EP0415240A2 - Zündsystem für eine Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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EP0415240A2
EP0415240A2 EP90116018A EP90116018A EP0415240A2 EP 0415240 A2 EP0415240 A2 EP 0415240A2 EP 90116018 A EP90116018 A EP 90116018A EP 90116018 A EP90116018 A EP 90116018A EP 0415240 A2 EP0415240 A2 EP 0415240A2
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EP
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ignition
coil
ignition system
circuit
transistor
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EP0415240B1 (de
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Uwe Ing. Hartmann (Grad.)
Udo Ing. Mai (Grad.)
Roman Dipl.-Ing. Fh Schichl
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Vogt Electronic AG
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Vogt Electronic AG
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    • F02B2275/00—Other engines, components or details, not provided for in other groups of this subclass
    • F02B2275/14—Direct injection into combustion chamber

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

Das Zündsystem besteht aus einer selbstschwingenden Zündendstufe, einer Miniaturzündspule, einer statischen und/oder dynamischen Erfassung des Zündwinkels und einem Netzteil. Die Zündendstufe bewirkt, daß der Zündstrom ein Wechselstrom ist und daß die Zündenergie den Zündkerzen stromkontrolliert zugeführt wird. Der Zündzeitpunkt wird durch die Erfassung des Zündwinkels bestimmt. Die elektrische Versorgung der gesamten Zündendstufe und zusätzlicher Verbraucher eines Kraftfahrzeuges erfolgt durch ein strom- und spannungsumformendes Netzteil. <IMAGE>

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:
    • 1. Nichterfolgte Zündung:
  • 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.
    • 2. Erfolgte Zündung:
  • 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.

Claims (23)

1. Zündsystem für eine Verbrennungskraftmaschine, minde­stens bestehend aus einer Gleichspannungsquelle, einer Zündspule mit Primär- und Sekundärwicklung, einem steu­erbaren Halbleiterschalter zwischen Zündspule und Span­nungsquelle und einer im Stromkreis der Sekundärwicklung angeordneten Zündkerze, wobei die Primärwicklung mit einem Kondensator einen ersten Schwingkreis, den Primär­kreis, und die Sekundärwicklung mit ihrer Wicklungskapa­zität und der Zündkerzenkapazität einen zweiten Schwing­kreis, den Sekundärkreis, zur Erzeugung eines bipolaren Zündstroms während der Zündphase bilden, und ferner bestehend aus einer triggerbaren Steuer- und Regelschal­tung zur Steuerung des Halbleiterschalters, dadurch gekennzeichnet, daß Primär- und Sekundärkreis nach Art eines Bandfilters bei nicht erfolgter Zündung überkri­tisch und nach erfolgter Zündung lose gekoppelt sind, daß parallel zum Kondensator des Primärkreises eine Energierückgewinnungsdiode angeordnet ist und daß der Primärkreis derart dimensioniert und von der Steuer- und Regelschaltung derart gesteuert ist, daß er im stromkon­trollierten Sperr- und Durchflußwandlerbetrieb arbeitet.
2. Zündsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (P1) in Serie zu einem Schwingkreis­kondensator (C1), einer Energierückgewinnungsiode (D1), einem Transistor (TR1) und einem Strombegrenzungswider­ stand (R1) liegt, daß der Transistor (TR1) drainseitig mit der Kathode der Diode (D1) und dem Kondensator (C1) und sourceseitig mit dem Widerstand (R1) und einer Zuleitung (10) mit der Steuer- und Regelschaltung (2) verbunden ist, daß die Primärwicklung (S1) der Zündspule mit der Sekundärwicklung (S1) elektrisch leitend verbun­den ist, daß die Sekundärwicklung (S1) in Serie zur Zündkerzenkapazität (Z1) liegt, daß die Primärwicklung (P1) über eine Zuleitung (8) mit einer Spannungsversor­gung und der Steuer- und Regelschaltung (2) verbunden ist und daß die Steuer- und Regelschaltung (2) einen Triggereingang (4) aufweist.
3. Zündsystem nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Primärwicklung (P2) und Sekundärwick­lung (S2) der Zündspule nur induktiv gekoppelt sind.
4. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (S2) der Zündspule in Serie zu einer ersten Zündkerzenkapazi­tät (Z1) und einer zweiten Zündkerzenkapazität (Z2) liegt.
5. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündendstufe ein Zündmo­dul (ZM3) aufweist, das mindestens einen Verstärker (OP4), einen Transistor (T30), eine in den Transistor (T30) integrierte Energierückgewinnungsdiode, eine Zündspule (SP30), eine Primärkreiskapazität (C33) und vier Widerstände (R34, R35, R36, R37) ) aufweist, wobei der Eingang (-) des Verstärkers (OP4) in Serie mit der Diode (D28) und mit einer Ansteuerleitung (A) verbunden ist, wobei der Ausgang des Verstärkers (OP4) über eine Treiberstufe das Gate des Transistors (T30) ansteuert und die Drain-Source-Strecke des Transistors (T30) in Serie zu der Primärwicklung (L1) und dem Widerstand (R37) liegt, daß der Transistor (T30) sourceseitig über den zueinander in Serie liegenden Widerständen (R34 und R35) mit dem invertierenden Eingang (-) des Verstärkers (OP4) und der Kathode der Diode (D28) verbunden ist, daß der Transistor (T30) drainseitig mit der Spulenwicklung (L1) mit der Kapazität (C33) und dem mit der internen Energierücklieferungsdiode verbundenen Widerstand (R36) verbunden ist und daß die Sekundärwicklung (L2) der Zündspule (SP30) in Serie mit zwei Zündkerzen verbunden ist.
6. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R34) und der Widerstand (R35) gemeinsam mit einem zu der Drain-­Source-Strecke eines Transistors (T40) in Serie liegen­den Widerstands (R40) verbunden sind, daß der Transistor (T40) sourceseitig an Masse liegt und daß das Gate des Transistors (T40) über einen Widerstand (R41) von dem Ausgang eines Flip-Flops (FF1) ansteuerbar ist und dessen Ansteuereingang (S) über eine Diode (D30) mit dem Ausgang eines invertierenden Verstärkers (IC28) verbun­den ist, daß der Rücksetzeingang (R) des Flip-Flops (FF1) mit der Sourceseite des Transistors (T30) über einen Verstärker verbunden ist und daß das Flip-Flop (FF1) den Transistor (T40) derart ansteuert, daß dieser über seine Drain-Source-Strecke mit dem Widerstand (R40) leitend wird, wodurch die elektrische Leistungsabgabe in den Primärkreis erhöht wird.
7. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rücksetzeingang des Flip-Flops (FF1) von dem Ausgang eines UND-Bausteins (UN1) angesteuert wird, wobei der Eingang (E1) des UND-Bausteins (UN1) von dem Ausgang eines monostabilen Flip-Flops (FF2) und der zweite Eingang (E2) des UND-­Bausteins (UN1) mit dem Eingang des monostabilen Flip-­Flops (FF2) und der Sourceseite des Transistors (T30) über einen Verstärker derart verbunden ist, daß das bistabile Flip-Flop (FF1) in Abhängigkeit vom Drainstrom (ID) des Transistors (T30) rücksetzbar ist.
8. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenndauer des Zünd­stromes bei Erhöhung der Drehzahl der Verbrennungsma­schine verringerbar ist.
9. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündstromfrequenz vor­zugsweise größer als 16 kHz ist.
10. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte selbstschwingen­de Zündendstufe aus einem integrierten Schaltungsaufbau (IZM) und einer Miniaturzündspule (ZSP) besteht.
11. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündspule vorzugsweise aus einem einstückig gefertigten Spulenkörper (20), einem einstückig gefertigten Spulenkern (22) und einem einstückig gefertigtem Spulengehäuse (24) besteht.
12. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkern (22) pilz­förmig ist.
13. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkörper (20) mit dem Spulengehäuse (24) durch eine Vergußmasse (38) verbunden ist.
14. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkörper (20) vor­zugsweise im Bereich der Sekundärwicklung mit Verguß­masse (38) vergossen ist.
15. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Vergußmasse (38) Silikon ist.
16. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulengehäuse (24) aus Plastoferrit besteht.
17. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Plastoferrit mit Leitruß angereichert ist.
18. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (1) des Kammer­segmentes (32) für die Primärwicklung größer ist als die Breite (k) der Kammersegmente (30a - 30g) für die Sekun­därwicklung.
19. Zündsystem insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei welchem Zündzeitpunkt und -dauer aus der Rota­tionsgeschwindigkeit und/oder der Winkelstellung von Kurbel- bzw. Nockenwelle hergeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Nocken- bzw. Kurbelwelle ein Rad (40, 42) drehfest verbunden ist, dessen Oberfläche einen die Winkelstellung eindeutig identifizierenden Code (44a, b, c) trägt, der von einem Sensor (46, 54) abgetastet und mittels einer elektronischen Schaltung (48, 52) in die Zündung steuernde Signale umgewandelt wird.
20. Zündsystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Code nichtlinear ausgeführt ist, wobei die Bereiche hoher Codeauflösung den Bereichen der oberen Totpunkte der Kolben zugeordnet sind.
21. Zündsystem nach Anspruch 19 und/oder 20, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Code ein 1-schrittiger Gray-Code (53) ist.
22. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Teil der elektrischen Versorgung eines Kraftfahrzeuges ein Strom- und Spannungsumformer (UF1) verwendet wird.
23. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs- bzw. Stromumformer (UF1) Eingangsspannungen im Bereich 6 Volt - 18 Volt und stabilisierte Ausgangsspannungen angepaßt an die Bedürfnisse der elektrischen Verbraucher, insbe­sondere in einem Bereich von 5 Volt - 300 Volt, auf­weist.
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