WO2000011346A1 - Elektronische schaltung zur pulserzeugung - Google Patents

Elektronische schaltung zur pulserzeugung Download PDF

Info

Publication number
WO2000011346A1
WO2000011346A1 PCT/EP1999/006039 EP9906039W WO0011346A1 WO 2000011346 A1 WO2000011346 A1 WO 2000011346A1 EP 9906039 W EP9906039 W EP 9906039W WO 0011346 A1 WO0011346 A1 WO 0011346A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
circuit
charging
energy
circuit according
pulse
Prior art date
Application number
PCT/EP1999/006039
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Arnold
Original Assignee
Werner Arnold
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Werner Arnold filed Critical Werner Arnold
Priority to EP99945990A priority Critical patent/EP1105643A1/de
Priority to BR9913173-0A priority patent/BR9913173A/pt
Priority to JP2000566573A priority patent/JP2002523674A/ja
Priority to AU58530/99A priority patent/AU746610B2/en
Publication of WO2000011346A1 publication Critical patent/WO2000011346A1/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P3/00—Other installations
    • F02P3/06—Other installations having capacitive energy storage
    • F02P3/08—Layout of circuits
    • F02P3/0876—Layout of circuits the storage capacitor being charged by means of an energy converter (DC-DC converter) or of an intermediate storage inductance
    • F02P3/0884—Closing the discharge circuit of the storage capacitor with semiconductor devices

Definitions

  • the invention relates to an electronic circuit for generating current / voltage pulses with a DC voltage source, at least one charging energy store connected to the poles of the DC voltage source, in particular a first capacitor, at least one controllable switching element and at least one device operated with the generated pulses.
  • Such circuits are used in particular for the generation of pulses which are used to generate ignition sparks, e.g. to ignite a gas mixture in an internal combustion engine.
  • Another application is, for example, to enable pulsed operation of laser diodes or to control reluctance motors.
  • a circuit can be used whenever any device is to be operated by means of current or voltage pulses. Depending on the application, these can be low or high voltage pulses.
  • ignition sparks it is generally known to charge an energy storage capacitor, for example in a pulsating manner, and to short-circuit the accumulated charge via a controllable switching element, such as a thyristor, via the primary winding of a transformer following the charging process.
  • the current / voltage pulse generated by this short circuit is transformed up into the kilovolt range in the transformer, so that a voltage can be tapped at the secondary coil of the transformer, which makes it possible to let a spark jump over an arc path, for example a spark plug. This spark then serves to ignite the gas mixture in the combustion chamber of an engine.
  • Circuits that operate according to the principle of pulsed discharge of a capacitor are e.g. known from US 5 245 965 and EP 0 378 714.
  • the object of the invention is to provide an electronic circuit for the energy-efficient generation of current / voltage pulses, in which energy can continue to be fed into the device operated with the circuit after the pulse generation, so that, for example, when using the circuit according to the invention in an ignition system, after the ignition spark has formed in the existing arc, energy can continue to be supplied so that clean and low-pollutant combustion can take place even under the most varied combustion conditions, for example under start-up or full load conditions.
  • the electronic circuit is provided in addition to at least one charging energy store connected to the DC voltage source (eg battery), which is formed in particular by a first capacitor, at least one further energy store, in particular a second capacitor, which is provided with at least one a switching element, in particular a controllable switching element and with the pulse-operated device is in series and can thus be connected to the poles of the charging energy store via at least one switching element, electrical power being able to be delivered to the device in the charging and / or discharging process of at least one of the further energy stores.
  • the DC voltage source eg battery
  • Such a circuit makes it possible for the pulses to be generated after the switching element has been actuated in that the electrical charge is transferred from the charging energy store, in particular the first capacitor, through any connected device to a further energy store, e.g. a second capacitor is transmitted.
  • the electrical charge transferred to the further energy store or stores can e.g. are used to effect an increase in the potential difference between a charging energy store and one or more of the further energy stores for the further pulse generation.
  • the circuit is designed so that the polarity of one or more energy stores can be switched.
  • the energy stores can be both a charging energy store and one or more of the other energy stores mentioned.
  • the changeover can be effected in a simple manner in that the sequence of the connection poles of one or more of the energy stores present in the current flow direction is interchangeable within the circuit of the circuit.
  • This switchability / interchangeability leads to the polarity of the switchable Energy storage present charge can be changed relative to the other energy storage.
  • the switchover described ensures that the potential difference between the charging energy store and the further energy store after the switchover corresponds to a maximum of twice the voltage applied to the charging energy store.
  • the device can be operated with an artificially increased voltage and thus an increased power consumption. After equipotential bonding has been completed, the polarity of the energy store can be switched over again for the next pulse generation.
  • a pulse-operated device can thus be operated in a simple manner with a voltage which is greater than the voltage at the charging energy store, so that a lower operating voltage can be sufficient here.
  • the charge does not flow through the pulse-operated device during the first charging process.
  • This can e.g. can be achieved by a bypass circuit and may be necessary if safe operation of the device with the voltage of the first pulse cannot otherwise be guaranteed.
  • a bypass circuit can, however, be dispensed with if the charging energy store, which usually has a very large capacity, is charged with a large charging time constant from the voltage source and, at the same time as the first charging of this energy storage device, the other energy storage devices as well large time constant are loaded. In this case, no pulse is generated, but rather the further energy store (s) is slowly loaded by the device.
  • the switchability of any energy storage in the circuit has the further advantage that it is possible when using a device that has an inductance, when a counter-induction voltage occurs, which results, for example, from the magnetic field falling in the negative half-wave of the generated pulse, all maximum additive at the device and the energy storage partial voltages present to be placed in series so that the counter-induction voltage can be used and an effective alternating voltage pulse operation of the device can be realized in resonance.
  • the energy stores mentioned can be not only individual storage elements, but also an arrangement, in particular a series and / or parallel connection of storage elements, such as capacitors.
  • the electrical charge transferred to the further energy store after the first pulse generation can either be used to subsequently generate a further pulse or continue to feed energy into the pulse-operated device in the form of direct current or alternating current energy. At least one of the further energy stores provided thus releases part or all of the energy to the pulse-operated device both in its charging and discharging process.
  • the electronic circuit according to the invention when used as an example in an ignition system of an internal combustion engine, this gives the possibility of further feeding energy into the ignited arc or of igniting a next spark.
  • the spark life can be regulated or the maximum speed of the engine can be increased upwards, since an ignition spark can be generated both when charging and discharging the other energy store (s) and not just a complete charge / discharge cycle until wait for the next spark.
  • the circuit has both a circuit for charging and a circuit for discharging each additional energy store, which are in particular different from one another.
  • each of the further energy stores should be arranged in a circuit section that is located in both circuits.
  • the pulse-operated device is also arranged in a circuit section that is located in both the charging and the discharging circuit, the pulse-operated device, as mentioned above, can be particularly easily pulsed both during the charging and the discharging process of one of the further energy stores flow through the transferred charge and are controlled accordingly.
  • a first pulse-operated device may be located in the charging circuit and a second pulse-operated device to be located in the unloading circuit.
  • a second pulse-operated device it is possible to control different pulse-operated devices when charging and discharging one or more further energy stores.
  • a plurality of devices can also be arranged in the charging and discharging circuit.
  • a first spark plug in the charging cycle of the further energy store in an exemplary application and to ignite a further spark plug in the discharge cycle of the same energy store.
  • different laser diodes can be driven alternately in pulses, so that e.g. the repetition frequency of a single laser diode can be reduced in a laser diode array, which has a positive effect on the service life of the diode, or generally pulse-operated devices.
  • the charging and discharging current circuits each have at least one, preferably two switching elements and these can be controlled in particular.
  • the controllable switching elements then make it possible to switch between pulsed charging and discharging of the further energy stores.
  • the control can e.g. be programmable and in particular be taken over by motor electronics.
  • the pulse-powered device always flows through the same direction in both the charging and the discharging of the energy store, energy can be supplied to the pulse-powered device with a constant polarity.
  • the amount of energy fed into the pulse-operated device in a switching cycle can be determined by means of the circuit according to the invention can be kept variable. This is possible by switching between charging and discharging the energy store before the charging or discharging limit is reached. Depending on how far the charge in the energy store approaches the charging or discharging limit, the energy supplied can be coordinated. The amount of energy then results essentially from the difference in the voltage applied to the energy store at the switching times.
  • a maximum energy supply results when the charge or discharge limits are reached at the switchover time.
  • the energy supply can be adapted to the prevailing arc conditions by alternating switching between charging and discharging the energy store.
  • the path of the charge flow in each circuit can be given, for example, by diodes.
  • a rectifier arrangement can be arranged in series with an energy store, between them DC voltage tapping points a pulse-operated device is arranged.
  • the diodes used for the direction definition can in particular also be laser diodes, so that the circuit according to the invention enables a simple combination of operated laser diodes with a further pulse-operated device.
  • laser diodes with different radiation spectra can also be selected, so that e.g. different light spectra are emitted during the charging and discharging process.
  • controllable switching elements As an alternative to the use of diodes, it is also possible to define the path of the charge flow in each circuit using controllable switching elements. For example, When an energy storage device is being charged, all controllable switches that are in the charging circuit of the energy storage device are initially closed, all switches that are in the discharge circuit being opened at the same time. The controllable switches can then be switched alternately for switching between charging and discharging.
  • a preferred application of the circuit according to the invention is to provide an ignition spark for an internal combustion engine.
  • the device operated with the pulses can be a transformer, the primary coil of which the charging pulse flows through at least one of the energy stores.
  • the current / voltage pulse generated during the charging process is transformed with the aid of the transformer into a high voltage pulse which is connected to the Secondary coil can be tapped. This high voltage pulse is then fed to a spark plug which ignites the gas mixture.
  • the transformed high-voltage pulse it is possible to use the transformed high-voltage pulse to ignite ionized gases.
  • spark plugs with the circuit according to the invention, e.g. fluorescent or neon tubes can also be operated. These can then be controlled with such an increased frequency that the flickering known from conventional tubes can no longer be perceived by the human eye. Due to the increased frequency, the typical 50 Hz hum of the transformers is then also eliminated. It is also conceivable to generate sparks in liquids, e.g. is common in spark erosion.
  • the transformer is preferably designed as an autotransformer in which there is a connection between the primary and secondary coils.
  • the free end of the secondary coil is connected to one pole of an arc gap, the other pole of which is at ground potential.
  • This arc gap is preferably the spark plug of an internal combustion engine.
  • one or more of the controllable switching elements is switched in such a way that a charge transport between the first charging energy storage and one of the further energy storage takes place through the primary coil of the autotransformer, so in addition to the generation of a secondary-side high-voltage pulse, a voltage, in particular a DC voltage, is applied to the spark plug at the same time via the connection between the primary and secondary coil corresponding design of the DC voltage energy source and the charging energy store can be dimensioned so high that the arc continues to burn after the ignition.
  • a voltage in particular a DC voltage
  • the ignition voltage of the arc is a few kilovolts, the arc only requires a few 100 volts, in particular 200-400 volts, for an arc distance of less than 1 mm to be overcome.
  • ground line of the energy source (DC voltage source) can be separated from the vehicle ground via a likewise controllable switching element. After this connection has been disconnected, the definition of the voltage potential at the spark plug is automatically removed, as a result of which the arc is extinguished.
  • the transformer can have several, preferably two, secondary coils, so that it is possible to e.g. to ignite two spark plugs simultaneously. In this way, the combustion can also be optimized.
  • a switching element blocking the charging current of one of the energy stores in particular a diode, can be connected in parallel with the primary winding of the transformer and / or the charging energy store.
  • the diode When the diode is connected in parallel with the primary winding, the mutual induction voltage present in the primary winding is short-circuited and the energy is supplied to the secondary side.
  • a parallel connection to the charging energy store it can be achieved that after charging the further energy store and igniting a spark, an electrical oscillation occurs, the positive half-waves of which are also transmitted to the secondary side. In this way it can be achieved that in a circuit arrangement where the charge of the charged further energy store is not used to ignite a new spark, it is supplied to the secondary side of the transformer without another switching element.
  • the charge of the further energy store is only fed into the burning arc until the voltage at the further energy store falls below the burning voltage in the arc gap, unless the energy source is at a voltage provides that is above the arc arc voltage.
  • a residual voltage remains on the further energy store, which reduces the voltage difference between the charging energy store and the further energy store, but can be made usable in the manner described by switching over the further energy store to increase the voltage difference.
  • a controllable switching element can also be used as the blocking switching element.
  • controllable switching elements In general, all elements which are controlled by current, voltage or else inductively, capacitively, magnetically or optically can be used as controllable switching elements. It is therefore possible to use semiconductors such as transistors, other switchable and conductive components or even programmable microelectromechanical switches. Switches made of conductive plastic can also be used, as is known, for example, from fuses. This type of controllable switch makes it possible to make the entire circuit arrangement according to the invention programmable, for example by means of microprocessors, so that, for example, the arc service life and the energy supplied in Depending on the engine conditions of a separate engine electronics are adjustable.
  • the pulse powered device e.g. a light-emitting element
  • the use of a laser diode should be considered here, which is operated in a pulsating manner by means of the circuit according to the invention.
  • the polarity of the energy source can be chosen arbitrarily. It is important to ensure that the diodes used are operated in the correct reverse direction according to the selected polarity.
  • a circuit that provides an ignition spark with another circuit that controls a laser diode in pulse mode. If the spectral range of the controlled laser diode is chosen accordingly, that the emitted light will cause the molecules in the combustion gas mixture e.g. can ionize in the focus of the laser radiation or convert to highly excited states, the pulsating light of the laser diode can be guided through the arc path in one arrangement, so that a significantly lower ignition energy must be made available due to the pre-ionization / excitation.
  • a reluctance motor or another motor can be used as the pulse-operated device, in which, for example, a first motor coil is flowed through during the charging process of the further energy store and another motor coil is flowed through during the discharge process of this energy store.
  • FIG. 1A shows an electronic circuit according to the invention in which the voltage pulse generated passes through a transformer during a charge exchange between two energy storage capacitors and is transformed to high voltage in order to ignite an arc.
  • Figure 1B A circuit according to the invention in which the polarity of an energy storage capacitor can be switched relative to the charging capacitor.
  • Polarities of both energy storage capacitors can be switched relative to one another within the circuit.
  • Figure 2 A circuit according to the invention, in which both pulse-like charge and discharge currents, the direction of which is given by diodes, flow through the primary winding of a transformer.
  • FIG. 3 shows a diagram to illustrate the possibility of feeding alternating current-like energy into the ignited arc.
  • Figure 4 A circuit according to the invention in which the diodes determining the current direction according to Figure 2 are replaced by controllable switching elements.
  • FIG. 5 A circuit according to Figure 4, in which the
  • Secondary side of the transformer has two coils.
  • Direction of current flow through the primary coil of a transformer is defined by means of a rectifier arrangement.
  • FIG. 7 A circuit corresponding to Figure 6, in which the pulse-powered transformer is replaced by a pulse-powered laser diode, the rectifier diodes can also be laser diodes.
  • FIG. 8 A circuit according to the invention in which the charge of a capacitor is transferred to one or two further capacitors and in the charging current circuit of these capacitors there is a first winding of a reluctance motor and in the final charging current circuit a second winding of a reluctance motor.
  • FIG. 1A shows an electronic circuit according to the invention for generating current / voltage pulses for generating ignition sparks in internal combustion engines with a direct voltage energy source 1, a charging energy store 4 connected to the poles 2 and 3 of this direct voltage source at a distance, in which there is it is a first capacitor, a controllable switching element 5 and an autotransformer 6 operated with the generated pulses, which has a primary coil 13 and a secondary coil 14, the two coils being connected to one another.
  • the circuit has a further energy store 7, which in the present case is likewise formed by a second capacitor, this second capacitor 7 being connected in series with the controllable switching element 5 and the primary winding 13 of the autotransformer 6, and thus with the switching element 5 the poles 2 'and 3' of the charging energy store 4 is connected or can be connected, so that electrical power can be delivered to the autotransformer both in the charging and in the discharging process of the capacitor 7.
  • a further energy store 7 which in the present case is likewise formed by a second capacitor, this second capacitor 7 being connected in series with the controllable switching element 5 and the primary winding 13 of the autotransformer 6, and thus with the switching element 5 the poles 2 'and 3' of the charging energy store 4 is connected or can be connected, so that electrical power can be delivered to the autotransformer both in the charging and in the discharging process of the capacitor 7.
  • the charging capacitor 4 shown in FIG. 1 is quasi continuously compared to the discharge process by means of the DC voltage source 1
  • the controllable switching element 5 is closed at the desired ignition point, which is determined here, for example, by further engine electronics, not shown, which is not the subject of a further discussion here.
  • this controllable switching element 5 can be a conventional semiconductor component or other controllable switching elements, such as, for example, microelectromechanical switches or the like.
  • the voltage pulse passing through the primary coil is increased from approximately several hundred volts to a high voltage of several kilovolts, e.g. 30-50 kV transformed, so that there is a sparkover in the arc gap between the poles 15 and 16 of a spark plug in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the voltage applied to the capacitor 7 is simultaneously applied to the pole 15 transmitted the arc path, so that this pole 15 is raised to several hundred volts potential compared to the grounded pole 16. This means that the coil connection continues to feed energy into the ignited arc, which energy is taken from the energy source 1 or the capacitor 4 when the switch 5 is closed.
  • controllable switching element 5 it is possible to arrange the controllable switching element 5 at any position in the charging circuit between the charging capacitor 4 and the capacitor 7.
  • the connection between the primary coil 13 and the secondary coil 14 of the transformer not at the upper end, as shown in the figure, but also at the lower end of the coils.
  • the circuit described is expanded in that the orientation of the capacitor 7 with its connection poles 7a and 7b can be switched over in the direction of current flow of the circuit shown.
  • This circuit avoids that the charged capacitor 7 must first be discharged to generate a next spark, which is only possible up to a residual voltage in any case according to the exemplary embodiment according to FIG. 1A.
  • the charge accumulated on the capacitor 7 is switched by switching the polarity of the capacitor 7 in the circuit for increasing the Potential difference between the capacitors 4 and 7 made usable.
  • the charge is first transferred from the capacitor 4 to the capacitor 7 by closing the switches 5a and 5b through the primary coil 13. After this equipotential bonding, the voltage across capacitor 7 essentially corresponds to the voltage across capacitor 4.
  • the positive pole 2 ′ is connected to the negative pole 7a and the negative pole 3 ′′ to the positive pole 7b, which results in a summation of the two substantially equal voltages applied to the capacitors. Due to the now significantly increased voltage difference between the capacitors 4 and 7, which ideally corresponds to twice the operating voltage at the capacitor 4, a new equipotential bonding takes place by means of pulsed charge transfer between the capacitors, which in turn generates an ignition spark. The capacitor can thus be switched repeatedly for the generation of pulses.
  • the circuit arrangement for electrically switching the polarity of the capacitor 7 can also be used in an embodiment corresponding to FIG. 1A. Then e.g. the voltage across capacitor 4 is approximately 300 V and if there is a residual voltage of 200 V across capacitor 7, the difference of 100 V is sometimes insufficient to generate an ignition spark. After switching the capacitor polarity, however, the differential voltage increases to 400 V, which corresponds to a sufficient voltage.
  • This circuit variant provided that it is used in an embodiment according to FIG. 1A, on the one hand makes the remaining charge on the capacitor 7 usable and on the other hand the operating voltage of the circuit can be reduced according to FIG. IB, since the voltage difference between the capacitors 4 and 7 in Ideally, can be raised to twice the value of the voltage across the capacitor 4.
  • the mass definition can be switched by the switching element 17 in the embodiment according to FIG. This results in the possibility of specifically increasing the arc gap 15-16 to the voltage of the DC voltage source, which advantages pulls, which are described using the similar embodiment of Figure 2.
  • the figure IC shows a circuit variant in which both the charging capacitor 4 and the capacitor 7 within the circuit can be switched in polarity relative to the other capacitor.
  • This counter-induction voltage which was limited by a diode in the previous exemplary embodiment, is thus used here for an alternating-voltage pulse operation of the device in resonance.
  • the capacitor 7 is switched by means of the switches 5, in accordance with the preceding exemplary embodiment in FIG.
  • the voltage difference produced in this way results in a charge flow from the capacitor 4 to the capacitor 7, as a result of which a current / voltage pulse is generated in the primary coil 13 and as a result the capacitor 7 which is rotated in polarity is also recharged, so that its polarity again corresponds to the initial situation .
  • a counter-induction voltage is generated by the magnetic field falling in the primary coil 13 after the pulse maximum, which changes the polarity at the coil 13.
  • the charged capacitor 7 is switched over, so that now in the negative half-wave of the pulse all the voltages occurring at the capacitors and the primary coil are additively in series, which causes the capacitor 7 to be recharged and its polarity again corresponds to the initial situation.
  • the capacitor 4 In order to ensure that all the voltages present on the capacitors 4, 7 and the coil 13 are in maximum additive series, the capacitor 4 must now be switched over. This in turn is followed by a charge transfer to the capacitor 7, but this time in the polarity negated to the initial situation.
  • the process of switching the polarity of one of the two capacitors 4, 7 is therefore repeated again and again when the current / voltage pulse in the primary coil passes through its negative or positive maximum and thus through the subsequent drop in the magnetic field, an induction voltage that is opposite to the excitation voltage occurs on the coil.
  • the switchover is to be designed in such a way that after the switchover one of the two
  • Capacitors are all partial voltages connected to the
  • Capacitors and the coil 13 are present, add up to the maximum in order to achieve maximum energy benefit from the
  • the circuit arrangement according to the invention differs from FIG. 1 in that the circuit has a circuit for charging and discharging the capacitor 7.
  • both the capacitor 7 and the autotransformer 6 are each arranged in a circuit section which is located in both circuits.
  • This can be either the tracking of direct current or alternating current energy, whereby the tracking of alternating current energy can advantageously adapt the amount of energy required to the prevailing condition in the combustion chamber, which has a positive effect in particular when a lean mixture is to be ignited or else even if in different Load operating modes of the engine Turbulences occur in the combustion chamber, in which the arc would break off if the energy tracking was too low.
  • the circuit arrangement according to the invention according to FIG. 2 can be used in several operating modes, which are realized in that two switching elements are arranged in each circuit, one of which can be controlled in the present case.
  • the charging circuit is now given in that after the controllable switching element 5 has been closed, the charge of the capacitor 4 is transferred to the capacitor 7 in a pulsed manner via the primary coil 13 of the transformer 6 and the diode 9 as a non-controllable switching element.
  • the discharge current circuit is given in that after opening the switch 5, the controllable switch 8 is closed and thus the charge of the capacitor 7 is short-circuited via the diode 10, the primary coil 13 and the closed switch 8.
  • this circuit provides the possibility that the switchable elements 5 and 8 can be used to switch the circuit according to the invention between pulsed charging and discharging of the capacitor 7. This is ensured by the diodes 9 and 10 arranged in both the charging and discharging circuits that current flows through the primary coil of the transformer 6 in the same direction.
  • Motor electronics controllable switch 17 will Ground potential of the entire circuit arrangement defined.
  • the pole 15 is brought up to a voltage of several hundred volts with respect to the pole 16 of the arc gap via the connection between the primary and secondary coils of the transformer 6.
  • a pulse-like transport of the charge of the capacitor 4 onto the capacitor 7 takes place via the primary coil 13 in the direction of the arrow 11, which is given by the diode 9.
  • Due to the pulsed charge transport through the primary coil 13, a transformed high voltage of several kilovolts is generated in the secondary coil 14, which leads to a sparkover between the poles 15 and 16 of the arc gap. This spark has a duration of approximately 100 to 300 ⁇ sec.
  • the constant high voltage of several hundred volts between poles 15 and 16 of the arc path ensures that energy continues to be fed into the arc if this high voltage is above the arc arc voltage.
  • the arc can then be extinguished as soon as the controllable switch 17 is opened and the definition of the ground potential is thus lost.
  • This circuit arrangement thus has the advantage that the burning time of the arc can be set variably and can thus be adapted to engine conditions.
  • a very high spark head current can be generated, but the spark tail current is dependent on the applied DC voltage and the suppression resistances as well as any spark gaps in existing ignition spark distributors. , After the arc has been extinguished, it can be ignited again by again closing switch 17 and switch 8 at the same time.
  • the charge on the capacitor 7 is then short-circuited in a pulsed manner via the diode 10 and again in the direction 11 via the primary winding of the transformer 6, so that a high-voltage pulse of several kilovolts (30-60 kV) is generated in the coil 14 on the secondary side. which leads to a breakdown in the gas mixture between the poles 15 and 16 of the arc gap of a spark plug. Again, energy is fed into the arc as long as the switch 17 remains closed.
  • circuit arrangement according to the invention to keep the arc service life variable by actuating the controllable switching element 17 compared to the known circuit arrangements.
  • the direct current energy supply which is made possible by the actuation of the switch 17, may be regarded as insufficient in the cases where the lean arc voltage is subject to strong fluctuations in lean mixtures or in the event of strong turbulence in the combustion chamber, and thus between the poles 15 and 16 of the DC voltage applied to the arc path are sometimes insufficient, the arc maintain.
  • high currents are also required in the spark tail.
  • This principle is shown in FIG. 3.
  • the charge transport from capacitor 4 to capacitor 7 via primary coil 13 and diode 9 increases the voltage across capacitor 7 from U0 to U2.
  • This voltage pulse is suitable for igniting the mixture in the spark gap between the poles 15 and 16 by means of an ignition spark 12.
  • the capacitor 7 is then short-circuited into the burning arc by switching over to the discharge process by opening the switch 5 and closing the switch 8, so that the charge flows off in the direction 11 via the diode 10 and the primary coil 13 until the capacitor 7 has one Voltage Ul is reached.
  • This voltage pulse which corresponds to the difference between U1 and U2, is also stepped up by the transmission ratio between primary coil 13 and secondary coil 14, so that energy can be fed to the burning arc.
  • switch 8 is opened again and switch 5 is closed, so that the capacitor 7 is again charged to the voltage value U2.
  • This interplay repeats itself as long as energy in the burning Arc should be tracked. It is particularly advantageous that the amount of energy tracked is variable and can therefore be adapted to the engine conditions. This variability results from the fact that the voltage difference between the voltage values U1 and U2 can be set. The difference results primarily from the switching time between actuation of switch 5 and switch 8, since the charging and discharging time constants are predetermined in the circuit.
  • the capacitor 7 can either be fully charged or completely discharged. In order to continue to extinguish the arc in a defined manner, the switch 17 is opened.
  • FIG. 4 differs in that it defines the direction of the current flow Diodes 9 and 10 are now replaced by controllable switching elements 20 and 19.
  • the switch 5 and the switch 20 are then closed, whereupon the aforementioned switches are opened and the switches 8 and 19 closed for the discharge process of the capacitor 7 become.
  • FIG. 5 is further developed compared to FIG. 4 in that the secondary side of the transformer 6 has two secondary coils 14 and 18.
  • An arc path between poles 15 and 16 or 15 'and 16' is connected to each of these secondary coils, which can be, for example, two spark plugs in the combustion chamber of a cylinder.
  • additional coils and spark plugs on the secondary side. However, it is important to ensure that the entire circuit arrangement is so powerful that sufficient energy can be made available in each ignition spark.
  • FIG. 6 shows an alternative embodiment to the circuit arrangement according to FIG. 2, where a rectifier arrangement consisting of the diodes 9, 10, 22 for the capacitor 7 and 23 is in series, between their
  • An autotransformer 6 consisting of the primary coils 13 and the secondary coil 14 is arranged in DC voltage tapping points.
  • the circuit for pulsed charging of the capacitor 7 is only given when the controllable switch 5 is closed and the controllable switch 8 is open, so that the charge is transferred to the capacitor 7 via the diode 9, the primary coil 13 and the diode 22.
  • switch 5 is opened and switch 8 is closed, so that the charge on the capacitor flows through the diode 10, the primary coil 13 and the diode 23.
  • a new spark can be generated during charging and discharging or energy can be fed into an existing arc.
  • FIG. 7 shows an arrangement equivalent to FIG. 6, where a laser diode 6 ′ is used between the DC voltage tapping points of the rectifier arrangement only as a pulse-operated device instead of an autotransformer.
  • the pulse-operated device can also represent any other light-emitting element.
  • the rectifying diodes are also designed as laser diodes 22 ', 23', 10 'and 9'.
  • a laser diode array consisting of, for example, five diodes can be connected to the circuit arrangement, which are interconnected accordingly.
  • FIG. 8 shows an embodiment of the circuit according to the invention, in which a pulse-operated device 6 is located both in the charging circuit and a further 6 ′′ in the discharging circuit. Furthermore, not only one energy store, but two energy stores, which are provided by the capacitors 7 and 21, are used in the circuit arrangement. In this case, the capacitor 21 can alternatively be switched on by the controllable switching element 5 '. The capacitance of the entire capacitor arrangement is correspondingly increased by connecting the capacitors 7 and 21 in parallel.
  • capacitors with capacities of up to several thousand farads can be used as energy stores, e.g. Gold Cup capacitors.
  • the device shown in FIG. 8 can be used in particular when a reluctance motor is to be actuated in which current is to be passed through the excitation coils 6 and 6 ′′ in succession.
  • the capacitor 7 is charged with the charge of the capacitor 4 when the controllable switching element 5 is closed.
  • the coil 6 flows through the charge in a pulsed manner. After the switch 5 'has been closed, it is possible to send a further charging pulse through the coil 6. Alternatively, it is also possible to use the to keep the switch 5 'closed for the first charging process, so that the total capacity increases accordingly.
  • the switch 5 is opened and the switch 8 is closed, so that when the capacitor 7 or the capacitors 7 and 21 is discharged, the coil 6 ′′ of the reluctance motor is now flowed through.
  • FIG. 9 shows a circuit arrangement in which two circuits according to the invention are used, the lower circuit B serving to generate an ignition spark in the arc gap between the poles 15 and 16 and the upper circuit A is intended to pulse a laser diode 6 ' to control, whose pulsed light shines through the arc path.
  • the laser diode With a corresponding selection of the laser diode, there is thus the possibility of emitting a light wavelength which generates a pre-ionization in the gas mixture which is located between the poles 15 and 16 of the arc path.
  • This pre-ionization can be increased by focusing the light of the laser diode by means of a lens in the region of the arc path.
  • circuits shown in FIG. 9 correspond to the circuit according to FIG. 2 already discussed, where only the controlled transformer 6 has been replaced by a laser diode 6 ', to which a current-limiting resistor R is connected in series.
  • Circuit arrangement B corresponds to the circuit already shown in FIG. 4.
  • circuits A and B are synchronized with one another by means of motor electronics, not shown.
  • controllable switching elements in particular elements 5, 8, 17, 19 and 20 of the drawings discussed, can be controlled by means of current, voltage, inductively, capacitively, magnetically or optically. All known switching elements, such as semiconductor switches, integrated circuits and other conductive and switchable components can thus be used. It is also possible to use microelectromechanical switches (MEMS technology).
  • MEMS technology microelectromechanical switches

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)
  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine elektronische Schaltung zur Erzeugung von Strom-/Spannungspulsen, insbesondere zur Erzeugung von Zündfunken bei Verbrennungsmotoren mit einer Gleichspannungsquelle (1), wenigstens einem an den Polen (2, 3) der Gleichspannungsquelle (1), insbesondere in einem Abstand angeschlossenen Lade-Energiespeicher (4), insbesondere einem ersten Kondensator (4), mindestens einem ansteuerbaren Schaltelement (5) und wenigstens einer mit den erzeugten Pulsen betriebene Vorrichtung (6), wobei die Schaltung mindestens einen weiteren Energiespeicher (7), insbesondere einen zweiten Kondensator (7) aufweist, der mit wenigstens einem Schaltelement (5), insbesondere einem ansteuerbaren Schaltelement (5) und mit der pulsbetriebenen Vorrichtung (6) in Reihe liegt und dadurch über wenigstens ein Schaltelement mit den Polen (2, 3) des Lade-Energiespeichers (4) verbindbar ist, wobei elektrische Leistung im Lade-/Entladevorgang wenigstens eines der weiteren Energiespeicher (7) an die Vorrichtung (6) abgebbar ist.

Description

Elektronische Schaltung zur Pulserzeugung
Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zur Erzeugung von Strom-/Spannungspulsen mit einer Gleichspannungsquelle, wenigstens einem an den Polen der Gleichspannungsquelle angeschlossenen Lade-Energiespeicher, insbesondere einem ersten Kondensator, mindestens einem ansteuerbaren Schaltelement und wenigstens einer mit den erzeugten Pulsen betriebene Vorrichtung.
Derartige Schaltungen werden insbesondere für die Erzeugung von Pulsen eingesetzt, die zur Generierung von Zündfunken dienen, um z.B. bei einem Verbrennungsmotor ein Gasgemisch zu zünden.
Eine andere Anwendung liegt z.B. darin, einen Pulsbetrieb von Laserdioden zu ermöglichen oder Reluktanzmotoren anzusteuern. Allgemein kann eine solche Schaltung immer dann eingesetzt werden, wenn eine beliebige Vorrichtung mittels Strom oder Spannungspulsen betrieben werden soll. Hierbei kann es sich je nach Anwendungsfall um Nieder- oder Hochspannungspulse handeln. Insbesondere für die Erzeugung von Zündfunken ist es allgemein bekannt, einen Energiespeicherkondensator beispielsweise pulsierend aufzuladen und im Anschluß an den Ladevorgang die angesammelte Ladung über ein ansteuerbares Schaltelement, wie z.B. einen Thyristor über die Primärwicklung eines Transformators kurzzuschließen. Der durch diesen Kurzschluß erzeugte Strom-/Spannungspuls wird in dem Transformator bis in den Kilovoltbereich hochtransformiert, so daß an der Sekundärspule des Transformators eine Spannung abgegriffen werden kann, die es ermöglicht, in einer Lichtbogenstrecke z.B. einer Zündkerze einen Funken überspringen zu lassen. Dieser Funke dient sodann zur Zündung des Gasgemisches im Brennraum eines Motors .
Schaltungen, die nach dem beschriebenen Prinzip der impulsartigen Entladung eines Kondensators funktionieren, sind z.B. aus der US 5 245 965 und EP 0 378 714 bekannt.
Diese Schaltungen haben allesamt den Nachteil, daß die Aufladezeit des Energiespeicherkondensators gegenüber der Endladezeit relativ lang ist. Dies bedeutet, daß bei der Anforderung, mit jedem Zündimpuls eine maximale Zündenergie zur Verfügung stellen zu können, die zu erreichende Impulsfolge nach oben hin begrenzt ist.
Beispielsweise bei einem 6-Zylinder Automotor werden bei bis zu 6000 U/min 300 Zündimpulse pro Sekunde benötigt. Das heißt alle 3,3 msec muß ein Zündfunke erzeugt werden. Für die kurzen somit benötigten Aufladezeiten der Energiespeicherkondensatoren, die etwa zwischen 1 und 1,5 msec liegen, werden Energiequellen benötigt, die einen sehr geringen Innenwiderstand aufweisen und in Verbindung mit der Schaltung eine große Leistung zur Verfügung stellen müssen. Nachteilig ist bei den bekannten Zündanlagen weiterhin, daß aufgrund der Erzeugung des Zündfunkens im Entladevorgang des Energiespeicherkondensators nach der Funkenbildung dem entstandenen Lichtbogen keine weitere Energie mehr zugeführt werden kann, so daß die Funkenstandzeit üblicherweise nur etwa 100 — 300 μsec beträgt. Besonders im Teillastbetrieb eines Verbrennungsmotors kann dies u.a. zu einer unvollständigen Verbrennung und einem erhöhten Schadstoffausstoß führen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektronische Schaltung zur energieeffizienten Erzeugung von Strom-/Spannungspulsen zur Verfügung zu stellen, bei der nach der Pulserzeugung in die mit der Schaltung betriebene Vorrichtung weiterhin Energie nachgeführt werden kann, so daß zum Beispiel bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltung in einer Zündanlage, nach der Bildung des Zündfunkens in den bestehenden Lichtbogen weiterhin Energie zugeführt werden kann, damit auch bei unterschiedlichsten Verbrennungsbedingungen, zum Beispiel bei Start- oder Volllastbedingungen, eine saubere und Schadstoffarme Verbrennung stattfinden kann. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung auch bei maximalem Energieentzug eine gegenüber herkömmlichen Schaltungen erhöhte Pulsfrequenz zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die elektronische Schaltung neben wenigstens einem an die Gleichspannungsquelle (z.B. Batterie) angeschlossenen Lade- Energiespeicher, der insbesondere von einem ersten Kondensator gebildet wird, mindestens ein weiterer Energiespeicher, insbesondere ein zweiter Kondensator vorgesehen ist, der mit wenigstens einem Schaltelement, insbesondere einem ansteuerbaren Schaltelement und mit der pulsbetriebenen Vorrichtung in Reihe liegt und dadurch über wenigstens ein Schaltelement mit den Polen des Lade- Energiespeichers verbindbar ist, wobei elektrische Leistung im Lade- und/oder Entladevorgang wenigstens eines der weiteren Energiespeicher an die Vorrichtung abgebbar ist.
Durch eine derartige Schaltung ist es möglich, daß die Pulse nach Ansteuerung des Schaltelementes dadurch erzeugt werden, daß die elektrische Ladung von dem Lade-Energiespeicher, also insbesondere dem ersten Kondensator durch eine beliebige angeschlossene Vorrichtung hindurch auf einen weiteren Energiespeicher, z.B. einen zweiten Kondensator übertragen wird.
Nach einer ersten bevorzugten Ausführung kann die auf den oder die weiteren Energiespeicher übertragene elektrische Ladung z.B. dazu verwendet werden, für die weitere Pulserzeugung eine Erhöhung der Potentialdifferenz zwischen einem Lade-Energiespeicher und einem oder mehreren der weiteren Energiespeicher zu bewirken.
Hierzu ist die Schaltung so ausgelegt, daß die Polarität eines oder mehrerer Energiespeicher umschaltbar ist. Bei den Energiespeichern kann es sich hierbei sowohl um einen Lade- Energiespeicher, als auch um einen oder mehrere der genannten weiteren Energiespeicher handeln.
In einfacher Weise kann die Umschaltung dadurch bewirkt werden, daß innerhalb des Stromkreislaufes der Schaltung die in Stromflußrichtung vorliegende Reihenfolge der Anschlußpole eines oder mehrerer der Energiespeicher vertauschbar ist. Diese Umschaltbarkeit/Vertauschbarkeit führt dazu, daß die Polarität der in dem umschaltbaren Energiespeicher vorliegenden Ladung relativ zu dem anderen Energiespeicher änderbar ist.
Bei einem impulsartigen Ladungstransfer vom Lade- Energiespeicher auf einen weiteren Energiespeicher kann dieser maximal bis auf die Spannung des Lade- Energiespeichers aufgeladen werden. Nach dem Ladungstransfer liegt sodann im wesentlichen zwischen dem Lade- Energiespeicher und dem weiteren Energiespeicher keine Potentialdifferenz mehr vor, sofern die Ladung am weiteren Energiespeicher nicht abgeführt wird.
Durch die beschriebene Umschaltung wird erreicht, daß die Potentialdifferenz zwischen Lade-Energiespeicher und dem weiteren Energiespeicher nach der Umschaltung maximal der doppelten am Lade-Energiespeicher anliegenden Spannung entspricht.
Wird nun durch Betätigung der Schalter ein impulsartiger Ladungstransfer erzeugt, so kann die Vorrichtung mit einer künstlich erhöhten Spannung und somit einer erhöhten Leistungsaufnahme betrieben werden. Nach erfolgtem Potentialausgleich kann die Polariät des Energiespeichers erneut für die nächste Pulserzeugung umgeschaltet werden.
Ob ein vollständiger Potentialausgleich zwischen dem Lade- Energiespeicher und dem weiteren Energiespeicher tatsächlich stattfindet, hängt maßgeblich von der Ladezeitkonstanten und den Umschaltzeitpunkten ab, die wiederum von der gewünschten Pulsfrequenz, mit der die Vorrichtung betrieben werden soll, abhängt. Insofern ist die Größe der Spannungserhöhung eine Funktion von diesen Parametern und hängt weiterhin davon ab, wieviel der Ladung aus dem Energiespeicher in die pulsbetriebene Vorrichtung nachgeliefert wird. Spannungserhohungen von mehreren 10% sind realistisch.
Eine pulsbetriebene Vorrichtung kann somit auf einfache Weise mit einer Spannung betrieben werden, die großer ist als die Spannung am Lade-Energiespeicher, so daß hier eine niedrigere Betriebspannung ausreichend sein kann.
Da eine Spannungserhohung erst nach einem erstmaligen Laden wenigstens eines der weiteren Energiespeicher möglich ist, ist es weiterhin von Vorteil, wenn bei dem ersten Ladevorgang d e pulsbetriebene Vorrichtung nicht von der Ladung durchflössen wird. Dies kann z.B. durch eine Bypaßschaltung erreicht werden und kann notig werden, wenn ein sicherer Betrieb der Vorrichtung mit der Spannung des ersten Impulses sonst nicht garantiert werden kann. Eine Bypaßschaltung kann jedoch dann entbehrlich sein, wenn der Lade-Energiespeicher, der üblicherweise eine sehr große Kapazität aufweist, mit einer großen Ladezeitkonstanten von der Spannungsquelle geladen wird und gleichzeitig mit dem erstmaligen Aufladen dieses Energiespeichers auch der oαer die weiteren Energie-Speicher mit dann ebenfalls großer Zeitkonstante geladen werden. In diesem Fall wird kein Puls erzeugt, sondern der oder die weiteren Energiespeicher langsam durch die Vorrichtung geladen.
Die Umschaltbarkeit beliebiger Energiespeicher in der Schaltung hat weiterhin den Vorteil, daß es bei der Verwendung einer Vorrichtung, die eine Induktivität aufweist, möglich ist, beim Auftreten einer Gegeninduktionsspannung, die sich durch das z.B. in der negativen Halbwelle des erzeugten Pulses abfallende Magnetfeld ergibt, sämtliche an der Vorrichtung und den Ξnergiespeichern vorliegenden Teilspannungen maximal additiv in Reihe zu legen, um so die Gegeninduktionsspannung nutzbar zu machen und einen effektiven Wechselspannungs-Pulsbetrieb der Vorrichtung in Resonanz zu realisieren.
Es ist weiterhin zu erwähnen, daß es sich bei den genannten Energiespeichern nicht nur um einzelne Speicherelemente, sondern auch um eine Anordnung, insbesondere eine Reihen- und/oder Parallelschaltung von Speicherelementen, wie beispielsweise Kondensatoren handeln kann.
In einer alternativen oder gleichzeitigen Ausführung kann die auf den weiteren Energiespeicher übertragene elektrische Ladung nach der ersten Impulserzeugung auch entweder dazu verwendet werden, im Anschluß einen weiteren Puls zu erzeugen oder aber weiterhin in die pulsbetriebene Vorrichtung Energie in Form von Gleichstrom- oder Wechselstromenergie nachzuführen. Wenigstens einer der weiteren vorgesehenen Energiespeicher gibt somit sowohl in seinem Lade- als auch Entladevorgang einen Teil oder die gesamte Energie an die pulsbetriebene Vorrichtung ab.
Insbesondere bei der beispielhaften Verwendung der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung in einer Zündanlage eines Verbrennungsmotors ist dadurch die Möglichkeit gegeben in den gezündeten Lichtbogen weiter Energie nachzuführen oder aber einen nächsten Funken zu zünden. Hierdurch ist zum einen die Funkenstandzeit regulierbar oder aber auch die maximale Drehzahl des Motors nach oben hin erweiterbar, da ein Zündfunken sowohl beim Laden als auch beim Entladen des/der weiteren Energiespeicher/s erzeugt werden kann und nicht erst ein kompletter Lade-/Entladezyklus bis zum nächsten Zündfunken abgewartet werden muß. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Schaltung sowohl einen Stromkreislauf zum Laden als auch einen Stromkreislauf zum Endladen eines jeden weiteren Energiespeichers aufweist, die insbesondere zueinander verschieden sind. Hierbei sollte jeder der weiteren Energiespeicher in einem Stromkreislaufabschnitt angeordnet sein, der sich in beiden Stromkreisläufen befindet. Ist desweiteren ebenfalls auch die pulsbetriebene Vorrichtung in einem Stromkreislaufabschnitt angeordnet, der sich sowohl im Lade- als auch im Entladekreislauf befindet, so kann die pulsbetriebene Vorrichtung, wie oben erwähnt, besonders einfach sowohl beim Lade- als auch beim Entladevorgang eines der weiteren Energiespeicher impulsartig von der übertragenen Ladung durchflössen und dementsprechend angesteuert werden.
Besonders vorteilhaft wirkt es sich bei der beschriebenen Anordnung aus, wenn sowohl beim Laden als auch beim Entladen eines der weiteren Energiespeicher oder mehrerer Energiespeicher die pulsbetriebene Vorrichtung in der gleichen Richtung von der elektrischen Ladung impulsartig durchflössen wird.
Hierdurch ist gewährleistet, daß die Polarität an der pulsbetriebenen Vorrichtung, sowohl beim Lade- als auch beim Entladevorgang gleich bleibt.
Alternativ ist es auch möglich, daß sich eine erste pulsbetiebene Vorrichtung im Ladekreislauf und eine zweite pulsbetriebene Vorrichtung im Entladekreislauf befindet. Somit ist bei einer derartigen Anordnung die Möglichkeit gegeben, beim Laden und Entladen eines oder mehrerer weiterer Energiespeicher verschiedene pulsbetriebene Vorrichtungen anzusteuern. Beispielsweise ist es denkbar, in diesem Fall nacheinander verschiedene stromdurchflutete Wicklungen eines Reluktanzmotor oder eines anderen Motors anzusteuern. Selbstverständlich können im Lade- und Entladekreislauf auch jeweils mehrere Vorrichtungen angeordnet sein.
Ebenfalls ist es denkbar beim Ladezyklus des weiteren Energiespeichers in einer beispielhaften Anwendung eine erste Zündkerze zu zünden und beim Entladezyklus desselben Energiespeichers eine weitere Zündkerze zu zünden. In einer anderen Anwendung können alternierend verschiedene Laserdioden impulsartig angesteuert werden, so daß z.B. in einem Laserdiodenarray die Wiederholfrequenz einer einzelnen Laserdiode herabgesetzt werden kann, was sich positiv auf die Lebensdauer der Diode, bzw. allgemein pulsbetriebener Vorrichtungen auswirkt.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn Lade- und Entladestromkreislauf jeweils wenigstens ein, vorzugsweise zwei Schaltelemente aufweisen und diese insbesondere ansteuerbar sind. Mittels der ansteuerbaren Schaltelemente ist es sodann möglich, zwischen impulsartigem Laden und Entladen der weiteren Energiespeicher umzuschalten. Die Ansteuerung kann z.B. programmierbar sein und insbesondere von einer Motorelektronik übernommen werden.
Wenn hierbei sowohl beim Laden als auch beim Entladen des Energiespeichers die pulsbetriebene Vorrichtung immer in gleicher Richtung stromdurchfloßen ist, kann mit gleichbleibender Polarität Energie in die pulsbetriebene Vorrichtung nachgeliefert werden.
Die Menge der in einem Umschaltzyklus in die pulsbetriebene Vorrichtung nachgeführten Energie kann mittels der erfindungsgemäßen Schaltung variabel gehalten werden. Dies ist dadurch möglich, daß zwischen Laden und Entladen des Energiespeichers vor Erreichen der Lade- bzw. der Entladegrenze umgeschaltet wird. Je nachdem, wie weit die in dem Energiespeicher befindliche Ladung sich der Lade- bzw. Entladegrenze nähert, kann die zugeführte Energie abgestimmt werden. Die Energiemenge ergibt sich sodann maßgeblich durch die Differenz der zu den Umschaltzeitpunkten an dem Energiespeicher anliegenden Spannung.
Eine maximale Energiezufuhr ergibt sich hierbei, wenn die Lade- bzw. Entladegrenzen im Umschaltzeitpunkt erreicht werden.
Bezogen auf die Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung bei der Zündung eines Verbrennungsmotors bedeutet dies, daß zunächst mit einem Hochspannungszündpuls der Lichtbogen gezündet wird und sodann bei bestehendem Lichtbogen mittels der wechselweisen Umschaltung zwischen Laden und Entladen des Energiespeichers die Energiezufuhr an die vorherrschenden Lichtbogenbedingungen angepaßt werden kann. Insbesondere bei Magergemischmotoren bzw. wenn starke Turbulenzen in der Brennkammer auftreten, ist es vorteilhaft, wenn eine erhöhte Energie in den Lichtbogen nachgeführt werden kann.
Zur Gewährleistung, daß zum Beispiel für eine optimale Energiezufuhr die pulsbetriebene Vorrichtung immer in gleicher Richtung beim Laden und Entladen durchflössen wird, kann der Weg des Ladungsflußes in jedem Stromkreislauf z.B. durch Dioden gegeben sein. Hierzu kann in einer bevorzugten Ausführung zu einem Energiespeicher eine Gleichrichteranordnung in Reihe liegen, zwischen deren Gleichspannungsabgriffpunkten eine pulsbetriebene Vorrichtung angeordnet ist.
Die für die Richtungsdefinition verwendeten Dioden können insbesondere auch Laserdioden sein, so daß durch die erfindungsgemäße Schaltung eine einfache Kombination von betriebenen Laserdioden mit einer weiteren pulsbetriebenen Vorrichtung möglich wird.
Da mehrere Dioden zum Einsatz kommen können, können auch Laserdioden mit verschiedenen Abstrahlungsspektren ausgewählt werden, so daß z.B. beim Lade- und beim Entladevorgang verschiedene Lichspektren ausgesandt werden.
Alternativ zu dem Einsatz von Dioden ist es ebenfalls möglich, den Weg des Ladungsflußes in jedem Stromkreislauf durch ansteuerbare Schaltelemente zu definieren. So werden z.B. beim Ladevorgang eines Energiespeichers zunächst sämtliche ansteuerbare Schalter geschlossen, die sich im Ladekreislauf des Energiespeichers befinden, wobei gleichzeitig all diejenigen Schalter geöffnet werden, die sich im Entladekreislauf befinden. Für die Umschaltung zwischen Laden und Entladen können sodann die ansteuerbaren Schalter wechselweise umgeschaltet werden.
Wie bereits mehrfach als Beispiel angeführt, liegt eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung darin, einen Zündfunken für einen Verbrennungsmotor zur Verfügung zu stellen. Hierzu kann die mit den Pulsen betriebene Vorrichtung ein Transformator sein, dessen Primärspule von dem Ladeimpuls wenigstens eines der Energiespeicher durchflössen wird. Der während des Ladevorgangs erzeugte Strom-/Spannungspuls wird mit Hilfe des Transformators in einen Hochspannungspuls transformiert, der an der Sekundärspule abgreifbar ist. Dieser Hochspannungspuls wird sodann einer Zündkerze zugeführt, die das Gasgemisch zündet.
Allgemein ist es möglich, den transformierten Hochspannungspuls zur Zündung von ionisierten Gasen zu verwenden. So können alternativ statt Zündkerzen mit der erfindungsgemäßen Schaltung z.B. auch Leuchtstoff- oder Neonröhren betrieben werden. Diese können dann mit einer derart erhöhten Frequenz angesteuert werden, daß das von herkömmlichen Röhren bekannte Flackern nicht mehr vom menschlichen Auge wahrnehmbar ist. Durch die erhöhte Frequenz unterbleibt sodann auch das typische 50 Hz Brummen der Transformatoren. Ebenso ist es denkbar, Funken in Flüssigkeiten zu erzeugen, wie es z.B. bei der Funkenerosion gängig ist.
Wie vorangehend erwähnt, ist es mittels der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung beispielsweise möglich, nach dem Überschlag des Zündfunkens in den gezündeten Lichtbogen Energie nachzuliefern. Hierbei kann es sich um Gleich- und/oder Wechselstromenergie handeln.
Um die Versorgung des gezündeten Lichtbogens mit einer Gleichstromenergie zu gewährleisten, wird bevorzugterweise der Transformator als Autotransformator ausgeführt, bei dem eine Verbindung zwischen Primär- und Sekundärspule besteht. Das freie Ende der Sekundärspule ist hierbei mit einem Pol einer Lichtbogenstrecke verbunden, deren anderer Pol auf Massepotential liegt. Bei dieser Lichtbogenstrecke handelt es sich vorzugsweise um die Zündkerze eines Verbrennungsmotors .
Wird nun eines oder mehrere der ansteuerbaren Schaltelemente derart geschaltet, daß ein Ladungstransport zwischen dem ersten Lade-Energiespeicher und einem der weiteren Energiespeicher durch die Primärspule des Autotransformators stattfindet, so wird neben der Erzeugung eines sekundärseitigen Hochspannungspulses bewirkt, daß über die Verbindung zwischen Primär- und Sekundärspule gleichzeitig eine Spannung, insbesondere eine Gleichspannung an die Zündkerze gelegt wird, die durch entsprechende Ausführung der Gleichspannungs-Energiequelle und des Lade- Energiespeichers derart hoch bemessen sein kann, daß der Lichtbogen nach der Zündung weiterbrennt.
So liegt zwar die Zündspannung des Lichtbogens bei einigen Kilovolt, jedoch benötigt der Lichtbogen bei einer zu überwindenen Bogenstrecke von weniger als 1 mm lediglich wenige 100 Volt, insbesondere 200-400 Volt.
Da ein derart gezündeter und aufrechterhaltener Lichtbogen immer weiter brennen würde, ist es vorteilhaft, wenn die Masseleitung der Energiequelle (Gleichspannungsquelle) über ein ebenfalls ansteuerbares Schaltelement von der Fahrzeugmasse trennbar ist. Nach einer Trennung dieser Verbindung wird dabei automatisch die Definition des Spannungspotentials an der Zündkerze aufgehoben, wodurch der Lichtbogen erlischt.
Insofern ist es möglich mittels der ansteuerbaren Schaltelemente während des Ladevorgangs des Energiespeichers einen Lichtbogen zu zünden und anschließend weiterbrennen zu lassen. Nach einer gewünschten Brenndauer, die z.B. anhand der momentanen Motorbetriebsdaten ermittelbar ist, kann der Lichtbogen gelöscht und anschließend im Endladevorgang des Energiespeicher, z.B. nach einer Motorumdrehung, der nächste Zündfunke gezündet werden. Bei einer derartigen Konstruktion ist es auch, wie vorangehend erwähnt, möglich, eine Pulsspannungserhöhung durch die beschriebene Umschaltung der Energiespeicher und damit der Polarität der Ladung relativ zum Lade- Energiespeicher zu erreichen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung kann der Transformator mehrere vorzugsweise zwei Sekundärspulen aufweisen, so daß es möglich ist, in dem Brennraum eines Verbrennungsmotors z.B. zwei Zündkerzen simultan zu zünden. Hierdurch kann die Verbrennung ebenfalls optmiert werden.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung kann zur Primärwicklung des Transformators und/oder zum Ladeenergiespeicher ein den Ladestrom eines der Energiespeicher sperrendes Schaltelement, insbesondere eine Diode parallelgeschaltet sein.
Bei einer Parallelschaltung der Diode zur Primärwicklung wird somit erreicht, daß die in der Primärwicklung vorliegende Gegeninduktionsspannung kurzgeschlossen und die Energie der Sekundärseite zugeführt wird. Bei einer Parallelschaltung zum Ladeenergiespeicher kann erreicht werden, daß sich nach der Ladung des weiteren Energiespeichers und der Zündung eines Funkens eine elektrische Schwingung einstellt, deren positiven Halbwellen ebenfalls auf die Sekundärseite übertragen werden. Hierdurch kann erreicht werden, daß bei einer Schaltungsanordnung, wo die Ladung des aufgeladenen weiteren Energiespeichers nicht zur Zündung eines neuen Funkens verwendet wird, diese ohne ein weiteres Schaltelement der Sekundärseite des Transformators zugeführt wird. Hierbei ist jedoch zu beachten, daß aufgrund der Verbindung zwischen Primär- und Sekundärspule die Ladung des weiteren Energiespeichers nur solange in den brennenden Lichtbogen nachgeführt wird, bis die Spannung an dem weiteren Energiespeicher, die Brennspannung in der Lichtbogenstrecke unterschreitet, sofern nicht die Energiequelle eine Spannung zur Verfügung stellt, die oberhalb der Brennspannung des Lichtbogens liegt.
Insofern verbleibt auf dem weiteren Energiespeicher eine Restspannung, die die Spannungsdifferenz zwischen Lade- Energiespeicher und dem weiteren Energiespeicher verringert, jedoch durch Umschaltung des weiteren Energiespeichers zur Erhöhung der Spannungsdifferenz in der beschriebenen Weise nutzbar gemacht werden kann.
Alternativ zu der verwendeten Diode kann als sperrendes Schaltelement ebenfalls ein ansteuerbares Schaltelement eingesetzt werden.
Allgemein können als ansteuerbare Schaltelemente sämtliche Elemente eingesetzt werden, die durch Strom, Spannung oder auch induktiv, kapazitiv, magnetisch oder optisch gesteuert sind. Somit ist es möglich, Halbleiter wie z.B. Transistoren, andere schaltbare und leitfähige Bauteile oder aber auch programmierbare mikroelektromechanische Schalter einzusetzen. Ebenfalls sind Schalter aus leitfähigem Kunststoff einsetzbar, wie es z.B. von Sicherungen her bekannt ist. Diese Art von ansteuerbaren Schaltern, ermöglicht es, die gesamte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung z.B. mittels Mikroprozessoren programmierbar zu machen, so daß z.B. die Lichtbogenstandzeit sowie die zugeführte Energie in Abhängigkeit von den Motorbedingungen von einer separaten Motorelektronik einstellbar sind.
In einer anderen Anwendung kann als pulsbetriebene Vorrichtung z.B. ein lichtemmittierendes Element eingesetzt werden. Insbesondere ist hier an die Verwendung einer Laserdiode zu denken, die mittels der erfindungsgemäßen Schaltung pulsierend betrieben wird. Es ist zu erwähnen, daß bei der Zündanlage eines Verbrennungsmotors nicht nur eine Schaltung zum Einsatz kommt, sondern z.B. für jeden Zylinder eine separate Schaltung eingesetzt werden kann. Weiterhin kann die Polarität der Energiequelle beliebig gewählt werden. Hierbei ist darauf zu achten, daß entsprechend der gewählten Polarität die eingesetzten Dioden in der richtigen Sperrichtung betrieben werden.
In einer besonderen Ausführung ist es dabei ebenfalls möglich, eine Schaltung, die einen Zündfunken zur Verfügung stellt, zu kombinieren mit einer anderen Schaltung, die im Pulsbetrieb eine Laserdiode ansteuert. Wird der Spektralbereich der angesteuerten Laserdiode dementsprechend gewählt, daß das emittierte Licht die Moleküle im Verbrennungsgasgemisch z.B. im Focus der Laserstrahlung ionisieren oder in hochangeregte Zustände überführen kann, so kann in einer Anordnung das pulsierende Licht der Laserdiode durch die Lichtbogenstrecke geleitet werden, so daß aufgrund der Vor-Ionisierung/Anregung eine deutlich geringere Zündenergie zur Verfügung gestellt werden muß.
Eine derartige Schaltungsanordnung ermöglicht eine bessere und sauberere Verbrennung sowie aufgrund der reduzierbaren Leistungsaufnahme die Realisierung von Motoren mit einer erhöhten Drehzahl. In einer anderen Anwendung kann, wie bereits oben erwähnt, als pulsbetriebene Vorrichtung ein Reluktanzmotor oder auch ein anderer Motor verwendet werden, bei dem z.B. beim Ladevorgang des weiteren Energiespeichers eine erste Motorspule durchströmt wird und beim Entladevorgang dieses Energiespeichers eine weitere Motorspule durchströmt wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Abbildungen dargestellt. Es zeigen:
Figur 1A Eine erfindungsgemäße elektronische Schaltung in der bei einem Ladungsaustausch zwischen zwei Energiespeicherkondensatoren der erzeugte Spannungspuls einen Transformator durchläuft und zur Zündung eines Lichtbogens auf Hochspannung transformiert wird.
Figur 1B Eine erfindungsgemäße Schaltung bei der die Polarität eines Energiespeicher-Kondensators relativ zum Lade-Kondensator umschaltbar ist.
Figur IC Eine erfindungsgemäße Schaltung, bei der die
Polaritäten beider Energiespeicher-Kondensatoren innerhalb der Schaltung relativ zueinander umschaltbar sind.
Figur 2 Eine erfindungsgemäße Schaltung, in der sowohl impulsartig Lade- als auch Entladeströme , deren Richtung durch Dioden gegeben ist, die Primärwicklung eines Transformators durchfließen.
Figur 3 Ein Diagramm zur Verdeutlichung der Möglichkeit in den gezündeten Lichtbogen wechselstromartig Energie nachzuführen. Figur 4 Eine erfindungsgemäße Schaltung, in der die die Stromrichtung bestimmenden Dioden nach Figur 2 durch ansteuerbare Schaltelemente ersetzt sind.
Figur 5 Eine Schaltung nach Figur 4, in der die
Sekundärseite des Transformators zwei Spulen aufweist.
Figur 6 Eine erfindungsgemäße Schaltung, in der die
Richtung des Stromflusses durch die Primärspule eines Transformators mittels einer Gleichrichteranordnung definiert wird.
Figur 7 Eine Schaltung entsprechend Figur 6, in der der pulsbetriebene Transformator durch eine pulsbetriebene Laserdiode ersetzt ist, wobei die Gleichrichterdioden ebenfalls Laserdioden sein können.
Figur 8 Eine erfindungsgemäße Schaltung, bei der die Ladung eines Kondensators auf ein oder zwei weitere Kondensatoren übertragen wird und sich im Ladestromkreislauf dieser Kondensatoren eine erste Wicklung eines Reluktanzmotors und im Endladestromkreislauf eine zweite Wicklung eines Reluktanzmotors befindet.
Figur 9 Eine Anordnung mit zwei erfindungsgemäßen elektronischen Schaltungen, wobei eine Schaltung zur Erzeugung eines Zündfunkens und eine andere Schaltung zur Erzeugung eines Laserlichtimpulses eingesetzt wird, der das zu zündende Gasgemisch in der Lichtbogenstrecke vorionisiert oder anregt. Die Figur 1A zeigt eine erfindungsgemäße elektronische Schaltung zur Erzeugung von Strom-/Spannungspulsen für die Erzeugung von Zündfunken bei Verbrennungsmotoren mit einer Gleichspannungs-Energiequelle 1, einem an den Polen 2 und 3 dieser Gleichspannungsquelle in einem Abstand angeschlossenem Lade-Energiespeicher 4, bei dem es sich um einen ersten Kondensator handelt, einem ansteuerbaren Schaltelement 5 sowie einem mit den erzeugten Pulsen betriebenen Autotransformator 6, der eine Primärspule 13 und eine Sekundärspule 14 aufweist, wobei die beiden Spulen miteinander verbunden sind.
Weiterhin weist die Schaltung einen weiteren Energiespeicher 7 auf, der hier im vorliegenden Fall ebenfalls von einem zweiten Kondensator gebildet wird, wobei dieser zweite Kondensator 7 mit dem ansteuerbaren Schaltelement 5 und der Primärwicklung 13 des Autotransformators 6 in Reihe liegt und dadurch über das Schaltelement 5 mit den Polen 2 ' und 3 ' des Lade-Energiespeichers 4 verbunden ist, bzw. verbindbar ist, so daß elektrische Leistung sowohl im Lade- als auch im Entladevorgang des Kondensators 7 an den Autotransformator abgebbar ist.
Der in der Figur 1 dargestellte Ladekondensator 4 wird mittels der Gleichspannungsquelle 1 verglichen mit dem Entladevorgang quasi kontinuierlich über die
Verbindungsstrecke zwischen den Polen 2 und 2' bzw. 3 und 3' aufgeladen. Da während des Ladevorganges des Ladekondensators 4 kurze Zeitkonstanten nur eine untergeordnete Rolle spielen, kann der Abstand zwischen den Polen 2 und 2' bzw. 3 und 3' sehr groß ausfallen, ohne daß die durch die Leitungslänge hervorgerufenen Induktivitäten und Widerstände sich nachteilig auf die spätere Pulserzeugung auswirken. Somit ist es möglich, den Anteil der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung, der sich in der Figur 1 rechts von der Trennlinie T befindet, in der Nähe des Verbrennungsmotors bzw. des Autotransformators anzuordnen und die Gleichspannungsquelle 1, die z.B. eine Batterie sein kann und die die Schaltung mit Energie versorgt, an einer beliebigen Stelle zum Beispiel eines Kraftfahrzeuges unterzubringen.
Zum gewünschten Zündzeitpunkt, der hier beispielsweise durch eine nicht dargestellte weitere Motorelektronik ermittelt wird, die hier nicht Gegenstand einer weiteren Diskussion ist, wird das ansteuerbare Schaltelement 5 geschlossen. Bei diesem ansteuerbaren Schaltelement 5 kann es sich im einfachsten Fall um ein übliches Halbleiterbauteil oder um andere ansteuerbare Schaltelemente handeln, wie zum Beispiel mikroelektromechanische Schalter oder ähnliches . Durch Betätigung des Schaltelementes 5 wird ein Stromkreis zwischen dem Ladekondensator 4 und dem Kondensator 7 geschlossen, so daß die auf dem Ladekondensator 4 angesammelte Ladung impulsartig durch die Primärspule 13 des Autotransformators auf den Kondensator 7 übertragen wird.
Durch das Übertragungsverhältnis zwischen der Primärspule 13 und der Sekundärspule 14 des Autotransformators wird der die Primärspule durchlaufende Spannungspuls von etwa mehreren Hundert Volt auf eine Hochspannung von mehreren Kilovolt, z.B. 30-50 kV transformiert, so daß es zu einem Funkenüberschlag in der Lichtbogenstrecke zwischen den Polen 15 und 16 einer Zündkerze im Brennraum des Verbrennungsmotors kommt.
Durch die Verbindung zwischen der Primärspule 13 und der Sekundärspule 14 des Autotransformators 6 wird gleichzeitig die an dem Kondensator 7 anliegende Spannung auf den Pol 15 der Lichtbogenstrecke übertragen, so daß dieser Pol 15 gegenüber dem geerdeten Pol 16 auf mehrere Hundert Volt Potential hochgelegt wird. Das bedeutet, daß durch die Spulenverbindung in den gezündeten Lichtbogen weiterhin Energie nachgeführt wird, welche bei geschlossenem Schalter 5 der Energiequelle 1 bzw. dem Kondensator 4 entnommen wird.
Durch Öffnen des Schalters 5 erfolgt eine Abkopplung des Kondensators 4 bzw. der Gleichspannungsquelle 1 von der Lichtbogenstrecke 15-16 , so daß eine weitere Energiezufuhr nun aus dem Kondensator 7 solange erfolgt, bis die Ladung im Kondensator 7 derart weit abgenommen hat, daß die Spannung unter die für die Lichtbogenstrecke nötige Brennspannung abgefallen ist. In diesem Augenblick erlischt der Lichtbogen.
Dies bedeutet gleichzeitig, daß nach dem impulsartigen Ladevorgang des Kondensators 7 und der Abgabe der Ladung aus diesem Kondensators in den Lichtbogen hinein an dem Kondensator 7 eine Undefinierte Restspannung anliegen bleibt, die etwa der Untergrenze der Brennspannung im Lichtbogen entspricht. Üblicherweise wird daher an dem Kondensator 7 nach Erlöschen des Lichtbogens eine Spannung von noch etwa 200 bis 300 Volt anliegen. Hieraus folgt, daß zur Erzeugung eines guten Zündfunkens der Ladekondensator 4 gegenüber der Restspannung am Kondensator 7 eine deutlich erhöhte Ladespannung aufweisen muß, die etwa zwischen 600 und 1000 Volt liegen sollte, damit mit einer geeigneten Differenzspannung von etwa 400 bis 800 Volt ein ausreichender Zündimpuls erzeugt werden kann.
Die zur Primärspule 13 des Transformators 6 parallel geschaltete Diode 24 verhindert zum einen das Auftreten ungewollter Schwingungen, schließt die Gegeninduktions- spannung kurz und führt die Ladung, die sich auf dem Kondensator 7 befindet nach Öffnen des Schaltelementes 5 der Sekundärseite zu.
Selbstverständlich ist es möglich, das ansteuerbare Schaltelement 5 an einer beliebigen Position im Ladekreislauf zwischen dem Ladekondensator 4 und dem Kondensator 7 anzuordnen. Darüber hinaus ist es möglich, die erfindungsgemäße Schaltanordnung ganz allgemein mit beliebigen Polaritäten zu betreiben, so daß gegenüber dem Massepol der Lichtbogenstrecke der Pol 15 sowohl auf positives als auch negatives Potential gelegt werden kann. Bei einer Veränderung der Polarität ist lediglich darauf zu achten, daß die Orientierung der Diode 24 geändert wird. Ebenfalls ist es möglich, die Verbindung zwischen der Primärspule 13 und der Sekundärspule 14 des Transformators nicht, wie in der Abbildung gezeigt, am oberen Ende, sondern auch am unteren Ende der Spulen anzuordnen.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 1B ist die beschriebene Schaltung dadurch erweitert, daß die Orientierung des Kondensators 7 mit seinen Anschlußpolen 7a und 7b in Stromflußrichtung der dargestellten Schaltung umschaltbar ist.
Durch diese Schaltung wird vermieden, daß der aufgeladene Kondensator 7 für die Erzeugung eines nächsten Zündfunkens zunächst entladen werden muß, was nach dem Ausführungsbeispiel entsprechend der Figur 1A ohnehin nur bis zu einer Restspannung möglich ist.
Nach diesem Ausführungsbeispiel wird die auf dem Kondensator 7 angesammelte Ladung durch Umschaltung der Polarität des Kondensators 7 in der Schaltung zur Erhöhung der Potentialdifferenz zwischen den Kondensatoren 4 und 7 nutzbar gemacht.
Bei einer Pulserzeugung wird zunächst die Ladung vom Kondensator 4 durch Schließen der Schalter 5a und 5b durch die Primärspule 13 auf den Kondensator 7 übertragen. Nach diesem Potentialausgleich entspricht die Spannung am Kondensator 7 im wesentlichen der Spannung am Kondensator 4.
Die Notwendigkeit, den Kondensator 7 für die nächste Pulserzeugung zu entladen, wobei nach obigem Ausführungsbeispiel eine nicht zu vermeidende Restspannung übrig bleiben würde, entfällt hier deshalb, da der Kondensator 7 durch Öffnen der Schalter 5a und 5b, sowie anschließendem Schließen der Schalter 5c und 5d elektrisch, d.h. in seiner Polarität innerhalb der Schaltung gedreht werden kann.
Die in Stromflußrichtung vorliegende Reihenfolge der Kondensatorpole 7a und 7b innerhalb der Schaltung wird somit durch die Umschaltung vertauscht, wodurch sich die Spannungsdifferenz zwischen den Kondensatoren 4 und 7 erhöht.
So standen vor der Drehung des Kondenstors 7 die beiden im wesentlichen gleichermaßen positiv geladenen Pole 2' des Kondensators 4 und 7b des Kondensators 7 in Verbindung. Gleiches gilt für die negativ geladenen Pole 3' und 7a.
Nach der Drehung stehen jedoch der positive Pol 2' mit dem negativen Pol 7a und der negative Pol 3 " mit dem positiven Pol 7b in Verbindung, wodurch sich eine Aufsummierung der beiden im wesentlichen gleichen an den Kondensatoren anliegenden Spannungen ergibt. Aufgrund der nun deutlich erhöhten Spannungsdifferenz zwischen den Kondensatoren 4 und 7, die im Idealfall der doppelten Betriebsspannung am Kondensator 4 entspricht, erfolgt ein erneuter Potentialausgleich durch impulsartigen Ladungstransfer zwischen den Kondensatoren, wodurch wiederum ein Zündfunke erzeugt wird. Der Kondensator kann somit wiederholt für die Erzeugung von Pulsen umgeschaltet werden.
Die Schaltungsanordnung zur elektrischen Umschaltung der Polarität des Kondensators 7 kann auch in einer Ausführungsform entsprechend der Figur 1A eingesetzt werden. Beträgt dann z.B. die Spannung am Kondensator 4 ca. 300 V und verbleibt eine Restspannung von 200 V am Kondensator 7, so reicht die Differenz von 100 V mitunter nicht zur Erzeugung eines Zündfunkens aus. Nach Umschaltung der Kondensatorpolarität erhöht sich die Differenzspannung jedoch auf 400 V, welches einer ausreichenden Spannung entspricht.
So kann mit dieser Schaltungsvariante, sofern sie in einer Ausführung nach Figur 1A eingesetzt wird, zum einen die verbliebene Restladung am Kondensator 7 nutzbar gemacht und zum anderen nach Figur IB die Betriebspannung der Schaltung verringert werden, da die Spannungsdifferenz zwischen den Kondensatoren 4 und 7 im Idealfall auf den doppelten Wert der über dem Kondensator 4 liegenden Spannung angehoben werden kann.
In weiterer Ergänzung zur Figur 1A ist in der Ausführung nach Figur IB die Massedefinition durch das Schaltelement 17 schaltbar. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit die Lichtbogenstrecke 15-16 gezielt auf die Spannung der Gleichspannungsquelle hochzulegen, welches Vorteile nach sich zieht, die anhand des ähnlichen Ausführungsbeispiels der Figur 2 beschrieben sind.
Die Figur IC zeigt eine Schaltungsvariante, bei der sowohl der Lade-Kondensator 4, als auch der Kondensator 7 innerhalb der Schaltung in seiner Polarität relativ zu dem jeweils anderen Kondensator umschaltbar ist.
Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, in dem Augenblick, wenn durch den Abfall des Magnetfeldes in der Primärspule 13 nach Durchlaufen des Strom-/Spannungsmaximums des erzeugten Pulses eine Gegeninduktionsspannung auftritt, sämtliche Teilspannungen an Spule 13 und Kondensatoren 4,7 maximal additiv in Reihe zu schalten.
Diese Gegeninduktionsspannung, die im vorangehenden Ausführungsbeispiel durch eine Diode begrenzt wurde, wird hier also für einen Wechselspannungs-Pulsbetrieb der Vorrichtung in Resonanz nutzbar gemacht.
Im einzelnen ist die Funktionsweise dieser Schaltungsanordnung wie folgt:
Ausgehend von einer Situation, in der beide Kondensatoren 4 und 7 gleichermaßen geladen sind, erfolgt eine Umschaltung des Kondensators 7 mittels der Schalter 5, entsprechend dem vorangehenden Ausführungsbeispiel der Figur IB. Durch die hierdurch erzeugte Spannungsdifferenz ergibt sich ein Ladungfluß vom Kondensator 4 auf den Kondensator 7, wodurch ein Strom-/Spannungspuls in der Primärspule 13 hervorgerufen wird und wodurch weiterhin der in der Polarität gedrehte Kondensator 7 umgeladen wird, so daß dessen Polarität wieder der Ausgangssituation entspricht. Durch das in der Primärspule 13 nach dem Pulsmaximum abfallende Magnetfeld wird eine Gegeninduktionsspannung erzeugt, die die Polarität an der Spule 13 ändert.
Im Augenblick des Auftretens der Gegeninduktionsspannung wird der umgeladene Kondensator 7 umgeschaltet, so daß jetzt in der negativen Halbwelle des Pulses sämtliche an den Kondensatoren und der Primärspule auftretenden Spannung additiv in Reihe liegen, was bewirkt, das der Kondensator 7 erneut umgeladen wird und seine Polarität erneut der Ausgangssituation entspricht.
Nach Erreichen des Maximums in der negativen Halbwelle des Pulses ergibt sich wiederum durch den Abfall des Magnetfeldes eine Gegeninduktionsspannung, die die Spannungsverhältnisse an der Primärspule ändert. Diese Gegeninduktionsspannung liegt nun mit der Spannung am Kondensator 7 maximal additiv in Reihe, nicht jedoch mit der Spannung am Kondensator 4.
Um nunmehr wiederum zu erreichen, daß sämtliche an den Kondensatoren 4,7 und der Spule 13 vorliegenden Spannungen maximal additiv in Reihe liegen, muß nun also der Kondensator 4 umgeschaltet werden. Hierauf erfolgt wiederum ein Ladungstransfer auf den Kondensator 7, allerdings diesmal in der zur Ausgangssituation negierten Polarität.
Der Vorgang des Umschaltens der Polarität eines der beiden Kondensatoren 4,7 wiederholt sich demnach immer wieder dann, wenn der Strom-/Spannungspuls in der Primärspule sein negatives oder auch positives Maximum durchläuft und somit durch den folgenden Abfall des Magnetfeldes eine gegenüber der Erregerspannung gegenläufige Induktionsspannung an der Spule auftritt. Hierbei ist die Umschaltung grundsätzlich derart zu gestalten, daß nach der Umschaltung einer der beiden
Kondensatoren sich sämtliche Teilspannungen, die an den
Kondensatoren und der Spule 13 vorliegen, maximal aufsummieren, um einen maximal energetischen Nutzen aus der
Schaltung zu ziehen und einen Resonanzbetrieb zu ermöglichen.
Gegenüber den Figuren 1 unterscheidet sich die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach Figur 2 dadurch, daß die Schaltung je einen Stromkreislauf zum Laden und Entladen des Kondensators 7 aufweist. Bei der dargestellten Schaltung ist sowohl der Kondensator 7 als auch der Autotransformator 6 jeweils in einem Stromkreislaufabschnitt angeordnet, der sich in beiden Stromkreisläufen befindet.
Dies ermöglicht, daß der Autotransformator 6 sowohl beim Laden als auch beim Entladen des Kondensators 7 impulsartig von der Ladung durchflössen wird. Hierdurch ist gewährleistet, daß während eines gesamten Lade- und Entladezyklus des Kondensators 7 zwei Zündimpulse erzeugt werden können, wodurch sich die erfindungsgemäße Schaltung von den bekannten Schaltungen unterscheidet, bei denen ein Zündimpuls lediglich in der Entladephase des Kondensators erzeugt werden konnte. Weiterhin ist es auch mit der Schaltung nach Figur 2 möglich, auf zwei verschiedene Arten in den gezündeten Lichtbogen Energie nachzuführen. Hierbei kann es sich entweder um die Nachführung von Gleichstromoder Wechselstromenergie handeln, wobei bei der Nachführung von Wechselstromenergie vorteilhafter Weise die benötigte Energiemenge an die vorherrschenden Bedingung im Brennraum angepaßt werden kann, was insbesondere dann eine positive Auswirkung zeigt, wenn ein Magergemisch gezündet werden soll oder aber auch, wenn in den unterschiedlichen Lastbetriebsarten des Motors Turbulenzen im Brennraum auftreten, bei denen im Falle einer zu geringen Energienachführung der Lichtbogen abreißen würde.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach Figur 2 kann in mehreren Betriebsarten eingesetzt werden, die dadurch realisiert sind, daß in jedem Stromkreislauf zwei Schaltelemente angeordnet sind, von denen im vorliegenden Fall jeweils eines ansteuerbar ist.
Der Ladestromkreis ist nun dadurch gegeben, daß nach Schließen des ansteuerbaren Schaltelementes 5 die Ladung des Kondensators 4 impulsartig über die Primärspule 13 des Transformators 6 und die Diode 9, als nicht ansteuerbares Schaltelement, auf den Kondensator 7 übertragen wird. Der Entladestromkreislauf hingegen ist dadurch gegeben, daß nach Öffnen des Schalters 5 der ansteuerbare Schalter 8 geschlossen wird und somit die Ladung des Kondensators 7 impulsartig über die Diode 10 die Primärspule 13 und den geschlossenen Schalter 8 kurzgeschlossen wird.
Insofern ist mit dieser Schaltung die Möglichkeit gegeben, daß mittels der ansteuerbaren Schaltelemente 5 und 8 die erfindungsgemäße Schaltung zwischen impulsartigem Laden und Entladen des Kondensators 7 umgeschaltet werden kann. Hierbei wird durch die sowohl in dem Lade- als auch Entladestromkreis angeordneten Dioden 9 und 10 gewährleistet, daß die Primärspule des Transformators 6 immer in der gleichen Richtung Strom durchflössen ist.
Die verschiedenen möglichen Betriebsarten sollen nachfolgend beschrieben werden:
1. Durch Betätigung des zum Beispiel über eine
Motorelektronik ansteuerbaren Schalters 17 wird das Massepotential der gesamten Schaltungsanordnung definiert. Hierdurch wird über die Verbindung zwischen Primär- und Sekundärspule des Transformators 6 der Pol 15 gegenüber dem Pol 16 der Lichtbogenstrecke auf eine Spannung von mehreren Hundert Volt hochgelegt. Nach dem Schließen des ansteuerbaren Schalters 5 erfolgt ein impulsartiger Transport der Ladung des Kondensators 4 auf den Kondensator 7 über die Primärspule 13 in der Richtung des Pfeiles 11, die durch die Diode 9 gegeben ist. Durch den impulsartigen Ladungstransport durch die Primärspule 13 wird in der Sekundärspule 14 eine transformierte Hochspannung von mehreren Kilovolt erzeugt, die zu einem Funkenüberschlag zwischen dem Pol 15 und 16 der Lichtbogenstrecke geführt. Dieser Funke hat eine Dauer von ca. 100 bis 300 μsec.
Wie auch schon in der Figur 1 beschrieben, wird durch die konstant anliegende Hochspannung von mehren Hundert Volt zwischen Pol 15 und 16 der Lichtbogenstrecke gewährleistet, daß weiterhin Energie in den Lichtbogen nachgeführt wird, sofern diese Hochspannung oberhalb der Brennspannung des Lichtbogens liegt. Der Lichtbogen kann sodann zum Erlöschen gebracht werden, sobald der ansteuerbare Schalter 17 geöffnet wird und die Definition des Massepotentials damit verlorengeht. Diese Schaltungsanordnung hat somit den Vorteil, daß die Brenndauer des Lichtbogens variabel eingestellt und somit an Motorbedingungen angepaßt werden kann. Dabei kann ein sehr hoher Funkenkopfström erzeugt werden, der Funkenschwanzstrom ist jedoch abhängig von der angelegten Gleichspannung und den Entstörwiderständen sowie evtl. Vorfunkenstrecken in vorhandenen Zündfunkenverteilern. . Nach Erlöschen des Lichtbogens kann dieser erneut dadurch gezündet werden, daß wiederum der Schalter 17 und gleichzeitig auch der Schalter 8 geschlossen wird. Die sich auf dem Kondensator 7 befindliche Ladung wird sodann über die Diode 10 und wiederum in der Richtung 11 über die Primärwicklung des Transformators 6 impulsartig kurzgeschlossen, so daß sekundärseitig in der Spule 14 ein Hochspannungspuls von mehreren Kilovolt (30-60 kV) erzeugt wird, der zu einem Durchbruch im Gasgemisch zwischen den Polen 15 und 16 der Lichtbogenstrecke einer Zündkerze führt. Wiederum wird in den Lichtbogen solange Energie nachgeführt, wie der Schalter 17 geschlossen bleibt.
Mittels der erfindungsgemäßen Schaltung ist es daher möglich, sowohl im Lade- als auch im Entladevorgang des Kondensators 7 einen Zündfunken zu erzeugen, so daß eine Erhöhung der Motordrehzahl erreicht werden kann.
Weiterhin ist es mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung möglich, gegenüber den bekannten Schaltungsanordnungen die Lichtbogenstandzeit durch Betätigung des ansteuerbaren Schaltelementes 17 variabel zu halten.
3. Die Gleichstromenergiezuführung, die durch die Betätigung des Schalters 17 ermöglicht wird, mag in den Fällen als nicht ausreichend angesehen werden, wo in Magergemischen bzw. bei starken Turbulenzen im Brennraum die Brennspannung des Lichtbogens starken Schwankungen unterworfen ist und somit die zwischen den Polen 15 und 16 der Lichtbogenstrecke anliegende Gleichspannung mitunter nicht ausreicht, den Lichtbogen aufrechtzuerhalten . Hier werden auch im Funkenschwanz hohe Stromstärken benötigt.
In diesem Fall ist es möglich, nach Schließen des Schalters 17 und des Schalters 5 zunächst im Ladevorgang des Kondensators 7 einen Zündfunken zu erzeugen und anschließend bei gezündetem und bestehendem Lichtbogen mehrfach durch Umschaltung zwischen den Schaltern 5 und 8 zwischen Entladung und Ladung des Kondensators 7 umzuschalten, wodurch jedesmal ein Spannungsimpuls transformiert wird, der Energie in den bestehenden Lichtbogen nachführt.
Dieses Prinzip ist in der Figur 3 dargestellt. Zum Zündzeitpunkt Tl steigt durch den Ladungstransport vom Kondensator 4 zum Kondensator 7 über die Primärspule 13 und die Diode 9 die Spannung am Kondensator 7 von U0 auf U2 an. Dieser Spannungsimpuls ist dazu geeignet, das Gemisch in der Funkenstrecke zwischen den Polen 15 und 16 durch einen Zündfunken 12 zu zünden. In den brennenden Lichtbogen geht sodann durch Umschaltung in den Entladevorgang durch Öffnen des Schalters 5 und Schließen des Schalters 8 der Kondensator 7 kurzgeschlossen, so daß über die Diode 10 und die Primärspule 13 wiederum in der Richtung 11 die Ladung abfließt, bis am Kondensator 7 eine Spannung Ul erreicht wird. Dieser Spannungsimpuls, der der Differenz zwischen Ul und U2 entspricht, wird ebenfalls durch das Übersetzungsverhältnis zwischen Primärspule 13 und Sekundärspule 14 hochtransformiert, so daß dem brennenden Lichtbogen Energie nachgeführt werden kann. Im Anschluß daran wird wiederum Schalter 8 geöffnet und Schalter 5 geschlossen, so daß der Kondensator 7 wiederum auf den Spannungswert U2 aufgeladen wird. Dieses Wechselspiel wiederholt sich so lange, wie Energie in den brennenden Lichtbogen nachgeführt werden soll. Hierbei ist besonders vorteilhaft, daß die Menge der nachgeführten Energie variabel ist und somit an die Motorbedingungen angepaßt werden kann. Diese Variabilität ergibt sich dadurch, daß die Spannungsdifferenz zwischen den Spannungswerten Ul und U2 einstellbar ist. Die Differenz ergibt sich maßgeblich durch die Umschaltdauer zwischen der Betätigung des Schalters 5 und des Schalters 8, da die Lade- und Entladezeitkonstanten in der Schaltung vorgegeben sind.
Zum Ende der Energienachführung, wenn der Lichtbogen abgeschaltet werden soll, kann der Kondensator 7 entweder komplett geladen oder aber komplett entladen sein. Um den Lichtbogen weiterhin definiert erlöschen zu lassen, wird dabei der Schalter 17 geöffnet.
In dem in der Figur 3 dargestellten Zeitdiagramm ergibt sich eine gesamte Brenndauer des Lichtbogens in einer Zeitspanne von Tl bis T2, wo nach dem Zünden des Lichtbogens mehrfach zwischen einem Spannungsniveau Ul und U2 im Lade- und Entladevorgang des Kondensators 7 umgeschaltet wird. Zum Ende der Brenndauer hin wird dabei zum Zeitpunkt T2 im vorliegenden Fall der Kondensator 7 komplett geladen, so daß im nächsten Zündzyklus die auf dem Kondensator angesammelte Ladung dazu verwendet werden kann, erneut den Lichtbogen zu zünden. Im Anschluß daran ist es wiederum möglich, durch wechselseitiges Schalten der ansteuerbaren Schaltelemente 5 und 8 dem brennenden Lichtbogen Energie nachzuführen. Die Steuerung des wechselseitigen Schaltens kann z.B. eine Software einer Motorelektronik mit oder ohne einer Sensorüberwachung auch während des Betriebes übernehmen.
Gegenüber der Figur 2 unterscheidet sich die Figur 4 dadurch, daß die die Richtung des Stromflusses definierenden Dioden 9 und 10 nunmehr durch ansteuerbare Schaltelemente 20 und 19 ersetzt sind. Für einen Ladevorgang des Kondensators 7 wird somit nach Schließen des Schalters 17, um das Massepotential zu definieren, zunächst der Schalter 5 und der Schalter 20 geschlossen, woran im Anschluß für den Entladevorgang des Kondensators 7 diese genannten Schalter geöffnet und die Schalter 8 und 19 geschlossen werden.
Mit der in der Figur 4 dargestellten Schaltung ist es genauso wie mit der Schaltung nach Figur 2 möglich, durch wechselseitiges Umschalten zwischen den Schaltern 5 und 20 sowie 8 und 19 Energie in einen gezündeten Lichtbogen nachzuführen bzw. nach zwischenzeitlichem Öffnen des Schalters 17 sowohl im Lade- als auch im Entladevorgang des Kondensators 7 einen Zündfunken zu erzeugen.
Die Figur 5 ist gegenüber der Figur 4 dadurch weitergebildet, daß die Sekundärseite des Transformators 6 zwei Sekundärspulen 14 und 18 aufweist. An jede dieser Sekundärspulen ist eine Lichtbogenstrecke zwischen den Polen 15 und 16 bzw. 15' und 16' angeschlossen, wobei es sich zum Beispiel um zwei Zündkerzen in dem Brennraum eines Zylinders handeln kann. Insofern ist die Möglichkeit gegeben, durch Erhöhung der Zündfunkenanzahl eine bessere Zündung des Gasgemisches zu erreichen. Selbstverständlich ist es möglich, sekundärseitig noch weitere Spulen und Zündkerzen anzuordnen. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, daß die gesamte Schaltungsanordnung derart leistungsstark ausgerichtet ist, daß in jedem Zündfunken genügend Energie zur Verfügung gestellt werden kann.
Die Figur 6 zeigt eine alternative Ausführungsform zur Schaltungsanordnung nach Figur 2, wo zum Kondensator 7 eine Gleichrichteranordnung, bestehend aus den Dioden 9, 10, 22 und 23 in Reihe liegt, zwischen deren
Gleichspannungsabgriffpunkten ein Autotransformator 6 bestehend aus den Primärspulen 13 und der Sekundärspule 14 angeordnet ist.
Der Stromkreislauf für impulsartiges Laden des Kondensators 7 ist nur dann gegeben, wenn der ansteuerbare Schalter 5 geschlossen und der ansteuerbare Schalter 8 geöffnet ist, so daß die Ladung über die Diode 9, die Primärspule 13 und die Diode 22 auf den Kondensator 7 übertragen wird. Für die Einleitung des Entladevorgangs wird Schalter 5 geöffnet und Schalter 8 geschlossen, so daß die Ladung des Kondensators über die Diode 10, die Primärspule 13 und die Diode 23 abfließt. Je nach Steuerung der Schalter 5 und 8 kann beim Laden und Entladen jeweils ein neuer Zündfunke erzeugt werden oder aber Energie in einen bestehenden Lichtbogen nachgeführt werden.
Die Figur 7 zeigt eine zur Figur 6 äquivalente Anordnung, wo lediglich als pulsbetriebene Vorrichtung anstatt eines Autotransformators eine Laserdiode 6' zwischen den Gleichspannungsabgriffpunkten der Gleichrichteranordnung eingesetzt ist. Insofern ist es durch wechselseitiges Schalten der Schalter 5 und 8 möglich, die Laserdiode 6' im Pulsbetrieb zu betreiben. Alternativ zur Laserdiode 6' kann die pulsbetriebene Vorrichtung auch jedes andere lichtemitierende Element darstellen. In einer weiteren alternativen Ausführung, die ebenfalls der Figur 7 entspricht, ist es möglich, daß auch die gleichrichtenden Dioden als Laserdioden 22', 23', 10' und 9' ausgeführt werden. In diesem Fall kann somit an die Schaltungsanordnung ein Laserdiodenarray, bestehend aus zum Beispiel fünf Dioden angeschlossen werden, die entsprechend miteinander verschaltet sind. Hierbei ist es ebenfalls möglich, je nach Anwendungsfall im Lade- und Entladekreislauf Laserdioden einzusetzen, die in einem unterschiedlichen Spektralbereich arbeiten.
Die Figur 8 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung, bei der sich eine pulsbetriebene Vorrichtung 6 sowohl im Ladekreislauf und eine weitere 6'' im Entladekreislauf befindet. Weiterhin werden in der Schaltungsanordnung nicht nur ein Energiespeicher, sondern zwei Energiespeicher eingesetzt, die durch die Kondensatoren 7 und 21 gegeben sind. Hierbei ist der Kondensator 21 alternativ durch das ansteuerbare Schaltelement 5 ' zuschaltbar. Durch die Parallelschaltung der Kondensatoren 7 und 21 wird entsprechend die Kapazität der gesamten Kondensatoranordnung erhöht.
In Abhängigkeit von der Betriebsspannung der pulsbetriebenen Vorrichtung können als Energiespeicher Kondensatoren verwendet werden, die Kapazitäten von bis zu mehreren tausend Farad aufweisen, wie z.B. Gold-Cup — Kondensatoren.
Die dargestellte Vorrichtung nach Figur 8 kann insbesondere dann zum Einsatz kommen, wenn ein Reluktanzmotor angesteuert werden soll, bei dem nacheinander die Erregerspulen 6 und 6'' impulsartig von Strom durchflössen werden sollen.
Im vorliegenden Fall nach Figur 8 wird der Kondensator 7 mit der Ladung des Kondensators 4 dann geladen, wenn das ansteuerbare Schaltelement 5 geschlossen wird. In diesem Fall wird die Spule 6 impulsartig von der Ladung durchflössen. Nach Schließen des Schalters 5' ist es möglich, einen weiteren Ladeimpuls durch die Spule 6 zu schicken. Alternativ ist es auch möglich, bereits beim ersten Ladevorgang den Schalter 5' geschlossen zu halten, so daß sich die Gesamtkapazität entsprechend erhöht.
Nach dem Ladevorgang wird der Schalter 5 geöffnet und der Schalter 8 geschlossen, so daß bei der Entladung des Kondensators 7 bzw. der Kondensatoren 7 und 21 nunmehr die Spule 6'' des Reluktanzmotors durchströmt wird.
Durch die Verwendung von zwei Kondensatoren 7 und 21, wobei der Kondensator 21 alternativ über das Schaltelement 5' zum Kondensator 7 parallel geschaltet werden kann, ist die Möglichkeit gegeben, verschiedene Pulsbedingungen zu realisieren, da durch die veränderten Kapazitäten ebenfalls die Impulshöhen beeinflußt werden.
Die Figur 9 zeigt eine Schaltungsanordnung, in der zwei erfindungsgemäße Schaltungen eingesetzt werden, wobei die untere Schaltung B dazu dient, in der Lichtbogenstrecke zwischen den Polen 15 und 16 einen Zündfunken zu erzeugen und die obere Schaltung A dafür vorgesehen ist, impulsmäßig eine Laserdiode 6' anzusteuern, deren pulsartig emittiertes Licht die Lichtbogenstrecke durchleuchtet. Bei entsprechender Auswahl der Laserdiode ist somit die Möglichkeit gegeben, eine Lichtwellenlänge zu emittieren, die bei dem Gasgemisch, welches sich zwischen den Polen 15 und 16 der Lichtbogenstrecke befindet, eine Vorionisierung erzeugt. Diese Vorionisierung kann dadurch erhöht werden, daß das Licht der Laserdiode mittels einer Linse im Bereich der Lichtbogenstrecke fokussiert wird. Selbst, wenn keine Vorionisierung des Gasgemisches erzeugt oder gewünscht wird, so ist es dennoch möglich, die Gasmoleküle mittels des Laserlichtimpulses anzuregen, so daß insgesamt für die Zündung des Gasgemisches eine geringere Zündspannung benötigt wird, welches eine bessere Verbrennung bewirkt. Zur Anregung bzw. Vorionisierung des Gasgemisches ist es vorteilhaft, wenn eine Laserdiode mit möglichst kurzer Lichtwellenlänge eingesetzt wird.
Die in der Figur 9 dargestellten Schaltungen entsprechen hierbei im Fall der oberen Schaltung A der bereits diskutierten Schaltung nach Figur 2, wo lediglich der angesteuerte Transformator 6 durch eine Laserdiode 6' ersetzt wurde, zu der ein strombegrenzender Widerstand R in Reihe liegt. Die Schaltungsanordnung B entspricht der bereits in der Figur 4 dargestellten Schaltung.
Die Schaltungen A und B werden im vorliegenden Fall der Figur 9 mittels einer nicht dargestellten Motorelektronik aufeinander synchronisiert.
Insgesamt ist nochmals zu erwähnen, daß sämtliche ansteuerbare Schaltelemente, also insbesondere die Elemente 5, 8, 17, 19 und 20 der diskutierten Zeichnungen mittels Strom, Spannung, induktiv, kapazitiv, magnetisch oder optisch gesteuert sein können. Somit sind sämtliche bekannten Schaltelemente, wie zum Beispiel Halbleiterschalter, integrierte Schaltungen und andere leitfähige und schaltbare Bauelemente einsetzbar. Ebenso ist es möglich, mikroelektromechanische Schalter (MEMS-Technik) einzusetzen.

Claims

Patentansprüche
1. Elektronische Schaltung zur Erzeugung von Strom- /Spannungspulsen, insbesondere zur Erzeugung von Zündfunken bei Verbrennungsmotoren mit
- einer Gleichspannungsquelle (1), insbesondere einer Batterie
- wenigstens einem an den Polen (2,3) der Gleichspannungsquelle (1), insbesondere in einem Abstand angeschlossenen Lade-Energiespeicher (4), insbesondere einem ersten Kondensator (4),
- mindestens einem ansteuerbaren Schaltelement (5)
- und wenigstens einer mit den erzeugten Pulsen betriebene Vorrichtung ( 6 )
dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung mindestens einen weiteren Energiespeicher (7), insbesondere einen zweiten Kondensator (7) aufweist, der mit wenigstens einem Schaltelement (5), insbesondere einem ansteuerbaren Schaltelement (5) und mit der pulsbetriebenen Vorrichtung ( 6 ) in Reihe liegt und dadurch über wenigstens ein Schaltelement mit den Polen (2,3) des Lade-Energiespeichers (4) verbindbar ist, wobei elektrische Leistung im Lade- /Entladevorgang wenigstens eines der weiteren Energiespeicher (7) an die Vorrichtung (6) abgebbar ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Schaltung die Polarität eines oder mehrerer Energiespeicher (4,7) umschaltbar ist.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Stromkreislaufes der Schaltung die in Stromflußrichtung vorliegende Reihenfolge der Anschlußpole eines oder mehrerer der Energiespeicher (4,7) vertauschbar ist.
4. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Energiespeicher (4,7) eine Anordnung, insbesondere eine Reihen- und/oder Parallelschaltung, von mehreren Speicherelementen, insbesondere von Kondensatoren umfaßt.
5. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung je einen Stromkreislauf zum Laden und Entladen eines jeden Energiespeichers (7,21) aufweist.
6. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Energiespeicher (7,21) in einem Stromkreislaufabschnitt angeordnet ist, der sich in beiden Stromkreisläufen befindet.
7. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine pulsbetriebene Vorrichtung (6) in einem Stromkreislaufabschnitt angeordnet ist, der sich in beiden Stromkreisläufen befindet.
8. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine pulsbetriebene Vorrichtung (6) im Ladekreislauf und eine (6'') im Entladekreislauf befindet.
9. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stromkreislauf wenigstens ein (5 bzw. 8), vorzugsweise zwei Schaltelemente (5,9 bzw. 8,10), insbesondere ansteuerbare Schaltelemente (5,9,19,20) aufweist.
10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung mittels der ansteuerbaren Schaltelemente (5,8,19,20) zwischen impulsartigem Laden und Entladen jedes Energiespeichers (7,21) umschaltbar ist.
11. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die pulsbetriebene Vorrichtung (6) beim Laden und Entladen eines Energiespeichers (7) in gleicher Richtung (11) stromdurchflossen ist.
12. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg des Ladungsflusses in jedem Stromkreislauf durch Dioden (9,10,22,23) gegeben ist.
13. Schaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zu einem Energiespeicher (7) eine Gleichrichteranordnung (9,10,22,23) in Reihe liegt, zwischen deren Gleichspannungs- Abgriffpunkten eine pulsbetriebene Vorrichtung (6) angeordnet ist.
14. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden Laserdioden (9', 10', 22', 23') sind.
15. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg des Ladungsflusses in jedem Stromkreislauf durch ansteuerbare Schaltelemente (5,8,19,20) gegeben ist.
16. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Pulsen betriebene Vorrichtung ein Transformator (6) ist.
17. Schaltung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Transformator (6) Hochspannungspulse, vorzugsweise für die Zündung eines Lichtbogens (12), insbesondere bei einer Zündkerze, oder für die Zündung von Leuchtstoff-/Neonröhren erzeugbar sind.
18. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den gezündeten Lichtbogen (12) Gleich- und/oder Wechselstromenergie nachlieferbar ist.
19. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (6) ein Autotransformator mit einer Verbindung zwischen Primär- (13) und Sekundärspule (14) ist, insbesondere dessen freies Ende der Sekundärspule (14) zu einem Pol (15) einer Lichtbogenstrecke (15-16), vorzugsweise einer Zündkerze führt, deren anderer Pol (16) auf Massepotential liegt.
20. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseleitung der Energiequelle (1) über ein ansteuerbares Schaltelement (17) von der Fahrzeugmasse trennbar ist.
21. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (6) mehrere, vorzugsweise zwei Sekundärspulen (14,18) aufweist.
22. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Primärwicklung (13) des Transformators (6) und/oder zum Lade-Energiespeicher (4) ein den Ladestrom eines Energiespeichers (7,21) sperrende Schaltelement (24), insbesondere eine Diode parallel geschaltet ist.
23. Schaltung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das sperrende Schaltelement (24) ein ansteuerbares Schaltelement ist.
24. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ansteuerbaren Schaltelemente (5,8,17,19,20) ström-, spannungs-, induktiv, kapazitiv, magnetisch oder optisch gesteuert sind.
25. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die pulsbetriebene Vorrichtung (6) ein lichtemittierendes Element (6'), insbesondere eine Laserdiode (6') ist.
26. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die pulsbetriebene Vorrichtung (6) ein Reluktanzmotor (6,6'') ist.
27. Verfahren zur Erzeugung von Strom-/Spannungspulsen in einer elektronischen Schaltung für die Ansteuerung einer pulsbetriebenen Vorrichtung (6,6',6'') dadurch gekennzeichnet, daß die Pulse nach Ansteuerung wenigstens eines Schaltelements (5) erzeugt werden durch impulsartigen Transport elektrischer Ladung von wenigstens einem Lade- Energiespeicher (4), insbesondere einem ersten Kondensator, durch die Vorrichtung ( 6 , 6 ' , 6 ' ' ) hindurch zu wenigstens einem anderen Energiespeicher (7), insbesondere weiteren Kondensatoren (7,21).
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Potentialdifferenz zwischen wenigstens zwei Energiespeichern (4,7) die Polarität eines der Energiespeicher (4,7) relativ zu dem/den anderen Energiespeicher/n (7,4) umgeschaltet wird.
29. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, zum Betrieb einer Vorrichtung, die eine Induktivität aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auftreten einer Gegeninduktionsspannung in der Vorrichtung wenigstens einer der Energiespeicher (4,7) derart umgeschaltet wird, daß sämtliche an der Vorrichtung (6) und den Energiespeichern (4,7) vorliegenden Spannungen maximal additiv in Reihe liegen.
30. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die pulsbetriebene Vorrichtung
(6) sowohl beim Laden als auch beim Entladen der Energiespeicher (7,21) in der gleichen Richtung (11) von der elektrischen Ladung impulsartig durchflössen wird.
31. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche zur Erzeugung eines Hochspannungszündfunkens für eine Zündanlage eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß in den gezündeten Lichtbogen (12) Energie nachgeführt wird.
32. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch wechselweises Umschalten zwischen Laden (U2) und Entladen (Ui) eines Energiespeichers
(7) vor Erreichen der Lade- (UL) bzw. Entladegrenze (U0) in den Lichtbogen (12) Energie nachgeführt wird.
33. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr an die Lichtbogenbedingungen, insbesondere die Turbolenzen im Brennraum eines Motors angepaßt wird.
34. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung (B) zur Erzeugung eines Zündfunkens (12) und eine Schaltung (a) zur Ansteuerung einer Laserdiode (6') eingesetzt wird, deren Licht (L) die Zündfunkenstrecke (15-16) durchleuchtet.
PCT/EP1999/006039 1998-08-21 1999-08-18 Elektronische schaltung zur pulserzeugung WO2000011346A1 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP99945990A EP1105643A1 (de) 1998-08-21 1999-08-18 Elektronische schaltung zur pulserzeugung
BR9913173-0A BR9913173A (pt) 1998-08-21 1999-08-18 Circuito eletrônico para geração de pulsos
JP2000566573A JP2002523674A (ja) 1998-08-21 1999-08-18 パルス発生用電子回路構成
AU58530/99A AU746610B2 (en) 1998-08-21 1999-08-18 Electronic circuit for pulse generation

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19838051.8 1998-08-21
DE1998138051 DE19838051A1 (de) 1998-08-21 1998-08-21 Elektronische Schaltung zur Pulserzeugung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2000011346A1 true WO2000011346A1 (de) 2000-03-02

Family

ID=7878310

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP1999/006039 WO2000011346A1 (de) 1998-08-21 1999-08-18 Elektronische schaltung zur pulserzeugung

Country Status (7)

Country Link
EP (1) EP1105643A1 (de)
JP (1) JP2002523674A (de)
CN (1) CN1319163A (de)
AU (1) AU746610B2 (de)
BR (1) BR9913173A (de)
DE (1) DE19838051A1 (de)
WO (1) WO2000011346A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6323814B1 (en) 2000-05-24 2001-11-27 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc Wideband meander line loaded antenna

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7878177B2 (en) * 2007-10-23 2011-02-01 Ford Global Technologies, Llc Internal combustion engine having common power source for ion current sensing and fuel injectors
JP5295305B2 (ja) 2011-05-16 2013-09-18 三菱電機株式会社 点火装置
DE102013203002B3 (de) * 2013-02-25 2014-07-10 Continental Automotive Gmbh Zündvorrichtung

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3896346A (en) * 1972-11-21 1975-07-22 Electronic Camshaft Corp High speed electromagnet control circuit
US3921606A (en) * 1972-11-27 1975-11-25 Ducellier & Cie Ignition device for an internal combustion engine
JPS55160163A (en) * 1980-03-27 1980-12-12 Nippon Denso Co Ltd Capacitor discharge type contactless ignition device for multicylinder internal combustion engine
GB2080877A (en) * 1980-07-30 1982-02-10 Nissan Motor Engine ignition system using laser beam
US4719896A (en) * 1986-02-14 1988-01-19 Honda Giken Kogyo K.K. Capacitive discharge ignition device

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5861843A (ja) * 1981-09-12 1983-04-13 Senichi Masuda 極短パルス高電圧発生装置
DE3629349A1 (de) * 1986-08-28 1988-03-10 Theralux Lichttechnische Anlag Triggerbarer impulsgenerator
JP3318981B2 (ja) * 1992-10-09 2002-08-26 株式会社明電舎 パルス電源
JP2828958B2 (ja) * 1996-02-29 1998-11-25 住友重機械工業株式会社 パルス荷電型電気集塵機用回路及び電気集塵機

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3896346A (en) * 1972-11-21 1975-07-22 Electronic Camshaft Corp High speed electromagnet control circuit
US3921606A (en) * 1972-11-27 1975-11-25 Ducellier & Cie Ignition device for an internal combustion engine
JPS55160163A (en) * 1980-03-27 1980-12-12 Nippon Denso Co Ltd Capacitor discharge type contactless ignition device for multicylinder internal combustion engine
GB2080877A (en) * 1980-07-30 1982-02-10 Nissan Motor Engine ignition system using laser beam
US4719896A (en) * 1986-02-14 1988-01-19 Honda Giken Kogyo K.K. Capacitive discharge ignition device

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 005, no. 033 (M - 057) 28 February 1981 (1981-02-28) *
W. STALZER: "Capacitor provides artificial battery for ignition systems", ELECTRICAL DESIGN NEWS, vol. 17, no. 22, 15 December 1972 (1972-12-15), pages 48, XP002127928 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6323814B1 (en) 2000-05-24 2001-11-27 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc Wideband meander line loaded antenna

Also Published As

Publication number Publication date
JP2002523674A (ja) 2002-07-30
AU746610B2 (en) 2002-05-02
EP1105643A1 (de) 2001-06-13
AU5853099A (en) 2000-03-14
DE19838051A1 (de) 2000-02-24
CN1319163A (zh) 2001-10-24
BR9913173A (pt) 2001-05-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19840765C2 (de) Verfahren und integrierte Zündeinheit für die Zündung einer Brennkraftmaschine
DE69108094T2 (de) Zündungssystem mit Zündkerze.
DE4230200C2 (de) Zündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine
DE3586682T2 (de) Pulsiertes plasmazuendungsystem.
EP2895734B1 (de) Zündsystem für eine verbrennungskraftmaschine
DE102008064783B3 (de) Kapazitive Hochspannungs-Entladungszündung mit verstärkenden Triggerimpulsen
DE2340865B2 (de) Zündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine
EP2895735A1 (de) Zündsystem für eine verbrennungskraftmaschine
WO2012130649A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur verlängerung der brenndauer eines von einer zündkerze gezündeten funkens in einem verbrennungsmotor
DE2628509C2 (de) Kapazitätsentladungs-Zündsystem
DE69123395T2 (de) Gleichstrom-Zündungssystem
EP0868115B1 (de) Schaltung zur Zündung einer HID-Lampe
WO2015071062A1 (de) Zündsystem und verfahren zum betreiben eines zündsystems
EP0489747B1 (de) Schaltungsanordnung zum betrieb einer gasentladungslampe
DE10221072B4 (de) Kapazitives Entladungszündungssystem mit verlängerter Funkendauer
WO2000011346A1 (de) Elektronische schaltung zur pulserzeugung
DE3404245A1 (de) Hochspannungs-generatorschaltung fuer ein kraftfahrzeugzuendsystem
EP3177824B1 (de) Zündsystem und verfahren zum steuern eines zündsystems für eine fremdgezündete brennkraftmaschine
DE60012073T2 (de) Zündsystem für eine fahrzeugantreibende Brennkraftmaschine
DE2342373A1 (de) Zuendanordnung fuer brennkraftmaschinen
DE10231511A1 (de) Zündspulensystem mit wenigstens zwei induktiven Spulen
EP1238195B1 (de) Steuerbare zündschaltung
DE1965152A1 (de) Elektronisches Zuendsystem
DE2709434A1 (de) Nachbrennsystem fuer autozuendanlagen
CH592246A5 (en) IC engine ignition circuit using DC-DC converter - has supplementary charging circuit and bias for discharge SCR

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 99811129.5

Country of ref document: CN

AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BY CA CH CN CU CZ DE DK EE ES FI GB GE GH GM HR HU ID IL IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MD MG MK MN MW MX NO NZ PL PT RO RU SD SE SG SI SK SL TJ TM TR TT UA UG US UZ VN YU ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): GH GM KE LS MW SD SL SZ UG ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE BF BJ CF CG CI CM GA GN GW ML MR NE SN TD TG

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1999945990

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 58530/99

Country of ref document: AU

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 09763533

Country of ref document: US

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 1999945990

Country of ref document: EP

REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: 8642

WWG Wipo information: grant in national office

Ref document number: 58530/99

Country of ref document: AU

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Ref document number: 1999945990

Country of ref document: EP