DE4324863C2 - Schaltungsanordnung zur Flammerkennung - Google Patents
Schaltungsanordnung zur FlammerkennungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Flamm
erkennung für eine Transistorspulenzündung eines Brenners, die
eine Ansteuerstufe aufweist, die einen im Stromkreis der Primär
wicklung einer Zündspule liegenden Leistungstransistor bei Er
reichen einer bestimmten Stromstärke im Stromkreis der Primär
wicklung sperrt, wobei die Sekundärwicklung über einer Funken
strecke liegt und die bestimmte Stromstärke so gewählt ist, daß
die beim Sperren des Leistungstransistors in der Sekundärwick
lung induzierte Spannung einen Zündfunken über der Funkenstrecke
auslöst.
Eine derartige Transistorspulenzündung, deren Aufbau und
Arbeitsweise an sich bekannt sind, wird als Zündvorrichtung bei
mit Gas, Dieselbrennstoff, Benzin oder anderen Brennstoffen be
triebenen Brennern vorgesehen. Es ist dabei erwünscht, die Bren
nerflamme zu überwachen, d. h. ein Flammerkennung und Zünddiagno
se vorzusehen.
Aus der DE 37 06 555 A1 ist es bekannt, zur Flammüberwachung
einer Zündeinrichtung in Form einer Glühkerze mit einem Glühker
zenkörper eine Ionisationselektrode vorzusehen, die in die Glüh
kerze integriert ist. Bei dieser bekannten Flammenüberwachung
ist ein zusätzlicher Schaltungsaufwand zur Ansteuerung notwen
dig, wobei weiterhin die Zünddiagnose schwierig ist und sich die
Signalauswertung als störanfällig erweist. Von der fertigungs
technischen Sicht ergibt sich darüber hinaus ein zusätzlicher
konstruktiver Aufwand.
Aus der DE 41 07 335 A1 sind darüber hinaus ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Zündüberwachung einer Zündanlage bekannt,
mit denen die Zündanlage auf Nebenschluß und Unterbrechungen auf
der sekundären Hochspannungsseite überprüft werden kann. Dazu
wird in der Zündphase eine Zünddiagnose durchgeführt.
Die DE 27 31 082 A1 beschreibt weiterhin eine Schaltungsanord
nung zum Feststellen des Vorhandenseins einer Flamme über der Flamm
erkennungsphase an der Sekundärwicklung der Zündspule eine Span
nung erzeugt wird, die immer zum Auslösen eines Funkens über der
Funkenstrecke ausreicht, wobei lediglich die dann beim Auftreten
eines Zündfunkens an den Elektroden, d. h. über der Sekundärwick
lung auftretende Spannung zur Feststellung herangezogen wird, ob
eine Flamme vorhanden ist oder nicht. Dazu wird die Stärke des
die Sekundärwicklung eines Zündtransformators durchfließenden
Stroms erfaßt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht dem
gegenüber darin, die Schaltungsanordnung der eingangs genannten
Art so auszubilden, daß eine sichere Erkennung der Flamme bei
geringem schaltungstechnischen Aufwand möglich ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Ausbildung
gelöst, die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben
ist.
Aufgrund dieser Ausbildung erlaubt es die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung, die gesamte Transistorspulenzündung, bei
der sie vorgesehen ist, einfach und kompakt in Form eines kom
pletten Gerätes auszubilden.
Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind Gegenstand der
Ansprüche 2 bis 6.
Insbesondere die im Anspruch 6 angegebene Weiterbildung
erlaubt eine zusätzliche Diagnose zur Erkennung von Nebenschluß
und Unterbrechung sowie Kurzschluß der Zündanlage in der Zünd
phase und zwar zusätzlich zu der Flammerkennung in der Flamm
erkennungsphase.
Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung
besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher
beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
Fig. 2 bis 4 in Zeitdiagrammen die Signalverläufe von an
bestimmten Punkten der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsan
ordnung auftretenden Signalen und
Fig. 5 ein schematisches Schaltbild eines weiteren
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
In Fig. 1 ist in einem Blockschaltbild eine herkömmliche
Transistorspulenzündung dargestellt, die mit einem
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur
Flammerkennung versehen ist.
Die Transistorspulenzündung besteht aus einer Zündspule ZS,
einem Leistungstransistor Tr2 mit einer Z-Diode ZD1 zur
Spannungsbegrenzung sowie einem Stromsensor R2 zur Stromer
fassung. Die Ansteuerstufe der Transistorspulenzündung ist bei
dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem
Komparator K1 gebildet, an dessen einem Eingang einer von zwei
Stromsollwerten Isoll1 und Isoll2 liegt die für die Ansteuerung
während einer beliebig langen Zündphase und während einer
beliebig langen Flammerkennungsphase dienen. Die jeweiligen
Zeiträume für diese beiden Phasen sind durch ein Zeitglied ZG1
bestimmt, das einen Schalter S1 mit zwei Kontakten für die beiden
Stromsollwerte schaltet, so daß je nach Schalterstellung ein
entsprechender Stromsollwert am Eingang des Komparators K1 liegt.
Aufgrund dieser Ausbildung ist ein gleichzeitiges Zünden und
Flammerkennen nicht möglich.
Am zweiten Eingang des Komparators K1 liegt der Stromistwert
des über die Primärwicklung der Zündspule ZS bei
durchgeschaltetem Leistungstransistor Tr2 fließenden Stromes, der
vom Stromsensor R2 erfaßt wird, der die Form eines Widerstandes
hat.
Der Komparator K1 steuert ein Flip-Flop FF1 mit einem
Takteingang CP an, dessen nichtinvertierender Ausgang Q an einer
Treiberstufe, im vorliegenden Fall aus in Gegentakt geschalteten
Transistoren Tr1a und Tr1b liegt. Der Leistungstransistor Tr2
wird über die Treiberstufe angesteuert, um die Primärwicklung der
Zündspule ZS zu laden.
Arbeitsweise und Aufbau einer derartigen Transistor
spulenzündung im einzelnen sind an sich bekannt und werden
deshalb nicht näher erläutert.
Während in der Zündphase am Komparator K1 der Stromsollwert
Isoll1 liegt, so daß der Stromfluß über die Primärwicklung der
Zündspule ZS ausreicht, um beim Sperren des Leistungstransistors
Tr2 einen Zündfunken an der Funkenstrecke FS, d. h. an den
Elektroden oder der Zündkerze zu erzeugen, liegt in der
Flammerkennungsphase der Stromsollwert Isoll2 am Komparator K1,
der unter dem Stromsollwert Isoll1 liegt und für einen Stromfluß
über die Primärwicklung der Zündspule ZS sorgt, der soweit
reduziert ist, daß an den Elektroden kein Funkenüberschlag in
nichtleitenden Medien z. B. Luft oder einem Gasgemisch erfolgen
kann.
Falls allerdings an der Funkenstrecke FS eine Flamme
vorhanden ist, so ist die Funkenstrecke FS ionisiert und somit
in leitfähigem Zustand, so daß dennoch ein Funkenüberschlag
auftritt, da keine Ionisierungsarbeit durch die Spannung an der
Funkenstrecke FS verrichtet werden muß.
Die Amplitude der an der Sekundärseite der Zündspule ZS,
d. h. an der Funkenstrecke FS auftretenden Impulse sollte in
Abhängigkeit von der Länge der Funkenstrecke FS d. h. des
Elektrodenabstandes und/oder der Strömungsgeschwindigkeit des
Gasgemisches und/oder der Flammengeschwindigkeit eingestellt
werden. Bei höheren Geschwindigkeiten ergibt sich nämlich eine
Aufweitung des Ionisationskanals, was einer Erhöhung des
Elektrodenabstandes gegenüber den Verhältnissen bei ruhendem
Gasgemisch entspricht. Diese Einstellung kann über eine entspre
chende Wahl der Höhe des Wertes IS0112 am Komparator K1 erfol
gen, was beispielsweise mittels eines eine variable Spannung
liefernden Generators, beispielsweise eines Rampengenerators
statt des Schalters S1 möglich ist.
Ein Funkenüberschlag wird über eine Auswerteschaltung über
wacht, die gemäß Fig. 1 aus einem Gleichrichter Glr1, einem
Speicherglied in Form eines RC Gliedes R3, C2 sowie einem Kom
parator K2 besteht und die das Signal von der Primärwicklung der
Zündspule ZS nach Sperren des Leistungstransistors Tr2 auf das
Vorliegen einer Flamme in der Flammerkennungsphase auswertet.
Das dabei anstehende Signal an der Kathode der Diode D1
wird über das RC Glied R3, C2 integriert und über den Komparator
K2 mittels eines Vergleiches mit einem am anderen Eingang des
Komparators K2 liegenden Sollwert ausgewertet.
Um eine fehlerfreie Erkennung der Flamme sowie eine zuver
lässige Aussage über die Funktion der Zündung zu erhalten, kann
zusätzlich eine Zünddiagnoseeinrichtung ZüD1 vorgesehen sein,
die in der Zündphase die Zündanlage auf Nebenschluß und Unter
brechung auf der sekundären Hochspannungsseite überprüft. Eine
derartige Zünddiagnoseeinrichtung ist an sich bekannt.
Tritt in der Zünd- oder in der Flammerkennungsphase ein
Fehler auf, so wird das an einer Anzeigeeinrichtung A1 angezeigt
und zur Kenntnis gebracht, an der die Ausgangssignale des Kom
parators K2 für die Flammerkennung sowie der Zünddiagnoseein
richtung ZüD1 liegen.
Im folgenden wird anhand der Fig. 2 bis 4 die Arbeits
weise des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels der erfin
dungsgemäßen Schaltungsanordnung im einzelnen erläutert.
Bei Anschalten der Batteriespannung +Ub liegt am Komparator
K1 der Referenzwert Isoll1. Das bedeutet, daß sich die Zündung
in der Zündphase befindet, deren Dauer durch das Zeitglied ZG1
bestimmt ist. In dieser Zündphase erfolgt neben der Zündung eine
gleichzeitige Zünddiagnose über die Zünddiagnoseeinrichtung ZüD1
so daß die Funkenstrecke FS auf Unterbrechungen und Nebenschluß
der Elektroden untersucht wird.
Nach Ablauf der Zündphase schaltet das Zeitglied ZG1 über
den Schalter S1 den Referenzwert Isoll2 an den Komparator K1.
Dadurch wird der vom Stromsensor R2 erfaßte Primärladestrom der
Zündspule ZS soweit reduziert, daß an der Funkenstrecke FS ohne
Flamme kein Überschlag erfolgen kann. An den Punkten A und B im
Schaltbild von Fig. 1 liegen dann Signale mit dem in Fig. 2
dargestellten Verlauf.
Beim Abschalten des Stromes durch ein Sperren des
Leistungstransistors Tr2 treten am Punkt A Halbschwingungen auf,
wie sie in Fig. 3 dargestellt sind. Ursächlich werden diese
Halbschwingungen durch die negativen nach Masse geleiteten
Schwingungsanteile über der Kollektoremitterstreckendiode des
Transistors Tr2 erzeugt. Das heißt mit anderen Worten, daß an der
Kathode der Diode D1 positive Impulse anstehen, wie sie in Fig.
3 dargestellt sind.
Wird nun der Sekundärkreis der Zündspule ZS über die
Funkenstrecke FS durch einen erfolgten Überschlag belastet, der
in der Flammerkennungsphase nur dann auftritt, wenn eine Flamme
vorhanden ist, d. h. wenn die Funkenstrecke durch eine Flamme
ionisiert ist, dann wird von der im Magnetkreis der Zündspule ZS
gespeicherten Energie ein Teil verbraucht. Das hat zur Folge, daß
die Abschaltspannungswerte am Transistor Tr2 wesentlich geringer
als ohne eine Flamme sind und die Kollektoremitterstreckendiode
des Transistors Tr2 nicht mehr in den leitendend Zustand versetzt
wird.
Physikalisch läßt sich die beim Vorhandensein einer Flamme
auftretende Belastung der Zündspule ZS durch einen
Funkenüberschlag an der Funkenstrecke FS infolge der nicht zu
verrichtenden Ionisierungsarbeit erklären, so daß der
Energiebedarf für den Funkenüberschlag wesentlich geringer als
bei nichtionisierten und nichtleitenden Medien wie z. B. Luft oder
anderen Gasgemischen ist.
Aufgrund dieser Belastung der Zündspule ZS beim Vorliegen
einer Flamme und den dadurch bedingten geringeren
Abschaltspannungswerten am Transistor Tr2 stehen keine Impulse
am Punkt A sowie an der Diode D1 an, wie es in Fig. 4
dargestellt ist.
Das am Punkt A anliegende Signal mit oder ohne Impulsspitzen
(Fig. 3, Fig. 4) wird über den Gleichrichter Glr1 gleichgerichtet
und über das Integrierglied R3, C2 geglättet. Die geglättete
Spannung liegt am Komparator K2, der diese mit einer
Bezugsspannung USOLL vergleicht. Je nach Signalzustand am Punkt
A ergibt sich ein Ausgangssignal Uout vom Komparator K2, das zu
einer entsprechenden Anzeige an der Anzeigeeinrichtung A1 führt.
Das dabei gebildete Fehlersignal kann zur weiteren Verarbeitung
verwendet werden.
Fig. 5 zeigt das schematische Schaltbild eines weiteren
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
das sich von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel zum
einen durch die Ausbildung der Schaltungseinrichtung unter
scheidet, die in der Flammerkennungsphase den über die
Primärwicklung der Zündspule ZS fließenden Ladestrom auf eine
Stromstärke begrenzt, die unter der für die Erzeugung eines
Zündfunkens in der Zündphase notwendigen Ladestromstärke liegt.
Während bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel diese
Schaltungseinrichtung aus einem Zeitglied ZG und einem durch das
Zeitglied ZG betätigten Schalter S1 bestand, wird bei dem in Fig.
5 dargestellten Ausführungsbeispiel diese Schaltungseinrichtung
von einem Rampengenerator RG1 gebildet, dessen Ausgangsspannung
in Form eines Wertes Irp am Komparator K1 liegt.
Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung unterscheidet sich
weiterhin von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
dadurch, daß der Wert Iist d. h. der Stromistwert des über die
Primärwicklung der Zündspule ZS bei durchgeschaltetem Leistungs
transistor Tr2 fließenden Stromes nicht nur am Eingang des
Komparators K1 sondern auch an einer als Signalauswerteein
richtung ausgebildeten Anzeigeeinrichtung A1 liegt.
Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel ist ins
besondere dazu geeignet, über die Amplitude der Flammerkennungs
impulse eine Aussage über die Strömungsgeschwindigkeit der Flamme
oder des Gasgemisches im Brennraum zu treffen. Dazu werden an die
Funkenstrecke FS Impulse mit steigender Spannungsamplitude ge
schaltet. Das wird über den Rampengenerator RG1 erreicht, dessen
Ausgangsspannung mit der Zeit linear ansteigt. Durch die dem
entsprechende kontinuierliche Erhöhung des Primärladestroms Iist,
der über den Widerstand R2 fließt, der als Stromsensor arbeitet,
werden auf der Sekundärseite der Zündspule ZS dann Impulse mit
steigender Amplitude erzeugt. Da der Ionisationskanal, d. h. die
tatsächliche Funkenstrecke FS bei höheren Geschwindigkeiten des
Gasgemisches oder bei höheren Flammengeschwindigkeiten zunimmt,
liefert die Höhe der Amplitude der Impulse an der Funkenstrecke
FS, die notwendig ist, um einen Überschlag zu bewirken, eine
Information über die Flammen- oder Gasgemischgeschwindigkeit.
Zu dem Zeitpunkt, an dem bei steigender Spannungsamplitude
der Impulse an der Funkenstrecke FS ein Überschlag zum ersten Mal
erfolgt, liefert die Auswerteschaltung aus dem Gleichrichter
Glr1, dem Integrationsglied R3, C2 über den Komparator K2 das
Signal Uout, das an der Anzeigeeinrichtung A1 liegt. Der Wert des
Primärladestromes Iist, der zu diesem Zeitpunkt d. h. zu dem
Zeitpunkt, an dem das Signal Uout am Komparator K2 auftritt,
liegt gleichfalls an der Anzeigeeinrichtung A1. Die Anzeigeein
richtung A1 ist als Signalverarbeitungseinrichtung so
ausgebildet, daß die Eingangswerte gespeichert und als Maß für
die Geschwindigkeit der Flamme oder des Gasgemisches ausgewertet
und verwendet werden können.
Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bietet gegenüber dem in
Fig. 1 dargestellen Ausführungsbeispiel somit die weitere
Möglichkeit, nicht nur eine Flammerkennung durchzuführen sondern
auch eine Information über die Geschwindigkeit der Flamme oder
des zu zündenden Gasgemisches zu erhalten.
Als Betriebsarten einer derartigen Zündung mit Zünddiagnose
und Flammerkennung kommen der intermittierende Betrieb von
Zündphase und Flammerkennung, ein aufeinanderfolgender Betrieb
sowie auch ein extern gesteuerter Betrieb in Frage.
Tritt weiterhin in der Flammerkennungsphase eine
hochspannungsseitige Unterbrechung auf, so wird auch das erkannt
und zur Anzeige gebracht. D.h., daß die Funkenstrecke FS in der
Flammerkennungsphase auch auf Unterbrechung der
hochspannungsseitigen Anschlüsse untersucht wird, was ebenso wie
bei der Flammerkennung über die entweder belastete oder
unbelastete Zündspule ZS möglich ist.
Aufgrund des geringen Schaltungsaufwandes läßt sich die oben
beschriebene Schaltungsanordnung kostengünstig herstellen, sie
bietet dennoch die Möglichkeit einer sicheren Flammerkennung
sowie einer zusätzlichen Zünddiagnose um Fehlerkennungen
auszuschließen.
Claims (6)
1. Schaltungsanordnung zur Flammerkennung für eine Transi
storspulenzündung eines Brenners, die eine Ansteuerstufe
aufweist, die einen im Stromkreis der Primärwicklung einer
Zündspule liegenden Leistungstransistor bei Erreichen einer
bestimmten Stromstärke im Stromkreis der Primärwicklung sperrt,
wobei die Sekundärwicklung über einer Funkenstrecke liegt und die
bestimmte Stromstärke so gewählt ist, daß die beim Sperren des
Leistungstransistors in der Sekundärwicklung induzierte Spannung
einen Zündfunken über der Funkenstrecke auslöst, gekennzeichnet
durch
- - eine Schalteinrichtung (S1, ZG1; RG1) in der Ansteuerstufe (K1, FF1, Tr1a, Tr1b), die in der Flammerkennungsphase die Stromstärke im Stromkreis der Primärwicklung der Zündspule (ZS), bei der der Leistungstransistor (Tr2) gesperrt wird, auf einen Wert herabsetzt, bei dem die dann in der Sekundärwicklung der Zündspule (ZS) induzierte Spannung nur dann zu einem Funken überschlag an der Funkenstrecke (FS) führt, wenn eine Flamme vorhanden ist, und
- - eine Auswerteschaltung (Glr1, R3, C2, K2), an der das nach dem Sperren des Leistungstransistors (Tr2) über der Primärwick lung der Zündspule (ZS) auftretende Signal liegt und die dieses Signal auf das Vorhandensein oder Fehlen einer Flamme im Brenner auswertet und in ein entsprechendes Ausgangssignal umwandelt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtung (ZG1, S1) aus einem
Zeitglied (ZG1) und einem durch das Zeitglied (ZG1) betätigten
Schalter (S1) besteht, der je nach Schalterstellung den
Stromstärkewert für die Flammerkennung oder für die Zündung an
einen Eingang eines Komparators (K1) in der Ansteuerstufe der
Transistorspulenzündung legt, an dessen anderem Eingang der
Stromstärkewert eines Stromsensors (R2) im Stromkreis der
Primärwicklung der Zündspule (ZS) liegt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtung (RG1), aus einem
Rampengenerator besteht, der eine linear ansteigende
Ausgangsspannung liefert, die am Eingang eines Komparators (K1)
in der Ansteuerstufe der Transistorspulenzündung liegt, an dessen
anderem Eingang der Stromstärkewert eines Stromsensors (R2) im
Stromkreis der Primärwicklung der Zündspule (ZS) liegt, wobei
dieser Stromstärkewert des Stromsensors (R2) zusammen mit dem
Anzeigesignal der Auswerteschaltung (Glr1, R3, C2, K2) an einer
Signalverarbeitungseinrichtung ausgebildete Anzeigeeinrichtung
(A1) liegt, die eine dem Anzeige
signal entsprechende Anzeige liefert und die Eingangssignale in
ein Maß für die Geschwindigkeit der Flamme oder der
Geschwindigkeit des Brenngasgemisches verarbeitet.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (Glr1, R3, C2, K2)
einen weiteren Komparator (K2) aufweist, der das über einen
Gleichrichter (Glr1) und ein Integrationsglied (R3, C2) inte
grierte Signal von der Primärwicklung der Zündspule (ZS) mit
einem Bezugswert vergleicht und ein dem Vergleich entsprechendes
Signal ausgibt.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des weiteren Komparators
(K2) an einer Anzeigeeinrichtung (A1) liegt.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch
eine Zünddiagnoseeinrichtung (ZüD1), deren Ausgangssignal an der
Anzeigeeinrichtung (A1) liegt.
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