NL8003821A

NL8003821A - Ontstekingssysteem voor een interne verbrandingsmotor.

Info

Publication number: NL8003821A
Application number: NL8003821A
Authority: NL
Original assignee: Ir Johannes Frederik De Boer
Priority date: 1980-07-02
Filing date: 1980-07-02
Publication date: 1982-02-01
Also published as: BE889475A

Description

- i - < * *

Aanvrager: J.F. de Boer, Oirschot, Nederland.

Korte Aanduiding: Ontstekingssysteem voor een interne verbrandingsmotor.

5 De uitvinding heeft betrekking op een onstekingssysteem voor een interne verbrandingsmotor met een inrichting voor het op gang brengen van de ontsteking op ieder gewenst ontstekingstijdstip en een inrichting, die als bron dient voor het toevoeren van een instelbare hoeveelheid energie aan de bougie gedurende een instelbare tijd, nadat de ont-10 steking heeft plaatsgehad.

Een dergelijk ontstekingssysteem is bekend uit het Duitse Offen-legungsschrift 2547397. Dergelijke ontstekingssystemen hebben ten doel een volledige verbranding van het brandstof-luchtmengsel in de cylinder tot stand te brengen. Hiervoor is het noodzakelijk, dat de 15 vonk, die optreedt aan de bougie, voldoende lang duurt. Zodoende wordt gestreefd naar een lichtboog aan de bougie, die gedurende een bepaalde tijd aanwezig is. Een bliksemachtige, kortdurende ontlading is ongewenst. Wanneer een lichtboog tot stand gebracht kan worden, die voldoende lang duurt, heeft dit ten gevolge, dat het mengsel met voldoende zekerheid 20 volledig verbrand wordt.

Bij de ontsteking van gasmengsels in verbrandingsmotoren doet zich nu het probleem voor, dat de druk in de cylinder zeer snel en plotseling plaatselijk stijgt, waardoor turbulenties van het mengsel kunnen optreden, waardoor de lichtboog als het ware kan worden uitgeblazen, zodat de 25 ontsteking onderbroken wordt. Het is dein niet meer zeker, dat het mengsel van brandstof en lucht dan volledig verbrandt.

Volgens het bovengenoemde Duitse Offenlegungsschrift wordt nu voorgesteld om het ontstekingssysteem van middelen te voorzien om aan de bougie, nadat eenmaal de eerste ontsteking heeft plaatsgevonden, zich 30 herhalende ontstekingsimpulsen toe te voeren. Bovendien wordt voorgesteld om te voorzien in middelen, die een brandstroom aan de bougie kunnen leveren, wanneer het mengsel reeds ontstoken is. Dit voorstel resulteert in een inrichting, die in feite voorzien is van een dubbele uitvoering van de bekende bobine.

35 Zoals hierna zal blijken is het met een dergelijke bobine slechts mogelijk om een zeer beperkte hoeveelheid energie over te brengen op de 800 3 8 21

* * V

t -2 - ontlading, met het gevolg, dat het nog steeds mogelijk is, dat de licht-boog wordt onderbroken, zodat de verbranding van het gasmengsel tijdelijk stilvalt.

De uitvinding heeft ten doel om een ontstekingssysteem van de in 5 de aanhef genoemde soort te verschaffen, waarmee, doordat voldoende energie aan de boogontlading wordt toegevoerd, een dusdanig krachtige boogontlading wordt verkregen, dat deze zelfs bij hevige turbulenties van het gasmengsel niet meer kan worden uitgeblust.

Het ontstekingssysteem volgens de uitvinding wordt daartoe gekenmerkt 10 doordat de inrichting, die als bron dient een kapacitief orgaan en middelen voor het omzetten van een lage spanning in een hoge spanning voor het laden van het kapacitief orgaan omvat.

Een voorkeursuitvoering van het ontstekingssysteem volgens de uitvinding wordt daardoor gekenmerkt, dat het kapacitief orgaan bestaat uit 15 meerdere kondensatoren en middelen voor het beurtelings opladen daarvan tot de gewenste spanning en het beurtelings ontladen daarvan over de bougie.

Deze uitvoeringsvorm biedt het voordeel, dat ook bij hogere toerentallen van de motor steeds voldoende energie ter beschikking kan komen 20 om de boogontlading in stand te houden.

Het ontstekingssysteem volgens de uitvinding biedt het voordeel, dat door de krachtige boogontlading ook zeer arme gasmengsels nog tot verbranding gebracht kunnen worden, waardoor energiebesparing wordt verkregen en tevens de verontreiniging van het milieu wordt teruggebracht.

25 Het ontstekingssysteem volgens de uitvinding is ook goed toepasbaar voor lucht-gasmengsels, die moeilijk te ontsteken zijn, zoals bijvoorbeeld een LPG-luchtmengsel.

Het.ontstekingssysteem volgens de uitvinding kan toegepast worden in een konventionele ontsteking, die in principe bestaat uit een onder-30 breker en een bobine.

Het ontstekingssysteem volgens de uitvinding is eveneens toepasbaar op een transistorontsteking, waarbij de onderbreker vervangen is door een transistor, die de primaire stroom in de bobine schakelt, en toepasbaar bij een thyristorontsteking, waarbij een opgeladen kapaciteit door 35 middel van een thyristor wordt ontladen óver de primaire wikkeling van de bobine.

80038 21 t - 3 -

Het ontstekingssysteem volgens de uitvinding kan zowel worden toegepast op ontstekingssysternen met positieve als met negatieve polariteit van de middenelektrode van de bougie.

Vervolgens zal het ontstekingssysteem volgens de uitvinding worden 5 beschreven aan de hand van de tekeningen.

Fig. 1 toont het blokschema van het ontstekingssysteem volgens de uitvinding.

Fig. 2 toont een eerste uitvoeringsvorm van het ontstekingssysteem volgens de uitvinding.

10 Fig. 3 toont een tweede uitvoeringsvorm van het ontstekingssysteem volgens de uitvinding.

Fig., 4a toont de golf vorm van de spanning, zoals deze optreedt aan de bougie,

Fig. 4b toont de golfvorm van de stroom, die door de bougie loopt.

15 In fig. 1 is het blokschema van het ontstekingssysteem volgens de uitvinding weergegeven. Aan de klem 6 komt het signaal van de onderbreker binnen. Dit wordt toegevoerd aan een orgaan voor het opwekken van de ontstekingsspanning. Dit orgaan 1 kan bestaan uit een konventionele ontsteking, die in principe bestaat uit een bobine, een transistoront-20 steking, waarbij de onderbreker vervangen is door een transistor, die de primaire stroom in de bobine schakelt, of bestaan uit een thyristor-ontsteking, waarbij een geladen kapaciteit door middel vein een thyristor wordt ontladen over de bobine. Het verwijzingscijfer 2 geeft evenals het verwijzingscijfer 3 een ontkoppelingsorgaan aan om wederzijdse belnvloe-25 ding van het orgaan 1 voor het opwekken van de ontstekingsspanning en het orgaan 4 voor het leveren van de brandstroom tegen te gaan. De ont-koppelorganen 2 en 3 zijn beiden aangesloten aan de verdeler 7, die weer is verbonden aan de bougies van de verbrandingsmotor, waarvan er hier een met het verwijzingscijfer 8 is weergegeven. Aan het orgaan 4 wordt 30 via de klem 5 een spanning in de grootte orde van 1000 tot 2000 volt toegevoerd. Deze spanning kan in principe worden opgewekt met behulp van een omvormer, die wordt gevoed door de accu.

In fig. 2 is het principeschema van het ontstekingssysteem volgens de uitvinding weergegeven, waarbij een "konventionele” inrichting wordt 35 toegepast voor het op gang brengen van de ontsteking. Deze konventionele ontstekingsinrichting bestaat uit de bobine met de primaire wikkeling en de secundaire wikkeling 1*2, de onderbreker S2 en de over de onderbreker aangebrachte kondensator C, de zogenaamde vonkbluskondensator.

800 3 8 21 - 4 -

De middenelektrode van de bougie 8 heeft hier een negatieve polariteit, maar de schakeling is vanzelfsprekend ook toepasbaar voor een positieve polariteit van de middenelektrode van de bougie. In dat geval moeten de polariteiten van de diodes en D2 worden omgekeerd evenals de polari- 5 teiten van de spanningen U, en ü .

ft B

Wanneer bij gesloten kontaktschakelaar de onderbreker S2 wordt geopend, zal de stroom, die de accu U levert aan de primaire wikkeling van de bobine L·^ worden onderbroken, waarbij dan aan de secundaire wikkeling van de bobine de ontstekingsspanning ontstaat. De diode D^ 10 komt dan in geleiding, terwijl de diode D^ nog spert. Zodra het gasmengsel tussen de elektrodes van de bougie 8 ontstoken wordt daalt de spanning over de elektrodes van de bougie tot ongeveer 400 volt, waarbij de weerstand, die optreedt tussen de elektrodes van de bougie, enkele honderden Ohm. bedraagt. Door de belasting, die de bougie dan vormt, zal de 15 spanning over de secundaire wikkeling van de bobine L2 eveneens dalen.

De diode D^ gaat dan sperren, terwijl de diode D2 in geleiding komt.

De kondensator C kan dan over de begrenzingsweerstand R en de diode D0 de energie leveren, die nodig is om een krachtige boogontlading in stand te houden.

2 20 Bij het konventionele systeem kon slechts W= h 1*^. I ^ worden afge leverd door de bobine. Om te voorkomen, dat de afmetingen van de bobine te groot worden en de weerstand van de primaire wikkeling van de bobine te groot wordt, is de waarde praktisch begrensd op 10 mH, daarbij ligt in de grootte orde van 3 Ohm, hetgeen met een batterijspanning 25 van U van 12 volt een stroom in de primaire wikkeling I. aflevert van 4 ampere. Wanneer het rendement van de bobine nu 0,75 bedraagt, levert dit een maximale waarde voor de ter beschikking staande ontstekingsener-gie op van 60 mJoule.

De kondensator wordt opgeladen met een gelijkspanning van 1000 tot 30 2000 volt. Een praktische waarde voor C bedraagt 1.10F. Met een B ,2 waarde van U van 2000 volt resulteert hieruit een energie W=J3 CU = ft B ft

2000 mJoule. Het merendeel van deze energie, opgeslagen in de kondensator C komt zodoende in de boogontlading terecht, waardoor de boogont-B

lading versterkt wordt.

35 De diodes D^ en D2 verhinderen dat de hoogspanning van de secun daire wikkeling van de bobine van 10 - 15 kVolt op de kondensator

C komt te staan en dat tijdens het laden van C een ontlading kan * B B

8003821

V

I V * - 5 - plaatsvinden over de secundaire spoel van de bobine.

De waarde van de spanning U^, dient dusdanig gekozen te worden, dat deze geen doorslag kan veroorzaken tussen de elektrodes van de bougie. Door middel van de tijdskonstante R.CB kan de duur van de vonk en 5 de gemiddelde stroomsterkte in de ontlading beïnvloed worden. Op deze wijze is het mogelijk om de tijdsduur van de boogontlading te verlengen tot meer dan 1,5 miliseconde en de gemiddelde stroomsterkte in de ontlading te vergroten tot meer dan 50 mili ampere.

De diodes D^, D^ hoeven niet dezelfde spanning te hebben. D^ moet 10 de spanning van kunnen sperren. D^ moet een hogere sperspanning hebben, omdat deze de ontstekingsspanning van 15 tot 20 kV moet kunnen sperren.

Proefondervindelijk is gebleken, dat een hoeveelheid "energie” aan de boogontlading van ongeveer 100 mJoule kcm worden toegevoerd.

15 Bij de bekende systemen bedraagt deze energie ongeveer 5 mJoule.

Fig. 3 geeft een variant van het ontstekingssysteem volgens fig. 2. Hierbij zijn 2 kondensatoren C . en C _ toegepast. Deze kondensatoren worden met behulp van een signaal, dat wordt toegevoerd aan de klem 7 en afkomstig kan zijn van de verdeler afwisselend geladen en ontladen.

20 Deze opstelling biedt het voordeel, dat ook bij hogere toerentallen de kondensatoren volledig kunnen opladen, zodat de volledige energie voor de ontsteking ter beschikking blijft.

In fig. 4a is de spanning over de bougie als funktie van de tijd weergegeven en in fig. 4b is de stroom door de bougie als funktie van de tijd 25 weergegeven.

Hierbij zijn de volgende afkortingen gebruikt: = ionisatiespanning (10 ...30 kV)'.

U = gemiddelde brandspanning (500...1000 V).

Β2Γ

Ii = ionisatiestroom (10 A).

30 I_ = gemiddelde brandstroom (10 mA).

Bit t = tijdstip waarop de kontaktpuntjes openen.

cL

t^ = tijd, nodig om het gas te ioniseren. In de figuur is deze tijd overdreven getekend, bij deze tijdschaal is alleen een scherpe naald zichtbaar.

35 t^ = brandduur van de vonk (1...1½ msec).

t - tijd dat de puntjes gesloten zijn: De kontakthoek. c 80038 21 9 - 6 -

In fig. 4a is de spanning in onbelaste toestand gestippeld getekend.

In eerste instantie volgt de spanning over de bougie de onbelaste spanningskromme, maar zodra de inonisatiespanning bereikt is, vormt de bougie een belasting. Deze impedantie kan naar de primaire zijde van de

5 bobine getransformeerd worden, waardoor dan blijkt dat de waarde van clX

aan Primaire zijde veel sneller afneemt. De inductiespanning wordt daardoor ook kleiner met als gevolg dat de secpndaire spanning zich uiteindelijk iets boven de brandspanning in zal stellen. De bobine-spanning ligt iets hoger dan de bougiespanning omdat de serieweerstand 10 van de bobine en de bedrading een spanningsverlies veroorzaken.

Op het moment van ionisatie (tijdsinterval t^) is de weerstand van de vonkbrug erg laag; hierdoor ontstaat de stroomplek I . De stroom valt daarna met een e-macht af totdat de waarde van de stroom bereikt is, waar de vonk dooft. Op dit moment vormt de bougie weer een hoge impedantie 15 zodat de bobine weer in de onbelaste toestand komt, met het gevolg dat de spanning iets toeneemt om daarna uit te dempen.

Bij het ontstekingssysteem volgens de uitvinding nu wordt bereikt, dat de brandduur van de vonk. aanzienlijk wordt verlengd. Er werd een brandduur in de grote orde van 2 miliseconden gemeten in een proefop-20 stelling. Bij het konventionele systeem bedraagt de brandduur ongeveer 100 micro seconden.

Een ander belangrijk nadeel van de bobine-ontsteking is de relatief lange tijd, die noodzakelijk is voor het opbouwen van een magnetisch veld. Hierdoor wordt bij zeer snel openen en sluiten van de onderbreker 25. kontakten, dus bij hogere motortoeren de maximale stroom door de primaire wikkeling niet meer bereikt, waardoor ook de over de secundaire wikkeling opgewekte spanning de maximaal mogelijke waarde niet meer bereikt.

Dit nadeel wordt bij de ontstekingsinrichting volgens de uitvinding 30 geëlimineerd, doordat de kondensator Cg het instandhouden van de ontsteking overneemt van de secundaire wikkeling.

800 3 8 21

Claims

2. Ontstekingssysteem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het 10 kapacitief orgaan bestaat uit meerdere kondensatoren en middelen voor het beurtelings opladen daarvan tot de' gewenste spanning en het beurtelings ontladen daarvan over de bougie.
3. Hulpinrichting voor een ontstekingssysteem, met het kenmerk, dat dit voorzien is van ontkoppelingsmiddelen voor het ontkoppelen van het 15 ontstekingssysteem en de hulpinrichting (D^, D^) een kapacitief orgaan (CB) en daaraan gekoppeld de middelen (Uh) voor het omzetten van een laagspanning in een hoogspanning.
4. Hulpinrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het kapacitief orgaan bestaat uit meerdere kondensatoren en middelen voor het 20 beurtelings opladen daarvan tot de gewenste spanning en het beurtelings ontladen daarvan over de bougie.
5. Ontstekingssysteem volgens conclusie 1 of 2, voorzien van een hulpinrichting volgens conclusie 1 of 2.
6. Ontstekingsinrichting voorzien van een bobine, middelen om de 25 stroom door de primaire wikkeling van de bobine te onderbreken, waarbij door de sekundaire wikkeling de gewenste hoogspanning voor de ontsteking wordt opgewekt, met het kenmerk dat aan de sekundaire wikkeling middelen zijn gekoppeld voor het opslaan van hulphoogspanningsenergie (Cö, U, ) D ^ u en middelen (D., D_) voor het ontkoppelen van de hulphoogspanningsenergie 30 1 A en de aan de sekundaire wikkeling opgewekte gewenste hoogspanning.
7. Ontstekingssysteem volgens een der voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de sperspanningen van de middelen voor het ontkoppelen tp , D^) aanzienlijk verschillende sperspanningen hebben.
8. Ontstekingssysteem volgens een der voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat, dat dit voorzien is van een instelbare weerstand (R) voor het instellen van de instelbare hoeveelheid energie en de instelbare * tijd. Bladel, 29 juni 1980. 8003821