zündspu len angesteuert, die die Zündspannung bzw. den Zünd strom erzeugen. Ältere Zündsysteme mit Einfachzündung verwenden einen Verteiler, um die Zündspannung mecha nisch auf die einzelnen Zylinder zu verteilen, bei mo dernen Zündsystemen werden die Zylinder - ohne mechani schen Verteiler - direkt angesteuert. Um das Kaltstartverhalten des Motors zu verbessern, wird eine hohe Zündenergie der Zündspule für den Zündvorgang benötigt; dann ist auch bei Verunreinigungen der Zündkerze - es entsteht ein niederohmiger Nebenschluß, durch den ein Teil der Zündenergie aus der Zündspule abfließt - in der Regel sichergestellt, daß ein Zündfunke zwischen den Zündkerzenelektroden entsteht. Infolge dieser hohen Zündenergie - sie ist beim warmgelaufenen Motor eigentlich gar nicht mehr erforderlich - wird die Lebensdauer der Zündkerzen stark reduziert. Um das Intervall zum Wechseln der Zündkerzen zu verlängern - beispielsweise von 20 000 km auf 50 000 oder 100 000 km -, können verbesserte Zündkerzen eingesetzt werden, die jedoch sehr teuer sind.

Bei der eingangs erwähnten US-PS 44 06 273 wird die Brenndauer der Zündkerzen durch eine Steuereinheit aus induktivem Sensor und Pulsformeinheit auf einen bestimmten fest vorgegebenen Wert verkürzt. In der DE-OS 27 59 154 ist eine Zündeinrichtung für Brennkraftmaschinen beschrieben, bei der die Funkenentladedauer auf einen vorgebbaren Wert geregelt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches elektronisches Zündsystem für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 anzugeben, mit dem eine Verlängerung der Zündkerzenlebensdauer ermöglicht wird und das kostengünstig und in großen Stückzahlen hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Brenndauer oder Brennzeit der Zündkerzen - während dieser Zeit wird ein Lichtbogen zwischen den Zündker zenelektroden aufrechterhalten - kann beim erfindungs gemäßen elektronischen Zündsystem gemäß einer Brenndauer- Vorgabe durch die als Steuergerät ausgebildete Steuereinheit variiert werden: insbesondere kann beim Kaltstartversuch die maximale Brenndauer vorgesehen werden, während sie beim bereits laufenden Motor reduziert wird; deshalb kann auch eine energiereiche bzw. nebenschluß- unempfindliche Zündung eingesetzt werden, ohne daß deren schädliche Auswirkungen für die Zündkerzenlebensdauer auftreten. Die gewünschte bzw. erforderliche Brenndauer der Zündkerzen kann in Abhängigkeit von Motorparametern bestimmt bzw. festgelegt werden und wird vom Steuergerät an die Endstufe weitergegeben. In der Endstufe ist zur Beeinflussung der Brenndauer eine Schalteinheit mit einem Schalter vorgesehen, durch die die Primärseite der Zündspule nach Ablauf der vom Steuergerät vorgegebenen Brenndauer kurzgeschlossen wird; dadurch wird der Zündfunken zwischen den Zündker zenelektroden zum Erlöschen gebracht und die Brenndauer beendet. Dabei entsteht in der Schalteinheit ein Frei laufstrom, durch den die in der Zündspule gespeicherte Energie dissipiert wird, wobei dieser Energie-Betrag umso größer ist, je mehr die vorgegebene Brenndauer ge genüber der maximalen Brenndauer verkürzt wird.

Der Schalter der Schalteinheit kann beispielsweise durch Transistoren oder Thyristoren realisiert werden, wobei als Transistoren NPN-Transistoren, PNP-Transisto ren, IGBT-Transistoren und FET-Transistoren in Frage kommen; die Transistoren können dabei auch als Darling ton- oder Tripleton-Transistoren ausgebildet sein.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der Fig. 1 bis 4 näher beschrieben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines elektronischen Zündsystems,

Fig. 2 die zeitlichen Signalverläufe bei maximaler Brennzeit,

Fig. 3 die zeitlichen Signalverläufe bei verkürzter Brennzeit,

Fig. 4 das Detailschaltbild eines Ausführungsbei spiels des Schaltungsteils der Endstufe.

In der Fig. 1 ist das schematische Blockschaltbild ei nes elektronischen Zündsystems für ein Kraftfahrzeug dargestellt.

Das Steuergerät steuert den zeitlichen Verlauf der Zün dung bzw. die Zündzeitpunkte t_Z durch Ein-/Ausschalten der Zündspule, indem über die Schaltflanken U_Z am Zünd eingang E_Z der Endstufe der zeitliche Verlauf des Stromflusses I_Pr durch die Primärwicklung der Zündspule vorgegeben wird. Außerdem wird ein Steuersignal U_st für die Brenndauer t_Br - abhängig von Motorparametern wie Benzin-Luft-Gemisch, Drehzahl, Motortemperatur und Mo torlast - am Steuereingang E_st der Schalteinheit der Endstufe vorgegeben.

Die Endstufe besitzt neben dem Zündschaltgerät - mit einem Zünd-IC und dem Endstufentransistor T₁ zur An steuerung der Zündspule, wobei das Zünd-IC zur Regelung des Endstufentransistors dient - noch eine Schaltein heit, durch die die sekundärseitige Brenndauer auf der Primärseite der Zündspule gesteuert wird.

Die Zündspule wird vom Transistor T₁ geschaltet; auf der Sekundärseite der Zündspule sind dieser mit bzw. ohne Verteiler die einzelnen Zylinder über die Zündker zen (Klemme 3) zugeordnet, wobei über den Zündkerzen die Brennspannung U_Br ansteht und der Brennstrom I_Br fließt. Die Primärseite der Zündspule ist andererseits über die Klemme 15 an die Betriebsspannung U_B an geschlossen, andererseits liegt an der Klemme 1 die Kollektorspannung des Zündtransistors T₁ an.

Die Fig. 2 zeigt die zeitlichen Signalverläufe bei ei ner Zündung mit der maximal möglichen Brennzeit, wobei in den Fig. 2a-2e das Steuersignal für die Brenn dauer (die Steuerspannung U_st), die Spannung auf der Primärseite der Zündspule (U_Pr), die Spannung auf der Sekundärseite der Zündspule (Brennspannung U_Br), der Strom auf der Sekundärseite der Zündspule (Brennstrom I_Br) sowie der Freilaufstrom (I_F) in der Schalteinheit dargestellt sind.

Gemäß Fig. 2a ist das vom Steuergerät vorgegebene und die Brenndauer bestimmende Steuersignal länger als die maximale Brennzeit, so daß ein "normaler" Zündzyklus mit einer unverkürzten Brenndauer t_Br von beispiels weise 3 ms vorliegt, wie er beispielsweise beim Kalt start erforderlich ist:

- der Schalttransistor T₁ wird durch die im Steuer gerät erzeugten Schaltflanken U_Z gesteuert, wobei beim Abschalten des Transistors der Stromfluß durch die Zündspule unterbrochen und eine Induk tionsspannung auf der Primärseite der Zündspule induziert wird.
- der Spannungsanstieg auf der Primärseite der Zünd spule - die in Fig. 2b dargestellte Primärspan nung U_Pr oder Rückschlagspannung, die beispiels weise 380 bis 400 V beträgt - wird durch Induktion auf die Sekundärseite der Zündspule übertragen.
- ist die Induktionsspannung auf der Sekundärseite auf einen bestimmten Wert (beispielsweise 20 kV) angestiegen, erfolgt durch einen Funkenüberschlag zwischen den Zündkerzenelektroden die Zündung (Zündzeitpunkt t_Z); infolgedessen fällt die Span nung auf der Sekundärseite von 20 kV auf ca. 400 V ab - dies ist die sogenannte Brennspannung U_Br (Fig. 2c).
- die in der Zündspule beim Aufladevorgang gespei cherte Energie bestimmt die Brennzeit bzw. Brenn dauer t_Br; der Brennstrom I_Br (Fig. 2d) fließt so lange bzw. der Lichtbogen zwischen den Zündkerzen elektroden (die Brennspannung U_Br) steht so lange an, bis die gespeicherte Energie verbraucht bzw. in den Zündkerzen umgesetzt ist.
- nach Ablauf des Zündvorgangs geht die Rückschlag spannung auf der Primärseite (Fig. 2b) von ihrem Maximalwert (380-400 V) auf die Betriebsspannung (beispielsweise 12 V) zurück.
- da die Schalteinheit der Endstufe während der Brennzeit nicht aktiviert wurde, fließt gemäß Fig. 2e kein Freilaufstrom I_F.

Die Fig. 3 zeigt entsprechend der Fig. 2 die Signal verläufe bei einer Zündung mit verkürzter Brennzeit, wobei in den Fig. 3a-3e die zu den Fig. 2a-2e korrespondierenden Größen aufgetragen sind.

Das vom Steuergerät vorgegebene Steuersignal (Steuer spannung U_st) geht gemäß Fig. 3a beispielsweise be reits nach 2 ms - also vor Ablauf der maximal möglichen Brennzeit von beispielsweise 3 ms - vom "HIGH"-Pegel zum "LOW"-Pegel über und aktiviert dadurch die Schalt einheit der Endstufe, die die Primärseite der Zündspule kurzschließt:

- gemäß Fig. 3b sinkt dadurch die Primärspannung U_Pr signifikant ab
- die Brennspannung U_Br wird gemäß Fig. 3c auf ei nen Wert reduziert, der nicht mehr ausreicht, um den Überschlag zwischen den Zündkerzenelektroden aufrechtzuerhalten, der Brennvorgang wird beendet
- der Brennstrom I_Br geht gemäß Fig. 3d unmittelbar nach Aktivierung der Schalteinheit gegen 0 mA
- der Freilaufstrom I_F durch die Schalteinheit (Fig. 3e) fließt so lange, bis die in der Spule ge speicherte Energie dissipiert wurde; dabei muß um so mehr Energie vernichtet werden, je kürzer die vorgegebene Brennzeit ist. Der Betrag des Freilaufstroms I_F hängt demzufolge vom Zeitpunkt der Aktivierung der Schalteinheit ab; sein Maxi malwert kann so groß wie der Primärstrom sein, mit dem die Spule geladen wurde (t_Br = 0). Mit zuneh mender Brenndauer nimmt I_F ab, da bereits ein Teil der gespeicherten Energie in der Zündkerze umge setzt wurde.

In der Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Schalt einheit dargestellt, bei dem der Schalter durch den NPN-Transistor T₂ realisiert wurde.

Die Schalteinheit enthält neben dem Schalttransistor T₂ den Ansteuertransistor bzw. Treibertransistor T₃, die Widerstände R₁ bis R₃ und die Dioden D₁ und D₂. Der Wi derstand R₁ dient zur Vorspannung des Transistors T₂, der Widerstand R₂ als Schutzmaßnahme bei Defekten und der Widerstand R₃ zur Ansteuerung des Transistors T₃; die Diode D₁ ist eine Schutzdiode für den Transistor T₂. Die Diode D₂ verhindert einen ungewollten Stromfluß von Klemme 15 durch die Diode D₁ zum Transistor T₁ zu dem Zeitpunkt, zu dem durch das Einschalten des Transi stors T₁ die Primärseite der Zündspule geladen werden soll; weiterhin werden dadurch vom Emitter des Transi stors T₂ positive Spannungsspitzen auf der Versorgungs leitung ferngehalten. Der Transistor ist beispielsweise als Darlington-Transistor ausgebildet, dessen Emitter über die Diode D₂ an die Betriebsspannung U_B ange schlossen ist (Klemme 15) und dessen Kollektoren, die den Ausgang der Schalteinheit bilden, mit der Klemme 1 der Zündspule verbunden sind. Die Basis des Transistors T₂ ist mit dem Kollektor des Transistors T₃ verbunden, dessen Emitter an Bezugspotential angeschlossen ist. An der Basis des Transistors T₃ ist der Widerstand R₃ und an der Betriebsspannung der Widerstand R₂ ange schlossen, wobei die zweiten Anschlüsse der Widerstände R₂ und R₃ den Steuereingang E_st der Schalteinheit bil den, an dem die Steuerspannung U_st bzw. das Steuersi gnal des Steuergeräts anliegt.

Da im Kraftfahrzeug üblicherweise nur eine einzige Be triebsspannung U_B (beispielsweise 12 V) vorhanden ist, und sich eine Ansteuerung des Transistors T₂ dadurch problematisch gestaltet, wird die durch Induktionsvor gänge verursachte Spannungserhöhung ΔU der Klemme 1 ge genüber der Klemme 15 auf der Primärseite der Zündspule während der Brennzeit t_Br (vgl. Fig. 2b/Fig. 3b) zur Ansteuerung des Transistors T₂ ausgenützt. Durch die Spannungserhöhung ΔU und den Widerstand R₁ wird der Ba sisstrom für den Transistor T₂ und durch dessen Strom verstärkungsfaktor der Kollektorstrom bzw. Freilauf strom festgelegt.

Während der gewünschten Brennzeit ist das Steuersignal U_st am Schaltungseingang E_st auf HIGH-Potential - der Transistor T₃ wird durchgesteuert und sperrt dadurch den Transistor T₂; die Schalteinheit ist folglich inak tiv. Wenn die vorgegebene Brennzeit erreicht ist, wird der Steuereingang E_st aktiv gegen Masse geschaltet - die Steuerspannung U_st geht auf LOW-Potential - und der Transistor T₃ sperrt; die an der Klemme 1 während der Brennzeit anstehende Spannungsüberhöhung ΔU gegenüber der Klemme 15 steuert über den Widerstand R₁ den Transistor T₂ durch, so daß die Primärseite der Zünd spule kurzgeschlossen wird, der Brennvorgang abgebro chen, und die in der Zündspule gespeicherte Energie vom Freilaufstrom I_F vernichtet wird. Die gewünschte Brenndauer kann dabei von der Steuerelektronik beliebig vorgegeben werden und kann sich von der Zeit t_Br = 0 (keine Zündung) bis zur maximal möglichen Brennzeit er strecken.

Falls durch einen Defekt (beispielsweise Bruch des E_st- Kabels) keine Steuerspannung U_st am Steuereingang E_st anliegt, bleibt der Transistor T₃ gesperrt und die Schalteinheit würde - unerwünschterweise - bei jeder Zündung unmittelbar nach dem Zündzeitpunkt aktiviert und die Brenndauer sofort abbrechen. Um dies zu vermei den, ist der Pull-up-Widerstand R₂ vorgesehen, der die Betriebsspannung U_B der Basis des Transistors T₃ zu führt, so daß dieser bei fehlender Steuerspannung U_st aktiviert wird; die Schalteinheit wird dadurch deakti viert, und ein unverkürzter Zündvorgang mit der maxima len Brennzeit ermöglicht.

Der Schalter der Schalteinheit läßt sich neben der oben vorgestellten Ausführungsform auch noch auf andere Weise realisieren. Beispielsweise kann der Schalter ein PNP-Transistor, IGBT-Transistor oder Feldeffekt-Transi stor sein, daneben können auch Thyristoren eingesetzt werden. Die Transistoren können beispielsweise als Dar lington-Transistoren oder als Triple-Transistoren, die eine große Stromverstärkung aufweisen, ausgebildet sein.

Außerdem können in der Schalteinheit Schutzmaßnahmen bzw. Schutz-Bauelemente für Kfz-übliche Störspannungen vorgesehen werden.

Claims

1. Elektronisches Zündsystem für Brennkraftmaschinen, bestehend aus:

- einer Zündspule mit Primär- und Sekundärwicklung,
- einer Steuereinheit zum Erzeugen eines ersten Steuersignals zur Vorgabe der Einschaltzeitpunkte für den Primärstrom in der Zündspule und der den Zündzeitpunkten der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine entsprechenden Ausschaltzeitpunkte für den Primärstrom sowie eines zweiten Steuersignals zur Verkürzung der Brenndauer der Zündkerzen,
- einer Endstufe mit einem mit der Primärwicklung der Zündspule in Reihe geschalteten Schalttransistor zum Ein- und Ausschalten des Primärstromes in der Zündspule in Abhängigkeit vom ersten Steuersignal,
- einer Schalteinheit mit einem Schalter, der parallel zur Primärwicklung der Zündspule liegt und der die Brenndauer der Zündkerzen in Abhängigkeit vom zweiten Steuersignal durch Kurzschließen der Primärwicklung verkürzt,
dadurch gekennzeichnet, daß
- die Steuereinheit als Steuergerät ausgebildet ist, die für die Brenndauer (t_Br) der Zündkerzen beliebige Werte bis hin zur maximal möglichen Brenndauer variabel vorgibt,
- das Steuergerät als zweites Steuersignal eine Steuerspannung (U_st) erzeugt,
- die Dauer des zweiten Steuersignals durch die vom Steuergerät vorgegebenen Werte bestimmt wird und die Brenndauer (t_Br) der Zündkerzen entsprechend der Dauer des zweiten Steuersignals variabel eingestellt wird, indem der Schalter (T₂) der Schalteinheit die Primärwicklung der Zündspule zwischen dem Ende und dem erneuten Beginn des zweiten Steuersignals kurzschließt,
- zum Kurzschließen der Primärwicklung der Steuereingang des Schalters (T₂) mit dem Verbindungspunkt von Primärwicklung der Zündspule und Schalttransistor (T₁) der Endstufe in Verbindung steht.

2. Zündsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (T₂) der Schalteinheit ein Transistor oder Thyristor ist.

3. Zündsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (T₂) der Schalteinheit als bipolarer Schalttransistor mit einer oder mehreren Kollektorelektroden ausgebildet ist.

4. Zündsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor (T₂) der Schalteinheit ein NPN-Transistor ist, dessen Kollektor mit der den gemeinsamen Verbindungspunkt von Primärwicklung der Zündspule und Schalttransistor (T₁) der Endstufe bildenden Klemme (1) der Zündspule und dessen Emitter mit der Klemme (15) der Zündspule verbunden ist, daß an der Basis des Schalttransistors (T₂) der Schalteinheit der Kollektor eines Ansteuertransistors (T₃) angeschlossen ist, und daß die Basis des Ansteuertransistors (T₃) über einen Steuereingang (E_st) der Schalteinheit mit dem Steuerausgang des Steuergerätes verbunden ist.

5. Zündsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die Basis des Schalttransistors (T₂) der Schalteinheit ein Widerstand (R₁) angeschlossen ist, dessen anderer Anschluß mit der den gemeinsamen Verbindungspunkt von Primärwicklung der Zündspule und Schalttransistor (T₁) der Endstufe bildenden Klemme (1) der Zündspule verbunden ist.

6. Zündsystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Steuerausgang des Steuergeräts an den Steuereingang (E_st) der Schalteinheit abgegebene Steuerspannung (U_st) der Basis des Ansteuertransistors (T₃) über einen weiteren Widerstand (R₃) zugeführt wird, daß der Steuereingang (E_st) mit einem dritten Widerstand (R₂) mit der Klemme (15) der Zündspule verbunden ist, und daß zwischen dem Emitter des Schalttransistors (T₂) der Schalteinheit und der Klemme (15) der Zündspule eine Diode (D₂) angeordnet ist.