DE4333974A1

DE4333974A1 - Zündanlage für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE4333974A1
Application number: DE4333974A
Authority: DE
Inventors: Seiji Morino
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1992-10-06
Filing date: 1993-10-05
Publication date: 1994-04-07
Also published as: US5404860A; JPH06117347A

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündanlage für eine Brennkraft maschine und bezieht sich insbesondere auf eine Zündanlage für eine Brennkraftmaschine, bei der in zwei Zylindern gleichzeitig gezündet wird, und bei der eine Vielzahl von Zündspulen mit jeweils in entsprechenden Zylindern angeord neten Zündkerzen verbunden sind, wobei die Primärwicklungen zweier mit den Zündkerzen der in Verdichtungstakt und Aus schubtakt paarweise arbeitenden Zylinder verbundenen Zünd spulen zum gleichzeitigen Erregen der Primärwicklungen in Serie geschaltet sind.

Bereits bekannt sind herkömmliche Zündanlagen, bei welchen durch direktes Verbinden jeder Zündkerze der Brennkraftma schine mit der Zündspule Hochspannungskabel entfallen sowie durch eine Reihenschaltung derjenigen Primärwicklungen, die an Zündkerzen zweier Zylinder mit korrelierter zeitlicher Steuerung derart angeschlossen sind, daß einer der Zylinder sich im Verdichtungshub befindet, während der andere Zylin der den Ausschubtakt ausführt, die Anzahl der die Erregung steuernden Schaltelemente oder Leistungstransistoren auf die halbe Zylinderzahl verringert ist (vgl. Journal of Nip pondenso Technical Disclosure 34-61, 82-103).

Bei den vorstehend genannten Zündanlagen handelt es sich um Zündanlagen mit induktiver Entladung, bei welchen aufgrund direkten Anlegens einer Quellen- oder Batteriespannung Strom durch die Primärwicklungen zweier Zündspulen fließt und an den Zündkerzen Zündfunken durch eine bei Abschalten des Stroms an Sekundärwicklungen auftretende Hochspannung erzeugt werden. Da zwei Primärwicklungen in Reihe geschal tet sind, wird die Erregungsdauer der Primärwicklungen, die für das Erreichen eines gegebenen Erregungsstroms zum Er zeugen der zur Zündung ausreichend hohen Hochspannung an den Sekundärwicklungen erforderlich ist, im wesentlichen doppelt so groß im Vergleich zu dem Fall, bei dem die Pri märwicklung einer einzelnen Zündspule erregt werden muß.

Demzufolge tritt bei den oben genannten Zündanlagen das Problem auf, daß die an der Sekundärwicklung erzeugbare Hochspannung in höheren Drehzahlbereichen der Brennkraftma schine, in denen die für die Erregung der Primärwicklung zur Verfügung stehende Zeitdauer kurz wird, beträchtlich verkleinert wird.

Ferner kann sich bei der gleichzeitigen Erregung der Pri märwicklung zweier Zündspulen als problematisch erweisen, daß, da in der Zündspule Zündenergie zur nachfolgenden Ent ladung gespeichert wird, die zur Erregung zweier Primär wicklungen benötigte Energiemenge doppelt so groß wird wie beim vergleichsweisen Fall des Erregens lediglich einer einzelne Wicklung der Zündspule.

Darüber hinaus ist beispielsweise in der Japanischen Ge brauchsmusterschrift JP-Y-50-28281 eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Erregen der Primärwicklungen zweier in Reihe geschalteter Zündspulen zum Zünden zweier Zündkerzen offen gelegt. Somit ist ebenfalls eine Zündanlage mit kapazitiver Entladung bekannt, bei der zunächst ein Kondensator auf ei ne Hochspannung aufgeladen und nachfolgend die Primärwick lung zu einem gegebenen Zündzeitpunkt mit der im Kondensa tor gespeicherten Hochspannung beaufschlagt wird.

Eine Zündanlage dieses Typs wird zum Erzeugen einer Zünd hochspannung für zwei in einem einzelnen Zylinder befindli che Zündkerzen verwendet. Eine solche, mit kapazitiver Ent ladung arbeitende Vorrichtung erzeugt die Hochspannung an den Sekundärspulen der Zündspule unmittelbar durch Erregen der Primärwicklungen der Zündspule mit der im Kondensator gespeicherten Hochspannung. Wie obenstehend ausgeführt, kann durch die Anwendung dieser Vorrichtung in einer Zünd anlage, bei der in zwei Zylindern gleichzeitig gezündet wird und bei der zwei Zündspulen mit zwei Zündkerzen zweier paarweise den Verdichtungs- und Ausschubtakt ausführenden Zylinder verbunden sind, das oben genannte Problem der Re duzierung der in der Sekundärwicklung erzeugten Spannung im Bereich hoher Drehzahlen der Brennkraftmaschine aufgrund der Verkürzung der für die Primärwicklungen zur Verfügung stehenden Erregungszeit vermieden und somit die Hochspan nung an der Sekundärwicklung schnell erzeugt werden.

Auch in einer Zündanlage mit kapazitiver Entladung ist je doch eine wesentlich höhere Energie zum gleichzeitigen Er regen der Primärwicklungen zweier in Reihe geschalteter Zündkerzen erforderlich als (wie durch Norino et al. in der US-Patentschrift Nr. 5,056,495 offengelegt) zum Erregen der Primärwicklung einer einzelnen Zündspule. Vereinzelt kann, im Vergleich zur Primärwicklung der einzelnen Zündspule bei der Zündanlage mit induktiver Entladung, die zweifache Energie erforderlich sein.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, durch Erre gen innerhalb kurzer Zeit an sekundärseitigen Wicklungen von Zündspulen eine Hochspannung zu erzeugen sowie die auf zuwendende Erregungsenergie zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Zünd anlage für eine Brennkraftmaschine mit einer geraden Anzahl von Zündkerzen, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Zündspulen, die jeweils eine Primärwicklung sowie eine mit einer Zündkerze verbundene Sekundärwicklung aufweisen, zu mindest eine Schaltelemente beinhaltende Direktstromschal tung zum Steuern eines in der Schaltung fließenden Stroms und zum seriellen Verbinden der Schaltelemente mit Primär wicklungen eines Paares der Vielzahl der entsprechende Se kundärwicklungen aufweisenden Zündspulen, wobei die Sekun därwicklungen mit Zündkerzen zweier paarweise jeweils in einem Verdichtungstakt und einem Ausschubtakt arbeitenden Zylinder der Brennkraftmaschine verbunden sind, eine Ener gie-Akkumulationseinrichtung, die zum Akkumulieren einer Erregungsenergie für die Zündspulen mit einem Ausgang der Direktstromschaltung verbunden ist, einer Ladeeinrichtung zum Einspeichern der Erregungsenergie in die Energie-Akku mulationseinrichtung, und eine Zündeinrichtung zum Beauf schlagen der Primärwicklungen zweier seriell mit der Ener gie-Akkumulationseinrichtung verbundener Zündspulen mit Strom, indem zum gleichzeitigen Erzeugen einer Hochspannung an den Sekundärwicklungen der Zündspule die Schaltelemente zu einem gegebenen Zündzeitpunkt in leitenden Zustand ver setzt werden, wobei die Zündspulen einen Kopplungskoeffizi enten zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung von 0,9 oder größer aufweisen.

Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Zündanlage dadurch gekennzeichnet, daß ein Kopplungskoeffizient zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung in jeder Zündspule auf einen Wert größer als oder gleich 0,9 festgelegt wird.

In der erfindungsgemäßen Zündanlage beaufschlagt die Lade einrichtung die Energie-Akkumulationseinrichtung mit der Erregungsenergie, die Zündeinrichtung macht die Schaltele mente zu einem vorbestimmten Zündzeitpunkt leitend, und die Energie-Akkumulationseinrichtung speist mittels der in ihr gespeicherten Erregungsenergie zwei Primärwicklungen mit Strom, um an den Sekundärwicklungen die Hochspannung zu er zeugen und an den Zündkerzen der Zylinder der Brennkraftma schine bzw. der Verdichtungseinrichtung und der Ausschub einrichtung die Funkenentladung zu bewirken.

Somit kann mit der erfindungsgemäßen Zündanlage eine Zünd- Hochspannung an der Sekundärwicklung unverzüglich durch Er regen der Primärwicklung auf ähnliche Weise wie bei der vorstehend erwähnten Zündanlage mit kapazitiver Entladung, bei der die Erregungsenergie im Kondensator angesammelt wird, erzeugt werden. Dadurch kann auch in einem hohen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine die zur sicheren Verbrennung des im Zylinder der Brennkraftmaschine befind lichen Luft-Brennstoff-Gemischs im Verdichtungshub notwen dige Hochspannung an die Zündkerze bereitgestellt werden.

Ferner weisen die mit entsprechenden Zündkerzen jeweiliger Zylinder verbundenen Zündspulen einen Kopplungskoeffizien ten zwischen den Primär- und den Sekundärwicklungen von 0,9 oder größer auf. Die für die Zündschaltung bereitzustel lende Energie muß daher im Vergleich zum Vorhandensein der Primärwicklung einer einzelnen Zündkerze nicht notwendiger weise beträchtlich ansteigen, vielmehr kann beispielsweise an den Sekundärwicklungen eine zum Zünden ausreichend hohe Zünd-Hochspannung mit dem 1,1- bis 1,2fachen der im Fall der Primärwicklung einer einzelnen Zündkerze aufzuwendenden Energie erzeugt werden.

Die Wirkung des Kopplungskoeffizienten auf die durch die Sekundärwicklung erzeugte Sekundärspannung wurde durch den Erfinder experimentell bestätigt.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbei spiels in Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Blockdarstellung eines Gesamtauf baus der Zündanlage für eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen einem Kopplungskoeffizienten und einer erzeugten Sekundär spannung,

Fig. 3A ein Ersatzschaltbild der Zündanlage mit einer Zünd spule,

Fig. 3B ein Ersatzschaltbild einer Zündspule während eines Ausschubtakts,

Fig. 3C ein Ersatzschaltbild einer Zündschaltung, bei der zwei Zündspulen in Reihe geschaltet sind,

Fig. 4A eine beispielhafte Darstellung einer Spulenkon struktion mit einem Kopplungskoeffizienten von 0,95, und

Fig. 4B eine beispielhafte Darstellung einer Spulenkon struktion mit einem Kopplungskoeffizienten von 0,88.

Fig. 1 zeigt eine schematische Blockdarstellung eines Ge samtaufbaus der Zündanlage für eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.

Gemäß Fig. 1 sind vier Zündspulen 11 bis 14 vorgesehen, die mit in entsprechenden Zylindern der Brennkraftmaschine an geordneten Zündkerzen 1 bis 4 verbundene Sekundärwicklungen aufweisen. Die jeweiligen beiden Zylinder, deren einer sich in einem Verdichtungstakt oder -hub befindet, während der andere einen Ausstoß- oder Ausschubtakt ausführt und umge kehrt, werden paarweise zusammengefaßt bzw. als paarweise arbeitend betrachtet. Von den vier Zündspulen 11 bis 14 werden bei den Zündspulen, die mit den Zündkerzen der paar weise jeweils in einem Verdichtungstakt und einem Ausschub takt arbeitenden Zylinder verbunden sind, die beiden Pri märwicklungen in Reihe verschaltet. Auf diese Weise entste hen entsprechende Reihenschaltungen der Primärwicklungen der mit den Zündkerzen 1 und 4 verbundenen Zündspulen 11 und 14 des ersten und vierten Zylinders sowie der Primär wicklungen der mit den Zündkerzen 2 und 3 verbundenen Zünd spulen 12 und 13 des zweiten und dritten Zylinders. Darüber hinaus wird jeweils ein Anschluß der beiden Reihenschaltun gen, in denen die Primärwicklungen jeweils der Zündspulen 11 und 14 sowie 12 und 13 seriell verschaltet sind, zum An sammeln einer Erregungsenergie für beide Reihenschaltungen mit einem gemeinsamen Energiespeicher-Kondensator C₀ ver bunden. Die verbleibenden Anschlüsse der Reihenschaltungen werden zum Schalten der Erregung und zum Trennen der Rei henschaltungen auf entsprechende Weise mit Schaltelementen 16 und 18, beispielsweise Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFET), verbunden. Der Aufbau der Zündspulen bewirkt Kopplungskoeffizienten von 0,9 oder größer. Es sei ferner angemerkt, daß für jede Reihenschaltung ein Energiespei cher-Kondensator C₀ vorgesehen sein kann.

Das Zündsystem gemäß Fig. 1 weist Treiber- bzw. Steuer schaltungen 16a und 18a auf zum zeitlichen Steuern der Zündfunken durch entsprechendes Ansteuern der Schaltelemen te 16 und 18, eine bekannte elektronische Steuereinheit (ECU) zum Ermitteln des Zündzeitpunkts in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine und zum Erzeugen ei nes Zündsignals IG_t sowie eines Verteilersignals IG_d zur Auswahl des Zylinders, in dem gezündet werden soll, einen Energiespeicherschaltkreis 30 zum Speichern von Energie in einer Energiespeicher-Spule L₀ in Abhängigkeit vom Zündsi gnal IG_t, einer Verzögerungsschaltung 40 zum Verzögern des Anlegens des von der elektronischen Steuereinheit ECU aus gegebenen Zündsignals IG_t an den Energiespeicherschaltkreis 30, eine Kondensator-Ladesteuerschaltung 50 zum Laden eines Energiespeicher-Kondensators C₀ mit der im Energiespeicher schaltkreis 30 gespeicherten Energie, einen F-V-Konverter 60 zum Erzeugen eines zu einer Ausgangsfrequenz des Zündsi gnals IG_t aus der elektronischen Steuereinheit (ECU) (bzw. einer Drehzahl der Brennkraftmaschine) umgekehrt proportio nalen Spannungssignals, einen monostabilen Schaltkreis 70 zum von der fallenden Flanke des Zündsignals IG_t ausgehen den Ausgeben von der Ausgangsspannung des F-V-Konverters entsprechenden Signalen Va und Vb mit vorbestimmten Impuls breiten (ca. 1 ms (Va) und ca. 10 ms (Vb)), eine Vertei lerschaltung 80, die den Ausgangsimpuls Va von der monosta bilen Schaltung 70 empfängt, um ein Treiber- bzw. Steuersi gnal an die Steuerschaltungen 16a oder 18a entsprechend dem Verteilersignal IG_d abzugeben, eine Zeitsteuerschaltung 90 zum Erfassen der Ladespannung des Energiespeicher-Kondensa tors C₀ sowie zum Steuern der Erregungszeit der Energie speicher-Spule L₀ im Energiespeicherschaltkreis 30 und der Durchlaßzeiten der Schaltelemente 16 und 18, und eine Ener gieversorgungsschaltung 100 zur Aufnahme einer Batterie spannung, um eine Versorgungsspannung VCC für die entspre chenden Schaltungsabschnitte zu erzeugen.

Der Energiespeicherschaltkreis 30 besitzt eine Energiespei cher-Spule L₀, welche durch eine typische Zündspule mit in duktiver Entladung unter Wegfall der Sekundärwicklung ge bildet wird, während die verbleibenden Teile zu denen der herkömmlichen Zündanlage mit induktiver Entladung identisch sind.

Der Energiespeicherschaltkreis 30 umfaßt einen Leistungs transistor TR1 zum Schalten der Erregung und zum Trennen der Energiespeicher-Spule L₀, eine bekannte Schließwin kel/Konstantstrom-Steuerschaltung 32, die den Leistungs transistor TR1 durch die Transistoren TR2 und TR3 und mit tels dem von der Verzögerungsschaltung 40 abgegebenen Zünd signal IG_t in leitenden Zustand schaltet und die den im leitenden Zustand über den Leistungstransistor TR1 durch die Energiespeicher-Spule L₀ fließenden Strom begrenzt. Bei Abschalten des Leistungstransistors TR1 wird die in der Energiespeicher-Spule L₀ gespeicherte Energie an den Ener giespeicher-Kondensator C₀ abgegeben. Die Schließwin kel/Konstantstrom-Steuerschaltung 32 erhält den leitenden Zustand des Leistungstransistors aufrecht, um die Energie durch Erregen der Energiespeicher-Spule L₀ zu sammeln, und schaltet den Leistungstransistor TR1 in Abhängigkeit von der fallenden Flanke des Zündsignals IG_t ab, um die in der Energiespeicher-Spule L₀ gespeicherte Energie an den Ener giespeicher-Kondensator C₀ abzugeben.

Die Kondensator-Ladesteuerschaltung 50 umfaßt einen Ver gleicher 52, der überwacht, ob der in der Energiespeicher spule L₀ fließende Erregerstrom einen vorbestimmten Wert erreicht, und ein Entscheidungssignal abgibt, wenn der vor bestimmte Wert des Erregerstroms erreicht wird, eine Diffe rentiationsschaltung 54 zum Ableiten bzw. Differenzieren eines durch Invertieren des von der monostabilen Schaltung 70 abgegebenen Impulssignals Va abgeleiteten Signals, ein RS-Flipflop 56, setzbar durch das Ausgangssignal (d. h. die fallende Flanke des Impulssignals Va) aus der Differentia tionsschaltung 54 und rücksetzbar durch das Entscheidungs signal des Vergleichers 52, und eine Ausgangsschaltung 58 zum Schalten des Leistungstransistors TR1 des Energiespei cherschaltkreises 30 in leitenden Zustand, wenn durch die monostabile Schaltung 70 das Impulssignal Vb abgegeben wird, während das RS-Flipflop gesetzt ist, um die Energie- Speicher-Spule L₀ zu erregen.

Die Kondensator-Ladesteuerschaltung 50 erregt die Energie speicher-Spule L₀ nach Verstreichen einer Zeitspanne, die der Zeit zwischen dem Auftreten der fallenden Flanke des Zündsignals IG_t und der nachfolgenden Pulsweite des Impuls signals Va entspricht (d. h. die der Drehzahl der Brennkraft maschine entsprechende, gegebene Zeitdauer), und gibt die in der Energiespeicher-Spule L₀ gespeicherte Energie an den Energiespeicher-Kondensator C₀ ab.

Bei der gemäß dem Ausführungsbeispiel aufgebauten Zündan lage wird der Leistungstransistor TR1 durch die Kondensa tor-Ladesteuerschaltung 50 im Ein-Zustand gehalten, solange das Zündsignal IG_t durch die elektronische Steuereinheit ECU nicht ausgegeben wird, um die vorbestimmte Energiemenge in der Energiespeicher-Spule L₀ anzuhäufen, und um nachfol gend durch Abschalten des Leistungstransistors TR1 den Energiespeicher-Kondensator C₀ mittels der gespeicherten Energie aufzuladen.

Während das Zündsignal IG_t von der elektronischen Steuer einheit ECU abgegeben wird, wird der Leistungstransistor TR1 durch die Schließwinkel/Konstantstrom-Steuerschaltung 32 in seinem Ein-Zustand gehalten, um in der Energiespei cher-Spule L₀ die vorbestimmte Energie zu akkumulieren, und um nachfolgend durch Abschalten des Leistungstransistors TR1 den Energiespeicher-Kondensator C₀ mittels der gespei cherten Energie aufzuladen.

Bei Auftreten der abfallenden Flanke des Zündsignals IG_t steuert die Verteilerschaltung 80 eine der Steuerschaltun gen 16a und 18a entsprechend dem Verteilersignal IG_d basie rend auf dem von der monostabilen Schaltung 70 ausgegebenen Impulssignal Va an, um eines der Schaltelemente in den lei tenden Zustand zu versetzen. Somit wird die vom Energie speicherschaltkreis 30 in Antwort auf das Abfallen des Zündsignals IG_t abgegebene Energie zusammen mit der im Energiespeicher-Kondensator C₀ gespeicherten Energie in die Primärwicklungen der Zündspulen 11 und 14 oder in die Pri märwicklungen der Zündspulen 12 und 13 übertragen.

In der Folge beendet die Steuerschaltung 16a oder 18a ihren Arbeitsvorgang in Antwort auf das Abfallen des von der mo nostabilen Schaltung 70 ausgegebenen Impulssignals Va, und das Schaltelement 16 oder 18 wird eingeschaltet. Daraufhin wird die in den Primärwicklungen der Zündspulen 11 und 14 oder 12 und 13 enthaltene Energie über die Sekundärwicklun gen zu den Zündkerzen 1 und 4 oder 2 und 3 hin entladen.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel dienen der Energiespeicher- Kondensator C₀ und die Energiespeicher-Spule L₀ als Ener gie-Akkumulations- bzw. Speichereinrichtungen, so daß die Primärwicklungen der Zündspulen 11 und 14 oder 12 und 13 durch die in Energiespeicher-Kondensator C₀ und Energie speicher-Spule L₀ angesammelte Erregungsenergie erregt wer den. Durch die Erregung werden die entsprechenden Paare der Zündkerzen 1 und 4 oder 2 und 3 unverzüglich mit Hochspan nung beaufschlagt.

Es sei angemerkt, daß die Zeitsteuerschaltung 90 ermög licht, einen zeitlichen Unterschied bzw. eine zeitliche Verschiebung zwischen Aus-Zeiten des Leistungstransistors TR1 und Ein-Zeiten der Schaltelemente 16 und 18 vorzusehen, so daß die Ein-Zeiten der Schaltelemente 16 und 18 um einen geringen zeitlichen Betrag vor den Aus-Zeiten des Lei stungstransistors TR1 liegen.

Die zusammenfassend dargestellte Steuervorrichtung der Zündanlage gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist der in der US-Patentschrift Nr. 4,892,080 (entsprechend der japa nischen Offenlegungsschrift JP-A-1-232165) ähnlich. Auf die Offenbarung der vorstehend genannten US-Patentschrift sei hiermit bezugnehmend verwiesen.

Bei der Zündanlage gemäß dem beschriebenen Ausführungsbei spiel kann eine Hochspannung durch Erregen der Zündspule mit der im Energiespeicher-Kondensator C₀ und in der Ener giespeicher-Spule L₀ gespeicherten entsprechenden Erre gungsenergie unverzüglich an die Zündkerzen gelegt werden. In einer derartigen Zündanlage ist, ähnlich zu herkömmli chen Zündanlagen mit kapazitiver Entladung, zur gleichzei tigen Erregung der Primärwicklungen zweier seriell verbun dener Zündspulen (11 und 14 oder 12 und 13) im allgemeinen eine größere Energie erforderlich, um in den Sekundärwick lungen eine Zünd-Hochspannung zu erzeugen, als für das Er regen der Primärwicklung in einer einzelnen Zündspule benö tigt wird. Vereinzelt kann, im Vergleich zur Primärwicklung der einzelnen Zündspule bei Zündanlagen mit induktiver Ent ladung, die zweifache Energie erforderlich sein.

Um die im Energiespeicher-Kondensator und in der Energie speicher-Spule zu speichernde Erregungsenergie zu reduzie ren, wird deshalb basierend auf den durch den Erfinder durchgeführten Untersuchungen der Kopplungskoeffizient k zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen der Zündspulen 11 bis 14 zu 0,9 oder größer gewählt.

Fig. 2 zeigt Ergebnisse von auf den Zusammenhang zwischen den Kopplungskoeffizienten k der Zündspulen und der erzeug ten Sekundärspannung V₂ gerichteten Versuchen bei konstan ter zugeführter Energie für die jeweiligen Fälle der ein zelnen Zündspule und der Reihenschaltung zweier Zündspulen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die erzeugte Sekundärspan nung V₂ im Vergleich zur einzelnen Zündspule in Überein stimmung mit einer Verkleinerung des Kopplungskoeffizienten k bei der Reihenschaltung der beiden Zündspulen abrupt her abgesetzt. Die erzeugte Sekundärspannung V₂ übersteigt 30 kV bei zwei Zündspulen bei einem Kopplungskoeffizienten von 0,9, während der Kopplungskoeffizient k im Fall der einzel nen Zündspule 0,75 beträgt. Aus diesem Grund wird bei der Zündanlage gemäß dem betrachteten Ausführungsbeispiel in Anbetracht der mit Hilfe von Fig. 2 erläuterten Versuchser gebnisse der Kopplungskoeffizient k der Zündspulen 11 bis 14 auf Werte von 0,9 oder größer eingestellt, um zu errei chen, daß die erzeugte Sekundärspannung V₂ notwendige 30 kV ohne wesentlichen Anstieg der aufzuwendenden Erregungsener gie übersteigt. Auf diese Weise kann eine ausreichende Höhe der erzeugten Sekundärspannung sicher gewährleistet werden.

Die Ursache für den größeren Einfluß des Kopplungskoeffizi enten k der Zündspule auf die erregte Reihenschaltung aus zwei Zündspulen im Vergleich zur einzelnen Zündspule wird nachstehend erläutert.

Die Zündanlage gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausfüh rungsbeispiel wird zunächst als ähnlich zu einer herkömmli chen Zündanlage mit kapazitiver Entladung betrachtet, so daß ein Ersatzschaltbild für das Erregen der einzelnen Zünd spule gemäß Fig. 3 angegeben werden kann. Die auf der Se kundärseite der Zündspule erzeugte Sekundärspannung V₂ kann mittels der folgenden Gleichung (1) ausgedrückt werden:

V₂ = 2 _* k _* n _* V_c/(1 + n² _* C₂/C₁) (1)

mit k: Kopplungskoeffizient;
σ: Streufaktor (1-k);
n: Verhältnis Windungszahlen;
V_c: Primärseitig an den Kondensator angelegte Spannung;
C₁: Kapazität des primärseitigen Kondensators;
C₂: Kapazität des sekundärseitigen Kondensators (verteilte Kapazität der Sekundärseite einschließlich der Zündkerze).

Vorteilhafterweise ist im Falle der einzelnen Zündspule die erzeugte Sekundärspannung V₂ dem Kopplungskoeffizienten k der Zündspule auf einfache Weise proportional. Dadurch zeigt die erzeugte Sekundärspannung V₂ eine relativ geringe Empfindlichkeit für eine Beeinflussung durch den Kopplungs koeffizienten k.

Nun wird die Reihenschaltung der Primärseiten der Zündspu len betrachtet.

Der Druck im Innern des den Ausschubtakt ausführenden Zy linders ist im Vergleich zum den Verdichtungstakt ausfüh renden Zylinder geringer, so daß eine Entladung leicht ver ursacht bzw. ausgelöst werden kann. Aus diesem Grund wird die Sekundärseite der Zündspule des im Ausschubtakt befind lichen Zylinders bei der Zündung des im Verdichtungstakt befindlichen Zylinders als kurzgeschlossen betrachtet. Wei terhin kann eine sekundärseitige Streuinduktivität σL₂ un ter Verwendung der primärseitigen Induktivität σL₁ als σ n²L₁ ausgedrückt werden. Dies kann als σL₁ (= σn²L₁/n²) auf die Primärseite bezogen ausgedrückt werden. Somit kann das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 3B dargestellt werden, wenn die sekundärseitige Streuinduktivität der dem Ausschubtakt zu geordneten Zündspule auf die Primärseite übertragen wird.

Dementsprechend kann das Ersatzschaltbild für den Fall zweier durch Reihenschaltung verbundener Zündspulen unter Verwendung des Ersatzschaltbilds aus Fig. 3B wie in Fig. 3C gezeigt dargestellt werden. Ein Vergleich des Ersatzschalt bilds gemäß Fig. 3C mit dem Ersatzschaltbild gemäß Fig. 3A ergibt, daß die primärseitige Streuinduktivität σL₁ für die Reihenschaltung zweier Zündspulen zu 3σL₁ wird.

Damit kann der Kopplungskoeffizient k′ für die Reihenschal tung zweier Zündspulen mittels der folgenden Gleichung (2) dargestellt werden als

k′ = {(1 + 2σ) - 3σ}/(1 + 2σ)
= (1 - σ)/(1 + 2σ)
= k/(3 - 2k) (2)

Aus der obigen Gleichung (2) ist entnehmbar, daß im Ver gleich zum Anschluß einer einzelnen Zündspule der Einfluß des Kopplungskoeffizienten k auf die erzeugte Sekundärspan nung V₂ größer wird.

Wie obenstehend ausgeführt, wird den Zündkerzen Hochspan nung verzögerungsfrei zugeführt, indem die Primärwicklungen der Zündspulen, welche mit den Zündkerzen der Zylinder, die ein Verdichtungstakt-Ausschubtakt-Paar bilden, in Reihe ge schaltet werden, und indem die im Energiespeicher-Kondensa tor C₀ und in der Energiespeicher-Spule L₀ akkumulierte Er regungsenergie zum gegebenen Zündzeitpunkt übertragen wird. Somit kann die Zündkerze selbst in einem hohen Drehzahlbe reich der Brennkraftmaschine mit der zur Zündung notwendi gen Hochspannung beaufschlagt werden, um während des Ver dichtungstakts eine sichere Verbrennung eines im Zylinder befindlichen Luft-Brennstoff-Gemischs zu gewährleisten.

Durch die Festlegung des Kopplungskoeffizienten k der Zünd spulen 11 bis 14 auf Werte von 0,9 oder größer kann im Ver gleich zum Anschluß einer einzelnen Zündspule auf eine be deutende Erhöhung der in den als Energie-Akkumulationsein richtung dienenden Baugruppen Energiespeicher-Kondensator C₀ und Energiespeicher-Spule L₀ zu akkumulierenden Erre gungsenergie verzichtet werden, so daß die Zünd-Hochspannung mit etwa der 1,1- bis 1,2fachen Energie, verglichen mit der im Fall des Anschlusses einer einzelnen Zündspule auf zuwendenden Energie, erzeugt werden kann.

Bemerkt sei, daß die Zündspule mit dem Kopplungskoeffizien ten von 0,9 oder größer mit einem geschlossenen Magnetfluß weg als strukturellem Merkmal sowie durch die Einstellung des Spalts und die Art und Weise, in der die Primär- und Sekundärwicklungen ausgeführt bzw. gewickelt werden, ver wirklicht werden kann. Beispielsweise beträgt mit Bezug auf Fig. 4B im Falle einer Zündspule mit einem inneren Spulen kern, der in vertikaler Richtung innerhalb eines äußeren, umgebenden Spulenkerns mit einer Breite von 45 mm und einer Höhe von 35 mm vorgesehen ist, die Breite des Spalts zwi schen dem inneren und dem äußeren Spulenkern 1,0 mm, wobei die Primär- und Sekundärwicklungen L₁ und L₂ in der richti gen Reihenfolge bzw. gleichsinnig auf den inneren Spulen kern gewickelt sind, so daß sich ein Kopplungskoeffizient k von 0,88 ergibt und somit die vorstehend genannte Bedingung nicht erfüllt werden kann. Demgegenüber kann, wie in Fig. 4A gezeigt, mit einem in Längsrichtung (d. h. in Breiten richtung bzw. der Horizontalen) innerhalb des äußeren, um gebenden Spulenkerns mit der Höhe von 35 mm und der Breite von 45 mm angeordneten inneren Spulenkern und einer Spalt breite von 0,3 mm zwischen innerem und äußerem Spulenkern, wobei die Primär- und Sekundärwicklungen L₁ und L₂ in der richtigen Reihenfolge bzw. gleichsinnig auf den inneren Spulenkern gewickelt sind, ein Kopplungskoeffizient von 0,95 erzielt werden.

Obwohl die Zündanlage, bei der zunächst die Erregungsener gie mittels den Energiespeichern Kondensator C₀ und Spule L₀ akkumuliert und nachfolgend die Zündspule erregt wird, vorstehend als Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, kann die Zündanlage ebenfalls bei typischen Zündanlagen mit ka pazitiver Entladung, bei welchen die Zündspule durch Akku mulieren der Erregungsenergie allein im Kondensator erregt wird, als auch bei Zündanlagen, bei welchen Zündspule durch alleiniges Akkumulieren der Erregungsenergie in der Ener giespeicher-Spule erregt wird, Anwendung finden.

Wie vorstehend ausgeführt, kann bei der beschriebenen Zünd anlage die Erregungsdauer der Zündspule im Vergleich zu herkömmlichen Zündanlagen mit induktiver Entladung verkürzt werden, indem die Primärwicklungen der Zündspulen, die mit den Zündkerzen der Zylinder, die ein Verdichtungstakt-Aus schubtakt-Paar bilden, in Reihe geschaltet werden, und in dem die beiden seriell verschalteten Primärwicklungen zum Erzeugen der Zünd-Hochspannung in der Sekundärwicklung mit tels der in der Energie-Akkumulationseinrichtung gespei cherten Erregungsenergie mit Strom beaufschlagt werden. So mit kann die Zündkerze selbst in einem hohen Drehzahlbe reich der Brennkraftmaschine mit der zur Zündung notwendi gen Hochspannung beaufschlagt werden, um während des Ver dichtungstakts eine sichere Verbrennung eines im Zylinder befindlichen Luft-Brennstoff-Gemischs zu gewährleisten. Durch die Festlegung des Kopplungskoeffizienten k der Zünd spulen 11 bis 14 auf Werte von 0,9 oder größer kann ferner im Vergleich zum Anschluß einer einzelnen Zündspule auf ei ne bedeutende Erhöhung der in den als Energie-Akkumulati onseinrichtung dienenden Baugruppen Energiespeicher-Konden sator C₀ und Energiespeicher-Spule L₀ zu akkumulierenden Erregungsenergie verzichtet werden. Beispielsweise kann die Zünd-Hochspannung mit etwa der 1,1- bis 1,2fachen Energie, verglichen mit der im Fall des Anschlusses einer einzelnen Zündspule aufzuwendenden Energie, erzeugt werden.

Die vorstehend beschriebene Zündanlage für eine Brennkraft maschine zum gleichzeitigen Erregen von Zündkerzenpaaren weist somit Direktstromschaltungen zum seriellen Verbinden der Primärwicklungen von Zündspulen auf, wobei die Zündspu len einen Kopplungskoeffizienten von 0,9 oder größer auf weisen und mit Zündkerzen von paarweise jeweils in einem Verdichtungstakt und einem Ausschubtakt arbeitenden Zylin dern verbunden sind, und ferner MOSFETs an jeweils einem der Ausgänge der Direktstromschaltungen, sowie einen einen Kondensator und eine Drahtspule aufweisenden Energie-Akku mulationsabschnitt, wobei der MOSFET bei Erreichen eines Erregungszeitpunkts für einen der jeweiligen Zylinder durchgeschaltet wird, um die entsprechende Direktstrom schaltung zum Erzeugen von Zündfunken an gepaarten Zündker zen mittels einer im Energie-Akkumulationsabschnitt akkumu lierten Erregungsenergie zu erregen, wodurch eine zuverläs sige Verbrennung eines während des Verdichtungstakts im entsprechenden Zylinder der Brennkraftmaschine enthaltenen Luft-Brennstoff-Gemischs in kurzer Zeit und bei kleiner in die Wicklungen einzuspeisender Energie erzielt wird.

Claims

1. Zündanlage für eine Brennkraftmaschine mit einer ge raden Anzahl von Zündkerzen, gekennzeichnet durch
eine Vielzahl von Zündspulen (11-14), die jeweils eine Primärwicklung sowie eine mit einer Zündkerze (1-4) verbun dene Sekundärwicklung aufweisen,
zumindest eine Schaltelemente (16, 18) beinhaltende Direktstromschaltung zum Steuern eines in der Schaltung fließenden Stroms und zum seriellen Verbinden der Schalt elemente mit Primärwicklungen eines Paares aus der Vielzahl der entsprechende Sekundärwicklungen aufweisenden Zündspu len, wobei die Sekundärwicklungen mit Zündkerzen zweier paarweise jeweils in einem Verdichtungstakt und einem Aus schubtakt arbeitenden Zylinder der Brennkraftmaschine ver bunden sind,
eine Energie-Akkumulationseinrichtung (L₀, C₀), die zum Akkumulieren einer Erregungsenergie für die Zündspulen mit einem Ausgang der Direktstromschaltung verbunden ist,
eine Ladeeinrichtung (30, 50) zum Einspeichern der Er regungsenergie in die Energie-Akkumulationseinrichtung, und
eine Zündeinrichtung zum Beaufschlagen der Primärwick lungen zweier seriell mit der Energie-Akkumulationseinrich tung verbundener Zündspulen mit Strom, indem zum gleichzei tigen Erzeugen einer Hochspannung an den Sekundärwicklungen der Zündspule die Schaltelemente zu einem gegebenen Zünd zeitpunkt in leitenden Zustand versetzt werden, wobei die Zündspulen einen Kopplungskoeffizienten (k) zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung von 0,9 oder größer aufweisen.

2. Zündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie-Akkumulationseinrichtung (L₀, C₀) einen zu der Direktstromschaltung parallel geschalteten Kondensator (C₀) sowie eine zu der Direktstromschaltung in Reihe ge schaltete Spule (L₀) aufweist.

3. Zündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Direktstromschaltungen vorgesehen ist, die über einen gemeinsamen Anschluß mit der Energie- Akkumulationseinrichtung verbunden sind.