DE69618041T2

DE69618041T2 - Induktives Zündsystem für innere Brennkraftmaschinen mit einem elektronisch gesteuerten Zündzeitpunkt

Info

Publication number: DE69618041T2
Application number: DE69618041T
Authority: DE
Inventors: Beniamino Baldoni; Gianni Regazzi
Original assignee: Ducati Energia SpA
Current assignee: Ducati Energia SpA
Priority date: 1995-02-15
Filing date: 1996-02-08
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2016-02-09
Also published as: IT1275159B; EP0727578A2; ES2164791T3; DE69618041D1; EP0727578B1; EP0727578A3; ITMI950278A1; ITMI950278A0; ATE211218T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mit einer elektronisch gesteuerten Zündvoreilung ausgerüstetes induktives Zündsystem für Brennkraftmaschinen, das besonders für Einzylindermotoren mit geringer Leistung geeignet ist, wie z. B. für jene, die in Rasenmähern, Kettensägen und ähnlichen Vorrichtungen verwendet werden.
Wie bekannt ist, umfaßt ein Zündsystem für Brennkraftmaschinen im wesentlichen einen Spannungsgenerator mit einem magnetischen Rotor und einem Stator, der einen Strömungsweg für den mit einer Zündspule verbundenen magnetischen Fluß definiert, wobei deren Primärwicklung mit einer Sekundärwicklung induktiv gekoppelt ist, die mit einer Zündkerze verbunden ist. Ein elektronischer Stromsteuerschalter ist normalerweise im Stromkreis der Primärwicklung angeordnet, um den Stromfluß zu dem Zeitpunkt, wenn die Zündung erfolgt, plötzlich zu unterbrechen, wodurch in der Sekundärwicklung der Zündspule die Erzeugung einer hohen induktiven Spannung bewirkt wird, die zum Erzeugen eines Zündfunkens für die Brennstoffmischung im Motor geeignet ist; wobei eine geeignete Steuerschaltung für den elektronischen Hauptschalter ermöglicht, daß der Strom zu dem Zeitpunkt, wenn die Zündung erfolgt, plötzlich unterbrochen wird. Bei einer derartigen Zündschaltung kann der Zündfunke im Motor lediglich zu dem Zeitpunkt erfolgen, wenn der in der Primärwicklung der Zündspule fließende Strom nahe an seinem Maximalwert ist. Ein Zündsystem dieses Typs ist z. B. in US-A-4.188.929 beschrieben.
Bei Motoren mit geringer Leistung wäre es jedoch wünschenswert, den Zeitpunkt, zu dem die Zündung erfolgt, in bezug auf den oberen Totpunkt des Kolbenhubs voreilen zu lassen, um sicherzustellen, daß während des Anlassens bei einer geringen Drehzahl optimale Zündbedingungen herrschen, ohne daß dabei die Zündung bei einem schnelleren Lauf beeinflußt wird.
Ein induktives Zündsystem für leistungsarme Motoren ist z. B. in US-A-4.515.118 beschrieben, bei dem ein Zündschalter mit der Primärwicklung einer Zündspule sowie mit einem Steuerausgang eines Mikroprozessors direkt verbunden ist, um die Zirkulation des Stroms beim Zünden in Abhängigkeit von der Drehzahl der Maschine zu steuern; wobei die Eingangsseite des Mikroprozessors mit einer Spannungsversorgungsschaltung verbunden ist zum Liefern einer Spannung an den Mikroprozessor bei geringer Drehzahl und über den gesamten Drehzahlbereich des Motors, und um den Zündschalter während positiver Halbwellen des in der Primärwicklung der Zündspule fließenden Stroms zum Zünden zu triggern.
Induktive Zündungen der oben bezeichneten Art besitzen jedoch den Nachteil, daß es nicht möglich ist, den Zündvoreilzeitpunkt bis auf wenige Grad, z. B. etwa 6 bis 8 Grad, zu verändern, ohne den Wirkungsgrad nachteilig zu beeinflussen, da ein übermäßiges Voreilen des Zündzeitpunkts ein Zusammenbrechen des Spannung bei geringeren Werten des Primärstroms und demzufolge in der Sekundärwicklung die Erzeugung von Spannungen zur Folge hat, die einen Wert haben, der kleiner als jener ist, der für die Erzeugung des Zündfunkens in der Zündkerze erforderlich ist. Es ist ferner erwünscht, daß die Zeitdauer des Funkens besonders groß ist, um die Verbrennung im Motor zu verbessern.
Während die Verwendung der herkömmlichen kapazitiven Entladungszündung versucht, das Problem der Zündvoreilung zu lösen, löst sie das Problem nicht in adäquater Weise, da diese Typen der Zündung eine besonders geringe Zeitdauer des Funkens aufweisen, die für alle jene Brennkraftmaschinen des Typs mit geringem Brennstoffverbrauch nicht geeignet ist.
Um eine Verschiebung der Zündvoreilung in einem induktiven Zündsystem des bekannten Typs zu erreichen, ist außerdem vorgeschlagen worden, zwischen der Primärwicklung der Zündspule und dem elektronischen Hauptsteuerschalter eine doppelte Diodenbrücke zu schaffen, deren Durchlaß beim Erreichen einer Spannung und eines Stromschwellenwerts eines bestimmten Werts an der Steuerelektrode des elektronischen Hauptschalters gesperrt wird.
In einem System mit dieser Anordnung kann die Erzeugung des Funkens bei einem langsamen Lauf des Motors wiederum an einem Punkt erfolgen, der nahe beim Maximalwert der negativen Halbwelle des durch die Diodenbrücke gleichgerichteten Stroms liegt, der gewöhnlich Werte besitzt, die höher sind als jene der anfänglichen und abschließenden Halbwellen des Generators. Da die Spannung im Primarkreis ebenfalls ansteigt, wenn sich die Drehzahl des Motors erhöht, wird der Schwellenwert des primären Entladestroms entsprechend der ersten positiven Halbwelle, die durch die Schaltung erzeugt wird, vorzeitig erreicht. Deswegen hängt der zeitliche Ablauf der Zündvoreilung von der Drehzahl oder vom Lauf des Motors ab.
Obwohl diese Lösung ermöglicht, daß das Verschieben der Zündvoreilurig bei einer vorgegebenen Drehzahl erreicht wird, weist sie trotzdem Probleme auf, hauptsächlich infolge der Tatsache, daß der Verschiebungszeitpunkt der Zündvoreilung immer noch von dem in der Primärwicklung der Zündspule fließenden Strom abhängt und demzufolge den Wirkungsgrad des gesamten Systems beeinflußt. Da dieser Strom nicht linear mit der Drehzahl ansteigt und jenseits eines bestimmten Werts praktisch überhaupt nicht mehr ansteigt, ist es äußerst schwierig, wie gefordert die Drehzahl einzustellen, bei der die Verschiebung der Zündvoreilung erfolgt; außerdem besitzen Spannungsabfälle, die durch die Dioden der Gleichrichterbrücke und durch den Hauptstromsteuerschalter sowie durch den Widerstand, den das Triggersignal erzeugt, bewirkt werden, einen negativen Effekt auf den Hochspannungswirkungsgrad der Schaltung, insbesondere beim langsamen Lauf der Maschine.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein induktives Zündsystem für kleine Brennkraftmaschinen zu schaffen, das mit elektronisch gesteuerten Zündvoreilmitteln ausgerüstet ist, bei denen die Verschiebung der Zündfunkenvoreilzeit, die nachfolgend als "Zündvoreilung" bezeichnet wird, nicht mehr von dem Strom abhängt, der in der Primärwicklung der Zündspule fließt, wobei gleichzeitig bestimmte negative Einflüsse des Spannungsgenerators und der Temperaturen auf die Spannungstriggerung der Zündvoreilung eliminiert werden.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein induktives Zündsystem für Brennkraftmaschinen mit geringer Leistung, die oben definiert sind, durch Mittel zu schaffen, durch die es möglich ist, die Zeitdauer des Funkens beträchtlich zu vergrößern, wodurch die Zündbedingungen verbessert werden.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein induktives Zündsystem zu schaffen, bei dem es möglich ist, mit Hilfe desselben Zündsystems eine Begrenzung der maximalen Drehzahl des Motors zu erreichen.
Diese sowie weitere Aufgaben der Erfindung können durch ein induktives Zündsystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 erreicht werden; weitere Merkmale werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend bei Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung deutlicher veranschaulicht, in der:
Fig. 1 eine Ansicht eines magnetelektrischen Spannungsgenerators ist, der das induktive Zündsystem gemäß der Erfindung enthält;
Fig. 2 eine Ansicht im größeren Maßstab längs der Linie 2-2 von Fig. 1 ist;
Fig. 3 ein Schaltplan des induktiven Zündsystems gemäß der Erfindung ist;
Fig. 4 die graphische Darstellung des Stroms zeigt, der in der Primärwicklung der Zündspule fließt;
Fig. 5 die graphische Darstellung des Spannungssignals der beiden magnetischen Aufnehmer zeigt, die die Zündzeitpunktvoreilungen bei unterschiedlichen Laufdrehzahlen des Motors steuern;
Fig. 6 eine Änderung der in Fig. 3 gezeigten Schaltung zeigt;
Fig. 7 ein Schaltplan einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zündsystems ist; und
Fig. 8 bis 15 eine Reihe von graphischen Darstellungen der wichtigsten Spannungen und Steuersignale der Schaltung von Fig. 7 zeigen.
In Fig. 1 ist der magnetelektrische Spannungsgenerator vorgesehen, um bei jeder Umdrehung des Rotors eine erste negative Halbwelle zu erzeugen, der eine zweite positive Halbwelle mit größerer Amplitude folgt, der wiederum eine dritte negative Halbwelle folgt, die im wesentlichen gleich der ersten negativen Halbwelle ist, um zu bewirken, daß ein Strom in der Primärwicklung einer Zündspule fließt, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Deswegen enthält der Generator einen magnetischen Rotor 10, der mit einem sich radial erstreckenden Permanentmagnet 11 versehen ist, der in der Querrichtung polarisiert ist, wobei die entgegengesetzten Pole zwischen den beiden Polschuhen N und S angeordnet sind, die dem Umfang dieses Rotors 10 gegenüberstehen.
Der magnetelektrische Generator umfaßt außerdem einen Stator 12, der ein Paket 13 magnetischer Ankerbleche enthält, die einen Kreis für den magnetischen Fluß definieren, der einen Mittelschenkel 14 und zwei seitliche Schenkel 15, 16 enthält, die in Drehrichtung des Rotors 10 um einen bestimmten Winkel voneinander beabstandet sind.
Um den Mittelschenkel 14 ist eine Zündspule angeordnet, die eine Primärwicklung 17 enthält, die mit dem im magnetischen System fließenden Fluß verbunden ist; die Primärwicklung 17 ist ihrerseits mit einer Sekundärwicklung 18 oder einer Hochspannungswicklung verbunden, die Energie an eine Zündkerze CD liefert (Fig. 3).
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist die Primärwicklung 17 mit einer induktiven Zündschaltung verbunden, die elektronisch gesteuerte Zündvoreilmittel gemäß der vorliegenden Erfindung enthält. Wie später erläutert wird, enthält diese Schaltung einen ersten magnetischen Aufnehmer P1, der vorgesehen ist, ein erstes Steuersignal zum Triggern der Zündung bei einer minimalen Drehzahl des Motors, z. B. beim Anlassen, auszugeben, das verschoben wird, um einen Funken mit einer bestimmten Verzögerung in bezug auf einen zweiten magnetischen Aufnehmer P2 zu erzeugen, der vorgesehen ist, mit einem bestimmten Vorlauf im Vergleich zu dem ersten ein zweites Steuersignal zu erzeugen, das während des Normalbetriebs des Motors den Zündungstriggerschwellenwert bei einer vorgegebenen Drehzahl erreicht, die höher als die erste Drehzahl ist; wobei die Differenz zwischen den beiden Punkten, die gleich dem Drehwinkel α des Rotors 1Q ist, die Verschiebung bei der Zündvoreilung darstellt.
Wie später erläutert wird, müssen die beiden magnetischen Aufnehmer P1 und P2 deswegen einen Phasenverschiebungswinkel besitzen, der gleich der geforderten Zündvoreilung α ist; außerdem muß ihre Stellung so ausgewählt sein, daß sie so nahe wie möglich am Punkt des maximalen Flußwechsels ist, wie z. B. in Fig. 1 gezeigt ist, in der der magnetische Aufnehmer P1 in der Nähe des Mittelschenkels 14 des Stators positioniert ist, während der magnetische Aufnehmer P2 in der Nähe desjenigen seitlichen Schenkels IS positioniert ist, der dem Mittelschenkel 14 in der Drehrichtung des Rotors 10 vorangeht.
Mit Bezug auf Fig. 3 wird nun eine bevorzugte Ausführungsform des induktiven Zündsystems mit elektronisch gesteuerter Zündvoreilung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
In Fig. 3 bezeichnet L1 die Induktivität der Primärwicklung 17 der Zündspule des in Fig. 1 gezeigten Generators, während L2 die Induktivität der mit der Zündkerze CD verbundenen Sekundärwicklung 18 bezeichnet.
Das System umfaßt erste und zweite elektronische Hauptsteuerschalter zum Steuern des Primärstroms in der Wicklung 17, die in diesem speziellen Fall zwei MOS-FETs sind, die in Fig. 3 durch MOS1 und MOS2 angegeben sind; es ist jedoch offensichtlich, daß jeder andere elektronische Steuerschalter oder eine Schaltungsanordnung, die einer MOS-Schaltung von Fig. 3 gleichwertig ist, für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
Die beiden elektronischen Hauptsteuerschalter MOS1 und MOS2, die zwei Leistungs-Hochspannungsschalter z. B. von etwa 400 Volt enthalten, sind über ihre Drainanschlüsse D mit den entgegengesetzten Anschlüssen der Primärwicklung L1 verbunden, während ihre Sourceanschlüsse mit Erde verbunden sind, um den Fluß der Primärstroms zu steuern, der in der Wicklung 1 zirkuliert. Der Gateanschluß G beider MOS-Schalter ist über einen Widerstand R3 mit einer Speiseschaltung 20 verbunden, die vorgesehen ist, eine Versorgungsspannung mit einem Wert, der im voraus durch die Zener-Diode DZ2 bestimmt ist, zur Vorspannung der Steuerelektroden G der beiden Schalter MOS1 und MOS2 zu erzeugen. Wie bekannt ist, besitzen die beiden MOS an ihrem Eingang eine hohe Impedanz und damit sie leitend werden, d. h. damit sie einen geringen Widerstand zwischen ihrem Drainanschluß D und ihrem Sourceanschluß S haben, müssen sie zwischen den Gateanschlüssen G und den Sourceanschlüssen 5 mit einer Spannung von wenigstens 4 Volt vorgespannt werden, die den Schwellenwert der Spannung VGS zwischen G und S darstellt. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, muß deswegen die Speiseschaltung 20, die die Gateanschlüsse G der beiden Hauptschalter vorspannt, eine Spannung mit einem Wert liefern, der größer als die obenerwähnte Schwellenwertspannung ist (z. B. 12 Volt). Die Speiseschaltung 20 umfaßt einen Kondensator C1, dessen Spannung durch die Zener-Diode DZ2 begrenzt ist; der Kondensator C1 ist über den Widerstand R3 mit den Gateanschlüssen G der beiden Hauptschalter MOS1 und MOS2 verbunden, wobei er während der positiven Halbwelle über den Widerstand R4 und die Diode D3 mit Strom von der Primärwicklung L1 versorgt wird.
Das in Fig. 3 gezeigte Zündsystem umfaßt außerdem eine erste Schaltung 21 zum Sperren des MOS1 sowie eine zweite Schaltung 22 zum Sperren des MOS2, durch die bewirkt wird, daß die Zirkulation des Primärstroms zu den Zeitpunkten, wenn in der Zündkerze der Zündfunke erzeugt werden muß, plötzlich gestoppt wird.
Im einzelnen umfaßt jede Sperrschaltung 21, 22 einen elektronischen Schalter SCR1 und SCR2, die vorgesehen sind, um den Gateanschluß G des MOS mit Erde zu verbinden, damit der entsprechende Hauptschalter MOS1 bzw. MOS2 gesperrt wird; wobei die Steuerelektrode G' von SCR1 und SCR2 direkt mit den magnetischen Aufnehmern P1 bzw. P2 verbunden sind.
Das in Fig. 3 gezeigte System umfaßt schließlich eine Halteschaltung 23 zum Halten des gesperrten Zustands der beiden Hauptschalter MOS1 und MOS2, die die Gateanschlüsse G mit der Erde während der gesamten Zeit verbunden hält, während der die Spannung in der Primärwicklung L1 erzeugt wird, woraufhin der Zeitpunkt folgt, an dem die Zündung zündet. Diese Schaltung 23 ist erforderlich, da der in R3 fließende Strom SCR1 und SCR2 nicht in einem leitenden Zustand halten kann.
Die Halteschaltung 23 umfaßt außerdem einen Transistor J4, dessen Kollektor-Emitter-Kreis CE vorgesehen ist, die Leistungsversorgung der Steuerelektroden G der beiden Hauptschalter MOS1 und MOS2 mit Erde zu verbinden; die Basis des Transistors J4 ist mit einem Spannungssignal vorgespannt, das durch den Spannungsteiler R1, R2 geliefert wird, der über die Zener-Diode DZ1 und die beiden Dioden D1 und D2, die eine gemeinsame Katodenverbindung besitzen, mit beiden Seiten von L1 verbunden ist.
Es erfolgt nun eine kurze Erläuterung der Funktionsweise des induktiven Zündsystems gemäß Fig. 3 mit Bezug auf Fig. 4, die die graphische Darstellung des Primärstroms IL1 zeigt, sowie auf Fig. 5, die die graphische Darstellung der Spannungen zeigt, die durch die beiden magnetischen Aufnehmer P1 und P2 bei langsamen Drehzahlen der Brennkraftmaschine geliefert werden, während die unterbrochene Linie einen Schwellenspannungswert VS angibt, der dem Wert VG'K entspricht, bei dem SCR1 und SCR2 zu leiten beginnen und der typischerweise bei 0,65 Volt liegt.
Wie oben erwähnt wurde, bezeichnet α den Verschiebungswinkel für die Voreilung der Zündung entsprechend der Winkeldifferenz zwischen den beiden magnetischen Aufnehmern P1 und P2 im Magnetkreis des Stators 12; es wird außerdem hervorgehoben, daß der Aufnehmer P1, der bei einer geringen Drehzahl aktiviert wird, eine große Anzahl von Windungen besitzt, während der Aufnehmer P2, der bei einer höheren Drehzahl aktiviert wird, eine proportional viel kleinere Anzahl von Windungen besitzt. Es wird z. B. angenommen, daß der Aufnehmer P1 600 Windungen besitzt und beispielsweise bei 500 Umdrehungen des Motors aktiviert werden muß und daß der Aufnehmer P2 beispielsweise bei 4000 Umdrehungen aktiviert werden muß; der Aufnehmer P2 muß deswegen eine Windungszahl besitzen, die um dasselbe Verhältnis proportional kleiner ist, d. h. 75 Windungen.
Nochmals zum Diagramm von Fig. 3, wenn die an den Anschlüssen des Kondensators C1 vorhandene Spannung, die durch die Zener-Diode DZ2 begrenzt ist, einen größeren Wert als den Schwellenwert VGS besitzt, sind die Gateanschlüsse G sowohl von MOS1 als auch von MOS2 mit demselben Spannungswert vorgespannt und die beiden MOS-Schalter sind im leitenden Zustand. Unter diesen Bedingungen kann der durch die Zündspule erzeugte Primärstrom über die Primärwicklung L1 und die beiden Hauptschalter MOS1, MOS2 fließen; insbesondere dann, wenn der Strom IL1 positiv ist, geht er von der internen Diode des MOS2 aus, fließt durch L1 und über den Drainanschluß D und den Sourceanschluß S von MOS1 zur Erde und umgekehrt, wenn der Strom in seiner negativen Halbwelle ist. Die Signalform des Primärstroms ist in der graphischen Darstellung von Fig. 4 gezeigt.
Wenn der Aufnehmer P1 ein Triggersignal erzeugt, das größer als die Schwellenwertspannung VS ist, beginnt deswegen SCR1 bei einer geringen Drehzahl zu leiten, wodurch MOS1 gesperrt wird; demzufolge wird, die Position des Aufnehmers P1 nahe am Punkt des maximalen magnetischen Flußwechsels im Stator vorausgesetzt, der Primärstrom am höchsten Punkt der positiven Halbwelle plötzlich abbrechen, wodurch eine hohe Spannungsspitze in der Primärwicklung L1 der Zündspule und eine hohe Spannung an der Sekundärwicklung L2 bewirkt werden, die die Zündkerze CD zünden.
Zusätzlich zum Bewirken des Zündens der Zündkerze CD hält die Primärspannungsspitze den Kondensator C1 über die Diode D3 und den Widerstand R4 bei dem Spannungswert geladen, der durch die Zener-Diode DZ2 bestimmt wird; außerdem bewirkt sie über D1, DZ1, R1 und R2 das Leiten des Transistors J4 der Halteschaltung 23, der MOS1 und MOS2 gesperrt hält, bis die Primärwicklung eine Spannung erzeugt.
Der Zeitpunkt, an dem das Zünden der Zündung durch den Hauptschalter MOS1 bewirkt wird, ist in Fig. 4 durch α1 angegeben; der zweite Hauptschalter MOS2 greift nicht ein, da während dieser Phase das Spannungssignal am zweiten Aufnehmer P2 kleiner ist als der Schwellenwert VS, wie in Fig. 5 angegeben ist.
Nach dieser Phase werden die Gateanschlüsse G von MOS1 und MOS2 über R3, der einen viel größeren Widerstandswert besitzt, z. B. etwa 200 kOhm, wieder mittels der Schwellenwertspannung durch einen Strom vorgespannt, der durch den Kondensator C1 geliefert wird, was bewirkt, daß die beiden Schalter wieder den leitenden Zustand einnehmen. Da MOS1 und MOS2 eine Eingangskapazität beispielsweise in der Größenordnung von 1000 pF besitzen, dauert es einige wenige Hundertstel Sekunden, bis die gewünschte Schwellenwertspannung erreicht ist.
Wenn sich die Drehzahl erhöht, wird der Impuls, der durch den Aufnehmer P2 erzeugt wird, der im Bereich des seitlichen Schenkels 15 des Stators positioniert ist, der für den Magnet 11 in Drehrichtung des Rotors 10 zuerst erscheint und zwar am höchsten Punkt der ersten negativen Spitze des Stroms IL1, den Wert zum Triggern von SCR2 zum Zeitpunkt α2 erreichen, wodurch wieder ein Abbrechen des Stroms in der Primärwicklung L1 bewirkt wird; dies bewirkt die Erzeugung eines Zündfunkens, der in bezug auf den Voreilwinkel des Aufnehmers P1, der einen Wert von etwa 30 ± 35ºbesitzt, um einen Winkel α phasenverschoben ist.
Zu diesem Zeitpunkt beginnt der Transistor J4 wieder zu leiten und hält die beiden Hauptschalter MOS1 und MOS2 gesperrt, bis L1 eine Spannung erzeugt und somit im Ergebnis die Primärwicklung unterbrochen wird.
Die Flußänderung, die durch die Drehung des Rotors 10 bewirkt wird, erzeugt deswegen in der Sekundärwicklung L2 der Zündspule eine Spannung, die den Zündfunken während des gesamten Winkels erzeugen und aufrechterhalten kann, der zwischen dem Zeitpunkt, an dem der Aufnehmer sein Triggersignal für den Zündfunken erzeugt, und dem Zeitpunkt liegt, an dem der Rotor aufhört, eine Spannung in den Wicklungen der Zündspule zu erzeugen.
Wenn einer der beiden MOS im leitenden Zustand ist, ist sein Spannungsabfall zwischen dem Drainanschluß D und dem Sourceanschluß 5 kleiner als der Spannungswert der Zener-Diode DZ1, somit wird verhindert, daß der Transistor J4 während der Phase leitet, in der der Primärstrom in den beiden MOS fließt.
Auf dem Obengenannten ist klar, daß die Drehzahl, bei der das Verschieben der Zündvoreilung erfolgt, von der Anzahl der Windungen des Aufnehmer P2 abhängt; in ähnlicher Weise bestimmt die Anzahl der Windungen des Aufnehmers P1 die Drehzahl, bei der die Hochspannung beginnt, an der Sekundärwicklung L2 zu erscheinen, d. h. das "Zündminimum".
Die Drehzahl des "Zündminimums" ist nicht sehr kritisch in bezug auf die Toleranz, vorausgesetzt, daß sie einen ausreichend geringen Wert besitzt, während in einigen Anwendungen eine geringe Toleranz für den Drehzahlwert, bei dem die Zündvoreilung auftritt, gefordert wird.
Die Toleranz, mit der das Verschieben der Zündvoreilung eintritt, hängt wiederum außer von den mechanischen und magnetischen Toleranzen des Generators, die in annehmbaren Grenzen gehalten werden können, von den Toleranzen der Spannung VG'K des gesteuerten Schalters SCR1, die typischerweise 0,65 bis 0,15 Volt beträgt, und der Änderung dieser Spannung VG'K gemäß der Temperatur, die typischerweise 2,5 mV/ºC beträgt, ab.
Ein Weg zur Sicherung der Annehmbarkeit der Änderungen in der Spannung VG'K zwischen der Steuerelektrode G' und der Katode K von SCR2 ist in Fig. 6 der beigefügten Zeichnung gezeigt. In dieser Figur kann angemerkt werden, daß zwischen der Steuerelektrode G' und dem Aufnehmer P2 eine Zener-Diode DZ3 angeordnet ist, typischerweise mit der Spannung 6,2 Volt, wobei vor dieser ein Vorspannungswiderstand RG'K abzweigt, wobei der Widerstand ermöglicht, daß die Änderungen in der Spannung VG'K von SCR2 auf vernachlässigbare Werte begrenzt werden, wobei die Spannung der Zener- Diode DZ3 in der Größenordnung von 1% bei einer thermischen Abweichung mit dem zum Vorzeichen der Spannung VG'K von SCR2 entgegengesetzten Vorzeichen sehr genau ist. In diesem Fall müssen die Windungen des Aufnehmers P2 selbstverständlich in geeigneter Weise erhöht werden.
Die Erfindung schlägt deshalb ein sehr einfaches und kostengünstiges System zum Realisieren einer induktiven Zündung mit elektronisch gesteuerter Änderung der Zündvoreilung vor.
Bei den Anwendungen, die für diesen Zündungstyp erwähnt wurden, werden häufig weitere Funktionen gefordert, wie beispielsweise die Begrenzung der Motordrehzahlen, die durch Unterdrücken des Zündfunkens bei einem vorgegebenen Lauf, z. B. bei 12000 Umdrehungen, erreicht wird.
Eine mögliche Lösung dieses Problems ist im Schaltplan von Fig. 7 gezeigt, in dem Teile, die zu jenen im Schaltplan der vorhergehenden Fig. 3 ähnlich oder gleichwertig sind, durch gleich Bezugszeichen angegeben werden.
Das System gemäß Fig. 7 enthält im allgemeinen außerdem einen ersten elektronischen Hauptschalter MOS1 und einen zweiten elektronischen Hauptschalter MOS2, die mit der Primärwicklung L1 der Zündspule verbunden sind, wobei deren Steuerelektroden G mit der Speiseschaltung 20 verbunden sind, die neben einer konstanten Vorspannung außerdem zwei Zeitgebersignale T1 und T2 mit der Spannung VDD liefert. In Fig. 7 bezeichnet das Bezugszeichen 23 in ähnlicher Weise die Halteschaltung zum Halten des gesperrten Zustands der beiden Hauptschalter MOS1 und MOS2.
Das System gemäß Fig. 7 unterscheidet sich von dem in Fig. 3 gezeigten dahingehend, daß zwischen jedem magnetischen Aufnehmer P1, P2 und der Steuerelektrode G' der SCR eine Zeitgeberschaltung T1, T2 vorgesehen ist, die das Fließen des Primärstroms sperrt, wobei die Zeitgeberschaltung eine nachtriggerbare, rücksetzbare monostabile Präzisions-Kippschaltung enthält, die ermöglicht, daß ein Impuls mit einer vorgegebenen Länge ausgegeben wird, um den Zündfunken oder den Strom, der in den Windungen L1 und L2 der Zündspule fließt, zu unterbrechen, wenn eine vorgegebene Drehzahl des Motors erreicht wird.
Insbesondere aus dem Schaltplan von Fig. 7 kann unter Berücksichtigung der graphischen Darstellungen, die in den Fig. 8 bis 15 gezeigt sind, festgestellt werden, daß T1 bzw. T2 zwei nachtriggerbare, monostabile Zeitgeber bezeichnen, die z. B. einen digitalen Präzisionszeitgeber Motorola MC14538B enthalten, die auf die Rückflanke der Signale an ihren Eingängen B1 bzw. B2 reagieren (Fig. 10 und 11); mit anderen Worten, der nicht invertierte Ausgang Q1 und Q2 (Fig. 12 und 13) empfängt einen Impuls TA1 und TA2 mit vorgegebener Länge von der Rückflanke des Signals am entsprechenden Eingang B 1 und B2. Deshalb gilt, wenn:
T die Periode der Drehung des Rotors 10 des Generators bezeichnet (Fig. 8);
Tp die Zeitdauer bezeichnet, die zwischen den beiden Rückflanken von B 1 und B2 vergeht (Fig. 10 und 11);
TA1 die Dauer des nachtriggerbaren monostabilen Zeitgebers T1 bezeichnet;
TA2 die Dauer des nachtriggerbaren monostabilen Zeitgebers T2 bezeichnet (Fig. 12 und 13); und wenn schließlich
das Signal Q1 bezeichnet, das am anderen Ausgang von T1 negiert erscheint;
im Ergebnis das Signal des Aufnehmers P1, das zur Basis des Transistors J1 gesendet wird, durch diesen quadriert wird und über den Widerstand R7, der mit der Spannung VDD versorgt wird, die vom Kondensator C1 ausgegeben wird, zum Eingang B1 von T1 gesendet wird. Gleichzeitig wird der Ausgang Q1 des ersten Zeitgebers über einen Kondensator C3 zur Steuerelektrode G' von SCR1 gesendet, während dessen negierter Ausgang über den Widerstand R9 zur Basis eines Transistors J3 gesendet wird, damit das vom Ausgang Q2 des Zeitgebers T2 ausgegebene Signal, zur Erde kurzgeschlossen wird.
Das Signal des Aufnehmers P2 wird seinerseits in ähnlicher Weise durch den Transistor J2 quadriert und über den Widerstand R8, der immer noch mit der vom Kondensator C1 ausgegebenen Spannung VDD versorgt wird, zum Eingang B2 des Transistors J2 gesendet. Der nicht invertierte Ausgang Q2 von P2 wird über den Kondensator C2 zur Steuerelektrode G' von SCR2 gesendet; wobei die Dioden D4 und D5 die Funktion zum Entladen der Kondensatoren C2 und C3 besitzen, wenn Q1 und Q2 auf niedrigem Pegel sind.
Der Ausgang ist normalerweise auf hohem Pegel und deswegen ist der Transistor J3 im leitenden Zustand, der wiederum verhindert, daß SCR2 aktiviert wird.
Mit der Rückflanke des Signals, das an B 1 vorhanden ist, schaltet der Ausgang Q1 für eine Zeitperiode TA1, die durch T1 vorgegeben ist, auf hohen Pegel, und somit wird SCR1 über C3 aktiviert, wodurch verhindert wird, daß MOS1 den Zündfunken an der Zündkerze CD mit einer Voreilung erzeugt, die durch den ersten Aufnehmer P1 gesteuert wird. Wenn Q1 auf hohen Pegel schaltet, schaltet auf niedrigen Pegel, so daß J3 für die gesamte Zeitperiode TA1 gesperrt ist. Wenn während dieser Zeitperiode TA1 Q2 zum hohen Pegel schaltet, kann SCR2 aktiviert werden, wodurch MOS2 gesperrt und bewirkt wird, daß der Zündfunke synchron mit dem Aufnehmer P2 erzeugt wird.
Deswegen erfolgt dann, wenn die Zeit TA1, die durch den Zeitgeber T&sub1; eingestellt wird, die Zeit TA überschreitet, in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors eine solche Änderung bei der Taktgebung, die dem Winkel α gleichwertig ist, der durch die beiden Aufnehmer P1 und P2 bestimmt ist. Wenn die Zeit TA1 von T&sub1; die Periode T überschreitet, schaltet der Ausgang Q&sub1; nicht mehr um, so daß Q&sub1; auf niedrigem Pegel ist, wodurch der Transistor J3 gesperrt bleibt und somit SCR2 betätigt werden kann.
Auf diese Weise ist es möglich, den Zeitpunkt präzise zu bestimmen, bei dem das Verschieben der Zündvoreilung erfolgt, wobei der Einfluß der Magnetisierung und der weiteren mechanischen und thermischen Toleranzen eliminiert ist.
Wenn die Zeit TA2 die Periode T überschreitet, ändert der Ausgang Q2 des zweiten Zeitgebers T2 den Zustand nicht und somit wird SCR2 nicht betätigt; dementsprechend wird MOS2 nicht gesperrt, so daß an der Zündkerze kein Zündfunke erzeugt wird.
In der Praxis bestimmt die Zeit TA2 von T&sub2; die Drehzahl, bei der der Zündfunke unterdrückt wird, wodurch ein Drehzahlbegrenzer für den Motor gebildet wird. Normalerweise wird das Verschieben der Zündvoreilung bei niedrigen Drehzahlen, z. B. bei 3000 Umdrehungen pro Minute, ausgeführt, während die Drehzahlbegrenzung beispielsweise bei 12000 Umdrehungen pro Minute ausgeführt wird. Während der Begrenzungsphase wird die Stromversorgung durch den Kondensator C&sub1; aufrechterhalten, da diese Situation vorübergehend und von kurzer Dauer ist.
Das Verhalten des Transistors J4 und der mit ihm verbundenen Komponenten ist zu dem identisch, das oben mit Bezug auf das Diagramm von Fig. 3 beschrieben wurde; insbesondere bleibt J4 nach dem Zeitpunkt, an dem der Zündfunke erzeugt wird, im leitenden Zustand, wodurch MOS1 und MOS2 für die gesamte Periode gesperrt sind, während L1 eine Spannung erzeugt, um die Basis von J4 vorzuspannen. Fig. 14 und 15 zeigen die Impulse an den Steuerelektroden der beiden sperrenden Schalter SCR1 und SCR2.
Aus der obenstehenden Beschreibung und den Erläuterungen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ist es deshalb selbstverständlich, daß es möglich ist, für Brennkraftmaschinen ein induktives Zündsystem mit elektronisch gesteuerter Zündvoreilung zu schaffen, mit dessen Hilfe die Aufgaben der Erfindung erreicht werden können; es ist jedoch selbstverständlich, daß die obenstehende Beschreibung und die Erläuterungen lediglich beispielhaft sind und daß unter Verwendung gleichwertiger Lösungen und Komponenten weitere Änderungen und Modifikationen an den verschiedenen elektrischen Schaltplänen ausgeführt werden können, ohne dadurch von den innovativen Prinzipien der beanspruchten Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Induktives Zündsystem für eine Brennkraftmaschine, mit:

- einem Spannungsgenerator, der einen mit einer elektrischen Schaltung versehenen Stator (12) und einen durch den Motor betätigten Rotor (10) aufweist, wobei der Rotor (10) ein mit der Schaltung des Stators (12) iri Wechselwirkung stehendes Magnetpolsystem (N, S) besitzt;

- einer Zündspule (17, 18) am Stator (12) wobei die Zündspule eine Primärwicklung (17), die mit dem magnetischen Fluß des Polsystems (N, 5) des Stators (12) verbunden ist, und eine Sekundärwicklung (18), die mit der Primärwicklung (17) induktiv gekoppelt und mit einer entsprechenden Zündkerze (CD) verbunden ist, umfaßt;

- einer Schalter-Steuervorrichtung (MOS1, MOS2), die den in die Primärwicklung (17) der Zündspule (17, 18) fließenden Strom steuert;

- einer Steuerschaltung (21, 22) für die Schalter-Steuervorrichtung (MOS1, MOS2), die so beschaffen ist, daß sie den Fluß des Stroms in die Primärwicklung (17) der Zündspule (17, 18) zuläßt bzw. sperrt, um magnetische Energie zu speichern, um in der Sekundärwicklung (18) der Zündspule eine Hochspannung zu induzieren, die die Zündung der Brennkraftmaschine bewirkt; und

- einer Spannungsversorgungsschaltung (20) für die Steuerschaltung (21, 22), dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter-Steuervorrichtung (MOS1, MOS2) umfaßt:

- erste und zweite elektronische Hauptschalter (MOS1, MOS2), die von entsprechenden Enden der Primärwicklung (17) der Zündspule abgezweigt sind, wobei jeder elektronische Hauptschalter eine Steuerelektrode (G) besitzt;

- wobei die Steuerschaltung erste und zweite Sperrschaltungen (21, 22) umfaßt, wovon jede mit der Steuerschaltung (G) eines entsprechenden elektronischen Hauptschalters (MOS1, MOS2) verbunden ist; wobei jede Sperrschaltung (21, 22) einen Steuerschalter (SCR1, SCR2) mit einer Steuerelektrode (G') und einen Aufnehmer (P1, P2), der mit der Steuerelektrode (G') verbunden ist, um ein Steuersignal von der Zündspule (17, 18) aufzunehmen, um den entsprechenden elektronischen Hauptschalter (MOS1, MOS2) zu triggern; umfaßt;

- wobei die Aufnehmer der Sperrschaltungen (21, 22) in der magnetischen Schaltung des Stators (12) des Spannungsgenerators angeordnet sind und in Drehrichtung des Rotors (10) um einen bestimmten Winkel voneinander beabstandet sind, um während eines langsamen Laufs und eines normalen Laufs des Motors erste bzw. zweite Zündzeitpunktvoreilungen des Motors zu erzeugen; und

- eine Spannungshalteschaltung (23), die mit den Steuerelektroden (G) der elektronischen Hauptschalter (MOS1, MOS2) verbunden ist, um diese während des Zündens des Motors in einem gesperrten Zustand zu halten.

2. Induktives Zündsystem nach Anspruch 1, in dem der Stator (12) einen Magnetkreis mit einem Mittelschenkel (14) und zwei seitlichen Schenkeln (15, 16) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Aufnehmer (P1, P2) in der Nähe des mittleren Schenkels (14) des Magnetkreises des Stators (12) positioniert ist, während der andere der Aufnehmer (P1, P2) in der Nähe desjenigen seitlichen Schenkels, der in bezug auf die Drehrichtung des Rotors (10) in dem Magnetkreis des Rotors (10) als erstes auftritt, positioniert ist.

3. Induktives Zündsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem magnetischen System des Rotors (10) als erstes auftretende Aufnehmer (P2) eine Wicklung mit einer Windungsanzahl, die kleiner als jene des anderen Aufnehmers (P1) ist, umfaßt.

4. Induktives Zündsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteschaltung (23) zum Halten des gesperrten Zustandes der elektronischen Hauptschalter (MOS1, MOS2) eine Hilfssteuerschaltung (J4) umfaßt, die die Speiseschaltung (20) der Steuerelektroden (G) der Hauptschalter (MOS1, MOS2) mit Erde verbindet, wobei die Steuerelektrode (B) des Hilfssteuerschalters (J4) mit einem Spannungssignal von der Primärwicklung (17) der Zündspule (17, 18) versorgt wird.

5. Induktives Zündsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (B) des Hilfssteuerschalters (J4) zum Halten des gesperrten Zustandes der Hauptschalter (MOS1, MOS2) mit beiden Enden der Primärwicklung (17) der Zündspule (17, 18) über einen Spannungsteiler (R1, R2), eine Zener-Diode (DZ1) und ein Diodenmittel (D1, D2) verbunden ist, wobei die Zener-Diode (DZ1) einen Spannungsabfall aufweist, der größer als der Spannungsabfall in jedem elektronischen Hauptschalter (MOS1, MOS2) im leitenden Zustand der Hauptschalter (MOS1, MOS2) ist.

6. Induktives Zündsystem nach Anspruch 1, in dem jeder der elektronischen Hauptschalter (MOS1, MOS2), die den Primärstrom steuern, vom MOS-Typ ist.

7. Induktives Zündsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseschaltung (20), die die Vorspannung für die Steuerelektroden (G) der Hauptschalter (MOS1, MOS2) liefert, einen Kondensator (C1) umfaßt, der zu einer Zener-Diode (DZ2) parallelgeschaltet ist.

8. Induktives Zündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem magnetischen System des Rotors während seiner Drehung als erstes auftretende Aufnehmer (P2) mit der Steuerelektrode (G) des entsprechenden Sperrschalters (SCR2) über eine Zener- Diode (DZ3) und einen Vorspannungswiderstand (RG'K) verbunden ist und daß die Zener-Diode (DZ3) eine von der Temperatur abhängende Zenerspannungsänderung besitzt, die ein zu dem Vorzeichen der Schwellenspannung der Steuerelektrode (G') des Hilfssteuerschalters (SCR2) entgegengesetztes Vorzeichen besitzt.

9. Induktives Zündsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Begrenzungsmittel, die die Drehzahl des Motors durch Unterdrücken des Funkens bei einem vorgegebenen Lauf begrenzen, wobei die Begrenzungsmittel zum Begrenzen der Drehzahl eine Zeitgebervorrichtung (T1, T2) zwischen jedem Aufnehmer (P1, P2) und der Steuerelektrode (G') des entsprechenden elektronischen Sperrschalters (SCR1, SCR2) umfassen.

10. Induktives Zündsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zeitgebervorrichtung (T1, T2) eine erste und eine zweite nachtriggerbare, rücksetzbare monostabile Kippschaltung umfaßt, daß die erste Zeitgebervorrichtung (T1) so beschaffen ist, daß sie die Drehzahl steuert, bei der die Verschiebung der Zündvoreilung erfolgt, während die zweite Zeitgebervorrichtung (T2) so beschaffen ist, daß sie die Drehzahl des Motors begrenzt, bei der die Erzeugung des Funkens für die Verbrennung erfolgt, wobei jede Zeitgebervorrichtung (T1, T2) eine Eingangsseite, die über eine Signalquadrierungsschaltung (J1, J2) mit einem entsprechenden Aufnehmer (P1, P2) verbunden ist, sowie einen ersten logischen Ausgang für ein Signal und einen zweiten logischen Ausgang für ein negiertes Signal besitzt, wobei jeder der ersten logischen Ausgänge für die Signale über einen Kondensator (C2, C3) mit der Steuerelektrode (G') des Sperrschalters (SCR1, SCR2) der elektronischen Hauptschalter (MOS1, MOS2) verbunden ist und der Ausgang des negierten Signals einer der Zeitgebervorrichtungen (T1) mit der Basis eines Transistors (T3) verbunden ist, um den nicht negierten Ausgang der anderen der Zeitgebervorrichtungen (T2) mit Erde kurzzuschließen.