DE68927847T2 - Verfahren zur Zündung eines Turbinenmotors - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems mit einer Zündkerze zum Zünden von Brennstoff in einem Motor unter Verwendung einer Zündfolge.
• Ein Verfahren dieser Art bzw. entsprechende Zündsysteme sind beispielsweise aus der US-A-3 571 609 bekannt geworden, die ein unipolares Zündsystem beschreibt, bei dem Funkenenergie zuerst in einem kapazitiven Netzwerk gespeichert und sodann über eine Zündvorrichtung entladen wird, und aus der DE-A-15 39 195, die ein ähnliches Zündsystem offenbart, bei dem eine Zündvorrichtung des oberflächenleitfähigen Halbleiter-Typs, ein Gleichstromumrichter und eine induktive Scheinwiderstand-Vorrichtung in Reihenschaltung mit der Zündvorrichtung zur Anwendung kommen.
• Allgemein sind Zündsysteme zum Zünden von Brennstoff in einem Turbinenmotor seit den fünfziger Jahren dieses Jahrhunderts weitverbreitet in Gebrauch, und obgleich sich heutzutage eine große Vielfalt an Systemen findet, sind sie seit jener Zeit im wesentlichen unverändert geblieben. Ein Grund, warum die Gestaltung von Zündsystemen über die Jahre hinweg keine grundlegenden Veränderungen erfahren hat, liegt darin, daß die Auslegung eines praktischen Zündsystems für Turbinenmotoren eine große Herausforderung darstellt, weil die Elektronik des Systems zuverlässig unter harten Umgebungsbedingungen arbeiten muß - d.h. in einem weiten Bereich von Temperaturen, Gemischverhältnissen, Feuchtigkeitsbedingungen und Drücken. Im Betrieb kann eine Turbine zum Beispiel Drücke erfahren, die nicht über einige Zehntel von 10&sup5; Pa (1 Atmosphäre) hinausgehen oder aber so hoch wie 10&sup6; Pa (10 Atmosphären) sein können, und die Zündvorrichtung muß unter beiden Extremen funktionieren. Beispielsweise kann ein Abreißen der Flamme während des Betriebs ein Wiederentzünden des Turbinenbrennstoffs in einer großen Höhe notwendig machen. In solch großen Höhen herrscht ein Druck von oft nur einigen Zehnteln einer Atmosphäre. Ähnlich können sich die Temperaturen in einem Bereich bewegen, der von extrem kalt (z.B.-53,8 ºC (-65 ºF)) bis sehr heiß reicht, z.B. wenn die hohen Temperaturen des Brennraums das Elektronikmodul des Erregers in der Umgebung von Temperaturen, die nahe 149 ºC (300 ºF) liegen, durchwärmen.
• Typische Zündsysteme bauen sich aus drei Komponenten auf: dem Erregergerät, den Zündleitungen und der Zündkerze. Die Zündkerze kann entweder eine Zündkerze mit Luftfunkenstrecke oder eine Zündkerze mit Halbleiterfunkenstrecke sein. Die Luftfunkenstrecken-Zündkerze ist Hochspannungszündsystemen zugeordnet, weil Zustände hohen Drucks oder Nässe eine sehr hohe Spannung verlangen (z.B. 15 kV), um die Funkenstrecke zu ionisieren. Die Halbleiter-Zündkerze ist Niederspannungssystemen zugeordnet, weil sie mit nur 2 bis 5 kV zuverlässig funktioniert. Eine Zündkerze des Halbleitertyps erzeugt aber auch einen Funken, wenn sie mit nur 1 bis 2 kV (Niederspannung) gespeist wird, vorausgesetzt, die Spannung wird für eine relativ lange Zeit angelegt. Bei einer Halbleiter-Zündkerze ist der "Halbleiter" ein Material, welches einen elektrischen Nebenschlußpfad über den Luftspalt bereitstellt. Dieses Material leitet bei einer konstanten und niedrigen Spannung (typisch 1 kV), unabhängig vom Druck. Der kleine Strom, der die niedrige Spannung begleitet, begünstigt die Ionisierung des Brennstoffgemischs oberhalb der Halbleiteroberfläche, und danach bildet sich der Lichtbogen. Sobald sich der Lichtbogen entwickelt, leitet das Halbleitermaterial nicht, weil der Bogen einen viel niedrigeren Widerstand aufweist, und die Bogenspannung beträgt nur circa 30 Volt. Es ist möglich, eine Halbleiter-Zündkerze in Verbindung mit Hochspannungszündungen einzusetzen, jedoch ist aus dem Stand der Technik bekannt, daß dies übermäßige Abnutzung oder sogar Zerstörung des Halbleitermaterials verursachen kann. Selbst manche Niederspannungssysteme, die Spitzenspannungen von 5 bis 8 kV anwenden, können das Halbleiterelement der Zündkerze beschädigen.
• Klassifiziert man Zündsysteme nach der Art des an der Zündkerze erzeugten Funkens, dann unterscheidet man zwei Systeme: bipolare und unipolare. Bei bipolaren Systemen wird der Ausgang von einem Ausgangstransformator gebildet, der die relativ niedrige Spannung an einer Energiespeicher-Vorrichtung auf circa 5-8 kV an der Zündkerze hochtransformiert. Weil ein Ausgangstransformator verwendet wird, ist die auf die Zündkerze übertragene Energie zwangsläufig durch einen Wechselstrom gekennzeichnet, der typisch eine relativ hohe Frequenz aufweist. Die Energie wird an die Zündkerze als eine Reihe von schmalen Impulsen mit hohen Spitzenleistungen abgegeben. Infolge der Abgabe der Energie als schmaler Impuls wird eine Zündkerze mit Halbleiterfunkenstrecke hohen Beanspruchungen ausgesetzt, weil die hohen Spannungen der schmalen Impulse große, zerstörerische Ströme in dem Halbleitermaterial verursachen, bevor sich ein Bogen zwischen den Elektroden der Zündkerze bildet. Ferner erscheinen die Komponenten des Erregers und die zur Zündkerze führenden Zündleitungen als verlustbehaftete Elemente bei einer bipolaren Entladung, wodurch die auf die Funkenstrecke übertragene Energie zum Zünden des Turbinen-Brennstoffgemischs verringert wird. Hinzu kommt, daß dadurch, daß der Bogenstrom so beschaffen ist, daß er in zwei Richtungen wirkt, Abnutzung sowohl an den inneren wie den äußeren zylindrischen Elektroden von Halbleiter-Zündkerzen hervorgerufen wird.
• Wegen der grundlegend verschiedenen Art und Weise, in der sie einen Funken erzeugen, verlangen unipolare Zündsysteme, daß hinsichtlich ihrer Auslegung Aspekte in Betracht gezogen werden, die sich weitgehend von denjenigen unterscheiden, die für bipolare Systeme anzuwenden sind. Beispielsweise benutzt eine unipolare Zündung keinen Transformator an ihrem Ausgang und ist deshalb nicht durch dieselben Nachteile gekennzeichnet, die durch den Wechselstrom in einem bipolaren Zündsystem entstehen. Ein unipolares Zündsystem erzeugt einen Einzelimpuls ohne Schwingerscheinung, der auf eine Spitzenspannung von 2 bis 3 kV kontrolliert ist. Diese "Niederspannung" ist für die Halbleiter-Zündkerze gefahrlos und die Dauer des Impulses ist, verglichen mit dem Impuls eines bipolaren Zündsystems, relativ lang. Ferner muß ein jeder der Mehrfachimpulse in einem bipolaren System eine Spitze haben, die höher ist als die einzelne Spitze eines unipolaren Impulses, wenn die Energieabgabe die gleiche sein soll. Wegen dieser höheren Spitzen sind die Verluste in der Elektronik und den Zündleitungen des bipolaren Systems deutlich größer als die eines gleichwertigen unipolaren Systems. Außerdem ist eine unipolare Zündung besser geeignet für den Einsatz eines Festkörperschalters, da der Schalter einfacher beschaffen sein kann, weil er nur Gleichstrom führen muß. Darüber hinaus kann ein Bogenstrom gleichbleibender Richtung an der Halbleiter-Zündkerze so gerichtet sein, daß Abnutzung hauptsächlich an der größeren (äußeren konzentrischen) Elektrode entsteht und die Erosion an der kleineren (inneren) Elektrode gemildert wird, deren physikalische Masse stets kleiner ist.
• Zwar sind der Anmelderin keine quantitativen Vergleichsdaten bekannt; in der Zündsystem-Branche herrscht jedoch im großen und ganzen die Überzeugung, daß ein unipolares Zündsystem an die Funkenstrecke einer Zündkerze einen wesentlich größeren Prozentsatz der in einer Energiespeicher-Vorrichtung gespeicherten Energie abgibt. Unter der Annahme, daß unipolare Systeme einen größeren Prozentsatz ihrer gespeicherten Energie an den Bogen abgeben, ist ein unipolares System effizienter und deshalb wirksamer als ein bipolares System gleicher Größe. Obgleich unipolare Zündsysteme verschiedene Vorteile gegenüber bipolaren Systemen aufweisen und im wesentlichen über die Jahre unverändert geblieben sind, ist es dennoch möglich, die Funkenqualität solcher Systeme zu verbessern und dadurch eine verbesserte Zuverlässigkeit der Funktion zu erreichen.
• Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, für eine wiederholte unipolare oder bipolare Zündung während des Betriebs eines Turbinenmotors zu sorgen, ohne daß die Zündkerze des Zündsystems Schaden nimmt, gleichzeitig aber die Gelegenheit zur Einleitung der Verbrennung des Brennstoffs beim Anfahren auf ein Höchstmaß gesteigert wird. In diesem Zusammenhang ist es beabsichtigt, ein Zündsystem zu schaffen, welches eine adaptive Kontrollfähigkeit aufweist, die es gestattet, das System in eine Gesamt-Anfahr-Routine für einen Turbinenmotor zur genauen Einstellung des Zündzeitpunkts zu integrieren.
• Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch das am Anfang aufgezeigte Verfahren erfüllt, welches durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: die Zündung wird eingeleitet durch Wiederholung von Funkenentladungen an der Zündkerze für ein vorgegebenes Zeitintervall mit einer erhöhten Wiederholrate, welche die Verbrennung des Brennstoffs am besten gewährleistet; und anschließend, d.h. nach dem vorgegebenen Zeitintervall, wird das Wiederholen von Funkenentladungenan der Zündkerze automatisch mit einer mittleren, relativ geringen Wiederholungsrate fortgesetzt, welche niedriger ist als die mittlere erhöhte Rate der Funkenentladung während des Zeitintervalls.
• Somit ermöglicht die Erfindung den Betrieb des Zündsystems auf kontinuierliche Art während des Betriebs des Motors, unter Anwendung einer relativ geringen Wiederholungsrate für die Funkenentladung. Um die Verbrennung einzuleiten, erhöht das Zündsystem jedoch die Funkenentladungsrate auf eine Größe, die, würde sie während der ganzen Betriebszeit des Motors aufrechterhalten, zu ernsthaften Erosionen an der Zündkerze führen würde. Um einen derartigen Schaden zu vermeiden, kommt die erhöhte Funkenentladungsrate nur für eine kurze Zeitspanne zustande. Was das letztgenannte Merkmal angeht, so ist dieses erfindungsgemäße Merkmal sowohl auf unipolare wie bipolare Zündungen anwendbar.
• Bevorzugt verwendet die Erfindung eine Zündkerze des Halbleitertyps. Die Anmelderin ist der Ansicht, daß der erfindungsgemäß vorgesehene geringe Anfangsstrom die Beanspruchung der Zündkerze stark vermindert und dadurch deren praktische Lebensdauer deutlich verlängert. Die niedrige Anfangsspannung verleiht dem Halbleitermaterial hinreichend Vorspannung, um einen geringen Strom zu führen, welcher der Bildung eines Funkens vorausgeht. Der geringe Strom gestattet es der Zündkerze, die Luft über dem Halbleitermaterial zu ionisieren, wie dies für den korrekten Betrieb der Zündkerze notwendig ist, ohne die Zündkerze unnötig dadurch zu beanspruchen, daß vor Funkenbildung ein hoher Strom durch das Halbleitermaterial erzwungen wird. Wenn der verzögerte hohe Strom die Zündkerze erreicht, ist die Luft über dem Halbleitermaterial ionisiert und vermag den Strom von dem Halbleitermaterial wegzutragen, wodurch die Belastung an der Zündkerze und Verluste durch Wärmefortleitung in die Zündkerzenoberfläche reduziert werden.
• Die Erfindung wird ausführlicher unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform erläutert, wobei es selbstverständlich nicht beabsichtigt ist, die Erfindung in diesem Umfang einzuschränken. Die Erfindung soll vielmehr alle Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abdecken, die in den Rahmen der beigefügten Ansprüche fallen.
Kurzbeschreibung der Figuren
• Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Zündsystems, welches nach einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitet;
• Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des Stromflusses während der Erzeugung eines Funkens durch das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Zündsystem, wobei zwei Stromschleifen gezeigt sind, die in dem System während der Erzeugung des Funkens gebildet werden;
• Fig. 3a-3b sind Darstellungen idealer Wellenformen für den Strom, der durch einen Ausgangsinduktor und über eine Funkenstrecke in einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Zündsystem fließt, wobei die zwei Stromsignalformen der Figuren 3a und 3b aus einem Induktor resultieren, der einen Kern ohne bzw. mit Sättigungscharakter aufweist;
• Fig. 4 ist eine graphische Darstellung von drei Stromwellenformen A, B und C, die den tatsächlichen (A und B) und den theoretischen (C) Stromfluß durch einen Ausgangsinduktor und über eine Funkenstrecke in einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Zündsystem zeigt, wobei die Wellenformen A und C aus Induktorkernen ohne Sättigungscharakter resultieren, und die Wellenform B aus einem Induktorkern mit Sättigungscharakter resultiert;
• Fig. 5 ist eine getrennte und perspektivische Darstellung eines Ausgangsinduktors eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Zündsystems, wobei eine zu dem Induktor gehörige Sensor-Vorrichtung zum Gebrauch für Diagnosezwecke gezeigt ist;
• Fig. 6 ist ein Schaltbild gemäß einer beispielhaften Ausführungsform eines Umrichters zur Umsetzung von Nieder- auf Hochspannung und einer Energiespeicher-Vorrichtung zur Bereitstellung einer Quelle hoher Energie für die Funkenstrecke eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Systems;
• Fig. 7 ist ein Schaltbild gemäß einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Triggerschaltung zur Einleitung der Energieübertragung von der Energiespeicher-Vorrichtung auf die Funkenstrecke des Zündsystems;
• Fig. 8 ist ein Schaltbild gemäß einer beispielhaften Ausführungsform einer Ausgangsschaltung eines unipolaren Zündsystems zum Gebrauch in Verbindung mit dem Gleichstromumsetzer und den Triggerschaltungen von Fig. 6 bzw. Fig. 7, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet; und
• Fig. 9 ist ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Zündsystems gemäß einer zweiten Ausführungsform, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, wobei Vorkehrungen getroffen sind, um auf Steuervorrichtungen eines Turbinenmotors ansprechen zu können, um den Zeitpunkt, zu dem ein Funke entsteht, mit dem Startzyklus der Turbine zu synchronisieren.
Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführungsform
• Es wird nun auf die Figuren Bezug genommen; und zwar zunächst auf Fig. 1, gemäß welcher ein unipolarer Zündsystem-Schaltkreis einen DC-DC-(Gleichstrom-)Umrichter 11, einen Logik-Schaltkreis 13 und einen Festkörperschalter 15 aufweist. Ausgehend von einer Gleichstromquelle 17 von relativ niederer Spannung (z.B. 28 V), liefert der DC-DC-Umrichter 11 ein Potential von circa 2500 V an eine Energiespeicher-Vorrichtung 19, die am häufigsten ein Kondensator ist, wie in Fig. 6 veranschaulicht. Zwischen der Spannungsquelle 17 und dem DC-DC-Umrichter 11 ist ein Breitbandfilter 20 vorgesehen, welches verhindert, daß durch den Erreger erzeugtes hochfrequentes Rauschen über den Gleichstromeingang abwandert. Es schützt außerdem den Umrichter 11 vor Transienten, die im elektrischen System des Luftfahrzeugs zu finden sind.
• Das erfindungsgemäße Zündsystem gestattet die Verwendung vieler Arten von DC-DC-Umrichtern, die aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt sind. Ein aus dem Stand der Technik als "Sperrwandler" bekannter Umrichter benutzt eine Pump-Ladetechnik, um die Spannung an der Energiespeicher-Vorrichtung über mehrere Ladezyklen aufzubauen. Sobald die Ladezyklen die Spannung an der Energiespeicher-Vorrichtung 19 auf einen vorbestimmten Wert aufgebaut haben, wird der Lade-Pumpvorgang unterbrochen, und die Energiespeicher-Vorrichtung entlädt auf eine Halbleiter-Zündkerze 21 des Zündsystems. Wenngleich die Ausführungsform des DC-DC-Umrichters 11 gemäß Fig. 6 einen Sperrwandler darstellt, welcher die vorstehenden Merkmale aufweist, wird dem Fachmann auf dem Gebiet der Auslegung von Zündsystemen klar sein, daß ersatzweise andere Varianten von Sperrwandlern oder andere Arten von DC-DC-Umrichtern Anwendung finden können, ohne den Rahmen der Erfindung, d.h. des erfindungsgemäßen Verfahrens, zu verlassen.
• Es wird nun auf den Logik-Schaltkreis 13 Bezug genommen, gemäß welchem, wenn die Energiespeicher-Vorrichtung 19 mit einer vorbestimmten Energiemenge aus dem DC-DC-Umrichter 11 geladen ist, ein Energie-Sensor 23 anspricht, indem er den Trigger-Schaltkreis 25 aktiviert, der den Festkörperschalter 15 einschaltet und es ermöglicht, die Energie in der Speichervorrichtung an eine Ausgangsschaltung zu überführen, welche die kommerziell erhältliche Halbleiter-Zündkerze 21 umfaßt. Die Ausgangsschaltung umfaßt ferner einen sättigungsfähigen Induktor 27 und eine Freilaufdiode 29. Der Sättigungsinduktor 27 führt eine Phasenverzögerung zwischen Spannung und Strom ein, so daß die Spannung zuerst an der Funkenstrecke der Zündkerze 21 erscheint, um ein Plasma zu bilden, bevor ein Stromstoß zustande kommt. Die Freilaufdiode 29 verhindert Schwingerscheinungen, was einen unipolaren Entladestrom zur Folge hat. Der Energie-Sensor 23 startet ferner einen Zeitgeber 30, der den DC-DC-Umrichter 11 sperrt, so daß das System nicht versucht, die Speichervorrichtung gleichzeitig zu entladen und zu laden, und der ihn gesperrt hält, um eine Verzögerung vor dem nächsten Funken zu schaffen.
• Die Funkenrate, die durch den Zeitgeber 30 hergestellt wird, ist als Kompromiß zwischen einer Funkenrate, die geeignet ist, die Turbine zu zünden, und einer Funkenrate, die niedrig genug ist, um eine lange Lebensdauer der Zündkerze sicherzustellen, zu wählen. Ferner wird in neueren Sicherheitsstandards zunehmend die Forderung nach kontinuierlichem Betrieb des Zündsystems bei schlechtem Wetter und während kritischer Betriebsbedingungen eines Luftfahrzeugs gestellt. Der kontinuierliche Betrieb gewährleistet ein Wiederentzünden im Flammabrißfall.
• Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung wird, um diesen Zwängen Rechnung zu tragen, ein Funken-Burst-Schaltkreis 31 hinzugenommen, der die durch den Zeitgeber 30 gesetzte Funkenrate verändert, wie unter Bezugnahme auf Fig. 7 noch zu erläutern. Mit Beginn der Zünd-(Start-)Folge schaltet der Funken- Burst-Schaltkreis 31 den Zeitgeber 30 in einen Zustand hoher Pulsrate. Nach Ablauf einer Zeit, die für das Zustandekommen einer normalen Zündung ausreichend ist, schaltet der Funken- Burst-Schaltkreis den Zeitgeber auf eine niedrigere (Erhaltungs-)Rate zurück, die im Hinblick auf die Sicherheit kontinuierlich betrieben werden kann, ohne jedoch die Zündkerze vorzeitig abzunutzen. Die niedrigere Funkenrate kann auch die Erregerkomponenten kleiner ausfallen lassen, da sie keiner so großen thermischen Belastung ausgesetzt werden, wie sie bei kontinuierlicher hochratiger Funkenbildung vorhanden wäre. Allgemeiner ausgedrückt, erzeugt der Funken-Burst-Schaltkreis 31 eine Wiederholung von Funken für ein vorgegebenes Zeitintervall, während dem die mittlere Wiederholungsrate größer ist als die mittlere Wiederholungsrate, mit der nach Zustandekommen der Zündung fortgefahren wird.
• Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist es, daß der Funken- Burst-Schaltkreis 31 aktiviert wird, nachdem durch Schließen eines Schalters 32 die Gleichstromquelle 17 an die Einheit geschaltet wurde. Somit erfolgt die Einleitung der Funkenfolge zu einem festen Zeitpunkt bezogen auf die Startfolge des Motors, wobei die beiden automatisch synchronisiert werden, ohne daß zusätzliche Leitungsanschlüsse erforderlich wären. Der Schaltkreis wird auch jedesmal reaktiviert, wenn die Stromversorgung unterbrochen und wiederaufgenommen wird. Damit wird für eine hohe Funkenrate zum Starten des Motors gesorgt, an die sich eine niedrigere Rate anschließt, die für Wiederentzündbarkeit sorgt, ohne die Zündkerze 21 vorzeitig zu verschleißen.
• Bei der Auslegung von unipolaren Zündsystemen, in denen ein Festkörperschalter zur Anwendung kommt, müssen Forderungen, die auf den ersten Blick im Widerspruch zueinander stehen, in Einklang gebracht werden. Um sicherzustellen, daß ein Funken an der Funkenstrecke der Zündkerze 21 die korrekten Eigenschaften aufweist, die notwendig sind, um Brennstoff in einer Vielfalt von Umgebungsbedingungen (z.B. Kälte und/oder Nässe) zuverlässig zu zünden, und wenn das Gemisch mit einer hohen Geschwindigkeit an dem Funken vorbeiströmt, ist eine relativ hohe Stromanstiegsrate (di/dt) notwendig. Die Anmelderin hat jedoch gefunden, daß ein großes di/dt den Festkörperschalter 15 einer nicht hinnehmbaren Beanspruchung aussetzt, da die Anstiegszeit des Funkenstroms von der gleichen Größenordnung ist wie die Einschaltzeit des Schalters, die typischerweise mehrere Mikrosekunden beträgt.
• Gemäß einem anderen wichtigen Aspekt. der Erfindung umfaßt der Induktor 27 einen sättigbaren Kern, wodurch der Entladestrom kontrolliert wird, was sowohl den Festkörperschalter 15 schützt wie auch eine zuverlässige Zündung des Brennstoffs unter allen Arten von Umgebungsbedingungen gewährleistet. Anfänglich wirkt der Sättigungsinduktor 27 wie eine hohe Induktivität, wodurch der di/dt-Wert für die ersten paar Mikrosekunden nach Schließen des Festkörperschalters 15 begrenzt wird. Durch die Begrenzung des Werts von di/dt wird dem Festkörperschalter 15 Zeit zum Einschalten gewährt, bevor der volle Strom erreicht ist. Dies gewährleistet eine Stromanstiegsrate (di/dt), die den Festkörperschalter 15 nicht so stark beansprucht, daß dessen Nenn- Lebensdauererwartung verkürzt wird. Wenn der Induktor 27 in Sättigung geht, wird seine wirksame Impedanz verringert, wodurch ein hoher Impulsstrom an der Funkenstrecke auftritt, der das Gemisch zuverlässig zündet. Ferner schafft die anfänglich hohe Induktivität eine äußerst wünschenswerte verlängerte Verzögerung zwischen Spannung und hohem Strom an der Funkenstrecke der Zündkerze 21. Zwar wird das Funkenphänomen an der Funkenstrecke der Zündkerze 21 aus dem Stand der Technik noch nicht vollständig verstanden; die Anmelderin stellt jedoch die Hypothese auf, daß die Verzögerung mehrere wünschenswerte Effekte hervorbringt. Im besonderen wird die Ionisationsphase beendet, bevor ein Stromstoß auftritt; somit wird der Bogen in dem Plasma oberhalb des Halbleitermaterials gebildet, und es geht weniger Wärme infolge Oberflächenleitung an die Zündkerze und den Halbleiter verloren. Ferner kann die weniger schlagartige Beaufschlagung mit Energie geringere Strahlungsverluste im akustischen (Stoßwelle), optischen und elektromagnetischen Bereich und demzufolge mehr Umwandlung in nützliche Wärme zur Folge haben. Da die Elektronikkomponenten eine angemessene Einschaltzeit zur Verfügung hatten, werden ferner ihre Verluste auf ein Mindestmaß reduziert, und der hohe Strom, der sich anschließt, läßt dem Funken einen größeren Prozentsatz der Gesamtenergie zukommen. Weil das Plasma vollständiger ausgebildet wird, ist der Bogenwiderstand niedrig (wie auch die Bogenspannung); daraus folgt eine niedrigere Spitzenleistung, und die Einsparung wird in eine längere Dauer umgesetzt. Die Anmelderin ist der Ansicht, daß durch eine gleichmäßigere Verteilung des Entladestroms über der Zeit ein besserer Funken erhalten wird, insofern als dieser den Brennstoff über einen weiten Bereich von Umgebungsbedingungen zuverlässiger zündet. Bei einer unipolaren Zündung wirkt erfindungsgemäß der Induktor 27 mit einer Ein-Richtungs-Vorrichtung zusammen, beispielsweise mit einer Freilaufdiode 29 in Fig. 1, um nach völliger Entladung der Energiespeicher-Vorrichtung 19 einen Funken aufrechtzuerhalten. Energie, die in dem Induktor 27 während der Entladung der Speichervorrichtung 19 gespeichert wird, wird durch die Ein-Richtungs-Diode 29 nach Beendigung der Entladung der Speichervorrichtung freigesetzt.
• Gemäß Fig. 2 wird die von der Zündkerze 21 abgegebene Energie anfänglich aus der Energiespeicher-Vorrichtung 19 bezogen, und zwar über die anfängliche Entladestromschleife I&sub1;, welche den Festkörperschalter 15 und Induktor 27 enthält. Nach völliger Entladung der Energiespeicher-Vorrichtung 19 wirkt der Induktor 27 mit der Ein-Richtungs-Diode 29 zur Bildung einer zweiten Stromschleife I&sub2; zusammen, wodurch der Festkörperschalter 15 und die Energiespeicher-Vorrichtung 19 wirksam überbrückt werden. Durch Überbrücken der Energiespeicher-Vorrichtung 19 werden "Schwingungserscheinungen" zwischen der Speichervorrichtung und dem Induktor 27 vermieden, was für den unipolaren Ausgang sorgt, und der Festkörperschalter 15 muß nicht für die gesamte Lebensdauer des Funkens Strom führen. Wie durch die zu dem Induktor 27 in Fig. 2 gehörigen, in Klammern gesetzten Plus- und Minuszeichen angezeigt, kehrt sich die effektive Polarität des Induktors um, wenn der Entladestrom durch die Zündkerze 21 von der Stromschleife I&sub1; zur Schleife I&sub2; wechselt. Für den Freilaufstrom I&sub2; fungiert der Induktor 27 nicht, wie in der Stromschleife I&sub1;, als ein passives Element, sondern vielmehr als eine Energiequelle. Die Änderung der effektiven Polarität des Induktors ist praktisch augenblicklich, und sobald die Vorspannung der Freilaufdiode 29 überwunden ist, wird der Strom sehr schnell von der Energiespeicher-Vorrichtung 19 her- und durch die Diode geleitet.
• Wie durch die Figuren 3a und 3b veranschaulicht, unterscheidet sich das charakteristische di/dt, welches von einem herkömmlichen Induktor (Fig. 3a) geliefert wird, deutlich vom di/dt eines Induktors mit sättigbarem Kern (Fig. 3b). Bei Stromsignalformen, die aus einem herkömmlichen Induktor resultieren, ist di/dt zunächst sehr hoch und fällt unter Annäherung an den Höhepunkt allmählich auf Null ab. Im Gegensatz zu dem monotonen Abfall von di/dt bei einer idealen Wellenform für einen herkömmlichen Induktor, ist ein Induktor mit sättigbarem Kern durch ein zunächst monoton ansteigendes di/dt gekennzeichnet, wobei sich dieser Zustand fortsetzt, bis der Induktor in Sättigung geht. Der Faktor, der diese uncharakteristische Form verursacht, ist dL/di, d.h. die Änderung der Induktivität bezogen auf den Strom infolge der Sättigung des Kernmaterials. Wenn der Kern des Induktors in Sättigung geht, fällt die Induktivität ab, wohingegen der Nettowert von di/dt während des Sättigungsprozesses tatsächlich ansteigt. Wenn der Kern vollkommen gesättigt ist, fällt das di/dt während der Annäherung an den Höhepunkt monoton gegen Null ab. In Fig. 3b ist die ideale Wellenform in zwei Anteile zerlegt, und zwar in eine anfängliche Zeit niedrigen Stroms und niedrigen di/dt-Werts und eine darauffolgende Zeit hohen Stroms und hohen di/dt-Werts. In dem Zeitintervall, welches der Trennungslinie unmittelbar vorausgeht, sättigt sich der Kern des Induktors und die effektive Induktivität des Induktors nimmt ab, was eine Zunahme des di/dt-Werts bewirkt. Nach Sättigung verändert sich der Induktivitätswert nicht mehr, dL/di = 0, und der weitere Stromanstieg folgt der normalen Exponentialkurve, die für eine feste Induktivität zu erwarten ist.
• Es wird nun auf die experimentellen Stromsignalformen A und B von Fig. 4 Bezug genommen, gemäß welcher die Wellenform A der Strom an einer Zündkerze eines Systems ist, bei dem ein Induktor mit sättigbarem Kern gemäß der Erfindung zur Anwendung kommt. Wie bei Betrachtung der Wellenform A erkennbar, hat sie die charakteristische Gestalt, die in Verbindung mit Fig. 3b beschrieben wurde. Während des Zeitintervalls vor Sättigung ist das di/dt klein, und der Festkörperschalter des Systems erfährt beim Einschalten nur einen relativ schwachen Strom. Sobald sich der Kern des Induktors in Sättigung befindet, beginnt der Strom relativ schnell anzusteigen, während die Induktivität kleiner wird.
• Setzt man anstelle des Induktors mit sättigbarem Kern einen herkömmlichen Induktor ein, gelangt man zu der Wellenform B. Um eine zerstörerische Erwärmung des Festkörperschalters und einen vorzeitigen Ausfall des Zündsystems zu vermeiden, muß die von der Wellenform B gelieferte Spitzenenergie auf einen Wert begrenzt werden, der deutlich unter der Spitzenenergie der Wellenform A liegt. Ist die Spitzenenergie eines herkömmlichen Induktors gleich derjenigen, die von einem Induktor mit sättigbarem Kern geliefert wird, wie durch die theoretische Wellenform C gezeigt, erzeugt das schnelle anfängliche di/dt relativ hohe Ströme, bevor der Festkörperschalter seinen Übergang vom ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand beendet hat. Diese hohen Ströme erwärmen den Festkörperschalter in zerstörerischem Umfang und machen ihn zu einer unpraktischen Vorrichtung zum Gebrauch in Verbindung mit einer herkömmlichen unipolaren Zündung, welche die vorliegende Erfindung nicht beinhaltet.
• Der Induktor 27 mit sättigbarem Kern hat im allgemeinen einen geschlossenen Magnetpfad oder höchstens einen sehr kleinen Luftspalt. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, daß eine ringförmige Gestaltung des magnetisch permeablen Materials, von welchem der Kern des Induktors gebildet ist, sich gut dazu eignet, einen sättigbaren Kern zu schaffen.
• Es stehen viele Materialien zur Verfügung, aus denen sich ein Kern aufbauen läßt, wobei die Wahl die erreichbaren di/dt- Charakteristika beeinflußt. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde ein Eisenpulverkern sehr hoher Dichte für den Toroid verwendet. Die hohe Dichte vermittelt dem Toroid eine hohe Permeabilität (z.B. circa 75), woraus eine sehr hohe Anfangsinduktivität für eine gegebenen Größe und Anzahl von Windungen resultiert. Es gibt noch verschiedene andere Eigenschaften, die diesen Werkstoff zur guten Wahl machen. Erstens ist er im Vergleich zu alternativen Materialien, wie den Ferriten und Metallegierungen, ein relativ preisgünstiger Werkstoff. Zweitens hat er einen hohen Sättigungspegel, der geeignet ist für die großen Ströme bei einer Zündung. Dies ist eine Folge der Eigenschaften von Eisenpulverkernen mit aufgeteiltem Spalt, begründet durch den nichthomogenen Aufbau aus diskreten Eisenteilchen, die zusammengepreßt werden. Drittens bleiben seine Eigenschaften über den in einem Zündsystem erfahrenen großen Temperaturbereich ziemlich konstant.
• Wegen der großen Unterschiede in den Kennwerten von Motoren und Zündkerzen glaubt die Anmelderin, daß für manche Systeme möglicherweise andere Materialien zu bevorzugen sind, und die Verwendung dieser Materialien fällt ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung.
• In Einklang mit der Erfindung ist der Toroid und dessen Hauptwicklung 33, wie in Fig. 5 gezeigt, so zu bemessen, daß drei Bedingungen erfüllt sind. Erstens muß die Sättigungsinduktivität des Induktors so gewählt sein, daß der Spitzenstrom während der Entladung von Energie an der Funkenstrecke der Zündkerze kontrolliert wird. Zweitens muß die Anfangsinduktivität des Induktors groß genug sein, um den Anfangsstrom auf einen relativ kleinen Wert zu begrenzen, indem der Wert von di/dt begrenzt wird. Die dritte Bedingung, die der Induktor zu erfüllen hat, bezieht sich auf das physikalische Volumen des Toroids, welches Einfluß darauf hat, wieviel Energie der Sättigungsinduktor speichern kann. Die Verzögerung zwischen dem anfänglichen Auftreten von hoher Spannung an der Zündkerze und dem Auftreten eines hohen di/dt-Werts an der Zündkerze ergibt sich aus dem Vermögen des Induktors, Energie aufzunehmen und später wieder freizusetzen.
• Weil der Sättigungsinduktor direkt im Pfad des Funkenstroms an der Funkenstrecke der Zündkerze liegt, kann der sättigbare Kern des Induktors zur Überwachung der Eigenschaften und des Verhaltens des Funkens über der Zeit verwendet werden. Gemäß einem anderen wichtigen Aspekt der Erfindung kann durch Vorsehen einer Sekundärwicklung 35 mit nur einer oder zwei Windungen, wie in Fig. 5 gezeigt, eine Sensor-Vorrichtung realisiert werden, um das Verhalten des Funkenstroms zu überwachen. Obgleich das von der Sekundärwicklung 35 kommende Signal keine Nachbildung der Signalform des Funkenstroms liefert, läßt sich das sekundäre Signal zu der Stromsignalform in Beziehung bringen, derart, daß die Qualität des Funkens, die Bedingungen der Zündkerze 21, das Verhalten der Erregerschaltungsanordnung und des Verbrennungs-/Zündprozesses im allgemeinen bestimmt werden können.
• Es ist ein hinreichend bekanntes Problem aus dem Laborbereich, daß das Messen von Strömen in Hochspannungssystemen potentiell gefährlich ist und die Isolierung sorgfältiger Berücksichtigung bedarf, so daß das Meßsignal nahe Massepotential gehalten werden kann. Typisch werden zu diesem Zweck Hilfsspannungsund/oder -stromtransformatoren verwendet, wobei diese jedoch zusätzliche Hardware-Komponenten darstellen, die unabänderlich zu Einfügungsverlusten führen und deren räumliche Unterbringung in einem Schaltkreis, wie dem Erregerschaltkreis für ein Zündsystem, Schwierigkeiten bereitet. Ferner kann die Anordnung eines Hilfstransformators an einem geeigneten Überwachungspunkt die Signalformen abträglich beeinflussen, anstatt sie zu überwachen. Durch zusätzliches Aufbringen einer Sekundärwicklung 35 auf den Toroid 27 mit sättigbarem Kern selbst, wie in Fig. 5 gezeigt, wird jedoch ein getrenntes Signal geschaffen, welches sicher und niedriggespannt ist und das Verhalten des Induktors und des Systems widerspiegelt. Bevorzugt ist ein Band 36 um den Toroid 27 als Isolierung zwischen den Wicklungen des Induktors 27 und des Sensors 35 vorhanden.
• Bei dem erfindungsgemäß arbeitenden Zündsystem weist die Hauptwicklung 33 des Induktors im allgemeinen eine große Anzahl von Windungen auf (z.B. 68). Wenn die Sekundärwicklung 35 eine einzige Windung hat, beträgt das Abwärtsübersetzungsverhältnis 1/68. Für eine Ausgangsspannung von 2500 V ist deshalb der Diagnoseausgang der Sekundärwicklung auf circa 36 V begrenzt. Von der Sekundärwicklung herkommend, wird das Signal einer Diagnoseeinheit 37 zur Analyse mit Hilfe einer Vielfalt von herkömmlichen analogen oder digitalen Methoden zugeführt. Die Resultate jeder von der Diagnoseeinheit gelieferten Analyse können dazu benutzt werden, das Verhalten des Funkenstroms anzuzeigen oder die Notwendigkeit der Wartung oder des Austauschs der Zündvorrichtung signalisieren.
• Im besonderen kann, in einer vereinfachten Form, das Diagnosesystem die folgenden Bedingungen unterscheiden: 1) Ausfall der Zündkerze, der sich als offener Stromkreis zeigt; 2) Verhaltensanzeige auf der Grundlage der Funkendauer; 3) elektrische Störung an der Leitung oder starke Verschmutzung der Zündkerze, die sich als Kurzschluß zeigt; und 4) Ausfall des Erregers, der zur Folge hat, daß kein Ausgangsimpuls vorhanden ist.
• Eine Darstellung einer spezifischen Ausführungsform einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Zündsystem-Schaltungsanordnung ist in den Figuren 6, 7 und 8 gezeigt. Obgleich diese spezifische Ausführungsform die derzeitige Wahl der Gestaltung seitens der Anmelderin darstellt, wird für den Fachmann erkennbar sein, daß andere bestimmte Ausführungen unipolarer Zündsysteme gleichermaßen gut für die Erfindung geeignet sein können.
• Im folgenden wird die Arbeitsweise des in Fig. 6 gezeigten Systems ausführlich beschrieben, wobei, wenn das Zündsystem anfänglich an die Gleichstromquelle 17 angeschlossen wird, dem DC-DC-Umrichter 11 gefilterter Strom durch das EMB-Filter 20 zugeführt wird, womit C1 geladen wird. Ein kleiner Strom fließt vom Kondensator C1 zu einem Widerstand R2, einer Zener-Diode Z1 und einem Widerstand R1 an Masse. Damit erhält das Gate eines Transistors Q1 eine positive Vorspannung, wodurch dieser teilweise durchgesteuert wird und ein Strom zwischen Drain und Source von Q1 fließen kann. Dieser Strom wird der Primärwicklung N1 (N1 PRI) des Transformators T1 über den Kondensator C1 zugeführt. Vom Transistor Q1 fließt der Strom durch den Widerstand R1 an Masse. Der Transistor Q1 ist bevorzugt eine als n-Kanal-Anreicherungstyp ausgeführte Leistungs-MOSFET-Vorrichtung.
• Die Sekundärwicklung N2 (N2 SEC) des Transformators T1 ist eine Rückkopplungswicklung, die bewirkt, daß eine positive Spannung an die Basis des MOSFET Q1 über einen Widerstand R5 und Kondensator C2 zurückgeführt wird. Die Rückführung der positiven Spannung bewirkt die volle Durchsteuerung des MOSFET Q1 durch eine starke Vorspannung in Durchlaßrichtung. Zum Schutz der Gate-Source-Strecke des MOSFET Q1 begrenzt eine Zener-Diode Z1 die Rückführspannung von der Wicklung N2 auf einen Wert, der den Nennwert (Vgs) der Gate-Source-Strecke des MOSFET Q1 nicht überschreitet.
• Während der Einschaltzeit des MOSFET Q1 ist die Polarität der Ausgänge der Sekundärwicklungen N2 und N3 (N3 SEC) des Transformators T1 positiv. Das positive Potential von den Ausgängen von N2 und N3 wirkt mit einer Diode D4 zusammen, um den DC-DC- Umrichter 11 (einschließlich der Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators T1) wirksam von der Energiespeicher-Vorrichtung 19 des Systems, die von dem Kondensator CS in Fig. 6 gebildet ist, zu entkoppeln. Anzumerken ist, daß die Diode eine positive Spannung erfährt (z.B. circa 1000 V), wenn ein neuer Ladezyklus beginnt. Bei der dargestellten Zündung wird der Hauptspeicher-Kondensator C5 auf eine hohe negative Spannung geladen (z.B. circa -2500 V); deshalb muß am Ende des Ladezyklus die Diode D4 den vollen Bereich der potentiellen Energie (z.B. mindestens 1000 plus 2500 V oder 3500 V) sperren.
• Zur Einleitung des Rücklaufzyklus des Umrichters 11 spricht der Umrichter auf eine Spannung über Widerstand R1 an, die dem Strom durch die Primärwicklung N1 des Transformators T1 proportional ist. Wenn der Strom 3 A erreicht, beträgt die Spannung über dem Stromsensor-Widerstand R1 circa 0,75 V, was ausreichend ist, um den Transistor Q2 über das von R3 und R4 gebildete Spannungsteiler-Netzwerk einzuschalten. Durch Einschalten des Transistors Q2 wird das Gate des MOSFET Q1 zugesteuert, wodurch Q1 ausgeschaltet und der Strompfad des Primärstroms geöffnet und somit der Strom auf 3 A begrenzt wird. Dieses Verfahren ist aus dem Stand der Technik als stromabhängige Steuerung bekannt.
• Durch Unterbrechen des Stroms durch die Primärwicklung N1 des Transformators T1 bricht das Magnetfeld zusammen, welches die Wicklungen N1, N2 und N3 koppelt, und die in der Wicklung N1 gespeicherte Energie wird an die Sekundärwicklungen N2 und N3 übertragen. Die Wicklungen N2 und N3 sind typisch eine einzige Wicklung mit einer Anzapfung. Wenn der Primärstrom unterbrochen und die in der Wicklung N1 gespeicherte Energie an die Sekundärwicklungen N2 und N3 übertragen wird, wird die Polarität der in den Sekundärwicklungen gespeicherten Energie umgekehrt, was dazu führt, daß die Ausgangsspannungen der Sekundärwicklungen ein negatives Potential annehmen. Die Ausgangsspannung der Wicklung N3 wird durch die Diode D4 auf eine vorbestimmte Spannung bezogen auf die negative Elektrode des Hauptspeicher-Kondensators C5 begrenzt. Dementsprechend erzeugt das negative Potential am Ausgang der Sekundärwicklung N3 einen Ausgangsstrom, der den Kondensator C5 in negativer Richtung lädt.
• Die an der Anzapfung zwischen den Sekundärwicklungen N2 und N3 abgegriffene Spannung stellt eine relativ niedrige Spannung zum Kondensator C4 bereit, der vom Logik-Schaltkreis 13 als Energiequelle benutzt wird. Die Spannung VN2 lädt den Kondensator C4 durch eine-Diode D5 und einen Widerstand R8 auf eine vorbestimmte Spannung (z.B. -80 V), wie nachfolgend in Verbindung mit der in Fig. 7 gezeigten Trigger-Schaltung 25 erläutert. Ferner wird die Spannung am mittigen Abgreifpunkt zwischen den Wicklungen N2 und N3 auf den MOSFET Q1 im DC-DC-Umrichter 11 über Widerstand R5 und Kondensator C2 rückgekoppelt. Diese negative Spannung von den Sekundärwicklungen N2 und N3 dient, im Anschluß an das anfängliche Sperren des MOSFET Q1 dazu, Q1 vollends zu sperren, indem dem Gate von Q1 eine starke negative Spannung zugeführt wird, wodurch gewährleistet wird, daß der MOSFET Q1 ausgeschaltet bleibt, bis die gesamte Energie in den Sekundärwicklungen N2 und N3 an den Hauptspeicher-Kondensator C5 übertragen ist.
• Es wird nun auf Fig. 7 Bezug genommen, gemäß welcher der Energie-Sensor-Schaltkreis 23 die Spannung an dem Energiespeicher- Kondensator C5 mittels eines Spannungsteilers R11 und R12 erfaßt. In der gezeigten Ausführungsform wird dann, wenn die Spannung am negativen Anschluß des Kondensators C5 einen vorbestimmten Wert erreicht (z.B. -2500 V), der Festkörperschalter 15 geschlossen, so daß die in dem Kondensator C5 gespeicherte Energie an die Funkenstrecke übertragen wird. Der Festkörperschalter 15 ist bevorzugt von einem Einzelthyristor 41 oder einer Reihe von Thyristoren gebildet, die durch Impulstransformatoren 39 gezündet werden, wie in Fig. 8 gezeigt.
• Mit fortschreitender Ladung des Kondensators C5 auf einen vorbestimmten Wert hin, wird durch ein Spannungsteiler-Netzwerk, welches gemäß Fig. 7 R10, R11 und R12 umfaßt, das Gate eines N-Kanal-JFET Q6, vorgespannt, so daß er eingeschaltet bleibt. Im eingeschalteten Zustand hält der JFET Q6 den Transistor Q4 in einem Aus-Zustand, weil der JFET Q6 einen wirksamen Nebenschlußkreis für die Basis des Transistors Q4 schafft. Wenn die Spannung der Gate-Source-Strecke des JFET Q6 während des Ladens des Speicherkondensators C5 negativ wird, nähert sich der JFET Q6 einem Ausschaltzustand. Nach Ausschalten des JFET Q6 wird ein Schalter in dem Trigger-Schaltkreis 25, welcher die Transistoren Q4 und Q5 umfaßt, geschlossen, wodurch sich die in dem Kondensator C4 gespeicherte Energie auf die Impulstransformatoren 39 des Festkörperschalters in Fig. 8 entladen kann.
• Wenn die Spannung am Speicherkondensator C5 einen vorbestimmten Volladewert erreicht, ist die Gate-Source-Spannung des JFET Q6 ausreichend negativ, um Q6 auszuschalten, wodurch ein Strom in die Basis des Transistors Q4 über den Widerstand R10 und eine Zener-Diode Z3 fließen kann. Mit Einschalten des Transistors Q4 wird auch der Transistor Q5 eingeschaltet. Die sich verändernde Vorspannung von Kollektor, Emitter und Basis des Transistors Q4 ergänzt die Vorspannung des Transistors Q5 derart, daß er einschaltet und das Einschalten des Transistors Q4 beschleunigt. Als Folge davon wird die Kombination der Transistoren Q4 und Q5 im Einschaltzustand festgehalten, bis C4 völlig entladen ist. Im wesentlichen fungieren die Transistoren Q4 und Q5 und Widerstände R16 und R17 als eine thyristorartige Vorrichtung, um über die vorgenannten Impulstransformatoren 39 ein Triggersignal an die Thyristoren 411 von welchen der Festkörperschalter 15 gebildet ist, abzugeben, wie in Fig. 8 gezeigt.
• Als Antwort auf die Aktivierung des Trigger-Schaltkreises 25 entwickelt sich aus dem Kondensator C4 ein Entladestrom, der auch durch einen Widerstand R9 und eine Zener-Diode Z2 in dem Zeitgeber-Schaltkreis 30 fließen muß. Im Zusammenspiel mit dem Widerstand R9 und der Zener-Diode Z2 bewirkt der Entladestrom das Auftreten eines Impulses in dem Zeitgeber-Schaltkreis 30. Bei dem Zeitgeber handelt es sich um ein RC-Netzwerk, welches von einem Widerstand R6 und einem Kondensator C3 gebildet ist. Der Kondensator C3 wird durch den Impuls über eine Diode D3 geladen. Jedoch gestattet die Diode dem Kondensator C3 ein Entladen nur über Widerstand R6. Der geladene Kondensator C3 schaltet einen MOSFET Q3 ein. Wenn sich die Spannung an dem Kondensator C3 durch den Widerstand R6 entlädt, schaltet der MOSFET Q3 aus. Während der MOSFET Q3 eingeschaltet ist, sendet jedoch der Zeitgeber-Schaltkreis 30 ein Sperrsignal an den DC-DC-Umrichter 11 von Fig. 6.
• In Fig. 7 ist ferner ein optionaler Funken-Burst-Schaltkreis 31 gezeigt, der am Gate von Q3 mit dem Zeitgeber 30 verbunden ist. Wie in Verbindung mit Fig. 1 erörtert, verändert der Funken- Burst-Schaltkreis 31 die Funkenrate entweder abrupt oder allmählich, so daß eine zeitweilig hohe Funkenrate besteht, wenn der Motor gestartet wird, gefolgt von einer Absenkung der Rate im Anschluß daran. In Fig. 7 wird das Eintreffen des Eingangsgleichstroms über das EMB-Filter benutzt, um anzuzeigen, daß eine Zündfolge beginnt. Die Spannung wird an ein RC-Zeitgabenetzwerk anlegt, welches von R18 und C9 gebildet ist. Beim Anlegen von Spannung steigt die Spannung an der Verbindung zwischen R18 und C9 augenblicklich mit der angelegten Spannung, um sodann langsam gegen Masse abzufallen, während C9 von R8 geladen wird. Der anfängliche Spannungsanstieg an der Verbindung ist an das Gate eines MOSFET Q7 gekoppelt, der sofort einschaltet, wenn die an seinem Gate anliegende Spannung angehoben wird. Während die Spannung an der Verbindung gegen Null abfällt, verringert sich die Gate-Source-Spannung bis zum Erreichen von VgsOFF (d.h. 1 bis 2 V), und daraufhin schaltet Q7 aus.
• Während der Zeit, in der Q7 eingeschaltet ist (d.h. circa 5 bis 30 Sekunden), ist der Zeitgeber 30 gesperrt, weil das Gate von Q3 durch Q7 zugesteuert wird. Mit Q3 im ausgesteuerten Zustand ist der DC-DC-Umrichter nicht gesperrt, sondern läuft kontinuierlich. Dies bewirkt ein Laden und Zünden des Erregers mit einer hohen Rate. Sobald Q7 abschaltet, wird er durch die hohe Impedanz seiner Drain-Source-Schaltung von der Zeitgeber-Schaltung entkoppelt.
• Für den Fachmann wird erkennbar sein, daß andere Anordnungen für die Funken-Burst-Zeitverzögerung möglich sind, und auch, daß der Eingang, welcher den Funkenburst auslöst, von einem externen Signal gebildet sein könnte, z.B. von einer Motorsteuerungseinheit (ECU) herkommend. Es ist ferner anzumerken, daß ein alternatives digitales Verfahren vorgeschlagen wird, welches eine vorgegebene Anzahl Funken mit einer feststehenden hohen Rate auftreten läßt und sodann auf eine niedrige Rate schaltet. Eine derartige Realisierung könnte die Form eines voreingestellten Digitalzählers annehmen oder könnte durch eine geeignete Befehlsfolge für einen Microcontroller implementiert sein, der die kompletten Logikfunktionen eines Zündsystems ausführt.
• Wie in Fig. 8 gezeigt, ist der Festkörperschalter 15 des Zünd- Systems vorzugsweise durch eine Folge von zusammengeschalteten Thyristoren 41 realisiert, die jeweils eine hohe Standoff- Spannnung und eine sehr hohe Strompulskapazität aufweisen. Die Anmelderin weist darauf hin, daß es vorzuziehen wäre, einen einzigen Thyristor zu verwenden; es ist jedoch unwahrscheinlich, einen für die notwendige Spannung (z.B. 2500 V) bemessenen Thyristor zu finden. Nach Zünden der in Reihe geschalteten Thyristoren entlädt sich die in dem Speicherkondensator C5 gespeicherte Energie über den Sättigungsinduktor 27 auf die Halbleiter-Zündkerze 21. Wenn die Thyristoren durch den Trigger-Schaltkreis 25 gezündet werden, wird die negative Elektrode des Kondensators C5 wirksam auf Massepotential gebracht, was dazu führt, daß die positive Elektrode des Kondensators C5 von Massepotential auf eine hohe positiven Spannung gebracht wird (z.B. +2500 V Gleichstrom).
• Die positive Spannung am Kondensator C5 kehrt die Vorspannung an der Diode D9 um, wodurch die positive Elektrode des Kondensators wirksam vom Massepotential entkoppelt wird, welches typisch durch das Potential des Gehäuses für das Zündsystem definiert ist. Das hohe Potential an der positiven Elektrode des Kondensators C5 wird der Zündkerze 21 über den sättigbaren Induktor 27 angeboten.
• Die Energie zur Erzeugung eines Funken (CV²) wird zuerst als elektrisches Potential im Kondensator C5 gespeichert und dann an den Sättigungsinduktor 27 übertragen, in dem sie als magnetische Energie (LI²) gespeichert wird. Wenn der Kondensator C5 vollständig entladen ist, wird die Diode D9 in Vorwärtsrichtung vorgespannt und hält den Strom über der Funkenstrecke der Zündkerze 21 und durch die Diode D9 und den sättigbaren Induktor 27 aufrecht. Mit vollständiger Entladung des Kondensators C5 ist der Festkörperschalter 15 nicht mehr länger Bestandteil des Strompfades.
• Obgleich die Anwesenheit eines Induktors mit sättigbarem Kern in dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Zündsystem die Thyristoren von einigen schweren betrieblichen Anforderungen entlastet, die andernfalls notwendig wären, hängt die Gesamtsystemwirksamkeit und -zuverlässigkeit dennoch teilweise von einer konservativen Wahl der Thyristoren ab. Der Fachmann auf dem Thyristorgebiet wird erkennen, daß in dem Schaltkreis von Fig. 8 die Thyristoren in der Lage sein müssen, der maximalen Spannung zu widerstehen, auf die der Kondensator C5 geladen wird. Wenn mehrere Thyristoren in einer seriengeschalteten Kette verwendet werden, wie in der dargestellten Ausführungsform, vervielfacht sich ihre effektive Standoff- Spannung um die Anzahl der Geräte in der Kette. Obgleich von der Anmelderin die Verwendung anderer Geräte für den Festkörperschalter 15 vorgeschlagen wird, sind Thyristoren derzeit die bevorzugten Vorrichtungen, weil sie in der Lage sind, in ihrem eingeschalteten Zustand hohe Stromstöße zu führen und in ihrem ausgeschalteten Zustand hohen Potentialen widerstehen können. Im allgemeinen sollte der bevorzugte Festkörperschalter 15 konstruktiv so ausgebildet sein, daß er gute physikalische Eigenschaften aufweist, die ihn befähigen, wiederholten thermischen Wechselbeanspruchungen standzuhalten. Die Thyristoren 41 müssen eine geeignete Chipfläche haben, so daß sie einen niedrigen Durchlaßspannungsabfall aufweisen, weil die Stoßströme sehr hoch sind und der Wirkungsgrad durch Verluste in dem Schalter 15 gefährdet ist. Diese Parameter für den Festkörperschalter 15 müssen über den gesamten Temperatur- und Druckbereich der beabsichtigten Anwendung aufrechterhalten werden. Zusätzlich muß der Schalter 15 eine schnelle Einschaltzeit bezogen auf die von dem Induktor 27 mit sättigbarem Kern verfügbare Verzögerung aufweisen. Dennoch ist der di/dt-Wert des Thyristors nicht so wichtig, weil die Stromanstiegsgeschwindigkeit während der Einschaltzeit, in der der Schalter 15 am schadensanfälligsten ist, durch den Sättigungsinduktor kontrolliert wird.
• In gewissen Hochleistungsturbinen ist das Zündfenster (das Zeitintervall, in dem ein Funke höchstwahrscheinlich eine Zündung herbeiführt) möglicherweise sehr kurz, und es kann leicht geschehen, daß mit fester Rate gebildete Funken gerade vor und nach der idealen Zeit erscheinen. Bei dem System von Fig. 1 sowie den meisten herkömmlichen Zündsystemen findet die Funkenentladung automatisch statt, wenn die Spannung an der Energiespeicher-Vorrichtung 19 einen Wert erreicht, bei dem die gewünschte Menge an Funkenenergie CV² gespeichert ist. In herkömmlichen Lichtbogenstrecken-Röhrenerregern ist dieser Wert durch die Durchschlagspannung der Lichtbogenstrecke festgelegt, die ihren Aus-Zustand in Anwesenheit eines voll geladenen Energiespeicherkondensators nicht aufrechterhalten kann. Ein zeitliches Abstimmen des Anlegens der Gleichstromenergie an die Erregerschaltung des Zündsystems ist keine akzeptable Lösung, um den Funken in das Zeitfenster zu bringen, weil die Ladezeit der Erregerschaltung abhängig ist von dem Wert der Eingangsgleichspannung (d.h. 10-30 V), womit das Intervall vom Anlegen der Gleichstromenergie bis zur Einleitung eines Funkens beträchtlich variiert.
• Wie in Fig. 9 gezeigt, kann der Logik-Schaltkreis 13 von Fig. 1 so abgewandelt werden, daß eine Konfiguration geschaffen wird, bei welcher der Energie-Sensor 23 den DC-DC-Umrichter 11 sperrt, ohne jedoch den Trigger-Schaltkreis 25 zu veranlassen, den Festkörperschalter 15 sofort zu zünden. Stattdessen wird das Zünden des Festkörperschalters 15 bis zum Erhalt eines Befehls von einem externen Eingang verzögert. Nachdem die Energiespeicher-Vorrichtung 19 ihre volle Energie erreicht hat, wird der DC-DC-Umrichter gesperrt, wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben. Jedoch muß gemäß dieser alternativen Ausführungsform der Trigger-Schaltkreis 25 auch auf einen Synchronisationsbefehl von der ECU 43 warten. Die ECU führt allgemein eine Folge von Funktionen aus, um den Motor zu starten. Die Folge umfaßt für gewöhnlich folgendes: 1) Anlegen einer Gleichspannung an die Erregerschaltung; 2) Startermotor in Eingriff bringen, um die Turbine auf einen Prozentsatz der Volldrehzahl zu beschleunigen; 3) Brennstoffzerstäubung einleiten; 4) Zündsystem in einem genauen Zeitpunkt bester Zündbedingungen zünden; und 5) Zünden des Zündsystems fortsetzen oder mit seiner eigenen Rate weiterarbeiten lassen. Die ECU ist eine kommerziell erhältliche Einheit, die den Betrieb des Turbinenmotors steuert; in der Regel steuert sie den Brennstoff-Fluß in Abhängigkeit von Höhe, Drehmoment, Drehzahl und Befehlen vom Piloten. Sie ist zweckmäßig aufwendig und in der Lage, dem Zündsystem Befehle zukommen zu lassen, um das Verhalten zu optimieren. Ein anderes nützliches Signal, daß die ECU zu erzeugen vermag, ist ein "Funkenenergie"-Befehlssignal, welches den Energie-Sensor 23 direkt zu steuern vermag, derart, daß das Laden der Energiespeicher-Vorrichtung 19 an jedem bestimmten Wert angehalten wird. Beispielhaft ist ein solches Signal ein höhenbasiertes, in der Voraussicht, daß die Zündung in großen Höhen erschwert ist und deshalb mehr Energie verlangt. Aus einem Vergleich von Fig. 1 und Fig. 9 wird ersichtlich, daß Vorrichtungen, die beiden Ausführungsformen der Erfindung gemeinsam sind, in den beiden Darstellungen mit gleichen Ziffern gekennzeichnet sind. Auf eine erneute ausführliche Beschreibung dieser gemeinsamen Vorrichtungen in Verbindung mit der Ausführungsform von Fig. 9 wird deshalb verzichtet.
• Bezugnehmend auf die alternative Ausführungsform für den Logik- Schaltkreis 13 in Fig. 9, wird das Signal an den Trigger- Schaltkreis 25, welches den Funken einleitet, von zwei Bedingungen abhängig macht. Erstens muß der Energie-Sensor 23 anzeigen, daß die Energiespeicher-Vorrichtung 19 auf das von der ECU 43 vorgegebene Niveau geladen ist. Zweitens muß der synchronisierende "Zünd"-Befehl von der ECU zustande kommen, wobei die ECU diesen Befehl verzögert, bis sie den korrekten höhenabhängigen Brennstoff-Fluß (Gemisch) hergestellt hat und der Motor die korrekte Startgeschwindigkeit hat. In diesem Zeitpunkt sind die Bedingungen optimal, daß der erste Funken das Gemisch zündet. Das UND-Glied 45 in Fig. 9 definiert die von den zwei Bedingungen gebildete Anforderungen für den ersten Funken; es gestattet ferner der ECU 43, die aufeinanderfolgenden Funken durch mehrere optionale Verfahren zu kontrollieren. Wenn die ECU nur einen Funken erzeugen muß, versetzt sie die "Zünd"-Befehlsleitung in einen Aus-Zustand - dadurch wird die Leitung durch die ECU lediglich gepulst. Wenn die ECU entscheidet, daß zusätzliche Funken, kontrolliert durch ihre eigene Zeitgabe, erzeugt werden sollen, pulst sie aufeinanderfolgend den "Zünd"-Befehl jedesmal dann, wenn ein Funke gewünscht ist -vorausgesetzt, sie hat dem Erreger genug Zeit gewährt, die Energiespeicher-Vorrichtung nachzuladen. Entscheidet die ECU, den Erreger Funken mit dessen vordefinierter Rate erzeugen zu lassen, beläßt sie die "Zünd"-Befehlsleitung im Ein-Zustand. Wie dies für jede UND-Funktion gilt, wird in dem Falle, daß ein Eingang des UND-Gliedes 45 im Ein-Zustand gehalten wird, der andere Eingang unverändert zum Ausgang durchgeschaltet. Ohne eine ECU-Schnittstelle, oder wenn die ECU die Kontrolle an den Erreger übergeben hat, spricht somit der Trigger-Schaltkreis 25 auf den Energie-Sensor 23 an, wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 besprochen, und löst jedesmal dann einen Funken aus, wenn der Energie-Sensor 23 erkennt, daß die Energiespeicher-Vorrichtung nachgeladen ist.
• Aus dem Voranstehenden ist erkennbar, daß ein Verfahren zum Betreiben einer Zündsystems offenbart wird, welches, bezogen auf herkömmliche Verfahren bzw. Zündsysteme, im besonderen unipolare Zündungen für Turbinenmotoren, für ein verbessertes Verhalten sorgt. Die Erfindung verwendet Festkörper-Schalt- und -Steuervorrichtungen, um ein sehr vielseitiges Zündsystem zu schaffen, welches einen charakteristischen energiereichen Funkenstrom aufweist, der eine sichere Zündung gewährleistet, ohne die Festkörperkomponenten zu belasten. In diesem Zusammenhang wird angenommen, daß der charakteristische Funkenstrom auch die Belastung einer Zündkerze des Halbleiter-Typs verringert und dadurch die Lebensdauer der Zündkerze wirksam verlängert. Durch Verwendung von Festkörper-Schalt- und -Steuervorrichtungen sorgt die Erfindung für die präzise zeitliche Abstimmmung einer Zündfolge durch Ansprechen auf ein externes Signal, beispielsweise ein Signal zur zeitlichen Steuerung von einer Steuerungseinheit für den Motor. Die Festkörperbauelemente sorgen auch für eine Zündfolge, die mit einem Funkenburst zum Zweck des Zündens des Motorkraftstoffs beginnt, gefolgt von einer anhaltenden Funkenwiederholung mit einer mittleren Rate, die viel kleiner ist als die mittlere Rate des Bursts. Schließlich findet der sättigungsfähige Ausgangsinduktor des Zündsystems mit Vorteil Verwendung, um ein Diagnosesignal zu liefern, welches die Qualität des Funkens an der Zündkerze anzeigt.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems mit einer Zündkerze zum Zünden von Kraftstoff in einer Maschine unter Verwendung einer Zündfolge, die durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:

die Zündung wird durch Wiederholung von Funkenentladungen an der Zündkerze für ein vorgegebenes Zeitintervall mit einer erhöhten Wiederholrate eingeleitet, welche die Verbrennung des Brennstoffs am besten gewährleistet; und

anschließend, d.h. nach dem vorgegebenen Zeitintervall, wird das Wiederholen von Funkenentladungen an der Zündkerze automatisch mit einer mittleren, relativ geringen Wiederholungsrate fortgesetzt, welche niedriger ist als die mittlere erhöhte Rate der Funkenentladungen während des Zeitintervalls.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Fortsetzüng der Wiederholung der Funkenentladungen aufrechterhalten wird, bis die Maschine abgeschaltet oder die Zündfolge erneut gestartet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Fortsetzung der Wiederholung der Funkenentladungen mit einer momentanen Rate erfolgt, welche über der Zeit im wesentlichen konstant bleibt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem jeder Funken eine charakteristische Stromsignalform hat, welche eine monoton ansteigende Geschwindigkeit des Stromanstiegs (di/dt) aufweist, an die sich ein monoton abfallender Strom (di/dt) anschließt, der bei Null endet.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Einleitung der Folge in Abhängigkeit von vorgegebenen Bedingungen der Maschine erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Auftreten jedes Funkens in Abhängigkeit von gegebenen Bedingungen der Maschine erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Einleitung der Folge in Abhängigkeit vom Anlegen von Energie an das Zündsystem erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, welches den (folgenden) Schritt umfaßt: In Verbindung mit jeder der Funkenentladungen wird ein Diagnosesignal geliefert.