EP2895734B1 - Zündsystem für eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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EP2895734B1
EP2895734B1 EP13759775.3A EP13759775A EP2895734B1 EP 2895734 B1 EP2895734 B1 EP 2895734B1 EP 13759775 A EP13759775 A EP 13759775A EP 2895734 B1 EP2895734 B1 EP 2895734B1
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EP
European Patent Office
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connection
bypass
switch
energy
inductance
Prior art date
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EP13759775.3A
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English (en)
French (fr)
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EP2895734A1 (de
Inventor
Tim Skowronek
Thomas Pawlak
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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    • F02P2017/121—Testing characteristics of the spark, ignition voltage or current by measuring spark voltage
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02P9/00—Electric spark ignition control, not otherwise provided for
    • F02P9/002—Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression
    • F02P9/007—Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression by supplementary electrical discharge in the pre-ionised electrode interspace of the sparking plug, e.g. plasma jet ignition

Definitions

  • the present invention relates to an ignition system for an internal combustion engine.
  • the present invention relates to an ignition system for internal combustion engines, to which increased requirements by (high) charge and dilute, flame retardant mixtures ( ⁇ >> 1, lean-layer concepts, high EGR rates) exist.
  • GB717676 shows a step-up transformer for an ignition system in which a controlled via a vibration switch circuit part is used in the manner of a boost converter to supply a spark generated by the step-up transformer with electrical energy.
  • WO 2009/106100 A1 shows a constructed according to a high-voltage capacitor ignition system circuitry in which stored in a capacitor energy is passed on the one hand to the primary side of a transformer and on the other hand via a bypass with a diode on a spark gap.
  • US 2004/000878 A1 shows an ignition system in which a memory on the secondary side, comprising a plurality of capacitors, is charged in order to supply a spark generated by a transformer with electrical energy.
  • WO9304279 A1 shows an ignition system with two energy sources.
  • An energy source transmits electrical energy via a transformer to a spark gap, while the second energy source between a secondary side terminal of the transformer and the electrical ground is arranged.
  • the JP S60 169675 A and the JP H07 174063 A show an ignition system in which a capacitor is charged via a capacitor connected in parallel.
  • ignition systems for internal combustion engines are based on a high-voltage generator, for example a step-up transformer, by means of which energy originating from the vehicle battery or a generator is converted to high voltages, by means of which a spark gap is supplied in order to ignite a combustible mixture in the internal combustion engine.
  • a current flowing through the step-up transformer is abruptly interrupted, whereupon the energy stored in the magnetic field of the step-up transformer discharges in the form of a spark.
  • ignition systems are known in the prior art which have a plurality of spark events in succession in order to increase the probability of the presence of an ignitable mixture at the location of one of the spark events.
  • Another known from the prior art problem is that the entire during the spark impact converted electrical energy must be stored in the high voltage generator, whereby the high voltage generator is comparatively large and thus expensive and takes up much space. Due to the discharge characteristic of the high-voltage generator, such a high current flows, in particular at the beginning of the spark strike, that the electrodes of the spark gap are eroded. In this case, such a high current to ensure a spark is physically not required. Only the required duration of the spark strike is ensured in this way by accepting the disadvantages described above. It is therefore an object of the present invention to overcome the aforementioned disadvantages of the prior art.
  • the ignition system according to the invention also has a high voltage generator, such as a step-up transformer, with a primary side connected to a power source and a secondary side connected to a spark gap.
  • a high voltage generator such as a step-up transformer
  • the principle of operation of the high voltage generator corresponds to that known from the prior art, and therefore need not be further explained.
  • a spark gap likewise known from the prior art, is provided, which is set up to conduct a current transmitted by the high-voltage generator to the secondary side.
  • the spark gap can be arranged, for example, in a spark plug.
  • a bypass is provided according to the invention, which can transmit electrical energy from the electrical energy source at the high voltage generator to the secondary side.
  • a bypass here is a variety of possible circuits conceivable, of which individual will be discussed in more detail below.
  • the bypass is arranged to sustain longer and more reliably an arc generated by the high voltage generator over the spark gap than would be possible by means of the magnetic energy stored in the high voltage generator.
  • the bypass is adapted to support a decaying electrical signal in the secondary coil of the high voltage generator from a predefined time or from a predefined current intensity of the current.
  • a logic may be provided in the ignition system according to the invention, which performs a time measurement and / or determines a current intensity and, in response to reaching corresponding predefined reference values, causes the bypass to output a secondary-side electrical signal.
  • spark duration can preferably be generated between 0.5 ms to 5 ms in the event of spark currents, preferably within the limits of 30 mA to 100 mA of different polarity (polarity of the voltage supply).
  • the high voltage generator is configured as a step-up transformer and has a primary coil on the primary side and a secondary coil on the secondary side. Both coils may be magnetically coupled together by means of a transformer core (e.g., sheet iron).
  • the bypass is arranged to transmit an electrical voltage in addition to the step-up transformer, which adds to a transformer voltage lying across the secondary coil of the step-up transformer. In this way, the bypass allows a "support" of the spark current by an entry of additional electrical energy to the spark gap.
  • the high voltage generator may be configured as a high voltage capacitor ignition (HCC) system.
  • HCC high voltage capacitor ignition
  • the bypass one or (advantageously for common handling of the sometimes occurring high voltages) a plurality of energy storage, preferably one or more capacitors, connected in series and / or parallel, capacitances, the first terminal is connected to a secondary side terminal of the high voltage generator and the second terminal is connected to the electrical ground, in particular, an inductance between the power source and the capacitance is provided switchable.
  • the bypass provides a secondary-side energy storage, by means of which the decaying electrical signal can be supported in the secondary coil of the high voltage generator from a predefined time or from a predefined current.
  • an inductance between the power source and the capacitor may be switchably provided.
  • the capacitance and the inductance form a resonant circuit, by means of which a temporary increase in the electrical potential at the first terminal of the capacitance is possible.
  • a current is first passed through the inductance and a discharge of the stored energy in the inductance is forced to the capacitance, can be provided at suitably selected switching times very high voltages without the required energy within a high voltage generator to have to cache.
  • a non-linear dipole for example in the form of a diode, which has flow direction in the direction of the capacitance.
  • a non-linear dipole for example in the form of a diode, this is done for reasons of brevity and readability. It will be apparent to those skilled in the art that voltages may sometimes be present across the non-linear dipoles called diode, which may be coped with more conveniently by several components, such as diodes connected in series.
  • each of the diodes can be configured as a Zener diode.
  • an included switch may also be closed in response to a signal when a predefined first current direction is to be expected in the non-linear branch and then opened when a predefined second (oppositely directed) current direction in the nonlinear branch is to be expected.
  • a plurality of diodes can be advantageously used in the following and high voltages applied, the statements made above also apply accordingly.
  • a switchable connection between a common connection between the inductance and the diode on the one hand and the electrical ground on the other hand can be provided.
  • a current measuring means for example, between an output terminal of the high voltage generator and the capacitance may be provided, which may be configured for example as a shunt resistor.
  • This current measuring means may further be arranged, for example, between capacitance and ground or in the path of the diode, and be set up to give a signal to a switch in the bypass so that it can react to a critical current intensity in the secondary-side mesh.
  • an overvoltage protection for example, a diode may be provided parallel to the capacitance, which protects the capacitance against an overvoltage.
  • a reverse zener diode can be used to relieve excessively high capacitance.
  • a voltage measurement and / or a power measurement may be carried out, for example via the capacitance, in order to obtain information about the ignition current and / or the ignition output.
  • the inductor is designed as a transformer or transformer with a primary side and a secondary side, wherein a first terminal of the primary side is connected to the power source and a second terminal of the primary side is connected via a switch with the electrical ground. Further, a first terminal of the secondary side of the transformer is connected to the power source and a second terminal of the secondary side of the transformer, as described above, connected to the diode.
  • a suitable choice of the transmission ratio can be used in this way a switch provided on the primary side to switch a secondary side flowing current. Due to the transmission ratio favorable conditions for dimensioning the switch and in this way a safer and more cost-effective implementation of the ignition system according to the invention.
  • a method for generating a spark for an internal combustion engine is proposed.
  • a spark by means of an energy source of extracted electrical energy, which is given via a high voltage generator with a primary side and a secondary side to a spark gap is generated first.
  • the spark is maintained by means of electrical energy, which is transmitted from the energy source via a bypass to the secondary side.
  • the electrical energy is provided to maintain the spark as a controlled pulse train, for example in the kilohertz range, preferably between 10kHz and 100kHz, from the power source.
  • the electrical energy for maintaining the spark is coupled as electrical voltage in series or parallel to the secondary side of the high voltage generator.
  • a coupling-in section of the bypass in conjunction with the secondary-side coil of the high-voltage generator forms a mesh whose voltage lies parallel to the spark gap.
  • FIG. 1 shows a timing diagram of the ignition current, that of the current which flows when penetrating the spark gap within the secondary-side coil of the step-up transformer as a high voltage generator.
  • a region 103 is marked, within which the current is so high that the electrodes of the spark plug can be damaged by increased erosion.
  • the region 104 marks those (low) currents within which a required stability of the arc for igniting ignitable mixture can not be guaranteed.
  • the energy conducted to the spark gap according to the present invention divides into two energy components provided by a current flowing through the step-up transformer to generate a spark and a current flowing through the bypass to maintain a spark.
  • the step-up transformer small in size compared to the prior art
  • the current without the bypass according to the invention would steeply decrease (corresponding to the discharge of the small secondary inductance with respect to conventional secondary inductances) (see illustration in FIG. 1 , 101) and would "disappear" shortly after its formation in the area 104.
  • the current intensity on the secondary side can be maintained over a much longer time range between the critical regions 103 and 104 (see illustration in FIG. 1 , 102).
  • the energy stored in the secondary coil discharges, as in the prior art, which leads to a steeply falling spark current. This results in a total current, which, however, dips into the unstable region 104 much later than the current intensity 100 of the known ignition system.
  • FIG. 2 shows a circuit with which the in FIG. 1 illustrated current waveforms 101, 102 can be realized.
  • an ignition system 1 which comprises a step-up transformer 2 as a high voltage generator whose primary side 3 can be supplied from an electrical energy source 5 via a first switch 30 with electrical energy.
  • the secondary side 4 of the step-up transformer 2 is powered by an inductive coupling of the primary coil 8 and the secondary coil 9 with electrical energy and has a known from the prior art diode 23 for Einschaltfunkenunterd Wegung, which diode may alternatively be replaced by the diode 21.
  • a spark gap 6 is provided to ground 14, via which the ignition current i 2 is to ignite the combustible gas mixture.
  • a bypass 7 (surrounded by a dot-dash line) between the electric power source 5 and the secondary side 4 of the step-up transformer 2.
  • an inductor 15 is connected via a switch 22 and a diode 16 to a capacitor 10, one end of which is connected to the secondary coil 9 and the other end to the electrical ground 14.
  • the inductance serves as an energy store in order to maintain a current flow.
  • the diode 16 is oriented in the direction of the capacitance 10 conductive.
  • the structure of the bypass 7 is thus for example comparable to a boost converter.
  • a shunt 19 is provided as a current measuring means or voltage measuring means, the measuring signal of the switch 22 and switch 27 is supplied.
  • the switches 22, 27 are arranged to respond to a defined range of the current intensity i 2 through the secondary coil 9.
  • the diode 16 facing terminal of the switch 22 is connected via a further switch 27 to the electrical ground 14 connectable.
  • a Zener diode 21 is connected in reverse direction parallel to the capacitor 10.
  • switching signals 28, 29 are indicated, by means of which the switches 22, 27 can be controlled. While the switching signal 28 represents switching on and “staying closed” for an entire ignition cycle, the switching signal 29 outlines a simultaneous alternating signal between "closed” and "open".
  • FIG. 3 shows in the diagram a a short and steep rise of the primary coil current i ZS , which occurs during the time in which the switch 30 (see diagram 3c) is in the ON state.
  • the primary coil current i ZS drops to 0 A.
  • Diagram b shows the profiles of the secondary coil current i 2 , as they are suitable for use of the in FIG. 2 shown system with (301) and without (300) Bypass.
  • a secondary coil current i 2 which quickly without bypass (300) against 0 drops.
  • t HSS The total time during which the bypass is used
  • t i The time period during which energy is given to the upstream side of the step-up transformer 2.
  • the starting time of t HSS opposite t i can be chosen variable.
  • FIG. 4 shows one opposite FIG. 2 Alternative and inventive embodiment of a circuit of an ignition system 1 according to the present invention.
  • a fuse 26 is provided at the entrance of the circuit.
  • a capacitance 17 is provided parallel to the input of the circuit or parallel to the electric power source 5.
  • the inductance 15 has been replaced by a transformer having a primary side 15_1 and a secondary side 15_2, the primary side 15_1 having a primary coil and the secondary side 15_2 having a secondary coil.
  • the first terminals of the transformer are respectively connected to the electric power source 5 and the fuse 26.
  • a second terminal of the primary side 15_1 is connected via a switch 27 to the electrical ground 14.
  • the second terminal of the secondary side 15_2 of the transformer 15 is now connected directly to the diode 16 without a switch. Due to the transmission ratio, a switching operation by the switch 27 in the branch of the primary side 15_1 also acts on the secondary side 15_2. However, since current and voltage according to the gear ratio on one side are higher or lower than on the other side of the transformer 15, can be found for switching operations more favorable dimensions for the switch 27. For example, lower switching voltages can be realized, whereby the dimensioning of the switch 27 is simpler and less expensive.
  • the switch 27 is controlled via a drive 24, which is connected via a driver 25 to the switch 27. As in FIG.
  • a shunt 19 is provided to the secondary side current i 2 and the To measure voltage across the capacitance 10 and provide this or the driver 24 of the switch 27.
  • the control 24 receives a control signal s HSS .
  • the introduction of energy via the bypass into the secondary side can be switched on and off via this. It is also possible to control the power of the electrical variable introduced through the bypass or into the spark gap, in particular via the frequency and / or the pulse-pause ratio via a suitable control signal.
  • a non-linear dipole symbolized below by a high-voltage diode 33, are connected in parallel to the secondary-side coil of the boost converter.
  • This high-voltage diode 33 bridges the high-voltage generator 2 on the secondary side, whereby the energy supplied by the bypass 7 in the form of a boost converter (surrounded by a dot-dash line) is conducted directly to the spark gap 6 without being led through the secondary coil 9 of the high voltage generator 2. Thus, no losses on the secondary coil 9 and the efficiency increases.
  • the remaining elements of in FIG. 4 The drawings shown correspond to those as shown in FIG. 2 shown and discussed above.
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment of the in FIG. 4 featured circuit.
  • This is a high-voltage diode 33 with flow direction to the spark gap between the energy storage 10 of the bypass 7 in the form of a boost converter (surrounded by a dotted line) and the spark gap 6 is arranged.
  • the high voltage diode 33 bridges the high voltage generator 2 on the secondary side, whereby the energy supplied by the bypass 7 is led directly to the spark gap 6, without being guided by the secondary coil 9 of the high voltage generator 2.
  • no losses on the secondary coil 9 and the efficiency increases.
  • FIG. 6 shows time diagrams for a) the ignition coil current i ZS , b) the bypass current i HSS , c) the output voltage across the spark gap 6, d) the secondary coil current i 2 for the in FIG. 4 shown ignition system without (501) and with (502) using the bypass according to the invention, e) the switching signal 31 of the switch 30 and f) the switching signal 32 of the switch 27 for the pulse signal in the bypass 7. Zu already in connection with FIG. 3 The diagrams shown are referred to the above discussion for the sake of brevity.
  • Diagram b) also illustrates the current consumption of the bypass 7 according to the invention, which comes about through a pulse-shaped actuation of the switch 27.
  • clock rates in the range of several tens of kHz have proven to be suitable as switching frequency, in order to realize appropriate voltages on the one hand and acceptable efficiencies on the other hand.
  • the integer multiples of 10,000 Hz in the range between 10 and 100 kHz may be mentioned as possible range limits.
  • a high voltage generator is provided to generate a spark according to the prior art.
  • a bypass is set up to maintain the existing arc over the spark gap.
  • a bypass takes energy from, for example, the same energy source as the primary side of the high voltage generator and uses this to support the decaying edge of the transformer voltage and thus to delay its drop below the burning voltage.
  • the skilled artisan recognizes preferred embodiments of the bypass according to the invention as working in the manner of a boost converter circuit structures.
  • the input of the boost converter is connected in parallel to the electrical energy source, while the output of the boost converter is arranged in series or parallel to the secondary coil of the high voltage generator.
  • energy source is to be interpreted broadly within the scope of the present invention and may include other energy conversion devices (eg, DC-DC converters). It is also apparent to those skilled in the art that the inventive idea is not limited to an objective energy source.

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Description

    Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zündsystem für eine Verbrennungskraftmaschine. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Zündsystem für Verbrennungskraftmaschinen, an welches erhöhte Anforderungen durch (Hoch-)aufladung und verdünnte, schwer entflammbare Gemische (λ>>1, Mager-Schichtkonzepte, hohe AGR-Raten) bestehen.
  • GB717676 zeigt einen Step-Up-Transformator für ein Zündsystem, bei welchem ein über einen Vibrationsschalter gesteuerter Schaltungsteil nach Art eines Hochsetzstellers verwendet wird, um einen über den Step-Up-Transformator erzeugten Funken mit elektrischer Energie zu versorgen.
  • WO 2009/106100 A1 zeigt eine entsprechend einem Hochspannungs-Kondensator-Zündsystem aufgebaute Schaltungsanordnung, bei welcher in einem Kondensator gespeicherte Energie einerseits auf die Primärseite eines Transformators und andererseits über einen Bypass mit einer Diode auf eine Funkenstrecke geleitet wird.
  • US 2004/000878 A1 zeigt ein Zündsystem, bei welchem ein sekundärseitiger, mehrere Kondensatoren umfassender Speicher aufgeladen wird, um einen mittels eines Transformators erzeugten Funken mit elektrischer Energie zu versorgen.
  • WO9304279 A1 zeigt ein Zündsystem mit zwei Energiequellen. Eine Energiequelle überträgt elektrische Energie über einen Transformator an eine Funkenstrecke, während die zweite Energiequelle zwischen einem sekundärseitigen Anschluss des Transformators und der elektrischen Masse angeordnet ist.
  • Die JP S60 169675 A und die JP H07 174063 A zeigen ein Zündsystem, bei dem ein Kondensator über einen parallel geschalteten Kondensator geladen wird. Bekanntermaßen basieren Zündsysteme für Verbrennungskraftmaschinen auf einem Hochspannungserzeuger, beispielsweise einem Aufwärtstransformator, mittels welchem aus der Fahrzeugbatterie bzw. einem Generator stammende Energie auf hohe Spannungen gewandelt wird, mittels welcher eine Funkenstrecke versorgt wird, um brennfähiges Gemisch in der Verbrennungskraftmaschine zu entzünden. Hierzu wird ein durch den Aufwärtstransformator fließender Strom abrupt unterbrochen, worauf die im Magnetfeld des Aufwärtstransformator gespeicherte Energie sich in Form eines Funkens entlädt. Um die Entzündung des brennfähigen Gemisches besonders zuverlässig zu gewährleisten, sind im Stand der Technik Zündsysteme bekannt, welche mehrere Funkenereignisse zeitlich hintereinander aufweisen, um die Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins eines zündfähigen Gemisches am Ort eines der Funkenereignisse zu erhöhen.
    Ein weiteres aus dem Stand der Technik bekanntes Problem besteht darin, dass die gesamte während des Funkenschlages umgesetzte elektrische Energie im Hochspannungserzeuger gespeichert sein muss, wodurch der Hochspannungserzeuger vergleichsweise groß und damit kostspielig wird und viel Bauraum beansprucht.
    Aufgrund der Entladecharakteristik des Hochspannungserzeugers fließt insbesondere zu Beginn des Funkenschlages ein so hoher Strom, dass die Elektroden der Funkenstrecke erodiert werden. Dabei ist ein derartig hoher Strom zur Sicherstellung eines Funkens physikalisch nicht erforderlich. Lediglich die erforderliche Dauer des Funkenschlages wird auf diese Weise unter Inkaufnahme der zuvor beschriebenen Nachteile sichergestellt.
    Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik auszuräumen.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Zündsystem sowie ein Verfahren zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Zündfunkens. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, weist auch das erfindungsgemäße Zündsystem einen Hochspannungserzeuger, wie beispielsweise einen Aufwärtstransformator, mit einer Primärseite, welche mit einer Energiequelle verbunden ist, und einer Sekundärseite, welche mit einer Funkenstrecke verbunden ist, auf. Auch die prinzipielle Funktionsweise des Hochspannungserzeugers entspricht der aus dem Stand der Technik bekannten, und muss daher nicht weiter erläutert werden. Weiter ist eine ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannte Funkenstrecke vorgesehen, welche eingerichtet ist, einen durch den Hochspannungserzeuger auf die Sekundärseite übertragenen Strom zu führen. Die Funkenstrecke kann dabei beispielsweise in einer Zündkerze angeordnet sein. Da zur Aufrechterhaltung eines bestehenden Lichtbogens über der Funkenstrecke geringere Spannungen als zur anfänglichen Erzeugung desselben erforderlich sind, wird erfindungsgemäß ein Bypass vorgesehen, welcher elektrische Energie von der elektrischen Energiequelle am Hochspannungserzeuger vorbei zur Sekundärseite übertragen kann.
    Als Bypass ist hierbei eine Vielzahl möglicher Schaltungen denkbar, von welchen einzelne nachfolgend eingehender diskutiert werden. Um die im Stand der Technik bekannten Nachteile auszuräumen, ist der Bypass eingerichtet, einen mittels des Hochspannungserzeugers erzeugten Lichtbogen über der Funkenstrecke länger und zuverlässiger aufrechtzuerhalten, als dies mittels der im Hochspannungserzeuger gespeicherten magnetischen Energie möglich wäre. Erfindungsgemäß ist der Bypass eingerichtet, ein abklingendes elektrisches Signal in der Sekundärspule des Hochspannungserzeugers ab einem vordefinierten Zeitpunkt oder ab einer vordefinierten Stromstärke des Stromes zu stützen. Mit anderen Worten kann eine Logik im erfindungsgemäßen Zündsystem vorgesehen sein, welche eine Zeitmessung durchführt und/oder eine Stromstärke ermittelt und im Ansprechen auf ein Erreichen entsprechender vordefinierter Referenzwerte den Bypass zur Ausgabe eines sekundärseitigen elektrischen Signals veranlasst. Auf diese Weise können Funkendauern bevorzugt zwischen 0,5 ms bis 5 ms bei Funkenströmen bevorzugt in den Grenzen von 30 mA bis 100 mA unterschiedlicher Polarität (Polarität des Spannungsangebotes) erzeugt werden. Dies bietet den Vorteil, dass die über den Hochspannungserzeuger zu übertragende Energie sich stark verringert und somit der Anfangsfunkenstrom sinkt, wodurch Funkenerosion an den Elektroden der Funkenstrecke reduziert werden kann und der Hochspannungserzeuger deutlich kleiner ausgelegt werden kann, als dies im Stand der Technik der Fall ist.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Bevorzugt ist der Hochspannungserzeuger als Aufwärtstransformator ausgestaltet und weist primärseitig eine Primärspule und sekundärseitig eine Sekundärspule auf. Beide Spulen können mittels eines Transformatorkerns (z.B. aus Eisenblechen) magnetisch miteinander gekoppelt sein. Dabei ist der Bypass eingerichtet, eine elektrische Spannung zusätzlich zum Aufwärtstransformator zu übertragen, die sich zu einer über der Sekundärspule des Aufwärtstransformators liegenden transformierten Spannung addiert. Auf diese Weise ermöglicht der Bypass ein "Stützen" des Funkenstromes durch einen Eintrag zusätzlicher elektrischer Energie zur Funkenstrecke.
  • Alternativ kann der Hochspannungserzeuger als Hochspannungs-Kondensator-Zündungs(HKZ)-System ausgestaltet sein. Solche und andere Systeme zur Hochspannungserzeugung sowie ihre Funktionsweise sind im Stand der Technik bekannt und beschrieben, so dass eine nähere Betrachtung hier nicht erforderlich ist.
  • Weiter bevorzugt kann der Bypass einen oder (vorteilhafterweise zur gemeinsamen Handhabung der mitunter auftretenden hohen Spannungen) mehrere Energiespeicher, bevorzugt eine Kapazität oder mehrere, in Reihe und/oder parallel geschaltete, Kapazitäten enthalten, dessen erster Anschluss mit einem sekundärseitigen Anschluss des Hochspannungserzeugers verbunden ist und dessen zweiter Anschluss mit der elektrischen Masse verbunden ist, wobei insbesondere eine Induktivität zwischen der Energiequelle und der Kapazität schaltbar vorgesehen ist. Auf diese Weise stellt der Bypass einen sekundärseitigen Energiespeicher bereit, mittels welchem das abklingende elektrische Signal in der Sekundärspule des Hochspannungserzeugers ab einem vordefinierten Zeitpunkt oder ab einer vordefinierten Stromstärke gestützt werden kann. Wie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren näher erläutert wird, kann zum Laden der Kapazität eine Induktivität zwischen der Energiequelle und der Kapazität schaltbar vorgesehen sein. Die Kapazität und die Induktivität bilden bei geschlossenem Schalter einen Schwingkreis, mittels welchem ein zeitweises Erhöhen des elektrischen Potentials am ersten Anschluss der Kapazität möglich ist. Insbesondere für den Fall, dass zunächst ein Strom durch die Induktivität geleitet wird und durch einen Schaltvorgang ein Entladen der in der Induktivität gespeicherten Energie auf die Kapazität erzwungen wird, können bei geeignet gewählten Schaltzeiten sehr hohe Spannungen bereitgestellt werden, ohne die erforderliche Energie innerhalb eines Hochspannungserzeugers zwischenspeichern zu müssen.
  • Weiter bevorzugt kann zwischen der Induktivität und der Kapazität ein nichtlinearer Zweipol, beispielsweise in Form einer Diode, vorgesehen sein, welcher in Richtung der Kapazität Flussrichtung aufweist. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass bei geschlossenem Schalter Energie aus der Kapazität in Richtung der Induktivität "entweicht". Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung von einer "Diode" als nichtlinearer Zweipol die Rede ist, erfolgt dies aus Gründen der Kürze und Lesbarkeit. Dem Fachmann ist ersichtlich, dass mitunter Spannungen über den als Diode bezeichneten nichtlinearen Zweipolen anliegen können, welche ggf. durch mehrere Bauteile gemeinsam, wie z.B. durch in Reihe geschaltete Dioden, besser und sicherer bewältigt werden können. Dabei kann jede der Dioden als Zenerdiode ausgestaltet sein. Ggf. kann auch ein enthaltener Schalter im Ansprechen auf ein Signal vorteilhaft dann geschlossen werden, wenn eine vordefinierte erste Stromrichtung im nichtlinearen Zweig zu erwarten ist und dann geöffnet werden, wenn eine vordefinierte zweite (entgegengesetzt gerichtete) Stromrichtung im nichtlinearen Zweig zu erwarten ist. Wenn im Folgenden mehrere Dioden vorteilhaft verwendet und mit hohen Spannungen beaufschlagt werden können, gelte das zuvor Gesagte auch für diese entsprechend. Insbesondere kann eine schaltbare Verbindung zwischen einem gemeinsamen Anschluss zwischen der Induktivität und der Diode einerseits und der elektrischen Masse andererseits vorgesehen sein. Auf diese Weise ist es möglich, bei geschlossenem Schalter einen Stromfluss durch die Induktivität zu provozieren, und durch Öffnen des Schalters den Strom über die Diode auf die Kapazität umzuleiten. Bei geeigneter Wahl des Puls-Pause-Verhältnis und/oder der Ansteuerfrequenz kann hierbei eine hohe Spannung bei sehr gutem Wirkungsgrad erzeugt werden.
  • Weiter bevorzugt kann ein Strommessmittel, beispielsweise zwischen einer Ausgangsklemme des Hochspannungserzeugers und der Kapazität, vorgesehen sein, welches beispielsweise als Shunt-Widerstand ausgestaltet sein kann. Dieses Strommessmittel kann weiter z.B. zwischen Kapazität und Masse oder im Pfad der Diode angeordnet und dabei eingerichtet sein, ein Signal an einen Schalter im Bypass zu geben, so dass dieser auf eine kritische Stromstärke in der sekundärseitigen Masche reagieren kann. Alternativ oder zusätzlich kann einen Überspannungsschutz, beispielsweise eine Diode parallel zur Kapazität vorgesehen sein, welche die Kapazität gegen eine Überspannung absichert. Beispielsweise kann eine Zenerdiode in Sperrrichtung verwendet werden, um bei zu hoher Spannung über der Kapazität Entlastung zu schaffen.
    Alternativ oder zusätzlich kann eine Spannungsmessung und/oder eine Leistungsmessung durchgeführt werden, beispielsweise über der Kapazität, um Aufschluss über den Zündstrom und/oder die Zündleistung zu erhalten.
  • Die Induktivität ist als Übertrager bzw. Transformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite ausgestaltet, wobei ein erster Anschluss der Primärseite mit der Energiequelle verbunden ist und ein zweiter Anschluss der Primärseite über einen Schalter mit der elektrischen Masse verbunden ist. Weiter ist ein erster Anschluss der Sekundärseite des Transformators mit der Energiequelle verbunden und ein zweiter Anschluss der Sekundärseite des Transformators, wie zuvor beschrieben, mit der Diode verbunden. Bei geeigneter Wahl des Übertragungsverhältnisses kann auf diese Weise ein primärseitig vorgesehener Schalter verwendet werden, um einen sekundärseitig fließenden Strom zu schalten. Aufgrund des Übersetzungsverhältnisses ergeben sich günstige Bedingungen zur Dimensionierung des Schalters und auf diese Weise eine sicherere und kostengünstigere Realisierung des erfindungsgemäßen Zündsystems.
    Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung eines Zündfunkens für eine Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen. Dabei wird ein Zündfunke mittels einer Energiequelle entnommener elektrischer Energie, welche über einen Hochspannungserzeuger mit einer Primärseite und einer Sekundärseite auf eine Funkenstrecke gegeben wird, zunächst erzeugt. Erfindungsgemäß wird der Zündfunke mittels elektrischer Energie, welche aus der Energiequelle über einen Bypass auf die Sekundärseite übertragen wird, aufrechterhalten. Die elektrische Energie wird zum Aufrechterhalten des Zündfunkens als eine gesteuerte Pulsfolge, beispielsweise im Kilohertz-Bereich, bevorzugt zwischen 10kHz und 100kHz, aus der Energiequelle bereitgestellt. Bei der vorgenannten Tastung im kHz-Bereich bietet sich die Möglichkeit, Spannungen im Bereich bis zu mehreren 1000 V bei einem verbesserten Wirkungsgrad zu erzeugen, welche zur Stützung des Zündfunkens verwendet werden kann, wenn die im Hochspannungserzeuger gespeicherte Energie nicht mehr ausreicht, um den Lichtbogen zuverlässig aufrechtzuerhalten. Über die bereits genannten Vorteile hinaus bietet die Anwendung der vorliegenden Erfindung Vorteile hinsichtlich des Wirkungsgrades des elektrischen Zündsystems sowie neue Diagnosefunktionsmöglichkeiten. Sowohl für das grundsätzliche Verfahren gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung als auch für die nachfolgend beschriebenen Weiterbildungen gilt, dass die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Zündsystem gemachten Ausführungen entsprechend gelten.
    Weiter bevorzugt wird die elektrische Energie zum Aufrechterhalten des Zündfunkens als elektrische Spannung in Reihe oder parallel zur Sekundärseite des Hochspannungserzeugers eingekoppelt. Mit anderen Worten bildet ein Einkopplungsabschnitt des Bypasses in Verbindung mit der sekundärseitigen Spule des Hochspannungserzeugers eine Masche, deren Spannung parallel zur Funkenstrecke liegt.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
    • Figur 1
    ein Zeitdiagramm zum Vergleich sich gemäß dem Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung einstellender Zündströme;
    Figur 2
    ein Schaltbild gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel eines nicht erfindungsgemäßen Zündsystems;
    Figur 3
    Darstellungen von Strom-Zeitdiagrammen sowie zugehöriger Schaltsequenzen für die in Figur 2 gezeigte Schaltung;
    Figur 4
    ein Schaltbild gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zündsystems;
    Figur 5
    ein Schaltbild gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zündsystems; und
    Figur 6
    Darstellungen von Strom-Zeitdiagrammen sowie zugehöriger Schaltsequenzen für die in Figur 4 und Figur 5 gezeigte Schaltung;
    Ausführungsformen der Erfindung
  • Figur 1 zeigt ein Zeitdiagramm des Zündstromes, also desjenigen Stromes, welcher beim Durchschlagen der Funkenstrecke innerhalb der sekundärseitigen Spule des Aufwärtstransformators als Hochspannungserzeuger fließt. Dabei ist ein Bereich 103 markiert, innerhalb dessen der Strom so hoch ist, dass die Elektroden der Zündkerze durch erhöhte Erosion Schaden nehmen können. Der Bereich 104 markiert diejenigen (geringen) Stromstärken, innerhalb derer eine erforderliche Stabilität des Lichtbogens zum Zünden zündfähigen Gemisches nicht gewährleistet werden kann. So verläuft, wie eingangs beschrieben, ein durch Zündsysteme des Standes der Technik realisierter Strom 100 nach einem steilen Anstieg bis in den die Elektroden gefährdenden Bereich 103 und fällt danach im Wesentlichen linear (in Annäherung an eine exponentielle Entlade-Funktion) ab. Demgegenüber teilt sich die gemäß der vorliegenden Erfindung zur Funkenstrecke geleitete Energie in zwei Energieanteile auf, welche durch einen durch den Aufwärtstransformator fließenden Strom zur Erzeugung eines Zündfunkens und einen durch den Bypass fließenden Strom zur Aufrechterhaltung eines Zündfunkens bereitgestellt werden. Nachdem der (gegenüber dem Stand der Technik kleiner dimensionierte) Aufwärtstransformator einen Lichtbogen erzeugt hat, würde der Strom ohne den erfindungsgemäßen Bypass steil (entsprechend der Entladung der kleinen Sekundärinduktivität - im Bezug auf herkömmliche Sekundärinduktivitäten)abnehmen (vergleiche Darstellung in Figur 1, 101) und würde schon kurz nach seiner Entstehung im Bereich 104 "verschwinden". Mittels des erfindungsgemäßen Bypasses kann die Stromstärke auf der Sekundärseite, genauer gesagt, in der Funkenstrecke, über einen wesentlich längeren Zeitbereich zwischen den kritischen Bereichen 103 und 104 gehalten werden (vergleiche Darstellung in Figur 1, 102). Nach Abschalten des Bypasses entlädt sich die in der Sekundärspule gespeicherte Energie, wie im Stand der Technik, was zu einem steil abfallenden Funkenstrom führt. Somit ergibt sich ein Gesamtstrom, welcher jedoch deutlich später als die Stromstärke 100 des bekannten Zündsystems in den instabilen Bereich 104 eintaucht.
    Figur 2 zeigt eine Schaltung, mit welcher die in Figur 1 dargestellten Stromverläufe 101, 102 realisiert werden können. Dargestellt ist ein Zündsystem 1, welches einen Aufwärtstransformator 2 als Hochspannungserzeuger umfasst, dessen Primärseite 3 aus einer elektrischen Energiequelle 5 über einen ersten Schalter 30 mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Die Sekundärseite 4 des Aufwärtstransformators 2 wird über eine induktive Kopplung der Primärspule 8 und der Sekundärspule 9 mit elektrischer Energie versorgt und weist eine aus dem Stand der Technik bekannte Diode 23 zur Einschaltfunkenunterdrückung auf, wobei diese Diode alternativ durch die Diode 21 ersetzt werden kann. In einer Masche mit der Sekundärspule 9 und der Diode 23 ist eine Funkenstrecke 6 gegen Masse 14 vorgesehen, über welche der Zündstrom i2 das brennfähige Gasgemisch entflammen soll. Es ist ein Bypass 7 (umrandet mit einer strichpunktierten Linie) zwischen der elektrischen Energiequelle 5 und der Sekundärseite 4 des Aufwärtstransformators 2 vorgesehen. Hierzu ist eine Induktivität 15 über einen Schalter 22 und eine Diode 16 mit einer Kapazität 10 verbunden, deren eines Ende mit der Sekundärspule 9 und deren anderes Ende mit der elektrischen Masse 14 verbunden ist. Die Induktivität dient hierbei als Energiespeicher, um einen Stromfluss aufrecht zu erhalten. Die Diode 16 ist in Richtung der Kapazität 10 leitfähig orientiert. Der Aufbau des Bypass 7 ist somit beispielsweise vergleichbar mit einem Hochsetzsteller. Zwischen der Kapazität 10 und der Sekundärspule 9 ist ein Shunt 19 als Strommessmittel oder Spannungsmessmittel vorgesehen, dessen Messsignal dem Schalter 22 sowie Schalter 27 zugeführt wird. Auf diese Weise sind die Schalter 22, 27 eingerichtet, auf einen definierten Bereich der Stromstärke i2 durch die Sekundärspule 9 zu reagieren. Die der Diode 16 zugewandte Klemme des Schalters 22 ist über einen weiteren Schalter 27 mit der elektrischen Masse 14 verbindbar. Zur Absicherung der Kapazität 10 ist eine Zenerdiode 21 in Sperrrichtung parallel zur Kapazität 10 geschaltet. Des Weiteren sind Schaltsignale 28, 29 angedeutet, mittels welcher die Schalter 22, 27 angesteuert werden können. Während das Schaltsignal 28 ein Einschalten und "Geschlossenbleiben" für einen gesamten Zündzyklus darstellt, skizziert das Schaltsignal 29 ein zeitgleiches Wechselsignal zwischen "geschlossen" und "offen". Bei geschlossenem Schalter 22 wird die Induktivität 15 über die elektrische Energiequelle 5 mit einem Strom versorgt, welcher bei geschlossenen Schaltern 22, 27 unmittelbar in die elektrische Masse 14 fließt. Bei offenem Schalter 27 wird der Strom über die Diode 16 und den Anschluss 35 auf den Kondensator 10 geleitet. Die sich im Ansprechen auf den Strom in den Kondensator 10 einstellende Spannung addiert sich zu der über der Sekundärspule 9 des Aufwärtstransformators 2 abfallenden Spannung, wodurch der Lichtbogen an der Funkenstrecke 6 gestützt wird. Dabei entlädt sich jedoch der Kondensator 10, so dass durch Schließen des Schalters 27 Energie in das magnetische Feld der Induktivität 15 gebracht werden kann, um bei einem erneuten Öffnen des Schalters 27 diese Energie wieder auf den Kondensator 10 zu laden. Erkennbar wird die Ansteuerung 31 des in der Primärseite 3 vorgesehenen Schalters 30 deutlich kürzer gehalten, als dies für die Schalter 22 und 27 der Fall ist. Diese Vorgänge werden in Verbindung mit Figur 3 eingehender diskutiert. Da der Schalter 22 für die erfindungsgemäßen Vorgänge keine entscheidende Funktion übernimmt, sondern die Schaltung lediglich ein- bzw. ausschaltet, ist dieser lediglich optional und kann daher auch entfallen.
  • Figur 3 zeigt im Diagramm a einen kurzen und steilen Anstieg des Primärspulenstroms iZS, welcher sich während derjenigen Zeit einstellt, in welcher sich der Schalter 30 (siehe Diagramm 3c) im leitenden Zustand ("ON") befindet. Mit Ausschalten des Schalters 30 fällt auch der Primärspulenstrom iZS auf 0 A ab. Diagramm b zeigt die Verläufe des Sekundärspulenstroms i2, wie sie sich für eine Verwendung des in Figur 2 dargestellten Systems 1 mit (301) und ohne (300) Bypass ergeben. Sobald sich der Primärspulenstrom iZS aufgrund eines Öffnens des Schalters 30 zu 0 ergibt und sich damit die im Aufwärtstransformator gespeicherte magnetische Energie in Form eines Lichtbogens über der Funkenstrecke 6 entlädt, stellt sich ein Sekundärspulenstrom i2 ein, der ohne Bypass (300) rasch gegen 0 abfällt. Im Gegensatz hierzu wird durch einen geschlossenen Schalter 22 (siehe Diagramm d) und eine pulsförmige Ansteuerung (siehe Diagramm e, Schaltsignal 29) des Schalters 27 ein im Wesentlichen konstanter Sekundärspulenstrom i2 (301) über die Funkenstrecke 6 getrieben. Wobei der Sekundärstrom i2 von der Brennspannung an der Funkenstrecke 6 abhängt und hier der Einfachheit halber von einer konstanten Brennspannung ausgegangen wird. Erst nach Unterbrechung des Bypasses 7 durch Öffnen des Schalters 22 und Öffnen des Schalters 27 fällt nun auch der Sekundärspulenstrom i2 gegen 0 ab. Aus Diagramm b) ist erkennbar, dass die jeweils abfallende Flanke um eine Zeitdauer tHSS_a verzögert wird. Die gesamte Zeitdauer, während welcher der Bypass verwendet wird, ist als tHSS und die Zeitdauer, während welcher Energie primärseitig in den Aufwärtstransformator 2 gegeben wird, als ti gekennzeichnet. Der Startzeitpunkt von tHSS gegenüber ti kann variabel gewählt werden.
  • Figur 4 zeigt eine gegenüber Figur 2 alternative und erfindungsgemäße Ausführungsform einer Schaltung eines Zündsystems 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Am Eingang der Schaltung, mit anderen Worten also am Anschluss zur elektrischen Energiequelle 5, ist eine Sicherung 26 vorgesehen. Zur Stabilisierung der Eingangsspannung ist darüber hinaus eine Kapazität 17 parallel zum Eingang der Schaltung bzw. parallel zur elektrischen Energiequelle 5 vorgesehen. Weiter ist die Induktivität 15 durch einen Transformator mit einer Primärseite 15_1 und einer Sekundärseite 15_2 ersetzt worden, wobei die Primärseite 15_1 eine Primärspule und die Sekundärseite 15_2 eine Sekundärspule aufweist. Die ersten Anschlüsse des Transformators sind jeweils mit der elektrischen Energiequelle 5 bzw. der Sicherung 26 verbunden. Dabei ist ein zweiter Anschluss der Primärseite 15_1 über einen Schalter 27 mit der elektrischen Masse 14 verbunden. Der zweite Anschluss der Sekundärseite 15_2 des Transformators 15 ist nun ohne Schalter direkt mit der Diode 16 verbunden. Aufgrund des Übertragungsverhältnisses wirkt ein Schaltvorgang durch den Schalter 27 im Zweig der Primärseite 15_1 auch auf der Sekundärseite 15_2. Da jedoch Strom und Spannung gemäß dem Übersetzungsverhältnis auf der einen Seite höher bzw. niedriger als auf der anderen Seite des Transformators 15 sind, lassen sich für Schaltvorgänge günstigere Dimensionierungen für den Schalter 27 finden. Beispielsweise können geringere Schaltspannungen realisiert werden, wodurch die Dimensionierung des Schalters 27 einfacher und kostengünstiger möglich ist. Gesteuert wird der Schalter 27 über eine Ansteuerung 24, welche über einen Treiber 25 mit dem Schalter 27 verbunden ist. Wie in Figur 2 gezeigt, ist ein Shunt 19 vorgesehen, um den sekundärseitigen Strom i2 bzw. die Spannung über der Kapazität 10 zu messen und diesen bzw. diese der Ansteuerung 24 des Schalters 27 bereitzustellen. Überdies erhält die Ansteuerung 24 ein Steuersignal sHSS. Über dieses kann einerseits die Einbringung von Energie über den Bypass in die Sekundärseite ein- und ausgeschaltet werden. Dabei kann auch die Leistung der durch den Bypass bzw. in die Funkenstrecke eingebrachten elektrischen Größe, insbesondere über die Frequenz und/oder das Puls-Pause-Verhältnis über ein geeignetes Steuersignal gesteuert werden. Optional kann ein nichtlinearer Zweipol, im Folgenden durch eine Hochspannungsdiode 33 symbolisiert, der sekundärseitigen Spule des Hochsetzstellers parallel geschaltet werden. Diese Hochspannungsdiode 33 überbrückt den Hochspannungserzeuger 2 sekundärseitig, wodurch die durch den Bypass 7 in Form eines Hochsetzstellers (umrandet mit einer strichpunktierten Linie) gelieferte Energie direkt an die Funkenstrecke 6 geführt wird, ohne durch die Sekundärspule 9 des Hochspannungserzeugers 2 geführt zu werden. Somit entstehen keine Verluste über der Sekundärspule 9 und der Wirkungsgrad steigt. Die übrigen Elemente der in Figur 4 dargestellten Zeichnung korrespondieren mit denjenigen, wie sie in Figur 2 gezeigt und oben bereits diskutiert worden sind.
  • Figur 5 zeigt eine alternative Ausführungsform der in Figur 4 vorgestellten Schaltung. Darin ist eine Hochspannungsdiode 33 mit Flußrichtung zur Funkenstrecke zwischen dem Energiespeicher 10 des Bypasses 7 in Form eines Hochsetzstellers (umrandet mit einer strichpunktierten Linie) und der Funkenstrecke 6 angeordnet. Hierdurch überbrückt die Hochspannungsdiode 33 den Hochspannungserzeuger 2 sekundärseitig, wodurch die durch den Bypass 7 gelieferte Energie direkt an die Funkenstrecke 6 geführt wird, ohne durch die Sekundärspule 9 des Hochspannungserzeugers 2 geführt zu werden. Somit entstehen keine Verluste über der Sekundärspule 9 und der Wirkungsgrad steigt.
  • Figur 6 zeigt Zeitdiagramme für a) den Zündspulenstrom iZS, b) den Bypassstrom iHSS, c) die ausgangsseitige Spannung über der Funkenstrecke 6, d) den Sekundärspulenstrom i2 für das in Figur 4 dargestellte Zündsystem ohne (501) und mit (502) Verwendung des erfindungsgemäßen Bypasses, e) das Schaltsignal 31 des Schalters 30 und f) das Schaltsignal 32 des Schalters 27 für das Pulssignal im Bypass 7. Zu den bereits in Verbindung mit Figur 3 gezeigten Diagrammen wird der Kürze halber auf die obige Diskussion verwiesen.
  • Diagramm b) veranschaulicht überdies die Stromaufnahme des erfindungsgemäßen Bypasses 7, welche durch eine pulsförmige Ansteuerung des Schalters 27 zustande kommt. In der Praxis haben sich als Schaltfrequenz Taktraten im Bereich mehrerer zehn kHz bewährt, um einerseits entsprechende Spannungen und andererseits akzeptable Wirkungsgrade zu realisieren. Beispielhaft seien die ganzzahligen Vielfachen von 10000 Hz im Bereich zwischen 10 und 100 kHz als mögliche Bereichsgrenzen genannt. Zur Regelung der an die Funkenstrecke abgegebenen Leistung empfiehlt sich dabei eine, insbesondere stufenlose, Regelung des Puls-Pause-Verhältnisses des Signals 29 bzw. 32 zur Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals. Zudem ist es auch möglich, durch einen zusätzlichen DC-DC-Wandler die von der elektrischen Energiequelle gelieferte Spannung zu erhöhen, bevor diese im erfindungsgemäßen Bypass weiter verarbeitet wird. Es sei zur Kenntnis genommen, dass konkrete Auslegungen von vielen schaltungsinhärenten und externen Randbedingungen abhängen. Es stellt den befassten Fachmann vor keine unzumutbaren Probleme, die für seinen Zweck und die von ihm zu berücksichtigenden Randbedingungen geeigneten Dimensionierungen selbst vorzunehmen.
  • Es ist ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, zwei Funktionen, welche die Aufwärtstransformatoren bekannter Zündsysteme in sich vereint haben, erfindungsgemäß vorteilhaft aufzuspalten, um eine geeignete Dimensionierung des Hochspannungserzeugers und effizientere Ausnutzung der elektrischen Energie zu ermöglichen. Hierzu wird ein Hochspannungserzeuger vorgesehen, um gemäß dem Stand der Technik einen Zündfunken zu generieren. Ein Bypass ist eingerichtet, um den bestehenden Lichtbogen über der Funkenstrecke aufrechtzuerhalten. Hierzu entnimmt ein Bypass Energie aus beispielsweise derselben Energiequelle wie die Primärseite des Hochspannungserzeugers und verwendet diese, um die abklingende Flanke der Transformatorspannung zu stützen und ihr Abfallen unterhalb der Brennspannung somit zu verzögern. Der Fachmann erkennt dabei bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Bypasses als nach Art eines Hochsetzstellers arbeitende Schaltungsstrukturen. Dabei ist der Eingang des Hochsetzstellers parallel zur elektrischen Energiequelle geschaltet, während der Ausgang des Hochsetzstellers in Reihe oder parallel zur Sekundärspule des Hochspannungserzeugers angeordnet ist. Der Begriff "Energiequelle" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung breit auszulegen und kann weitere Energiewandlungseinrichtungen (z.B. DC-DC-Wandler) umfassen. Dem Fachmann ist überdies ersichtlich, dass der Erfindungsgedanke nicht auf eine gegenständliche Energiequelle beschränkt ist.
    Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispielen im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims (14)

  1. Zündsystem (1) zur Erzeugung eines Zündfunkens in einer Funkenstrecke (6) einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend
    - einen ersten Eingangsanschluss (5) zur Verbindung mit einer Energiequelle (5) und einen Hochspannungsausgang (34) zur Verbindung mit der Funkenstrecke (6),
    - mindestens einen Hochspannungserzeuger (2) mit jeweils einer Primärseite (3) und einer Sekundärseite (4),
    - einen Bypass (7) zur Übertragung elektrischer Energie zur Sekundärseite (4) des Hochspannungserzeugers (2), wobei der Bypass (7) eingerichtet ist, ein abklingendes elektrisches Signal in einer Sekundärspule (9) des Hochspannungserzeugers (2) ab einem vordefinierten Zeitpunkt oder ab einer vordefinierten Stromstärke des Stromes zu stützen,
    - wobei der Bypass (7) mit dem ersten Eingangsanschluss (5) elektrisch verbunden ist und einen oder mehrere Kapazitäten (10) als Energiespeicher (10) und einen Schalter (27) umfasst, wobei durch pulsförmige Ansteuerung des Schalters (27) Energie von der elektrischen Energiequelle (5) zum Hochspannungsausgang (34) übertragbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Bypass (7) zusätzlich eine Induktivität (15) und eine Diode (16) aufweist, wobei
    - ein erster Anschluss der Induktivität (15) mit der Energiequelle (5) und ein zweiter Anschluss der Induktivität (15) mit einem ersten Anschluss der Diode (16) verbunden ist, wobei
    - der Schalter (27) eingerichtet ist, den zweiten Anschluss oder einen dritten Anschluss der Induktivität (15) mit der elektrischen Masse (14) zu verbinden,
    - ein zweiter Anschluss der Diode (16) mit einem ersten Anschluss des Energiespeichers (10) verbunden ist, und
    - ein zweiter Anschluss des Energiespeichers (10) mit der elektrischen Masse (14) verbunden ist, und insbesondere eine Zenerdiode (21) der Kapazität (10) parallel geschaltet ist, wobei
    - die Induktivität (15) als Transformator mit einer Primärseite (15_1) und einer Sekundärseite (15_2) ausgestaltet ist, wobei ein erster Anschluss der Primärseite (15_1) mit der Energiequelle (5) verbunden ist und ein zweiter Anschluss der Primärseite (15_1) über einen Schalter (27) mit der elektrischen Masse (14) verbunden ist, und wobei ein erster Anschluss der Sekundärseite (15_2) mit der Energiequelle (5) verbunden ist und ein zweiter Anschluss der Sekundärseite (15_2) mit dem ersten nichtlinearen Zweipol (16) verbunden ist.
  2. Zündsystem nach Anspruch 1, wobei die über den Bypass bereitgestellte Energie übertragbar ist, bis die pulsförmige Ansteuerung des Schalters (27) des Bypasses beendet ist.
  3. Zündsystem nach Anspruch 1, weiter umfassend
    ein Mittel zur Strommessung (19) und/oder Spannungsmessung und/oder Leistungsmessung, welches ein Messsignal an eine den Schalter (27) steuernde Ansteuerung (24) überträgt.
  4. Zündsystem nach Anspruch 1 oder 3, wobei
    - der Hochspannungserzeuger (2) als Aufwärtstransformator ausgestaltet ist und primärseitig eine Primärspule (8) aufweist,
    - der Bypass (7) eingerichtet ist, eine Spannung zu erzeugen, die sich zu einer über der Sekundärspule (9) liegenden Spannung addiert oder parallel zur Sekundärspule (9) eingespeist wird, und insbesondere
    - eine Eingangskapazität (17) parallel zur Energiequelle (5) vorgesehen ist.
  5. Zündsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Bypass (7) einen Energiespeicher (10), beispielsweise eine Kapazität, enthält, wobei insbesondere dessen
    - erster Anschluss mit einem sekundärseitigen Anschluss des Hochspannungserzeugers (2) verbunden ist und dessen
    - zweiter Anschluss mit der elektrischen Masse (14) verbunden ist, wobei insbesondere eine Induktivität (15) zwischen der Energiequelle (5) und dem Energiespeicher (10), bevorzugt schaltbar, vorgesehen ist.
  6. Zündsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zwischen der Induktivität (15) und dem Energiespeicher (10) ein erster nichtlinearer Zweipol (16), beispielsweise in Form einer ersten Diode, vorgesehen ist, welcher eine Flussrichtung in Richtung der Kapazität (10) aufweist, und wobei der Schalter (27) zwischen einem gemeinsamen Anschluss (35) von der Induktivität (15) und dem ersten nichtlinearen Zweipol (16) einerseits und der elektrischen Masse (14) andererseits vorgesehen ist.
  7. Zündsystem nach Anspruch 6, wobei der Schalter (22, 27) ein Transistor ist.
  8. Zündsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
    - als ein Mittel zur Strommessung (19) und/oder Spannungsmessung und/oder Leistungsmessung ein Shunt-Widerstand zur Messung des Zündstromes oder der Spannung über dem Energiespeicher (10), vorgesehen ist, welcher eingerichtet ist, ein Signal zur Ansteuerung mindestens eines Schalters (22, 27) im Bypass (7) zu geben und/oder
    - ein zweiter nichtlinearer Zweipol (21), insbesondere in Form einer zweiten Diode, parallel zum Energiespeicher (10) denselben gegen eine Überspannung absichert.
  9. Zündsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Bypass (7) einen Hochsetzsteller umfasst und/oder der Hochspannungserzeuger (2) sekundärseitig durch einen dritten nichtlinearen Zweipol (33), insbesondere in Form einer dritten Diode, überbrückt ist.
  10. Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems, wobei das Zündsystem umfasst
    - einen ersten Eingangsanschluss (5) zur Verbindung mit einer Energiequelle (5) und einen Hochspannungsausgang (34) zur Verbindung mit der Funkenstrecke (6),
    - mindestens einen Hochspannungserzeuger (2) mit jeweils einer Primärseite (3) und einer Sekundärseite (4),
    - einen Bypass (7) zur Übertragung elektrischer Energie zur Sekundärseite (4) des Hochspannungserzeugers (2), wobei der Bypass (7) eingerichtet ist, ein abklingendes elektrisches Signal in einer Sekundärspule (9) des Hochspannungserzeugers (2) ab einem vordefinierten Zeitpunkt oder ab einer vordefinierten Stromstärke des Stromes zu stützen, wobei der Bypass mit dem ersten Eingangsanschluss (5) elektrisch verbunden ist und einen oder mehrere Kapazitäten als Energiespeicher (10) und einen Schalter (27) umfasst,
    - wobei der Bypass (7) zusätzlich eine Induktivität (15) und eine Diode (16) aufweist, wobei ein erster Anschluss der Induktivität (15) mit der Energiequelle (5) und ein zweiter Anschluss der Induktivität (15) mit einem ersten Anschluss der Diode (16) verbunden ist, wobei der Schalter (27) eingerichtet ist, den zweiten Anschluss oder einen dritten Anschluss der Induktivität (15) mit der elektrischen Masse (14) zu verbinden, wobei ein zweiter Anschluss der Diode (16) mit einem ersten Anschluss des Energiespeichers (10) verbunden ist, und ein zweiter Anschluss des Energiespeichers (10) mit der elektrischen Masse (14) verbunden ist, und insbesondere eine Zenerdiode (21) der Kapazität (10) parallel geschaltet ist, wobei die Induktivität (15) als Transformator mit einer Primärseite (15_1) und einer Sekundärseite (15_2) ausgestaltet ist, wobei ein erster Anschluss der Primärseite (15_1) mit der Energiequelle (5) verbunden ist und ein zweiter Anschluss der Primärseite (15_1) über einen Schalter (27) mit der elektrischen Masse (14) verbunden ist, und wobei ein erster Anschluss der Sekundärseite (15_2) mit der Energiequelle (5) verbunden ist und ein zweiter Anschluss der Sekundärseite (15_2) mit dem ersten nichtlinearen Zweipol (16) verbunden ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (27) über ein Signal (29,32) pulsförmig angesteuert wird und dass die Leistung der durch den Bypass (7) übertragenen Energie über die Frequenz und/oder das Puls-Pause-Verhältnis des Schalters (27) gesteuert wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfrequenz insbesondere im Kilohertz-Bereich, bevorzugt zwischen 10kHz und 100kHz, liegt.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die über den Bypass (7) bereitgestellte Energie übertragen wird, bis die pulsförmige Ansteuerung des Schalters (27) beendet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie zum Aufrechterhalten des Zündfunkens als elektrische Spannung in Reihe oder parallel zur Sekundärseite (4) des Hochspannungserzeugers (2) eingekoppelt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 10, umfassend die Schritte:
    - Ausgeben eines Signals an einen Schalter (27) im Bypass, und auf Basis des Signals
    - Reagieren auf eine kritische Stromstärke in der sekundärseitigen Masche.
EP13759775.3A 2012-09-12 2013-09-12 Zündsystem für eine verbrennungskraftmaschine Active EP2895734B1 (de)

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