EP0415240A2 - Zündsystem für eine Verbrennungskraftmaschine - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an ignition system according to the preamble of patent claim 1.
- alternating current for spark ignition in internal combustion engines is known.
- the use of alternating current for the ignition has the advantage that the spark discharge at the spark plug can be maintained over any period of time and can thus be easily adapted to the instantaneous requirement of the engine, which increases the efficiency of the internal combustion engine through the more complete use of the fuel mixture and the pollutants reduced in exhaust gas.
- DE-OS 1 539 183 describes an ignition arrangement with a primary and secondary circuit of a step-up transformer, the primary circuit of which is designed as a parallel and series resonance circuit. After a rapid discharge in the secondary circuit, this resonant circuit generates an alternating current at the spark plug cathodes. Furthermore, from DE-OS 25 17 940 a capacitor ignition system for internal combustion engines with ferromagnetic resonance is known, in which only after each discharge of the primary-side capacitor, a second control circuit generates an oscillating current in the primary and secondary windings and thus for a predetermined Period of time allows an alternating current to flow at the spark plug.
- an oscillator circuit controls a transistor push-pull circuit connected to the primary winding of an ignition coil. This oscillator circuit is controlled by the switch positions of the breaker contacts of an ignition distributor and generates an AC signal with a constant frequency at the spark plugs.
- a disadvantage of this known ignition system is that the generation of the alternating current signal requires an input signal triggered by a start pulse, which necessitates additional switching measures for generating the start pulse.
- the basic idea of the invention is to switch an ignition output stage (primary and secondary circuit) in such a way that it operates in a current-controlled flyback and forward converter mode.
- the blocking and flow time of a switching transistor in the primary circuit of the ignition output stage is controlled as a function of the ignition energy consumed in the secondary circuit in such a way that the ignition current frequency rises with increased energy consumption in the secondary circuit and decreases with reduced energy consumption.
- the controlled variable which determines the switch-on cycles of the transistor, is the energy not completely removed from the primary circuit by the secondary circuit, the constant supply of energy to the output circuit being ensured by the current control on a resistor in the primary circuit.
- the unused energy is fed back into the energy store (battery) and thus causes a smaller consumption of the electrical power.
- the self-oscillating ignition output stage exists consisting of a switch (transistor), an energy recovery diode, a charging coil, a primary resonant circuit capacitor and a secondary circuit coil, which is connected in series to a spark plug capacitance.
- the function of the output circuit is comparable to a band filter.
- the secondary circuit is supercritically coupled to the primary circuit by the mutual inductance because of its approx. 50% coupling. This ensures that the high voltage in the secondary circuit is very quickly available in full within a few periods.
- the secondary circuit is loosely coupled to the primary circuit due to the strong damping. This guarantees a quasi constant current supply almost independent of the ignition voltage.
- This technique of the self-oscillating ignition stage described above allows a considerable reduction in the volume of an ignition coil, since the total spark energy is allocated to the spark plug over a longer period of time and because the transmission frequency is high and the circuit operates in both the blocking and the flow mode.
- Another advantage of this ignition output stage is that only a coupling of approximately 50% is required for the construction of the ignition coil. This feature allows such a miniature ignition coil to be inexpensive and easy to manufacture.
- each spark plug is provided with a miniature ignition coil and because the circuit operates in flow and flyback mode and thus the high voltage is available almost immediately after triggering, a distributor can be dispensed with without any problems.
- Particularly suitable, small-sized and rationally producible ignition coils are the subject of claims 10 to 17.
- a device for controlling an internal combustion engine in which the position of a sensor disk connected to a shaft of the internal combustion engine, which has a perforation designed as a marking, is registered by a fixed recording segment.
- an inductive sensor e.g. Working according to the eddy current principle
- pulses are obtained that are evaluated electronically.
- a control and regulating circuit then generates the switch-on and switch-off signals for the individual ignition branches with these pulses.
- This known method is also suitable for triggering high-frequency AC ignition.
- a disadvantage of the dynamic detection of the ignition timing mentioned above is that a movement of the encoder disk is necessary to determine the position in order to clearly determine the position of the camshaft or crankshaft.
- a wheel is mounted on the camshaft to record the correct triggering time for the ignition, which carries a clearly identifiable code on its surface, which code is scanned by a sensor.
- the sensor scans, for example, inductively or optically.
- a 10-bit Gray code can be arranged on the peripheral surface of a camshaft gear, which is scanned by an inductive multifunction sensor with integrated electronics and supplies electrical signals corresponding to the position of the camshaft gear.
- the components required for the ignition system according to the invention can be produced in a conventional manner directly using a known low-voltage source, e.g. B. a DC battery of 12 volts can be fed.
- a known low-voltage source e.g. B. a DC battery of 12 volts can be fed.
- the disadvantage of such a low voltage supply is that the supply of electrical consumers that require a high operating voltage, such as. B. headlights with high-pressure gas discharge lamps or the ignition system described above, is only possible with an unfavorable efficiency.
- This disadvantage can be advantageously countered according to the invention by using a switched-mode power supply, that is to say an inverter with a transformer, in a motor vehicle.
- a switched-mode power supply that is to say an inverter with a transformer
- the ignition arrangement according to the invention consists of the components shown schematically in FIG. 1, which are: - a low voltage supply (BAT), - a central switching power supply (UF1), - High voltage generating ignition output stages (ZST), according to the number of cylinders - and miniature ignition coils (ZSP) for each spark plug.
- BAT low voltage supply
- U1 central switching power supply
- ZST High voltage generating ignition output stages
- ZSP miniature ignition coils
- the ignition output stage according to the invention shown in Fig. 2a consists of a primary and secondary resonant circuit.
- the primary resonant circuit has a control and regulating circuit 2 with a trigger input 4, a trigger output 6 and a supply line 8, and the primary winding P1 of an ignition coil.
- a resonant circuit capacitor C1 is located in series with the primary circuit coil P1, and an energy recovery diode D1 is arranged in parallel therewith.
- a transistor TR1 is connected on the drain side to the capacitor C1 and the energy recovery diode D1.
- transistor TR1 On the source side, transistor TR1 is connected to ground via a current limiting resistor R1.
- a supply line 10 connects the transistor on the source side to the current limiting resistor R1 and the open-loop and closed-loop control circuit 2.
- the secondary coil (S1) is in series with the winding and ignition capacitance CW, as illustrated by the equivalent diagram in FIG. 2c. 2b, an output stage with galvanically isolated inductive coup
- FIG. 6 A complete circuit of an ignition stage with three ignition paths for two spark plugs each, i.e. for a six-cylinder engine. B., is illustrated with Fig. 6.
- FIG. 3a The supply of two spark plugs Z1, Z2 with a common ignition output stage is shown in FIG. 3a.
- the effective winding and spark plug capacitance CW is preferably reduced by a factor of 2, as is illustrated in the equivalent circuit diagram in FIG. 3b.
- the basic function of the ignition output stage according to the invention is based on time diagrams in FIGS. 4a to 4c so far and in FIGS. 5a to 5c for the above. Exemplary embodiments of the ignition output stage explained.
- the steady state is assumed with sufficient battery voltage.
- the voltage at point A in the circuit according to FIG. 6 releases the operation with a low level as soon as the amplifier OP1 is switched through.
- a trigger input e.g. B. Trigger input 3
- the transistor T30 is turned on.
- a drain current I D begins to flow ( Figure 4c, time period t1).
- the voltage drop across resistor R37 rises until the voltage at the inverting input (-) of amplifier OP4 becomes more positive than the reference voltage at point B.
- transistor T30 is blocked.
- the energy contained in the SP30 storage coil excites the entire output circuit to vibrate. Part of the energy is transferred to the capacitor C33 of the primary area (C1 or C2 in the equivalent circuit diagram 2c or 3b) and the other part to the capacitance CW of the secondary circuit (time period t2, Fig. 4a and 4b).
- the voltage U D across the capacitor C33 rises sinusoidally until there is no more energy in the storage coil.
- the capacitively stored energy is fed back to the inductance L1 until the voltage on the capacitor C33 is equal to zero.
- the storage coil SP30 releases its existing energy into the circular capacitor CW on the secondary side.
- the voltage U D at the drain from transistor T30 cannot become negative because the internal diode (energy recovery diode D1 or D2 in FIGS. 2a, 2b, 3a) becomes conductive.
- the energy present in the primary inductance L1 is returned to the vehicle electrical system via the diode D30 (time period t4, see Figure 4c).
- the secondary circuit can continue to oscillate in this time segment t4 (see U H in FIG. 4b). Its frequency is somewhat higher than before, because the leakage inductance L ⁇ (FIG. 2c, FIG. 3b) is now parallel to the mutual inductance M. (see Fig. 2c, 3b).
- transistor T30 is turned on again because the same voltage conditions are present as at the beginning of time period t1.
- the transistor T30 is only blocked if the voltage at the inverting input (-) of the amplifier OP4 is more positive than the reference voltage at point B. This case always occurs when the charging current I D is one limit reached by resistor R37.
- This current control guarantees a constant supply of energy to the primary inductance L1, whereby the energy - apart from minor losses - is completely returned to the vehicle electrical system in the event of non-ignition.
- the blocked state of transistor T30 is maintained by the voltage drop across resistor R36 as long as the voltage U D at the drain of transistor T30 is more positive than the battery voltage.
- the primary freewheeling frequency is approximately 18 kHz and the secondary frequency: 43.5 kHz with open primary circuit and 60 kHz with short-circuited primary circuit.
- the basic frequency with spark plug termination is approximately 20 kHz with a burning voltage of 900 Vpp.
- the drain current I D through the drain-source path of the transistor T30 is greater than in the fully steady state for a defined period of time.
- the actual measured value of the drain current-proportional voltage at point C is reduced in the circuit according to FIG. 7 by means of a bistable flip-flop FF1 which drives the gate of the transistor T40.
- the current amplitude is set by the resistor R40 in such a way that the stored energy in the primary inductance L1 is sufficiently large to replace the residual energy not yet present in the output circuit when switching on. As a result, the maximum high voltage U H is reached during the first oscillation period.
- the flip-flop FF1 can be reset by the negative edge (trailing edge) of the first current pulse.
- the resetting of the flip-flop FF1 can also be made dependent on whether an ignition has taken place or not.
- the information for this can e.g. can be derived from the changing frequencies.
- FF2 can be effected by means of an additional monostable flip-flop. That the bistable flip-flop FF1 can only be reset during the period in which the transistor current I D would flow, provided that an ignition would have taken place.
- This arrangement has the advantage that the ignition voltage U H rises further in the case of very heavily contaminated spark plugs, thereby providing a voltage reserve for heavily worn and contaminated spark plugs.
- FIG. 9 The overall structure of an ignition output stage (see FIG. 9) with an ignition module IZM with an integrated circuit and an ignition coil ZSP is shown in FIG. 9.
- the complete switching of the ignition module with a high degree of integration allows inexpensive manufacture and high operational reliability.
- the miniature ignition coil to be used advantageously in cooperation with the ignition output stages explained above is shown in detail in FIGS. 10 and 11a-11c.
- the miniature ignition coil consists of three individual components, namely the coil body 20, the coil core 22 and the coil housing 24.
- the coil body 20 has a cylindrical basic shape, on one end face of which a socket 26 is attached in one piece.
- This socket 26 is surrounded by a circumferential cylinder wall 28 which acts as a protective cap and brings about a force-fitting and precise fit on the spark plug.
- Individual chamber segments 30a to 30g, 32 are formed on the lateral surface 29 of the bobbin 20 by a plurality of circumferential segment ribs.
- the chamber segment 32 with the largest chamber rib spacing 1 preferably accommodates the coil winding of the low-impedance primary circuit coil, since the primary circuit can be designed with larger tolerances in the winding structure and can be designed without a chamber for better use of space.
- the coil winding of the high-resistance secondary coil is preferably introduced into the smaller-spaced chamber segments 30a to 30g.
- An advantage of this chamber winding technique of the secondary circuit is that a higher dielectric strength is achieved and smaller winding tolerances are easier to manufacture.
- the line connections 34 for the primary circuit are led out of the coil body 20 at the end.
- the coil body 20 has a concentric bore 33 (see FIG. 11c).
- the coil core 22 is mushroom or T-shaped. This shape allows simple assembly on the one hand and on the other hand causes magnetic shielding and increases the quality of the primary circuit.
- the coil core 22 is preferably made of ferrite, which advantageously shows no signs of saturation up to a temperature of 200 ° C.
- the coil housing 24 for the coil body 20 with the coil core 22 inserted (see FIG. 11a) is designed in a cap or pot shape.
- a pipe socket 36 is attached to the coil housing 24 on its upper cover.
- the coil body with the coil housing 24 is encapsulated in a watertight manner, which advantageously increases the corrosion resistance.
- the potting compound 38 preferably extends over the chamber segments 30a to 30g receiving the secondary windings.
- the potting material used is preferably made of silicone. Plastoferrite is suitable for the coil housing 24, which e.g. is enriched with conductive carbon black, which creates a magnetic and electrostatic shield against external electromagnetic fields.
- the simple construction of the ignition coil 22 permits cost-effective production and the small volume of the ignition coil 22 allows it to be placed directly on the spark plugs, which increases the operational reliability of the ignition system and results in a low HF interference.
- the angular position is used to trigger individual ignition paths a crankshaft or camshaft by means of a coding disk 40, 42 fixedly connected to it, as shown in FIG. 12 or FIG. 13.
- 12 shows a code that can be used to trigger 3 ignition paths.
- the binary code of the radially arranged coding tracks 44a, b, c is read out by means of an inductive sensor 46 and evaluated in the electronics 48.
- This electronics provides at its output 50 the trigger signals required for the individual ignition paths.
- the code is expediently designed in its phase position for the highest engine speed, so that the downstream electronics 48, depending on the speed, feeds the trigger signal to the ignition output stages with a delay.
- FIG. 13 A fully digital circuit in which the ignition phase is evaluated directly by means of an on-board computer 52 is shown in FIG. 13.
- the code pattern 53 is on the outer surface 42 of the rotationally fixed z. B. arranged with the camshaft connected code wheels.
- a 10-bit Gray code is preferably used as the code.
- B. is read by an inductive multifunction sensor 54 or by an optical scanning device.
- the signals are in a downstream integrated electronics 52 e.g. an on-board computer for determining position z. B. evaluated individual piston positions. This information is used for triggering the individual ignition output stages, as well as for dosing and for controlled direct injection of the fuel mixture into the cylinder rooms.
- the absolute position of the crankshaft or camshaft can already be determined statically, that is to say in retirement, which makes it possible to start (start) the internal combustion engine from the idle state without an electric starter device (starter) makes.
- the voltage and power supply of electrical devices can be done by means of a switching power supply (DC-DC converter).
- DC-DC converter switching power supply
- FIG. 14 This is a known circuit arrangement of a secondary regulated single-ended flyback converter.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Zündsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Die Verwendung von Wechselstrom zur Fremdzündung bei Verbrennungskraftmaschinen ist bekannt. Die Verwendung von Wechselstrom für die Zündung hat den Vorteil, daß die Funkenentladung an der Zündkerze über einen beliebigen Zeitraum aufrechterhalten werden kann und so dem Augenblicksbedarf des Motors leicht angepaßt werden kann, was den Wirkungsgrad der Verbrennungsmaschine durch die vollständigere Ausnutzung des Brennstoffgemisches erhöht und die Schadstoffe im Abgas reduziert.
- In der DE-OS 1 539 183 ist eine Zündungsanordnung mit einem Primär- und Sekundärkreis eines Aufwärtstransformators beschrieben, dessen Primärkreis als Parallel- und Serienresonanzkreis ausgelegt ist. Dieser Resonanzkreis erzeugt nach einer Schnellentladung im Sekundärkreis einen Wechselstrom an den Zündkerzenkathoden. Weiterhin ist aus der DE-OS 25 17 940 ein Kondensator-Zündsystem für Brennkraftmaschinen mit ferromagnetischer Resonanz bekannt, bei dem erst im Anschluß an jede Entladung des primärseitigen Kondensators ein zweiter Steuerkreis einen oszillierenden Strom in der Primär- und Sekundärwicklung erzeugt und so für eine vorbestimmte Zeitspanne an der Zündkerze einen Wechselstrom fließen läßt.
- Eine Weitere wechselstromzündungsanordnung ist in der DE-OS 29 34 573 beschrieben. Bei dieser Zündanlage steuert eine Oszillatorschaltung eine mit der Primärwicklung einer Zündspule verbundende Transistorgegentaktschaltung. Diese Oszillatorschaltung wird von den Schaltstellungen der Unterbrecherkontakte eines Zündverteilers angesteuert und erzeugt an den Zündkerzen ein Wechselstromsignal mit konstanter Frequenz.
- Nachteilig bei dieser bekannten Zündanlage ist, daß die Erzeugung des Wechselstromsignals ein von einem Startimpuls getriggertes Eingangssignal voraussetzt, was zusätzliche Schaltmaßnahmen zur Erzeugung des Startimpulses nötig macht.
- Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Zündsysteme ist, daß die Energiezufuhr über eine konstante Zündzeitdauer erfolgt und so ein Wechselstromsignal mit konstanter Leistung an den Zündkontakten erzeugt. Dieses kann bei ungünstigem Abschluß des Sekundärkreises z. B. bei nicht erfolgter Zündung des Gemisches, bei kurzgeschlossenen Zündkontakten oder abgezogenem Zündkerzenstecker zu einer zu hohen Leistungszufuhr führen, die die Beschädigung oder gar Zerstörung der elektrischen Bauteile der Zündanlage zur Folge haben kann.
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zündsystem der o. g. Art zu schaffen, das die erläuterten Nachteile nicht besitzt und folgende Eigenschaften aufweist bzw. ermöglicht:
- 1. Die Zündung des Brennstoffgemisches soll nach der Triggerung in kurzer Zeit, möglichst in wenigen µs, erreicht werden.
- 2. Beliebig einstellbare Brenndauer.
- 3. Problemlose statische und dynamische Triggerung.
- 4. Brennspannungstoleranzen, die durch Ionisationsschwankungen in den Zündstromnulldurchgängen, Verwirbelung und Druckänderungen des im Zylinderraumes befindlichen Brennstoffgemisches auftreten, sollen keinen oder nur einen geringen Einfluß auf den Brennstrom haben.
- 5. Hohe Betriebssicherheit sowohl im Normalbetrieb als auch bei Störfällen, z. B. bei offenem oder kurzgeschlossenem Zündkerzenausgang, über einen großen Temperaturbereich.
- 6. Geringe Hochfrequenzströungen.
- Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
- Hiernach besteht der Grundgedanke der Erfindung darin, eine Zündendstufe (Primär- und Sekundärkreis) derart zu schalten, daß sie in einem stromkontrollierten Sperr- und Durchflußwandlerbetrieb arbeitet.
- Dabei wird die Sperr- und Durchflußzeit eines Schalttransistors im Primärkreis der Zündendstufe in Abhängigkeit von der im Sekundärkreis verbrauchten Zündenergie derart gesteuert, daß bei erhöhter Energieaufnahme im Sekundärkreis die Zündstromfrequenz ansteigt und bei verminderter Energieaufnahme sinkt. Die Regelgröße, die die Einschaltzyklen des Transistors bestimmen, ist die vom Sekundärkreis dem Primärkreis nicht vollständig entzogene Energie, wobei die konstante Energiezufuhr in den Ausgangskreis durch die Stromkontrolle an einem Widerstand im Primärkreis sichergestellt ist. Dadurch wird dem Primär- und damit auch Sekundärkreis nur soviel Energie zugeführt, wie zur Erzeugung eines Zündfunkens und zur Regelung notwendig ist.
- Durch den Einsatz einer Energierückgewinnungsdiode, wird die nicht verbrauchte Energie dem Energiespeicher (Batterie) wieder zugeführt und bewirkt so einen kleineren Verbrauch der elektrischen Leistung.
- Schaltungstechnische Möglichkeiten sind mit den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben. Insbesondere kann mit einer Zündendstufe die Zündung zweier Zündkerzen (siehe Anspruch 4) erfolgen. Um die Einschwingzeit der Zündendstufe zu vermindern, ist das die Energiezufuhr steuernde Stellglied (ohmscher Widerstand) durch zusätzliche schaltungstechnische Maßnahmen (s. Anspruch 7 und 8) schaltbar.
- Die selbstschwingende Zündendstufe (Ausgangskreis) besteht aus einem Schalter (Transistor), einer Energierückgewinnungsdiode, einer Ladespule, einem Primärschwingkreiskondensator und einer Sekundärkreisspule, die in Serie zu einer Zündkerzenkapazität geschaltet ist. Die Funktion des Ausgangskreises ist mit einem Bandfilter vergleichbar. Es sind elektrisch zwei Zustände möglich:
- In diesem Fall ist der Sekundärkreis wegen seiner ca. 50 %-igen Kopplung überkritisch mit dem Primärkreis durch die Gegeninduktivität verkoppelt. Damit wird erreicht, daß die Hochspannung im Sekundärkreis innerhalb weniger Perioden sehr schnell in voller Höhe zur Verfügung steht.
- In diesem Fall ist der Sekundärkreis durch die starke Bedämpfung mit dem Primärkreis lose gekoppelt. Hierdurch wird eine quasi Konstantstromspeisung nahezu unabhängig von der Zündspannung garantiert.
- Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, die im nichtgezündeten Zustand die Zündkerzenkapazität mit berücksichtigt, bietet folgende Sicherheiten und Möglichkeiten:
- a) Die erforderliche Zündspannungsamplitude wird schnell erreicht, so daß auf einen Verteiler, der erst bei bzw. nach Erreichen die Zündkerze an Zündspannung legt, verzichtet werden kann.
- b) Fehlt z. B. wegen abgezogenen Zündsteckers die Kapazität im Sekundärkreis, so steht zum Schutz der Zündspule nicht die volle Hochspannung am sekundärseitigen Ausgang an, wodurch eine höhere Betriebssicherheit des Zündsystems erreicht wird.
- c) Bei kurzgeschlossener Zündkerze sowie im Normalbetrieb bei unterschiedlichen Zündspannungen ist der Zündstrom stets auf einen für das Zündsystem unschädlichen Wert begrenzt.
- Diese Technik der vorher beschriebenen selbstschwingenden Zündstufe läßt eine erhebliche Reduzierung des Volumens einer Zündspule zu, da die Gesamtzündfunkenenergie über einen größeren Zeitraum der Zündkerze zugeteilt wird und da die Übertragungsfrequenz hoch ist und die Schaltung sowohl im Sperr- als auch im Durchflußbetrieb arbeitet.
- Ein weiterer Vorteil dieser Zündendstufe ist, daß für den Aufbau der Zündspule nur eine Kopplung von ca. 50 % benötigt wird. Dieses Merkmal erlaubt, daß eine derartige Miniaturzündspule kostengünstig und einfach zu fertigen ist.
- Da jede Zündkerze mit einer Miniaturzündspule versehen ist und da die Schaltung im Durchfluß- und im Sperrwandlerbetrieb arbeitet und somit die Hochspannung praktisch sofort nach dem Triggern zur Verfügung steht, kann auf einen Verteiler problemlos verzichtet werden. Besonders geeignete, kleindimensionierbare und und rationell herstellbare Zündspulen sind Gegenstand der Ansprüche 10 bis 17.
- Mit der Erfindung werden gemäß den Ansprüchen 18 bis 20 ferner Maßnahmen zur Steuerung, insbesondere Triggerung der Zündwege vorgeschlagen.
- Zur Triggerung der einzelnen Zündwege sind an sich verschiedene Methoden bekannt. So ist aus der DE-OS 36 30 272 A1 eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der die Position einer mit einer Welle der Brennkraftmaschine verbundenen Geberscheibe, die eine als Markierung ausgebildete Perforation aufweist, von einem raumfesten Aufnahmesegment registriert wird. Mittels eines induktiv arbeitenden Sensors, der z.B. nach dem Wirbelstromprinzip arbeitet, werden Impulse gewonnen, die elektronisch ausgewertet werden. Eine Steuer- und Regelschaltung erzeugt mit diesen Impulsen dann die Ein- und Ausschaltsignale für die einzelnen Zündzweige. Diese bekannte Methode ist auch zum Triggern der hochfrequenten Wechselstromzündung geeignet. Nachteilig bei der oben angeführten dynamischen Erfassung des Zündzeitpunkts ist, daß zur Positionsbestimmung eine Bewegung der Geberscheibe notwendig ist, um die Position der Nocken- bzw. Kurbelwelle eindeutig zu bestimmen.
- Nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag ist zur Erfassung des für die Zündung korrekten Triggerzeitpunktes ein Rad auf der Nockenwelle montiert, das auf seiner Oberfläche einen eindeutig identifizierbaren Code trägt, der von einem Sensor abgetastet wird. Die Abtastung durch den Sensor erfolgt z.B. induktiv oder optisch. So kann z.B. auf der peripheren Oberfläche eines Nockenwellenrades ein 10 Bit-Gray-Code angeordnet sein, der von einem induktiven Multifunktionssensor mit integrierter Elektronik abgetastet wird und der Position des Nockenwellenrades entsprechende elektrische Signale liefert. Eine verbesserte Auflösung wird dadurch erreicht, daß man den Code nichtlinear ausführt, d.h. daß eine hohe Auflösung nur im Bereich vom oberen Totpunkt vorgesehen ist. Mittels dieser Sensor- und Geberanordnung ist eine statische und/oder dynamische Erfassung z.B. des Kurbelwellenwinkels möglich, um somit die Position der Kolben und die Zündfolge für die einzelnen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine festzulegen. Vorteilhafterweise ist hierdurch ein Selbststart ohne Verwendung einer Starteinrichtung, z. B. eines elektrischen Anlassermotors, möglich.
- Die für das erfindungsgemäße Zündsystem erforderlichen Komponenten insbesondere für die Steuer- und Regelschaltung und des Sensors zur statischen und/oder dynamischen Erfassung des Kurbelwellenwinkels können in herkömmlicher Weise direkt mittels einer bekannten Niederspannungsquelle, z. B. einer Gleichspannungsbatterie von 12 Volt, gespeist werden. Nachteil einer solchen Niederspannungsversorgung ist, daß die Versorgung von elektrischen Verbrauchern, die eine hohe Betriebsspannung benötigen, wie z. B. Scheinwerfer mit Gashochdruckentladungslampen oder auch das oben beschriebene Zündsystem, nur mit einem ungünstigen Wirkungsgrad möglich ist. Diesem Nachteil läßt sich erfindungsgemäß vorteilhaft durch die Verwendung eines Schaltnetzteils, also eines Wechselrichters mit Transformator, in einem Kfz begegnen. Bei Verwendung einer Batterie mit Klemmenspannung von 6 bis 18 Volt lassen sich mittels der Schaltnetzteile Ausgangsspannungen von z. B. 150 Volt bei einem besseren Wirkungsgrad als bei Verwendung einer Niederspannungsversorgung für die elektrischen Verbraucher und ihr Versorgungsnetz im Kraftfahrzeug bereitstellen.
- Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert.
- Es zeigen:
- Figur 1 eine schematische Gesamtdarstellung der erfindungsgemäßen Zündanlage,
- Figur 2a eine Schaltungsanordnung einer Zündendstufe nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
- Figur 2b eine Schaltungsanordnung einer Zündendstufe nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- Figur 2c ein Ersatzschaltbild der in Figur 2a und Figur 2b dargestellten Zündendstufen,
- Figur 3a eine Schaltungsanordnung einer Zündendstufe nach einem dritten Ausführungsbeispiel,
- Figur 3b ein Ersatzschaltbild der in Figur 3a dargestellten Schaltungsanordnung,
- Figur 4a ein Zeitdiagramm des Spannungsverlaufes der Drainspannung UD des Schalttransistors TR1 bzw. TR2 in den Schaltungen gemäß Figur 2 bzw. 3,
- Figur 4b ein Zeitdiagramm der Sekundärkreisspannung UH entsprechend der Drainspannung gemäß Figur 4a,
- Figur 4c ein Zeitdiagramm des Drainstroms ID des Schalttransistors entsprechend der Drainspannung gemäß Figur 4a,
- Figur 5a ein Zeitdiagramm des Drainstroms ID des Schalttransistors im Zündfall,
- Figur 5b ein Zeitdiagramm der Brennspannung UB an der Zündkerze im Zündfall,
- Figur 5c ein Zeitdiagramm der Drainspannung UD des Schalttransistors im Zündfall,
- Figur 6 eine Schaltungsanordnung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel für drei Zündwege für je zwei Zündkerzen,
- Figur 7 eine Schaltungsanordnung eines Zündendstufenmoduls nach einem Ausführungsbeispiel,
- Figur 8 eine Schaltungsanordnung eines Zündendstufenmoduls nach einem weiteren Ausführungsbeispiel,
- Figur 9 eine schematische Darstellung einer gesamten Zündendstufe nach einem Ausführungsbeispiel,
- Figur 10 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer zusammengesetzten Miniaturzündspule nach einem Ausführungsbeispiel,
- Figur 11a - 11c die Einzelteile der Zündspule gemäß Figur 10 in Explosionsdarstellung, nämlich
- Figur 11a das Spulengehäuse,
- Figur 11b den Spulenkern und
- Figur 11c den Spulenkörper,
- Figur 12 schematische Darstellung einer Triggervorrichtung zur statischen und/oder dynamischen Erfassung des Kurbelwellenwinkels nach einem Ausführungsbeispiel,
- Figur 13 schematische Darstellung einer Triggervorrichtung zur statischen und/oder dynamischen Erfassung des Kurbelwellenwinkels gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und
- Figur 14 eine Schaltungsanordnung für ein Schaltnetzteil.
- Die erfindungsgemäße Zündanordnung besteht aus den in Figur 1 schematisch dargestellten Komponenten, das sind:
- eine Niederspannungsversorgung (BAT),
- ein zentrales Schaltnetzteil (UF1),
- hochspannungserzeugende Zündendstufen (ZST), entsprechend der Zylinderanzahl
- sowie Miniaturzündspulen (ZSP) für jede Zündkerze. - Die in Fig. 2a dargestellte erfindungsgemäße Zündendstufe besteht aus einem Primär- und Sekundärschwingkreis. Der Primärschwingkreis weist eine Steuer- und Regelschaltung 2 mit einem Triggereingang 4, einem Triggerausgang 6 und einer Versorgungsleitung 8, sowie die Primärwicklung P1 einer Zündspule auf. Seriell zu der Primärkreisspule P1 liegt ein Schwingkreiskondensator C1 und parallel zu diesem eine Energierückgewinnungsdiode D1. Ein Transistor TR1 ist drainseitig mit dem Kondensator C1 und der Energierückgewinnungsdiode D1 verbunden. Sourceseitig ist der Transistor TR1 über einen Strombegrenzungswiderstand R1 mit Masse verbunden. Eine Zuleitung 10 verbindet den Transistor sourceseitig mit dem Strombegrenzungswiderstand R1 und der Steuer- und Regel schaltung 2. Sekundärseitig liegt die Sekundärspule (S1) in Serie zu der Wicklungs- und Zündkapazität CW, wie mit dem Ersatzschaubild gemäß Fig. 2c veranschaulicht ist. Bei dem im übrigen entsprechenden Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2b ist eine Endstufe mit galvanisch getrennter induktiver Auskopplung vorgesehen.
- Eine vollständige Schaltung einer Zündendstufe mit drei Zündwegen für je zwei Zündkerzen, also für einen Sechszylindermotor z. B., ist mit Fig. 6 veranschaulicht.
- Die Versorgung von zwei Zündkerzen Z1, Z2 mit einer gemeinsamen Zündendstufe ist in Figur 3a dargestellt. Bei einer derartigen Beschaltung des Sekundärkreises ist die effektive Wicklungs- und Zündkerzenkapazität CW vorzugsweise um den Faktor 2 reduziert, wie dies im Ersatzschaltbild in Figur 3b veranschaulicht ist.
- Die prinzipielle Funktion der erfindungsgemäßen Zündendstufe ist anhand von Zeitdiagrammen in Figur 4a bis 4c soweit und in Figur 5a bis 5c für die o. g. Ausführungsbeispiele der Zündendstufe erläutert.
- Die Funktion der selbstschwingenden Zündendstufe ist zunächst für den nichtgezündeten Fall (Zeitdiagramm in Figur 4a bis 4c) erläutert.
- Hierbei sei der eingeschwungene Zustand bei ausreichender Batteriespannung vorausgesetzt. Die Spannung am Punkt A in der Schaltung gemäß Fig. 6 gibt mit Low-Pegel den Betrieb frei, sobald der Verstärker OP1 durchgeschaltet ist. Ein Triggereingang, z. B. Triggereingang 3, werde entsprechend der Steuerung an Masse gelegt. Da die Referenzspannung am Punkt B positiver als die Spannung am invertierenden Eingang des Verstärkers OP4 ist, wird der Transistor T30 durchgeschaltet. Es beginnt ein Drainstrom ID zu fließen (Bild 4c, Zeitabschnitt t1). Die hierdurch am Widerstand R37 abfallende Spannung steigt so lange, bis die Spannung am invertierenden Eingang (-) des Verstärkers OP4 positiver wird als die Referenzspannung am Punkt B.
- In diesem Zeitpunkt wird der Transistor T30 gesperrt. Die in der Speicherspule SP30 enthaltene Energie regt den gesamten Ausgangskreis zum Schwingen an. Ein Teil der Energie transferiert in den Kondensator C33 des Primärbereichs (C1 bzw. C2 im Ersatzschaltbild 2c bzw. 3b) und der andere Teil in die Kapazität CW des Sekundärkreises (Zeitabschnitt t2, Bild 4a und 4b).
- Die Spannung UD am Kondensator C33 steigt sinusförmig so lange an, bis keine Energie mehr in der Speicherspule vorhanden ist. Im Zeitabschnitt t3 wird die kapazitiv gespeicherte Energie wieder der Induktivität L1 zugeführt, bis die Spannung am Kondensator C33 gleich Null ist. Zu diesem Zeitpunkt (Beginn von Zeitabschnitt t4) gibt die Speicherspule SP30 sekundärseitig ihre vorhandene Energie in den Kreiskondensator CW ab. Primärseitig ist dies analog für C33 nicht möglich, da die Spannung UD am Drain vom Transistor T30 nicht negativ werden kann, weil die interne Diode (Energierückgewinnungsdiode D1 bzw. D2 in Figur 2a, 2b, 3a) leitend wird. Die in der Primärinduktivität L1 vorhandene Energie wird über die Diode D30 ins Bordnetz zurückgeliefert (Zeitabschnitt t4, s. Abbildung 4c).
- Der Sekundärkreis kann in diesem Zeitabschnitt t4 weiterschwingen (s. UH in Figur 4b). Seine Frequenz ist etwas höher als vorher, denn die Streuinduktivität L σ (Figur 2c, Figur 3b) liegt jetzt parallel zu der Gegeninduktivität M (s. Fig. 2c, 3b). Während dieses Zeitabschnittes t4 wird der Transistor T30 wieder durchgeschaltet, denn es liegen die gleichen Spannungsverhältnisse wie zu Beginn vom Zeitabschnitt t1 vor. Ist die Energie der Induktivität L1 vollständig an die Spannungsquelle (Bordnetz) abgegeben, startet ein neuer Zyklus.
- Zum Verständnis der Schaltung sei erwähnt, daß der Transistor T30 nur dann gesperrt ist, wenn die Spannung am invertierenden Eingang (-) des Verstärkers OP4 positiver ist als die Referenzspannung am Punkt B. Dieser Fall tritt immer dann ein, wenn der Ladestrom ID einen durch den Widerstand R37 bestimmten Grenzwert erreicht. Diese Stromkontrolle garantiert gleichbleibende Energiezufuhr in die Primärinduktivität L1, wobei die Energie - von geringen Verlusten abgesehen - im Falle der Nichtzündung vollständig ins Bordnetz zurückgeliefert wird. Der gesperrte Zustand des Transistors T30 wird durch den Spannungsabfall am Widerstand R36 solange aufrechterhalten, wie die Spannung UD am Drain des Transistors T30 positiver ist als die Batteriespannung.
- Die beschriebene Funktion der Selbsterregung ändert sich für den Zündfall nicht, denn die induktive Kopplung zwischen Primär- und Sekundärinduktivität von ca. 50 % verhindert eine totale Bedämpfung des Primärkreises durch den stark gedämpften Sekundärkreis. Für den gezündeten Fall ergibt sich dann folgende Funktionsweise:
- Wegen des die Zündkerze nun durchfließenden Brennstromes wird jetzt erheblich weniger Energie der Spannungsquelle, also ins Bordnetz, zurückgeliefert (Figur 5a). Der Zeitabschnitt t4 verkürzt sich deutlich. Ein Vorteil dieses Schaltungskonzeptes ist, daß nur soviel Energie zurückgeliefert wird, wie nach der Zündphase noch vorhanden ist. Dieses Verhalten ermöglicht, daß die gewünschte Stromspeisung in einem großen Bereich weitgehend unabhängig von der Brennspannung UB erfolgt. Wenn die Brennspannung UB groß ist, wird ein großer Energieanteil im Lichtbogen der Zündkerze in Wärme umgewandelt. In diesem Fall wird weniger Restenergie zur Spannungsquelle zurückgeliefert. Die Folge ist, daß
der Zeitabschnitt t4 kleiner wird, die Zündfrequenz ansteigt und die Stromaufnahme zunimmt zu. - Für den umgekehrten Fall, also für niedrige Brennspannung UB, gilt das inverse Verhalten, d.h., daß
der Zeitabschnitt t4 größer wird, die Zündfrequenz nimmt ab und die Stromaufnahme sinkt. - Bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel ergeben sich unterschiedliche Primär- und Sekundärkreisfrequenzen.
- Bei geeigneter Schaltungsdimensionierung beträgt z.B. die Primärfreilaufkreisfrequenz ungefähr 18 kHz und die Sekundärkreisfrequenz:
43,5 kHz bei offenem Primärkreis und
60 kHz bei kurzgeschlossenem Primärkeis. - Die Grundfrequenz mit Zündkerzenabschluß beträgt ungefähr 20 kHz bei einer Brennspannung von 900 Vss.
- Damit unmittelbar nach dem Einschaltsignal der Steuer- und Regelschaltung die Hochspannung an der Zündkerze in voller Höhe zur Verfügung steht, ist es von Vorteil wenn für eine definierte Zeitdauer der Drainstrom ID durch die Drain-Source-Strecke des Transistors T30 größer ist als im vollständig eingeschwungenen Zustand. Um dies zu erreichen, wird bei der Schaltung gemäß Figur 7 mittels eines bistabilen Flip-Flops FF1, das das Gate des Transistors T40 ansteuert, der Ist-Meßwert der drainstromproportinalen Spannung am Punkt C reduziert. Die Stromamplitude wird durch den Widerstand R40 so eingestellt, daß die gespeicherte Energie in der Primärinduktivität L1 ausreichend groß ist, um die beim Einschalten noch nicht vorhandene Restenergie im Ausgangskreis zu ersetzen. Hierdurch wird die maximale Hochspannung UH schon während der ersten Schwingungsperiode erreicht.
- Das Flip-Flop FF1 kann durch die negative Flanke (Rückflanke) des ersten Stromimpulses zurückgesetzt werden. Das Zurücksetzen des Flip-Flops FF1 kann aber auch davon abhängig gemacht werden, ob eine Zündung erfolgt ist oder nicht. Die Information hierfür kann z.B. aus den sich ändernden Frequenzen abgeleitet werden.
- Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in Figur 8 dargestellt ist, kann mittels eines zusätzlichen monostabilen Flip-Flops FF2, bewirkt werden. daß das bistabile Flip-Flop FF1 nur während der Zeitdauer zurückgesetzt werden kann, in der der Transistorstrom ID fließen würde, vorausgesetzt, daß eine Zündung erfolgt wäre. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß bei sehr stark verschmutzten Zündkerzen die Zündspannung UH weiter ansteigt, wodurch eine Spannungsreserve für stark abgenutzte und verschmutzte Zündkerzen bereitgestellt ist.
- Den Gesamtaufbau einer Zündendstufe (s. Figur 9) mit einem Zündmodul IZM mit integrierter Schaltung und einer Zündspule ZSP zeigt Figur 9. Die vollständige Schaltung des Zündmoduls mit einem hohen Integrationsgrad erlaubt dabei eine kostengünstige Herstellung und eine hohe Betriebssicherheit.
- Die im Zusammenwirken mit den oben erläuterten Zündendstufen vorteilhaft einzusetzende Miniaturzündspule ist in den Figuren 10 und 11a - 11c im einzelnen dargestellt. Die Miniaturzündspule besteht aus drei Einzelkomponenten, nämlich dem Spulenkörper 20, dem Spulenkern 22 und dem Spulengehäuse 24. Der Spulenkörper 20 weist eine zylindrische Grundform auf, an deren einer Endfläche eine Steckbuchse 26 einstückig angesetzt ist. Diese Steckbuchse 26 ist von einer als Schutzkappe wirkenden umlaufenden Zylinderwandung 28 umgeben und bewirkt einen kraftschlüssigen und paßgenauen Sitz auf der Zündkerze.
- Auf der Mantelfläche 29 des Spulenkörpers 20 sind durch mehrere umlaufende Segmentrippen einzelne Kammersegmente 30a bis 30g, 32 gebildet. Vorzugsweise nimmt das Kammersegment 32 mit dem größten Kammerrippenabstand 1 die Spulenwicklung der niederimpedanten Primärkreisspule auf, da der Primärkreis mit größeren Toleranzen beim Wickelaufbau ausgeführt und zwecks einer besseren Raumnutzung kammerlos gestaltet werden kann. In die abstandskleineren Kammersegmente 30a bis 30g ist vorzugsweise die Spulenwicklung der hochohmigen Sekundärspule eingebracht. Ein Vorteil dieser Kammerwickeltechnik des Sekundärkreises ist, daß eine höhere Spannungsfestigkeit erzielt wird und geringere Wicklungstoleranzen leichter herzustellen sind. Die Leitungsanschlüsse 34 für den Primärkreis sind endseitig aus dem Spulenkörper 20 herausgeführt.
- Zur Aufnahme des Spulenkerns 22 weist der Spulenkörper 20 eine konzentrische Bohrung 33 auf (siehe Figur 11c).
- Der Spulenkern 22 ist pilz- bzw. T-förmig ausgeführt. Diese Form erlaubt einerseits eine einfache Montage und bewirkt andererseits eine magnetische Abschirmung und Erhöhung der Güte des Primärkreises. Der Spulenkern 22 besteht vorzugsweise aus Ferrit, das vorteilhaft bis zu einer Temperatur von 200° C keine Sättigungserscheinungen zeigt.
- Zur Fixierung des Spulenkerns 22 im Spulenkörper und zum Schutz der Spulenwindungen ist das Spulengehäuse 24 für den Spulenkörper 20 mit eingesetztem Spulenkern 22 (s. Figur 11a) kappen- bzw. topfförmig ausgeführt. Zum Schutz der elektrischen Zuleitungen gegen mechanische Beanspruchungen ist an das Spulengehäuse 24 an seinem oberen Deckel ein Rohrstutzen 36 angesetzt.
- In der endmontierten Form (siehe Figur 10) ist der Spulenkörper mit dem Spulengehäuse 24 wasserdicht vergossen, womit vorteilhaft die Korrosionsfestigkeit erhöht wird. Die Vergußmasse 38 erstreckt sich vorzugsweise über die die Sekundärwindungen aufnehmenden Kammersegmente 30a bis 30g. Das verwendete Vergußmaterial besteht vorzugsweise aus Silikon. Für das Spulengehäuse 24 eignet sich Plastoferrit, das z.B. mit Leitruß angereichert ist, wodurch eine magnetische und elektrostatische Abschirmung gegenüber äußeren elektromagnetischen Feldern bewirkt wird. Insgesamt erlaubt der einfache Aufbau der Zündspule 22 eine kostengünstige Fertigung und das geringe Volumen der Zündspule 22 eine Plazierung unmittelbar auf den Zündkerzen, was die Betriebssicherheit der Zündanlage erhöht und eine geringe HF-Störung zur Folge hat.
- Zur Triggerung einzelner Zündwege wird die Winkelposition einer Kurbel- bzw. Nockenwelle mittels einer fest mit diesen verbundenen Codierscheibe 40, 42 wie in Fig. 12 bzw. Fig. 13 dargestellt, bestimmt. Fig. 12 zeigt einen Code, der zur Triggerung von 3 Zündwegen verwendet werden kann. Der Binärcode der radial angeordneten Codierspuren 44a, b, c wird mittels eines induktiven Sensors 46 ausgelesen und in der Elektronik 48 ausgewertet. Diese Elektronik stellt an ihrem Ausgang 50 die für die einzelnen Zündwege erforderlichen Triggersignale zur Verfügung. Der Code ist zweckmäßigerweise in seiner Phasenlage für die höchste Motorendrehzahl ausgelegt, so daß die nachgeschaltete Elektronik 48 in Abhängigkeit von der Drehzahl das Triggersignal den Zündendstufen verzögert zuführt.
- Eine volldigitale Schaltung, bei der die Auswertung der Zündphase direkt mittels eines Bordcomputers 52 stattfindet, ist in Fig. 13 dargestellt. Das Codemuster 53 ist auf der Mantelfläche 42 des drehfest z. B. mit der Nockenwelle verbundenen Coderades angeordnet. Als Code ist vorzugsweise ein 10-Bit-Gray-Code verwendet, der z. B. von einem induktiven Multifunktionssensor 54 bzw. von einer optischen Abtastvorrichtung ausgelesen wird. Die Signale werden in einer nachgeschalteten integrierten Elektronik 52 z.B. einem Bordcomputer zur Positionsbestimmung z. B. einzelner Kolbenstellungen ausgewertet. Diese Information wird zur Triggerung der einzelnen Zündendstufen, sowie zur Dosierung und zur gesteuerten Direkteinspritzung des Treibstoffgemisches in die Zylinderräume benutzt.
- Mittels einer derartigen Codierscheibe kann die Absolutposition der Kurbel- bzw. Nockenwelle bereits statisch, also im Ruhestand, bestimmt werden, was den Anlauf (Start) der Verbrennungsmaschine aus dem Ruhezustand unter Verzicht auf eine elektrische Starterreinrichtung (Anlasser) möglich macht.
- Die Spannungs- und Stromversorgung elektrischer Geräte kann mittels eines Schaltnetzteils (DC-DC-Wandler) erfolgen. Die Schaltungsanordnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels ist in Fig. 14 dargestellt. Dabei handelt es sich um eine bekannte Schaltungsanordnung eines sekundär geregelten Eintaktsperrwandlers.
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