WO1995009302A1 - Hochspannungsschalter für zündanlagen von brennkraftmaschinen - Google Patents

Hochspannungsschalter für zündanlagen von brennkraftmaschinen Download PDF

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Werner Herden
Johann Konrad
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02PIGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P7/00Arrangements of distributors, circuit-makers or -breakers, e.g. of distributor and circuit-breaker combinations or pick-up devices
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02P7/03Arrangements of distributors, circuit-makers or -breakers, e.g. of distributor and circuit-breaker combinations or pick-up devices of distributors with electrical means
    • F02P7/035Arrangements of distributors, circuit-makers or -breakers, e.g. of distributor and circuit-breaker combinations or pick-up devices of distributors with electrical means without mechanical switching means
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/10Modifications for increasing the maximum permissible switched voltage

Definitions

  • the application is based on a high-voltage switch for ignition systems of internal combustion engines according to the type of the main claim.
  • a high-voltage switch is already known from DE-US 4032131, which takes over the function of an ignition voltage distributor when the high-voltage distribution is at rest.
  • This high-voltage switch consists of semiconductor elements which have light-sensitive zones and the light-sensitive zones are controlled by light-emitting elements in such a way that they switch through at a predetermined time, for example in accordance with the firing sequence.
  • the individual semiconductor elements are breakover diodes, which are arranged in a cascade circuit.
  • breakover diodes offer the advantage that when the breakdown voltage is reached, the high voltage built up on the secondary side is suddenly switched through to the spark plugs, as a result of which voltage loss due to possible shunts, for example due to soot, is avoided. It is not necessary to irradiate the entire cascade circuit with optical energy. It is sufficient to irradiate only a part of the breakover diode cascade, so that only a part of the breakover diodes is switched by means of light and the remaining breakover diodes turn on when the predetermined voltage is reached, and a desired increase in splitting effect is achieved.
  • the arrangement according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that the first illuminated partial stack of the breakover diodes has a low temperature response of the breakdown voltage. At the same time, however, these breakover diodes have a strong temperature response of the breakdown currents. They are therefore very suitable for the illuminated part, since here they do not act in the sense of the breakover diode, but as light-triggered switches.
  • the division effect is retained by the arrangement of the non-illuminated part of the high-voltage switch. This results from the "overhead" ignition of the non-illuminated part of the high-voltage switch.
  • the measures listed in the subclaims enable advantageous further developments and improvements of the high-voltage switch specified in the main claim. It is particularly advantageous to use breakover diodes with low and narrowly tolerated breakdown currents for the non-illuminated second partial stack of the breakdown diode cascade, since the breakdown diode's function is thus maintained for the division effect.
  • the combination of these two types of breakover diodes has the advantage that a low temperature response of the switch is achieved and the number of semiconductor elements can be reduced.
  • the two partial stacks of the high-voltage switch can also consist of two discreet, separately packaged parts. It is only necessary to ensure that the connection length between these cascade parts is as short as possible. drawing
  • FIG. 1 shows an ignition switch with a high-voltage switch made of two stacked partial stacks
  • FIG. 2 shows an ignition circuit with a high-voltage switch and cascade parts packed separately.
  • FIG. 1 schematically shows an internal combustion engine with an ignition system and static high-voltage distribution, only two ignition coils being shown, but a large number of further ignition coils being possible.
  • a battery voltage U is applied to a primary winding 10
  • a secondary winding 14 of the ignition coil 11 is grounded on the one hand and is connected to a spark plug 17 and 18 on the other hand in each case via a high-voltage switch 15 and 16.
  • the high-voltage switches 15 and 16 are each divided into two partial stacks 15a and 15b or 16a and 16b, the partial stacks 15a and 16a being on the side assigned to the ignition coil and the partial stacks 15b and 16b being on the side assigned to the spark plug.
  • the partial stacks 15a and 16a are actuated at their light-sensitive areas via a light-emitting source, for example a light-emitting diode, by the control device 13 in accordance with the ignition specification and thus pass on the ignition voltage to the spark plugs.
  • a light-emitting source for example a light-emitting diode
  • the light transmission from the light-emitting element 19 to the partial stacks 15a or 16a to be illuminated takes place by means of an optical fiber rod 20.
  • an arrangement of the individual partial stacks is also conceivable. the non-illuminated partial stack being arranged on the side assigned to the ignition coil and the illuminated partial stack being arranged on the side assigned to the spark plug.
  • the ignition circuit is constructed exactly as in Figure 1, so that the same reference numerals are used for the same parts.
  • the high-voltage switch has been given other reference numerals, since in FIG. 2 the high-voltage switch consists of two separate sub-stacks 21 and 22 or 23 and 24. With this separate arrangement of the partial stacks, it is only necessary to ensure that the connection 25 or 26 between the partial stacks is as short as possible in order to keep line capacities as low as possible.
  • Tilting diodes of the unlit partial beam have relatively low tipping currents between 1 mA and approximately 15 mA over the entire temperature range. These low breakover currents are required for the function as a breakover diode with a splitting effect. Breakover diodes with relatively low breakover currents each have a strong temperature response of the breakover voltage, i. H. the breakdown voltage decreases with increasing temperature. If the cascade circuit consisted only of the breakover diodes with these properties, the high temperature response would require a large number of breakover diodes in order to be able to maintain the desired total voltage over the entire temperature range.
  • breakover diodes with a low temperature response of the breakdown voltage as used for the illuminated part of the stack, have a strong temperature response of the breakdown currents, so that these breakover diodes are not suitable for realizing the distribution effect, but are advantageous for the light-driven part of the breakover diode cascade can be used.

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Abstract

Es wird ein Hochspannungsschalter (15, 16) mit lichtempfindlichen Zonen vorgeschlagen, der die Hochspannung an die Zündkerze weiterleitet. Der Hochspannungsschalter besteht dabei aus zwei Teilstapeln, wobei die Kippdioden der Teilstapel unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Die Kippdioden eines ersten beleuchteten Teiles der Kippdiodenkaskaden haben eine geringe Temperaturabhängigkeit der Kippspannung und die Kippdioden des zweiten unbeleuchteten Teilstapels einen geringen und eng tolerierten Kippstrom.

Description

HochspannunσsSchalter für Zündanlagen von Brennkraftmaschinen
Stand der Technik
Die Anmeldung geht aus von einem Hochspannungsschalter für Zündan¬ lagen von Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon ein solcher Hochspannungsschalter aus der DE-US 4032131 bekannt, der die Funktion eines Zündspannungsverteilers bei ruhender Hochspannungsverteilung übernimmt. Dieser Hochspannungsschalter be¬ steht aus Halbleiterelementen, die lichtempfindliche Zonen aufweisen und wobei die lichtempfindlichen Zonen von lichtemittierenden Ele¬ menten so angesteuert werden, daß sie zu einem vorgegebenen Zeit¬ punkt 2. B. der Zündfolge entsprechend, durchschalten. Die einzelnen Halbleiterelemente sind dabei Kippdioden, die in einer Kaskaden¬ schaltung angeordnet sind. Diese Kippdioden bieten den Vorteil, daß beim Erreichen der Kippspannung die sekundärseitig aufgebaute Hoch¬ spannung schlagartig an die Zündkerzen durchgeschaltet wird, wodurch ein Spannungsverlust durch mögliche Nebenschlüsse, beispielsweise durch Verrußung, vermieden wird. Dabei ist es nicht notwendig, die gesamte Kaskadenschaltung mit optischer Energie zu bestrahlen. Es ist ausreichend, nur einen Teil der Kippdiodenkaskade zu bestrahlen, so daß nur ein Teil der Kippdioden mittels Licht geschaltet wird und die restlichen Kippdioden beim Erreichen der vorgegebenen Spannung durchschalten und so ein gewollter Aufsteilerungssteigerungseffekt erzielt wird. Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß der erste beleuchtete Teilstapel der Kippdioden einen geringen Temperaturgang der Kippspannung auf¬ weist. Gleichzeitig weisen diese Kippdioden jedoch einen starken Temperaturgang der Kippströme auf. Sie eignen sich somit sehr gut für den beleuchteten Teil, da sie hier nicht im Sinne der Kippdiode, sondern als lichtgetriggerte Schalter wirken. Durch die Anordnung des unbeleuchteten Teils des Hochspannungsschalters bleibt der Aufsteilerungseffekt erhalten. Dies ergibt sich durch das "Uber-Kopf"-Zünden des unbeleuchteten Teils des Hochspannungsschalters.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Hochspannungsschalters möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß für den unbeleuchteten zweiten Teilstapel der Kippdioden¬ kaskade Kippdioden mit niedrigen und eng tolerierten Kippströmen einzusetzen, da so die Funktion der Kippdiode für den Aufsteile- rungseffekt erhalten bleibt. Die Kombination dieser beiden Arten von Kippdioden hat den Vorteil, daß ein geringer Temperaturgang des Schalters erreicht wird und so die Anzahl der Halbleiterelemente reduziert werden kann. Letztendlich ist es vorteilhaft, daß die beiden Teilstapel des Hochspannungsschalters auch aus zwei diskre¬ ten, getrennt verpackten Teilen bestehen können. Es ist hierbei lediglich auf eine möglichst kurze Verbindungslänge zwischen diesen Kaskadenteilen zu achten. Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Zündschalter mit Hochspannungsschalter aus zwei zusammengepackten Teilstapeln und Figur 2 eine Zündschaltung mit Hochspannungsschalter und getrennt verpackten Kaskadenteilen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit einer Zündan¬ lage und ruhender Hochspannungsverteilung, wobei nur zwei Zündspulen dargestellt sind, jedoch eine Vielzahl weiterer Zündspulen möglich sind. Eine Batteriespannung U liegt an einer Primärwicklung 10
B einer Zündspule 11, wobei ein Schalttransistor 12 mit der Primär¬ wicklung 10 in Reihe liegt. Der Schalttransistor 12 wird von einem Steuergerät 13 über seinen Basisanschluß zur Erzeugung einer sekun- därseitigen Hochspannung an die Zündspule 11 kontinuierlich betä¬ tigt. Eine Sekundärwicklung 14 der Zündspule 11 liegt einerseits an Masse und ist andererseits jeweils über einen Hochspannungsschal¬ ter 15 und 16 mit einer Zündkerze 17 und 18 verbunden. Die Hochspan¬ nungsschalter 15 und 16 sind jeweils in zwei Teilstapel 15a und 15b bzw. 16a und 16b aufgeteilt, wobei die Teilstapel 15a und 16a auf der der Zündspule zugeordnetne Seite sind und die Teilstapel 15b und 16b auf der der Zündkerze zugeordneten Seite sind. Die Teilsta¬ pel 15a und 16a werden an ihren lichtempfindlichen Bereichen über eine lichtemittierende Quelle beispielsweise eine Leuchtdiode von dem Steuergerät 13 entsprechend der Zündvorgabe angesteuert und geben so die Zündspannung an die Zündkerzen weiter. Die Lichtüber¬ tragung vom lichtemittierenden Element 19 an den zu beleuchtenden Teilstapel 15a bzw. 16a erfolgt mittels eines Lichtleitfaserstabes 20. Denkbar ist jedoch auch eine Anordnung der einzelnen Teilstapel, wobei der unbeleuchtete Teilstapel auf der der Zündspule zugeord¬ neten Seite und der beleuchtete Teilstapel auf der der Zündkerze zugeordneten Seite angeordnet ist.
In der Figur 2 ist die Zündschaltung genau wie in Figur 1 aufgebaut, so daß für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen vewendet werden. Jedoch wurde der Hochspannungsschalter mit anderen Bezugszeichen versehen, da bei der Figur 2 der Hochspannungsschalter aus zwei voneinander getrennten Teilstapeln 21 und 22 bzw. 23 und 24 besteht. Bei dieser getrennten Anordnung der Teilstapel ist lediglich darauf zu achten, daß die Verbindung 25 bzw. 26 zwischen den Teilstapeln möglichst kurz zu wählen ist, um Leitungskapazitäten möglichst gering zu halten.
Kippdioden des unbeleuchteten Teilstεpels weisen über den gesamten Temperaturbereich relativ niedrige Kippströmung zwischen 1 mA und in etwa 15 mA auf. Diese niedrigen Kippströme sind für die Funktion als Kippdiode mit Aufsteilerungseffekt erforderlich. Kippdioden mit relativ niedrigen Kippströmen weisen aber jeweils einen starken Temperaturgang der Kippspannung auf, d. h. mit zunehmender Tempera¬ tur nimmt die Kippspannung ab. Würde die Kaskadenschaltung nur aus den Kippdioden mit diesen Eigenschaften bestehen, so würde durch den starken Temperaturgang eine hohe Anzahl von Kippdioden erforderlich sein, um die gewünschte Gesamtspannung über den gesamten Temperatur¬ bereich aufrecht halten zu können.
Im Gegensatz dazu weisen die Kippdioden mit geringem Temperaturgang der Kippspannung, wie sie für den beleuchteten Teil des Stapels ein¬ gesetzt werden, einen starken Temperaturgang der Kippströme auf, so daß diese Kippdioden sich nicht für die Realisierung des Aufstei- lerungseffektes eignen, sondern vorteilhaft für den lichtgetrig- gerten Teil der Kippdiodenkaskade eingesetzt werden können.

Claims

Ansprüche
1. Hochspannungsschalter für Zündanlagen von Brennkraftmaschinen, welche sekundärseitig zwischen dem hochspannungsseitigen Ende der Sekundärwicklung 14) und jeweils eine Zündkerze (17, 18) angeordnet ist und aus einer Vielzahl von in Kaskadenschaltung angeordneten Kippdioden besteht, deren vorwählbare Kippspannung durch Bestrahlung mit optischer Energie herabsetzbar ist und wobei nur ein Teil der Kippdiodenkaskade mit optischer Energie bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der HochspannungsSchalter aus zwei Teilstapeln von Kippdioden besteht, wobei die Kippdioden des beleuchteten Teil¬ stapels (15a, 16a) eine geringe Temperaturabhängigkeit ihrer Kipp¬ spannung aufweisen.
2. HochspannungsSchalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippdioden des unbeleuchteten Teilstapels (15b, 16b) einen geringen Kippstrom aufweisen.
3. Hochspannungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kippstrom zwischen 1 mA und etwa 15 mA beträgt.
4. Hochspannungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilstapel der Kippdiodenkaskade getrennt verpackt in Reihe geschaltet sind.
5. Hochspannungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung zwischen den beiden Teilstapeln der Kippdioden¬ kaskade möglichst kurz ist.
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