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TECHNISCHES
FELD
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbrennungsmotoren (Brennkraftmaschinen).
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das elektrische
Zündsystem,
das für
die Zündung
des Kraftstoffes im Verbrennungsmotor eingesetzt wird. Die vorliegende
Erfindung betrifft insbesondere die Zündspulen, durch die ein Wechselstrom
an die Zündkerze
innerhalb des Verbrennungsmotors übertragen wird.
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HINTERGRUND
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Die
meisten Verbrennungsmotoren verfügen über einen
Zündkreis,
der einen Zündfunken
im Zylinder erzeugt. Der Zündfunke
zündet
das Kraftstoffgemisch im Zylinder, um den Kolben und die angeschlossene
Kurbelwelle anzutreiben. Der Motor beinhaltet typischerweise eine
Anzahl von Permanentmagneten, die am Schwungrad des Motors angeordnet sind,
und eine Ladespule, die am Motorgehäuse in der Nähe des Schwungrads
angeordnet ist. Wenn sich das Schwungrad dreht, passieren die Magneten die
Ladespule. Dabei wird an der Ladespule eine Spannung erzeugt, mit
der ein Hochspannungskondensator geladen wird. Die hohe Spannung
des Kondensators wird über
einen Schaltkreis der Zündspule zugeführt, sodass
am Zündspalt
der Zündkerze
kurzfristig ein starker, elektrischer, Zündfunke erzeugt und das Kraftstoffgemisch
im Zylinder gezündet
wird. Diese Art der Zündung
wird als Hochspannungs-Kondensator-Zündung
bezeichnet.
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Herkömmliche
Konstruktionen von Hubkolben-Verbrennungsmotoren, bei denen Zündkerzen und
Zündspulen
für der
Auslösung
der Verbrennung benutzt werden, arbeiten seit vielen Jahren mit Brennkammerformen
und Zündkerzenanordnungen, die
stark auf die Notwendigkeit ausgerichtet sind, die Verbrennung mit
lediglich einem kurzfristigen, relativ schwachen Zündfunken
auszulösen.
In jüngster
Vergangenheit gewannen jedoch Kraftstoffverbrauch, vollständige Verbrennung,
Sauberkeit der Abgase und geringere Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen
zunehmend an Bedeutung. Diese Entwicklung bedeutet, dass die Form
der Brennkammer modifiziert und das Verhältnis des Kraftstoff-/Luftgemisches
geändert
werden müssen.
In einigen Fällen
kam ein Verfahren zum Einsatz, durch das das Kraftstoff-/Luftgemisch
in dem Bereich, in dem die Zündkerzenelektroden
angeordnet sind, bewusst einer starken Turbulenz bzw. Rotationsströmung ausgesetzt
wird. Dies führt
häufig
dazu, dass der Lichtbogen unterbrochen oder „ausgeblasen" wird. In der Folge
nahmen auch die Anforderungen im Hinblick auf die Effektivität des Verbrennungsinitiierungsprozesses
zu. Bei derartigen Anwendungen stellte man fest, dass vorzugsweise
ein Lichtbogen verfügbar
sein sollte, der 4 bis 5 Millisekunden anhält. Es wurden Bemühungen unternommen,
diese Idee umzusetzen, welche zu verschiedenen Erfindungen führten, die
in mehreren Patenten beschrieben sind.
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US-Patent
Nr. 5.806.504 vom 15. September 1998 von French et al. beschreibt
zum Beispiel einen Zündkreis
für einen
Verbrennungsmotor, wo dieser Zündkreis
einen Transformator mit einer Sekundärwicklung beinhaltet, durch
die ein Funke erzeugt wird, und eine erste und zweite Primärwicklung
vorhanden sind. Ein Kondensator ist an der ersten Primärwicklung
angeschlossen, um für
den Transformator eine hohe Kondensatorentladungsspannung zur Verfügung zu
stellen. Ein Spannungsgenerator ist an der zweiten Primärwicklung
angeschlossen, um eine Wechselspannung zu erzeugen. Ein Steuerkreis
ist am Kondensator und am Spannungsgenerator angeschlossen, um Steuersignale
zu liefern, sodass die hohe Kondensatorentladungsspannung an die
erste Primärwicklung übertragen
wird und Steuersignale an die zweite Primärwicklung übertragen werden, um eine Wechselspannung
zu erzeugen.
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US-Patent
Nr. 4.998.526 vom 12. März
1991 von K. P. Gokhale beschreibt ein Wechselspannungszündsystem.
Dieses System legt an den Elektroden einer Zündkerze eine Wechselspannung
an, um für
eine gewünschte
Zeitdauer an den Elektroden einen Lichtbogen aufrecht zu erhalten.
Die Amplitude der Lichtbogenspannung ist veränderlich. Die Wechselspannung
wird durch einen DC-/AC-Inverter geliefert, der einen Transformator
beinhaltet, der eine mittig angezapfte Primärwicklung und eine Sekundärwicklung
besitzt, die mit der Zündkerze
verbunden ist. Ein Lichtbogen wird an der Zündkerze initiiert, indem ein
Kondensator an einen Wicklungsabschnitt der mittig angezapften Primärwicklung
entladen wird. Als Alternative kann die in einer Induktionsspule
gespeicherte Energie an einen Abschnitt der Primärwicklung übertragen werden, um einen
Lichtbogen zu initiieren. Das Zündsystem
wird durch eine gesteuerte Spannungsquelle gespeist, die von einer Gleichspannungsquelle,
wie zum Beispiel der Batterie im Fahrzeug, gespeist wird.
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Bei
beiden dieser Erfindungen basieren die Geräte auf Dualsystemen, wo eine
Hochspannungsentladung durch ein Niederspannungsextensionssystem
ergänzt
wird. Das Verfahren der Lichtbogenextension ergibt jedoch für den Endanwender
Probleme. Das System ist einerseits in seiner Beschaffenheit elektronisch
komplex, da mehrere Steuersysteme present sein müssen, entweder in Form von zwei
separaten Lichtbogensystemen oder eines Lichtbogensystems und mehreren,
speziellen elektronischen Bauelementen. Zweitens wird keine Methode
geboten, um den Lichtbogen bei wiederholten Unterbrechungen automatisch
aufrecht zu erhalten. Und außerdem
sind diese Systeme nicht unbedingt in einem einzelnen Funktionsblock
von geringer Masse und Größe enthalten,
der alle notwendigen Funktionen enthält.
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Durch
die vorliegende Erfindung soll ein verbessertes Zündsystem
geboten werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Zündsystem
für einen
Verbrennungsmotor geboten, wobei das Zündsystem konfiguriert ist,
um an eine Stromversorgung angeschlossen zu werden, und wobei das
Zündsystem
umfaßt:
eine
Invertereinrichtung, die konfiguriert ist, um an die Stromversorgung
angeschlossen zu werden, um eine Gleichspannung von der Stromversorgung
in einen Wechselstrom umzuwandeln;
eine Anzahl von Transformatoren,
von denen jeder eine Primärwicklung
aufweist, die mit der genannten Invertereinrichtung verbunden ist,
wobei jeder der genannten Transformatoren eine Sekundärwicklung aufweist,
wobei jeder der Transformatoren konfiguriert ist, um einen Ausgang
aus der Sekundärwicklung
zu erzeugen, wobei der Ausgang eine Frequenz von zwischen 1 kHz
und 100 kHz aufweist und einen Wechselstrom, der eine Sinuswellenform
mit hoher Spannung aufweist, die zumindest 20 kV erreicht;
eine
Steuerung, die mit jedem der Transformatoren verbunden ist, sodass
der Ausgang eines jeden Transformators aktiviert oder deaktiviert
wird; und
eine Anzahl von Zündkerzen;
dadurch
gekennzeichnet, dass jeder der genannten Transformatoren unmittelbar
auf eine jeweilige der genannten Zündkerzen montiert ist, wobei
die genannte Steuerung mit der Sekundärwicklung eines jeden der Transformatoren
verbunden ist, so dass jeder der genannten Transformatoren gesteuert
wird, um einen Lichtbogen von steuerbarer Zeitdauer an einer Elektrode
einer jeweiligen Zündkerze
zu erzeugen, wobei die Zeitdauer des Lichtbogens zwischen 0,5 Millisekunden
und 4 Millisekunden beträgt,
wobei jeder Transformator eine Leistung mit konstanter Wattzahl
an die Zündkerze überträgt, wenn
der Transformator sich in einem aktiven Zustand befindet.
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Die
Steuerung aktiviert bzw. deaktiviert den Ausgang eines jeden Transformators
vorzugsweise dadurch, dass die Transformatoren in den aktiven Zustand
oder in einen inaktiven Zustand gebracht werden, wobei jeder Transformator
einen Strom an eine jeweilige Zündkerze überträgt, wenn
sich jeder Transformator in dem genannten aktiven Zustand befindet.
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Das
Zündsystem
ist in geeigneter Weise mit der genannten Stromversorgung verbunden
und die genannte Stromversorgung umfasst:
eine Batterie und
einen
Spannungsregler, der mit der genannten Batterie verbunden ist und
dazu angepasst ist, eine konstante Gleichspannung als einen Ausgang
von der Stromversorgung zu übertragen.
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Die
bevorzugte Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung bietet ein Zündsystem, das einen Transformator
beinhaltet, der klein genug ist, um direkt an der Zündkerze
montiert zu werden.
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Die
bevorzugte Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung bietet ein Zündsystem, das gegen Funkfrequenzen
abgeschirmt werden kann, um Funkfrequenzstörungen im Hinblick auf die
Fahrzeugelektrik zu vermeiden.
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Die
bevorzugte Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung bietet ein Zündsystem, das während der
gesamtem Lichtbogendauer eine konstante Wattleistung liefert.
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Die
bevorzugte Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung bietet ein Zündsystem, das die Fähigkeit,
beim Anlassen kalten Kraftstoff zu zünden, verbessert.
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Die
bevorzugte Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung bietet ein Zündsystem, das an die Zündkerze
Wechselspannung überträgt, um die
Erosion am Zündkerzenabstand
beträchtlich
zu reduzieren.
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Die
bevorzugte Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung bietet ein Zündsystem, das eine Verstellung
der Lichtbogendauer an der Elektrode der Zündkerze ermöglicht.
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Die
bevorzugte Ausführungsart
der Erfindung bietet ein Zündsystem,
das Mittel zur Messung der Spannung und des Stroms am Ausgang des Zündmoduls
beinhaltet, um den Zustand innerhalb des Zylinders festzustellen.
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Die
bevorzugte Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung bietet ein Zündsystem, das leicht in der
Anwendung, einfach in der Herstellung und relativ kostengünstig ist.
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Die
bevorzugte Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung bietet ein Zündsystem für einen Verbrennungsmotor,
das einen Transformator beinhaltet, dessen Primärwicklung konfiguriert ist,
um an eine Stromversorgung angeschlossen zu werden, und dessen Sekundärwicklung
konfiguriert ist, um an eine Zündkerze
angeschlossen zu werden. Der Transformator erzeugt einen Ausgang
von der Sekundärwicklung,
der eine Frequenz von zwischen 1 kHz und 100 kHz aufweist, und eine
Spannung von mindestens 20 kV. Eine Steuerung ist mit dem Transformator
verbunden, sodass der Ausgang des Transformators in Abhängigkeit
vom Verbrennungszyklus aktiviert oder deaktiviert wird. Der Transformator
erzeugt einen Wechselstrom, der eine Sinuswellenform mit hoher Spannung
aufweist, die zumindest 20 kV erreicht. Ein Spannungsregler ist
mit der Stromversorgung und mit dem Transformator verbunden, um eine
konstante Gleichspannung an den Transformator abzugeben. Der Transformator
erzeugt während der
Aktivierung durch die Steuerung Leistung mit konstanter Wattzahl
vom Ausgang der Sekundärwicklung.
Die Steuerung ist am Transformator angeschlossen, sodass der Transformator
einen Lichtbogen mit steuerbarer Zeitdauer an der Elektrode der Zündkerze
erzeugt. Diese Zeitdauer kann idealerweiser auf 0,5 Millisekunden
und 4 Millisekunden eingestellt werden. Eine Batterie ist mit der
Primärwicklung des
Transformators verbunden. Die Batterie erzeugt eine veränderliche
Spannung von 5 bis 15 Volt.
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In
der bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Sekundärwicklung eine Ausgangssekundärwicklung
mit einer herausgeführten
Steckverbindung. An dieser Ausgangswicklung ist ein Strommesser
angeschlossen, der mit der Steuerung verbunden ist, und den Strom
in der Ausgangssekundärwicklung
misst. An der Steuerung ist eine sekundäre Messwicklung angeschlossen,
um die Spannung des Transformatorausgangs zu messen. Der Transformator
beinhaltet einen Inverter, um den Ausgang in eine Wechselspannung
umzuwandeln. In den Ausführungsarten
der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem spezifischen
Inverter, der eingesetzt wird, um einen stromgespeisten, Royer-Oszillator-Inverter,
der mit der Primärwicklung
des Transformators verbunden ist.
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Der
Spannungsregler in den Ausführungsarten
der vorliegenden Erfindung umfasst einen Schaltregler-IC-Kreis,
der an eine Energiespeicher-Induktionsspule und an einen Schalttransistor
angeschlossen ist. Der Schaltregler-IC-Kreis empfängt eine
veränderliche
Spannung von der Stromversorgung. Der Schaltregler-IC-Kreis überträgt eine
konstante Spannung zwischen 5 und 50 Volt an den Transformator. Am
Schaltregler-IC-Kreis ist ein Spannungseingang angeschlossen, um
die konstante Spannung durch eine proportionale, positive Spannung
zu reduzieren.
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In
der bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung ist der Transformator direkt mit der
Zündkerze
verbunden. Vom Transformator wird eine elektrische Leitung herausgeführt, die
vom Transformator zur Steuerung geht, die von der Zündkerze
entfernt angeordnet ist. Die mit dem Verbrennungsmotor verbundene
Batterie umfasst eine Stromversorgungsleitung, die bis zur Steuerung geht.
Die Steuerung wird eine konstante Spannung von der Batterie an den
Transformator übertragen. Die
Steuerung kann aus einem Mikroprozessor bestehen.
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Die
bevorzugte Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung bietet gegenüber verschiedenen bisher verfügbaren Systemen
eine Reihe von Vorteilen. Die bevorzugte Ausführungsart der vorliegenden Erfindung
arbeitet mit einem sehr kleinen Hochspannungstransformator. Dies
hängt mit
der hohen Betriebsfrequenz zusammen und der Tatsache, dass der Transformator
einen relativ hohen Spannungseingang statt nur einen Batterieeingang
liefert. Der Transformator kann klein genug sein, um direkt auf der
Zündkerze
montiert zu werden, sodass das resultierende System um ein Vielfaches
kleiner und leichter ist als herkömmliche Systeme. Dies ermöglicht ferner
leichte Abschirmung gegen Funkfrequenzen, um Funkstörungen an
der Elektrik sowie am Radio des Fahrzeugs zu vermeiden. Die höhere Betriebsfrequenz
gestattet den Einsatz eines kleineren Eisenkerns und die hohe Eingangsspannung
gestattet ein kleineres Wicklungsverhältnis und folglich weniger Windungen
an der Sekundärwicklung.
Es wird angenommen, dass für
den Transformator eine Spule eingesetzt werden kann, die einen Durchmesser
von nur 1,25 Zoll (3,12 cm) und eine Länge von 2,5 Zoll (5 cm) hat.
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Die
bevorzugte Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung liefert während der gesamtem Lichtbogendauer
eine konstante Wattleistung. Ein herkömmliches Zündsystem liefert in den ersten
100 Mikrosekunden eine maximale Leistung, die dann exponentiell
auf Null abfällt.
Die bevorzugte Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung liefert genug Spannung und Leistung,
um einen erloschenen Zündfunken
während
der gesamten „Ein"-Zeit neu zu zünden. Dies ist vor allem beim
Zünden
von kaltem Kraftstoff (Kaltstart) von Vorteil, wenn der Kraftstoff noch
nicht warm genug ist, um voll zu verdunsten.
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Die
bevorzugte Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung benutzt eine Wechselspannung, um die
Zündkerze
zu zünden,
sodass die Erosion am Zündkerzenabstand
beträchtlich
reduziert wird. Erfahrung hat gezeigt, dass während des Betriebs herkömmlicher
Zündsystems
Material von der Anode abgetragen und an der Kathode abgelagert
wird, und umgekehrt. Die Materialabtragung ist von der Richtung
des Gleichstroms am Zündkerzenabstand
abhängig.
An herkömmlichen
Systemen können
unter bestimmten Bedingungen Zündkerzenabstände im Verlauf
der Zeit von 20.000 Volt Abständen
auf 35.000 Volt Abstände
erodieren.
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In
der bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung kann die Lichtbogendauer einfach durch
Verstellen der Eingangsspannung zwischen 0,5 Millisekunden und 4,0
Millisekunden verändert
werden. Im Einsatz kann die Lichtbogendauer von 4,0 Millisekunden
beim Kaltstart auf 0,5 Millisekunden während des normalen Betriebs
reduziert werden. Dadurch kann der Zündkerzenverschleiß reduziert
und der Energiebedarf im Hinblick auf die Batterien gesenkt werden.
Die jeweilige Anpassung kann automatisch durch die Steuerung in
Abhängigkeit
von der Motortemperatur oder anderen Eingangsvariablen erfolgen.
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Die
Spannungsverstärkungsschaltung
und der Spannungsregler der vorliegenden Erfindung erlauben es der
vorliegenden Erfindung, über
einen Eingangsspannungsbereich von 5 bis 15 Volt zufriedenstellend
zu arbeiten. Diese variable Eingangsspannung resultiert von herkömmlichen
Fahrzeugbatterien.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm mit entsprechenden Anschlüssen einer ersten, bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
ein Schaltschema der bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden
Erfindung mit Schaltungsdetails.
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3 ist
ein Blockdiagramm, das die Anwendung des Systems der beschriebenen
Ausführungsarten
der vorliegenden Erfindung an Zündkerzen
eines Kraftfahrzeugs zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Beachten
wir 1 sehen wir unter 10 das Zündsystem
gemäß der bevorzugten
Ausführungsart der
vorliegenden Erfindung. Das Zündsystem 10 beinhaltet
ein Paar Funktionsgruppen. Die erste Funktionsgruppe 12 ist
ein Eingangsspannungsregler. Die zweite Funktionsgruppe 14 ist
der Ausgangsteil. Die zweite Gruppe 14 erzeugt den hohen
Wechselspannungsausgang, dessen Strom durch eine Drossel 16 begrenzt
ist. Funktionsgruppen 12 und 14 wirken zusammen,
um die Zündkerze 18 entsprechend
zu zünden.
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Die
Funktionsgruppe 12 ist der Eingangsspannungsregler. Funktionsgruppe 12 liefert
eine geregelte Gleichspannungsversorgung für die zweite Gruppe 14,
um den Einsatz der Ausführungsarten der
vorliegenden Erfindung in Motorsystemen mit variierenden Gleichspannungsversorgungen
ohne Anpassung möglich
zu machen. Der Eingangsspannungsregler 20 kann zusätzliche
Mittel beinhalten, um die Ausgangsspannung bei Bedarf zu reduzieren und
in einen Leerlaufmodus zu gehen und den Gesamtstrombedarf des Moduls
von der primären Gleichspannungsversorgung
des Motors zu senken.
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Die
zweite Funktionsgruppe 14 erzeugt den hohen Wechselspannungsausgang,
der an die Zündkerze 18 übertragen
wird. Die Drossel kann ein konzentrierter Kondensator, ein konzentrierter
Induktor oder eine verteilte Induktanz mit der Streuinduktanz des
Ausgangstransformators 22 sein. In all diesen Fällen besteht
die Absicht darin und soll damit bewirkt werden, den Ausgangsstrom
zu begrenzen, sobald einmal ein Lichtbogen an den Zündkerzenelektroden 24 erzeugt
worden ist, sodass sich an den Elektroden 24 die volle
Ausgangsspannung aufbauen kann, wenn der Schaltkreis offen ist (d.h.
kein Lichtbogen). Der wesentliche Vorteil dieser Lösung besteht
darin, dass der Lichtbogen sofort wieder aufgebaut werden kann (typischerweise
innerhalb eines Viertelzyklus der Inverterfrequenz), sollte er aufgrund der
in der Brennkammer vorherrschenden Bedingungen unterbrochen werden.
Die zweite Funktionsgruppe 14 beinhaltet ferner ein Mittel 25 für die Steuerung des
Ausgangs. Diese Schaltung deaktiviert den Ausgangsteil, wenn der
Steuerungseingang 27 deaktiviert ist, und aktiviert ihn,
wenn der Steuerungseingang 27 sich im aktiven Zustand befindet. Das Ausgangssteuerungsmittel 25 kann
ebenfalls Schaltungen beinhalten, um eine höhere Genauigkeit für die Zündsteuerung
zu erzielen.
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In
der bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung liefert die zweite Funktionsgruppe 14 einen
DC-/AC-Inverter mit hoher Spannung an der Ausgangsklemme 28,
mit Ausgangsstrombegrenzung als Teil der Schaltung. Somit kann der Lichtbogen
unter allen normalen Bedingungen aufrecht erhalten und der Verschleiß der Zündkerzenelektroden 24 innerhalb
des Zylinders auf ein Minimum begrenzt werden. Der Ausgang der zweiten
Funktionsgruppe 14 ist auf das niedere Funkfrequenzband (1
KHz bis 100 KHz) eingestellt, für
flinke elektrische Schaltung und Minimierung der Größe. Die
bevorzugte Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung kann, unter Einsatz hoher Frequenzen,
geringe Masse, Kompaktheit, einheitliche Funktionalität und raschen
Aufbau von Ausgangsspannung beim Einschalten bieten, mit hohem elektrischen
Wirkungsrad bei anhaltender Lichtbogenbildung. Die Ausführungsarten
der vorliegenden Erfindung eignen sich daher sowohl für Verteilerzündsysteme
und Spulen-an-Zündkerzen-Systemen.
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Die
Ausführungsarten
der vorliegenden Erfindung benutzen einen DC/Hochspannungs-Hochfrequenz-
(RF-) Inverter, der am Ausgang eine Strombegrenzung besitzt und
Mittel beinhaltet, durch die der Inverter über ein niedriges Spannungssignal aktiviert
und deaktiviert werden kann, wie von einer Motorsteuerung zu erwarten
ist (ob analoges oder digitales System). Die Ausführungsarten
der vorliegenden Erfindung benutzen ebenfalls solche steuerbaren
Inverter sowie eine Stromversorgung, wobei die Gleichspannung zum
steuerbaren Inverter über
einen bestimmten Bereich von Primärversorgungsspannungen konstant
gehalten werden kann. Ausführungsarten
der vorliegenden Erfindung können ebenfalls
solche steuerbaren Inverter mit regelbaren Stromversorgungen beinhalten,
wobei die regelbare Gleichspannungsversorgung zum Inverter über einen
bestimmten Bereich von Gleichspannungsausgängen durch einen externen Steuereingang
an der regelbaren Versorgung gesteuert wird. Die Ausführungsarten
der Erfindung können
ferner solche steuerbaren Inverter mit Stromversorgungsmitteln beinhalten,
die externe Steuereingänge
besitzen, wobei die Stromversorgungsmittel mittels eines externen Steuereingangs
deaktiviert werden können,
um die Energieaufnahme von der Primärstromversorgung zu reduzieren.
Die Ausführungsarten
der vorliegenden Erfindung können
ebenfalls solche steuerbaren Inverter mit Stromversorgungsmitteln
beinhalten, die externe Steuereingänge für die Spannung und/oder Abschaltung
mit Zeitschaltern in der Invertersteuerungsschaltung liefern, sodass
die zeitliche Verzögerung
beim Aufbau des Lichtbogens, aufgrund der Zeit, die Inverter benötigen, um
auf vollen Betrieb zu kommen, minimiert und/oder kompensiert wird,
um genaue Zündsteuerung
für den
gesteuerten Motor zu erhalten. Die Ausführungsarten der vorliegenden
Erfindung können
ebenfalls solche steuerbaren Inverter mit regelbaren Stromversorgungen
sowie zündpunktkompensierte
Invertersteuerungen beinhalten, die zusätzliche Mittel besitzen, wobei
die Spannung an den Ausgangsklemmen und/oder der Strom durch die
Ausgangsklemmen gemessen werden kann, während der Inverter im Betrieb
ist.
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2 ist
eine detailliertere Ansicht des Funktionsschemas des Zündsystems 10 der
bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung. Es wird darauf hingewiesen, dass obwohl
die spezifische in 2 gezeigte Schaltungstopologie
zwar ausreicht, um die Funktionalität, die durch die bevorzugte
Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung angestrebt wird, zu erzielen, die Schaltung
auch unter Einsatz anderer Bausteine und Schaltungsmodelle realisiert
werden könnte.
Andere Ausführungsarten der
vorliegenden Erfindung können
auch durch verschiedene, andere Schaltungstopologien, Modelle und
Funktionstheorien realisiert werden. Die Ausführungen können ferner durch Einsatz mehrerer
diverser Fabrikate, Modelle, Technologien und elektronischer Bauteile
in jeder der kritischen, aktiven Bauelementpositionen in jeder zur
Durchführung
einer gegebenen Funktion ausgewählten
Schaltungstopologie realsiert werden. Die in der nachfolgenden,
detaillierten Beschreibung verwendeten Sätze und Begriffe dienen ausschließlich deskriptiven
Zwecken, um die Funktion dieser bevorzugten Ausführungsart klar darzustellen.
Sie sind in keiner Weise dahingehend auszulegen, dass dadurch der
Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung, für die die Ansprüche gelten,
in irgendeiner Weise begrenzt wird.
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Beachten
wir 2 benutzt das Zündsystem der bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung den Ausgangstransformator 22.
Der Ausgangstransformator 22 kann ein Magneteisen-/Keramikkerntransformator
sein, der entsprechend konfiguriert ist, um eine teilweise Entkopplung von
Primär-
und Sekundärwicklungen
zu bieten. Dies basiert auf der Ausgangsstromdrossel 16 in
Form der Streuinduktanz der Sekundärwicklung 30. Die
Primärwicklung 32 hat
eine zentrale Anzapfung 34 und Schalttransistoren 36 und 38,
die an den Endklemmen angeschlossen sind. Eine Sekundärwicklung 37 ist
zur Rückschleifung
an die Steuerklemmen der Schalttransistoren 36 und 38 vorgesehen.
Zwischen zentraler Anzapfung 34 der Primärwicklung 32 und der
geregelten Stromzufuhr 40 ist eine Drossel angeschlossen.
Von der Stromzufuhr 40 über
die Vorspannungswiderstände 42 und 44 wird
Vorspannung für die
Schalttransistoren 36 und 38 bereitgestellt. Die Primärwicklung 32 ist
durch einen Resonanzkondensator 46 überbrückt, um einen resonanten Kreis
zu bilden. Daraus entsteht ein sogenannter, stromgespeister Royer-Oszillator-Inverter.
Der Oszillator wird durch Steuertransistoren 48 und 50 deaktiviert,
die, wenn sie durch positive Spannung an Steuerklemme 52 eingeschaltet
werden, die Steuerklemmen der Schalttransistoren 36 und 38 nach
unten ziehen. Wird die Spannung an Steuerklemme 52 entfernt, werden
die Steuertransistoren 48 und 50 abgeschaltet,
sodass Vorspannung an die Schalttransistoren 36 und 38 gelangt
und somit der Betrieb des Inverters gestattet wird. Beim Start beginnt
der Oszillator, Strom aufzunehmen. Der resonante Kreis mit dem Kondensator 46 und
der Primärwicklung 32 weist eine
geringe Schwingung auf. Die rückgeschleifte Sekundärwicklung 37 ist
entsprechend angeschlossen, um unterstützende Rückschleifung an die Schalttransistoren 36 und 38 zu
bieten, sodass die Schwingung verstärkt und in einem oder zwei
Zyklen der Resonanzfrequenz Oszillation mit voller Amplitude erzielt
wird. Amplitudenoszillation wird aufgrund der unterstützenden
Rückschleifung
andauern, solange Versorgung und Vorspannung an Schalttransistoren 36 und 38 vorliegen.
Der Inverterkreis startet somit von selbst und hält sich selbst aufrecht. Kondensatoren 54 und 56 können an
einer oder beiden in 2 gezeigten Positionen vorgesehen
werden, um die Schwingung beim Einschalten zu verstärken und
auf diese Weise die Anstiegszeit des Inverters zu reduzieren. Eine
sekundäre
Messwicklung 58 ist vorgesehen, um Rückschleifung an eine Motorsteuerung
im Hinblick auf die Spannung an der Ausgangssekundärwicklung 30 zu
ermöglichen.
An der Ausgangssekundärwicklung 30 kann
die untere Klemme 60 an eine Strommesseinrichtung angeschlossen sein,
z. B. Widerstand 62 und Diode 64. Auf diese Weise
wird eine Rückschleifung
im Hinblick auf den Strom in der Ausgangssekundärwicklung 30 an die Motorsteuerung
möglich
gemacht.
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In 2 beinhaltet
der Spannungsreglerkreis, in 1 als Funktionsgruppe 12 dargestellt, Schaltregler-IC-Kreis 66,
Schalttransistor 68, Energiespeicher-Induktor 70,
Eingangsfilterkondensator 72 und Ausgangssfilterkondensator 74.
Der Schaltkreis liefert eine geregelte Spannung an den Inverter im
Bereich von 15 bis 50 Volt, je nach ausgewähltem IC-Kreis 66 und
Verhältnis
der Rückschleifwiderstände 76 und 78.
Ein Eingang 80 kann geboten werden, um die geregelte Spannung
durch eine proportionale, positive Spannung zu reduzieren. Das Ausmaß der Reduzierung
kann durch Verstellen des Wertes von Widerstand 82 geregelt
werden. Ein Steuereingang 84 ist vorgesehen, um den Schaltregler 66 über die Aktion
des Transistors 86 zu deaktivieren. Der Primärspannungseingang 88 von
der Batterie ist gegen Laststösse
und Spitzen durch eine Dämpfungsdiode 90 geschützt.
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In
den Ausführungsarten
der vorliegenden Erfindung wäre
es vorzuziehen, wenn die Spannung von der Batterie verstärkt wird,
sodass aus den 5 bis 15 Volt der Batterie 35 bis 50 Volt
für den
Oszillator werden. Dadurch könnte
die Notwendigkeit eines hohen Wicklungsverhältnisses im Transformator 22 vermindert
werden. Folglich könnte
die Größe des Transformators 22 erheblich
verringert werden.
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3 ist
eine Darstellung des Zündsystems 10 der
bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit dem Einsatz mit Zündkerzen 100 ud 102.
Aus 3 ist ersichtlich, dass der Transformator 104 direkt
an der Zündkerze 100 angeschlossen
ist. Gleichermaßen
ist Transformator 106 direkt an Zündkerze 102 angeschlossen.
Eine elektrische Leitung 108 geht von der Steuerung 110 zum
Transformator 104. Eine weitere elektrische Leitung 112 geht
von der Steuerung 110 zum Transformator 106. Auf
diese Weise kann die Steuerung 110 die benötigten Zeitsteuersignale
an Transformator 104 und 106 übertragen, um Zündkerzen 100 bzw. 102 zu
zünden.
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Gleichermaßen beinhaltet
der Transformator 104 eine Messleitung 114, die
zur Steuerung 100 geht. Transformator 106 beinhaltet
ebenfalls eine Messleitung 116, die zur Steuerung 110 geht.
Auf diese Weise kann die Steuerung 110 entsprechende Signale
von den Transformatoren 104 und 106 im Hinblick
auf die Betriebsbedingungen der Zündkerzen 100 und 102 empfangen,
sodass Ausgangsstrom und Ausgangsspannung der Sekundärwicklung überwacht
werden. Anhand dieser Informationen kann die Steuerung 110 entsprechend
programmiert werden, um die Zündung
der Zündkerzen 100 und 102 in
Abhängigkeit
von Motortemperatur und Kraftstoffverbrennung zu optimieren. Die
Fahrzeugbatterie 118 ist über Leitung 120 angeschlossen,
um die Steuerung 110 zu speisen.
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Wie
aus 3 ersichtlich werden die Zündkerzen 100 und 102 im
Gegensatz zu herkömmlichen Zündspulen
direkt an den Zündkerzen
gezündet.
Die Steuerung 110 kann ein Mikroprozessor sein, der mit den
entsprechenden Informationen programmiert ist, um die Zündung der
Zündkerzen
zu optimieren. Die Steuerung 110 kann Eingangssignale von
der Kurbelwelle oder vom Motor empfangen, um die genaue Zeit für die Zündung der
Zündkerzen 100 und 102 in der
Brennkammer festzulegen. Da die Transformatoren 104 und 106 direkt
an den Zündkerzen 100 und 102 angeordnet
sind und mit hohen Frequenzen arbeiten, werden Funkstörungen innerhalb
des Fahrzeugs praktisch ausgeschlossen. Die Transformatoren 104 und 106 sind
mit passenden Abschirmungen zu versehen, um zusätzlichen Schutz gegen Funkstörungen zu
bieten.
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Innerhalb
des Systems der Ausführungsarten
der vorliegenden Erfindung ist der 12-V-Eingang nominell die Spannung
der Batterie 118. Diese Eingangsspannung kann zwischen
sechs Volt beim Kaltstart und 14,5 bis 15 Volt beim normalen Betrieb
variieren. Ausgangsspannung und Energie des Hochspannungstransformators
ist proportional zur Eingangsspannung. Aus diesem Grund ist es notwendig,
genug Spannung und Energie mit sechs Volt Eingangsspannung zu liefern,
um das Fahrzeug bei niedrigen Spannungen, wie beim Kaltstart, zu
starten. Folglich muss die Schaltung modifiziert werden, um mit
30 kV vom Transformator bei sechs Volt Eingangsspannung zu arbeiten.
Auf diese Weise können die
Ausführungsarten
der vorliegenden Erfindung an der Eingangsspannung eine Zener-Schaltung
benutzen, oder eine ähnliche
Schaltung, um die Eingangsspannung auf sechs Volt zu begrenzen.
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Das
Signal zu den Zündkerzen
ist eine niedrige Rechteckspannung, durch die die Schaltung eingeschaltet
wird, wenn der Funke gefeuert werden soll, und ausgeschaltet wird,
wenn der Motor keinen Zündfunken
braucht. Dies kann variiert werden, um eine längere Lichtbogendauer beim
Kaltstart und eine kürzere
beim normalen Betrieb zu erhalten.
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Die
Schaltung der Ausführungsarten
der vorliegenden Erfindung kann einen Filter benutzen, um Funkfrequenzen
von der Gleichstromversorgung zu blockieren. Dieser kann aus einem
kleinen Eisentoroid und einem Filterkondensator bestehen.
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Der
in der bevorzugten Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung eingesetzte resonante Oszillator bildet
zusammen mit der Primärwicklung
des Transformators einen Oszillator mit der Wicklung 32 während des
ersten Halbzyklus der Sinusausgangsspannung und mit der Wicklung 37 während des zweiten
Halbzyklus der Sinusausgangsspannung. Geeignete Kondensatoren können eingesetzt
werden für
die Einstellung der Oszillationsfrequenz und der Primärinduktanz
und der sekundären
Streuinduktanz.
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Der
Ausgang von Transformator 22 ist eine hohe Sinusspannung,
die mindestens 20 kV erreicht (Null bis Scheitel). Die bevorzugte
Frequenz liegt im 20-kHz-Bereich.
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Der
Transformator kann verschiedene Formen haben. Ein bevorzugter Transformator 22 würde einen
Eisenkern beinhalten (mit Spalt im Mittelschenkel), mit einer Primärwicklung
mit acht Windungen und mittiger Anzapfung aus 18 gg (USA Drahtlehre Nr.
18) Magnetdraht und einer Sekundärspule
mit ungefähr
10.000 Windungen mit 40 gg (USA Drahtlehre Nr. 40) Magnetdraht.
Der Transformator 22 kann mit einem Hochspannungsgussmaterial
eingegossen sein. Die zum Transformator gehörende Schaltung kann in der
gleichen Behausung untergebracht sein. Das komplette System kann
etwa die Größe eine
Zigarettenschachtel haben.