DE4331874A1 - Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Zündspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündanlage für Verbren­ nungsmotoren mit einer ruhenden Zündspannungsvertei­ lung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Schal­ tungsanordnung zur Begrenzung der Spannungen auf den Primärseiten der eingesetzten Zündspulen.

Unterbricht man den Primärstrom IPR einer Zündspule in­ dem ein mit der Primärseite der Zündspule in Reihe ge­ schalteter Leistungstransistor in den nichtleitenden Zustand gebracht wird, so entsteht am Kollektor des Leistungstransistors eine steil ansteigende Induktions­ spannung, die proportional zur zeitlichen Änderung des Primärstroms dIPR/dt und der Primärinduktivität LPR ist. Je nach Dimensionierung kann die Induktionsspan­ nung auf der Primärseite der Zündspule so hoch werden, daß die erlaubte Durchbruchspannung des Leistungstran­ sistors überschritten wird und folglich der Transistor Schaden leiden kann. Der Induktionsspannungsstoß auf der Primärseite der Zündspule wird mit ihrem Übersetzungsverhältnis auf sekundärseitige Werte hoch­ transformiert, die zu einem sicheren Funkenüberschlag in der Zündkerze führen sollen. Die auf der Sekundär­ seite angeschlossenen Bauteile, das sogenannte Zündge­ schirr, sind auf eine maximale Isolationsfestigkeit ausgelegt, die abhängig vom jeweiligen Hersteller ist und beispielsweise bei einer Spannung von ca. 34 kV liegt. Sowohl die Einhaltung dieses Wertes als auch die Einhaltung der maximal zulässigen Kollektorspannung des Leistungstransistors wird am besten dadurch erreicht, daß die Induktionsspannung auf der Primärseite der Zündspule auf einen definierten Begrenzungswert einge­ stellt wird. Im einfachsten Fall wird dies durch eine Z-Diode parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Lei­ stungstransistors erreicht, wobei der Durchbruchwert der Z-Diode auf den maximal erlaubten Spannungswert der Zündspule abgestimmt ist. Im allgemeinen ist die Span­ nungsbegrenzung in den Leistungstransistor integriert.

Aus der EP 386 431 A2 ist eine Schaltungsanordnung zur Messung der Primärspannung bekannt, die es ermöglicht zum einen die Primärspannung analog auszuwerten und die zum anderen die Funkenbrenndauer in Form eines digita­ len Signals abgibt. Beim Einsatz in einer Zündanlage mit ruhender Zündspannungsverteilung können sämtliche Zündspulen bezüglich ihrer Primärspannungen überwacht werden. Dazu weist die bekannte Schaltung eingangssei­ tig mehrere Dioden auf, die ein ODER-Gatter bilden, dem die Primärspannungen zugeführt werden. Mittels eines Spannungsteilers wird die Primärspannung geteilt und anschließend die reduzierte Primärspannung analog und digital ausgewertet. Das eingangsseitige ODER-Gatter bewirkt, daß stets die größte der anliegenden Primärspannungen ausgewertet wird.

Beim Betrieb von Brennkraftmaschinen gibt es bestimmte Arbeitspunkte, bei denen zeitweise niedrigere Begrenzungsspannungen der Zündanlage erwünscht sind, beispielsweise um eine bestromte Zündspule abzuschalten ohne daß ein Zündfunke auf der Sekundärseite entsteht. Dies ist zum Beispiel beim Ein- und Ausschalten der Zündanlage oder nach einem Reset des ansteuernden Mi­ kroprozessors der Fall. Aus der DE OS 40 30 418 ist ein Leistungstransistor bekannt, der eine mitintegrierte Schaltungsanordnung zum Umschalten der Begrenzungsspan­ nung aufweist. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß wei­ tere Leitungen zwischen Leistungsendstufe und Treiber­ stufe der Zündanlage erforderlich sind. Außerdem wird angestrebt beliebige Leistungstransistoren zur Ansteue­ rung der Zündspule einzusetzen und alle Regel-, Steuer- und Begrenzungsfunktionen in die Treiberstufe zu inte­ grieren.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Schaltungsanordnung anzugeben, die eine Verminderung der Begrenzungsspan­ nung bei einer eingangsgenannten Zündanlage im Be­ darfsfall durchführt. Diese Aufgabe wird durch eine Zündanlage mit den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruchs 1 gelöst. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung erfolgt gemäß den Merkmalen der Unteransprü­ che.

Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt eine Zündanlage mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Umschaltung der Begrenzungs­ spannung.

Die Fig. 2a bis 2d zeigen die Steuerspannungen, den Spulenprimärstrom und die Kollektorspannung des Lei­ stungstransistors in zeitlich korrelierter Weise.

Fig. 3 zeigt eine Weiterbildung der Zündanlage mit ei­ ner steuerbaren Begrenzungsspannung.

Die Fig. 1 zeigt eine Zündanlage für einen 4-Zylinder- Verbrennungsmotor mit zwei Doppelfunken-Zündspulen ZS1, ZS2. Eine Ansteuereinheit 1, die bei modernen Zündan­ lagen stets einen Mikroprozessor µP enthält, erzeugt in Abhängigkeit der Motordaten die beiden Steuersignale UH1, UH2 für die beiden Doppelfunken-Zündspulen ZS1, ZS2. Die Signale sind in den Fig. 2a und 2b darge­ stellt. Mit der ansteigenden Flanke wird der Stromkreis der jeweiligen Zündspule geschlossen und mit der ab­ fallenden Flanke wieder geöffnet. Dazwischen steigt der Strom IPR durch die Primärwicklung der Zündspule im we­ sentlichen linear an. Beim Öffnen des Stromkreises sinkt der Strom IPR rapide auf Null ab. Die große zeit­ liche Änderung des Stromes führt zu einem Spannungsan­ stieg auf der Sekundärseite der Zündspule und führt so­ mit zu einem Zündfunken an der entsprechenden Zünd­ kerze. Der Stromverlauf für beide Zündspulen ZS1, ZS2 ist in der Fig. 2c dargestellt. Wegen der besseren Übersichtlichkeit wurden beide Stromverläufe IPR1 und IPR2 in einem gemeinsamen Diagramm dargestellt.

Gleichzeitig entsteht am Kollektor des entsprechenden Leistungstransistors T1, T2 eine steil ansteigende In­ duktionsspannung, die proportional zu der zeitlichen Änderung des Primärspulenstroms dIPR/dt und der Primärinduktivität LPR ist. Die Fig. 2d zeigt den zeitlichen Verlauf der beiden Kollektorspannungen UC1 und UC2 der beiden Leistungstransistoren T1, T2. Auch hier sind wegen der besseren Übersichtlichkeit beide Spannungsverläufe in einem gemeinsamen Diagramm aufge­ tragen.

Die Kollektorspannungen der Leistungstransistoren T1, T2 werden über je einen Spannungsteiler R1, R2; R3, R4 der Zündtreiberstufe 3 zugeführt. Über je eine Diode D1, D2, die ein eingangsseitiges ODER-Gatter bilden, werden die Spannungen einem weiteren Spannungsteiler R5, R6 zugeführt. Die reduzierte Kollektorspannung wird von einem Komparator K1 mit einer ersten Referenzspan­ nungsquelle UREF verglichen. Übersteigt die reduzierte Spannung den vorgegebenen Wert der Referenzspannungs­ quelle UREF so wird der entsprechende Leistungstran­ sistor vom Ausgang des Komparators K1 aufgesteuert. Da­ durch nimmt der Strom zu und die Kollektorspannung sinkt ab. Auf diese Weise wird ein Regelkreis gebildet, durch den die maximalen Kollektorspannungen der Lei­ stungstransistoren T1, T2 begrenzt werden. Unter Vernach­ lässigung des Spannungsabfalls entlang der Dioden D1 bzw. D2 ergibt sich die maximale Kollektorspannung UK der beiden Leistungstransistoren T1, T2 näherungsweise zu:

UK = UREF·(1 + R5/R6)·(1 + RX/RY),

wobei RX/RY = R1/R2 oder R3/R4.

Üblicherweise sind die Spannungsteiler R1, R2 und R3, R4 gleich dimensioniert, so daß für beide Leistungs­ transistoren die gleiche Begrenzungsspannung einge­ stellt ist.

Für einige Betriebsfälle ist eine Beeinflussung der Klemmspannung durch die Ansteuereinheit erforderlich. Für eine zündfunkenfreie Ruhestromabschaltung, wie sie z. B. beim Ein- und Ausschalten oder beim Reset des an­ steuernden Mikroprozessors µP notwendig wird, muß der Strom durch eine Zündspule derart abgeschaltet werden, daß auf der Sekundärseite keine für einen Zündfunken ausreichende Spannung entsteht. Dies erfolgt dadurch, daß die Kollektorspannung des Leistungstransistors auf einen zweiten Wert begrenzt wird, der weit unter dem normalen Wert der Begrenzungsspannung liegt. Der Wert der Begrenzungsspannung für die funkenfreie Ruhe­ stromabschaltung liegt typischerweise bei 50 V.

Zum Umschalten zwischen den beiden Begrenzungsspan­ nungen ist am Fußpunkt des zweiten Spannungsteilers R5, R6 ein im Normalbetrieb leitender Schalttransistor T3 vorgesehen, der in seinem nichtleitenden Zustand den Stromfluß über den Widerstand R6 zum Massepotential verhindert. In diesem Fall ergibt sich dann die maxi­ male Kollektorspannung der beiden Leistungstransistoren zu:

UK = UREF·(1 + RX/RY).

Der zweite Wert der Begrenzungsspannung liegt üblicher­ weise bei ca. 50 V.

Zur Erzeugung der Umschaltinformation wird keine zu­ sätzliche Leitung zwischen Ansteuereinheit 1 und Zünd­ endstufe 2 benötigt. Zur Auslösung der Umschaltung wird der Umstand ausgenutzt, daß bei der normalen, seriellen Ansteuerung der beiden Leistungstransistoren T1, T2 nie beide Ansteuersignale UH1, UH2 gleichzeitig den High- Pegel aufweisen. Die Umschaltung auf die niedrigere Be­ grenzungsspannung erfolgt durch das gleichzeitige Aus­ geben von High-Pegeln in den beiden Steuersignalen UH1, UH2. Die beiden Steuersignale werden im Ausführungsbei­ spiel dem Eingang eines NAND-Gatters zugeführt. Der Ausgang des NAND-Gatters ist mit dem Schalttransistor T3 verbunden. Weisen nun beide Eingangssignale des NAND-Gatters den High-Pegel auf, so liegt der Ausgang des Gatters auf LOW und der Schalttransistor T3 sperrt. Diese Umschaltung der Spannungsbegrenzung tritt immer dann in Kraft, wenn beide Eingangssignale gleichzeitig auf dem High-Pegel liegen, also auch bei fehlerhafter Ansteuerung oder wenn die Ansteuerleitungen entspre­ chend mit Störungen überlagert sind. Die daraus norma­ lerweise resultierenden Fehlzündungen werden durch das Absenken der Begrenzungsspannung verhindert.

Am Verbindungspunkt der Eingangsdioden D1, D2 mit dem weiteren Spannungsteiler R5, R6 greift ein weiterer Schaltungsteil 6 zur Begrenzung der Primärspannung der Zündspule an. In diesem Schaltungsteil 6 wird die Batteriespannung des Fahrzeugs überwacht und beim Ab­ sinken der Batteriespannung unter einen vorgegebenen Wert wird der Primärstrom ebenfalls funkenfrei abge­ schaltet.

In der Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform der Er­ findung dargestellt. In dieser Ausführungsform ist eine zusätzliche Steuerleitung zwischen der Ansteuereinheit und der Zündendstufe vorgesehen. Auf dieser Leitung wird ein Steuersignal UH3 übertragen, das zur Einstel­ lung der Begrenzungsspannung dient. Im einfachsten Fall wird direkt eine analoge Referenzspannung für den Kom­ parator K1 übertragen, die dann gemäß den weiter oben beschriebenen Abhängigkeiten zu der gewünschten Span­ nungsbegrenzung führt. Wegen der im allgemeinen gerin­ gen Spannungswerte der Referenzspannung kann es bei diesem Verfahren leicht zu Übertragungsfehlern kommen. Deshalb bietet sich hier eine digitale Übertragung mit einem pulsweiten-modulierten Signal an, bei dem die Information der jeweiligen Referenzspannung im Puls/Pausenverhältnis codiert liegt. Dann sorgt eine einfache, hier nicht näher ausgeführte, Integrator­ schaltung 7 in der Zündendstufe 2 für die Rückgewinnung der analogen Referenzspannung UREF. In diesem Ausfüh­ rungsbeispiel kann auf die Umschaltung der Referenz­ spannung mittels des NAND-Gatters und des Schalttran­ sistors T3 bei Bedarf verzichtet werden, da die Begren­ zungsspannung über einen weiten Bereich über die Refe­ renzspannung UREF eingestellt werden kann. Auf diese Weise läßt sich die maximale Kollektorspannung und so­ mit auch die maximale Zündspannung über einen weiten Bereich vorgeben, so daß eine Zündspannungsbedarfs­ steuerung realisiert wird.

Claims (5)

1. Zündanlage für Brennkraftmaschinen mit einer ruhen­ den Zündspannungsverteilung mit mindestens zwei seriell angesteuerten Zündspulen (ZS1, ZS2) wobei jede Zünd­ spule in ihrem Primärstromkreis einen Leistungstran­ sistor (T1, T2) aufweist, durch den der Primärstrom (IPR) der entsprechenden Zündspule gemäß eines von ei­ ner Ansteuereinheit (1) für jede Zündspule erzeugten Steuersignals (UH1, UH2) gesteuert wird, wobei die Primärspannungen (UC1, UC2) aller Zündspulen über ein ODER-Gatter einer Vergleichsschaltung zugeführt und mit einer Referenzspannung verglichen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündanlage einen Zündtreiber (3) aufweist, dessen Eingangsstufe (5) die Steuer­ signale (UH1, UH2) für jede Zündspule zugeführt werden und dessen Ausgänge je einen Leistungstransistor an­ steuern,
daß der Eingangsstufe (5) weiterhin das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung zugeführt wird, so daß der ent­ sprechende Leistungstransistor aufgesteuert wird, wenn der Vergleich positiv ausfällt,
daß die Vergleichsschaltung von der Ansteuereinheit an­ gesteuert wird, um die Umschaltschwelle zu verändern.

2. Zündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung einen Spannungsteiler (R5, R6) aufweist, der eine reduzierte Primärspannung der Zündspule für den Vergleich erzeugt, und daß der Fuß­ punkt des Spannungsteilers über einen Schalttransistor (T3), durch den die Änderung der Umschaltschwelle er­ folgt, mit dem Massepotential verbunden ist.

3. Zündanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor (T3) vom Ausgang eines NAND- Gatters (4) angesteuert wird, dessen Eingänge die von der Ansteuereinheit (1) für jede Zündspule erzeugten Steuersignale (UH1, UH2) zugeführt werden.

4. Zündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Verbindungsleitung zwischen der Ansteuereinheit (1) und der Zündendstufe (2) vorgesehen ist, auf der ein weiteres Steuersignal (UH3) übertragen wird, das zum Einstellen der Referenz­ spannung (UREF) dient.

5. Zündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung im Puls/Pausenverhältnis des weiteren Steuersignals UH3 codiert liegt und daß eine Integratorschaltung (7) vor­ gesehen ist, die aus dem Steuersignal eine analoge Referenzspannung zurückgewinnt.