WO2000014404A1 - Verfahren und schaltungsanordnung für die zündung einer brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2000014404A1
WO2000014404A1 PCT/EP1999/004684 EP9904684W WO0014404A1 WO 2000014404 A1 WO2000014404 A1 WO 2000014404A1 EP 9904684 W EP9904684 W EP 9904684W WO 0014404 A1 WO0014404 A1 WO 0014404A1
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voltage
circuit
spark plug
electrodes
transformer
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PCT/EP1999/004684
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Inventor
Wilfried Schmolla
Original Assignee
Daimlerchrysler Ag
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    • 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
    • F02P3/005—Other installations having inductive-capacitance energy storage
    • 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
    • F02P3/01—Electric spark ignition installations without subsequent energy storage, i.e. energy supplied by an electrical oscillator

Definitions

  • the invention relates to a method and a circuit arrangement for the ignition of an internal combustion engine according to the preamble of the independent claims.
  • Known ignition systems which are widely used in motor vehicles consist of an ignition coil, an ignition distributor and spark plugs.
  • a high voltage is generated in the ignition coil, which is fed to the individual spark plugs via the ignition distributor.
  • the high voltage generated is usually in the range from 20 kV to 30 kV.
  • a voltage flashover occurs at the electrodes of the spark plug, as a result of which the fuel / air mixture is ignited.
  • the ignition coil is large in volume because of the high energy that must be provided for ignition and the circuit arrangement must be designed to withstand high voltages from the outlet of the ignition coil in order to avoid flashovers on the vehicle body.
  • An ignition method is known from US Pat. No. 5,113,839 in which high-frequency ignition is triggered by applying an alternating voltage to the spark plug electrodes.
  • a power supply unit for 200 V is necessary to carry out the process and the efficiency is reduced.
  • EP 0 482 127 B1 discloses a method in which the voltage for the voltage flashover and the burning phase is generated via a resonance transformation. The problem is that this method is energy consuming and the spark plug is subject to high wear.
  • the object of the invention is to provide a method and a circuit arrangement with which to improve an ignition system of the type described above in order to make it particularly compact and energy-saving and to operate it with low wear.
  • the method according to the invention is that the supply of electrical energy for triggering a voltage flashover at the electrodes of the spark plug is carried out using a self-induction method, the spark plug being supplied with voltage by a transformer and the voltage flashover being caused by a sudden reduction in the current flow through the primary side of the transformer and that the burning phase is maintained by means of resonant voltage transformation, a resonance frequency being determined by inductive and capacitive elements on the secondary side of a transformer.
  • the same transformer is used for self-induction and for maintaining the burning phase.
  • the spark plug is preferably supplied with electrical power at a frequency of greater than 100 kHz in the burning phase. In a further preferred embodiment of the method, the spark plug is supplied with electrical power of a frequency in the range from 1 MHz to a few hundred MHz in the burning phase. In a further preferred embodiment, the spark plug is supplied with high-frequency AC voltage in the burning phase, which is superimposed on a DC voltage or a low-frequency AC voltage.
  • a circuit arrangement according to the invention for the ignition of an internal combustion engine is characterized in that supply means for the spark plug have at least four switches in a bridge circuit for the voltage supply of the electrodes.
  • Another circuit arrangement according to the invention for the ignition of a Brerinkraft machine is characterized in that supply means for the spark plug have at least two switches in a push-pull circuit with a transformer for the voltage supply of the electrodes.
  • two switches and two voltage sources are arranged in a partial bridge circuit.
  • At least one coil and / or a transformer is preferably arranged as an inductance of a resonance circuit between the switch and the electrodes.
  • the transformer forms an inductance at least in some areas and is both a component of the resonance circuit and a component of the voltage transformation of the self-induction circuit.
  • the bridge circuit is preferably connected to a control unit which opens and closes the switches in accordance with the requirements of the ignition phase and the combustion phase.
  • the resonant transformation circuit consists of at least one Collins filter.
  • the resonant transformation circuit has at least one series resonance circuit. It is advantageous that a common transformer is provided for generating a self-induction voltage for voltage flashover and for generating the resonant voltage transformation.
  • an ignition unit with means for self-induction, resonance transformation and the spark plug can be plugged together by means of a plug connection.
  • the resonant transformation circuit is connected at its input to an AC voltage source and a DC voltage source.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a circuit for an ignition unit according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a further circuit for an ignition unit according to the invention
  • 3 shows a schematic diagram of a further circuit for an ignition unit according to the invention
  • FIG. 4 shows a further schematic diagram of a circuit for an ignition unit according to the invention with an additional DC voltage source
  • FIG. 5 shows the course of the ignition voltage of the ignition unit with a self-induction phase, a breakdown phase and a burning phase
  • FIG. 6 details of an ignition unit according to the invention.
  • the voltage flashover when the ignition spark is formed is generated by self-induction, in that the current flow is abruptly reduced on the primary side of a transformer, which is provided for supplying voltage to a spark plug arranged on the secondary side, in particular interrupted by opening a switch.
  • a voltage rise proportional to the change in current over time is induced in the primary coil in accordance with Lenz's rule, which rise is accordingly also transmitted into the secondary coil of the transformer.
  • the coils of the transformer replace the usual ignition coil.
  • the spark plug ignites when the secondary voltage is sufficient to ignite a plasma between the electrodes of the spark plug.
  • the ignition phase of the spark is maintained by a resonant voltage transformation.
  • the energy content of the coils is significantly lower, since only a relatively small amount of energy has to be applied by the coil for the voltage flashover, but not the larger amount of energy for maintaining the firing phase.
  • the size of the coils of the transformer can be reduced compared to a conventional ignition coil, in which the ignition and combustion phases have to be supported from the energy content of the coil.
  • Another advantage compared to a method that supports both the ignition and combustion phases with resonant voltage transformation is the significantly lower energy consumption and the smaller size of the coils of the transformer, which have a comparatively low energy content must provide the burning phase.
  • the build-up of the ignition voltage prior to the ignition which fundamentally consumes energy through resonance transformation, is avoided.
  • Electrodes 8.1 and 8.2 symbolize a spark plug 8, which has a parasitic capacitance 7.
  • the secondary side of a transformer 6 is connected between the electrodes 8.1, 8.2. It is particularly advantageous to provide a common transformer 6 for generating the self-induction voltage and for generating the resonant voltage transformation. To discuss the resonance transformation, only the secondary side of the transformer is considered for simplification, which can then be represented by its leakage inductance Ls and its main capacitance L H. An influence of the transmission ratio ü is neglected, the transformer of the transformer being regarded as a low-loss transformer.
  • the transformer 6 has a leakage inductance Ls in series with the parasitic capacitance 7 of the spark plug 8 on the secondary side.
  • the main inductance L H of the transformer 6 is parallel to the series connection of capacitance 7 and leakage inductance Ls.
  • the leakage inductance Ls together with the parasitic spark plug capacitance 7 essentially form a series resonance circuit of the resonant voltage transformation, while another part of the transformer 6 with the main inductance L H is parallel to the series resonance circuit consisting of Ls and capacitance 7 and for voltage transformation in self-induction is used.
  • an input voltage U BR in particular with an amplitude corresponding to the vehicle electrical system voltage U B , is briefly present on the primary side of the transformer 6, and if the transmission ratio of the transformer 6 is given by ü, then the voltage drop ⁇ U across the secondary side of the transformer U-U B R.
  • the output of a bridge circuit with 4 switches 1, 2, 3, 4, in particular semiconductor switches, is arranged at the connections A and B on the primary side of the transformer 6.
  • the switches 1, 2, 3, 4 are controlled with a conventional control circuit 5, not shown in detail.
  • the supply voltage ÜB is present on the input side of the bridge circuit.
  • To trigger the ignition spark at least one of the switches 1, 2, 3, 4 is opened and the current flow through the primary coil is suddenly reduced or interrupted. The voltage at the primary coil increases in the manner described at the outset until the plasma between the electrodes 8.1, 8.2 of the spark plug 8 is ignited.
  • FIG. 2 shows a preferred arrangement with two switches 1, 2 and two voltage sources U1, U2 connected in series, the transformer 6 being connected between the center tap between the series-connected switches and the center tap between the two voltage sources U1 and U2 .
  • the transformer 6 By alternately opening or closing the switches 1 and 2, the transformer 6 is supplied with an AC voltage.
  • the arrangement of the spark plug 8 with its electrodes 8.1, 8.2 and its parasitic capacitance 7 and the control logic 5 corresponds to that in FIG. 1 and is not shown further.
  • FIG. 3 shows a further preferred arrangement of a push-pull circuit with two switches 1, 2 and a voltage source U3.
  • the voltage source U3 is connected to a center tap of the transformer 6, which accordingly has two primary-side partial coils with opposing windings.
  • switches 1 and 2 alternately open and close, the transformer 6 is supplied with an alternating voltage UB R on the primary side.
  • the waveform of U BR preferably corresponds to a rectangular pulse train with an amplitude between -ÜB and + UB and a frequency which is the resonance frequency of the resonant circuit, which consists of elements on the secondary side of the transformer 6, in particular the leakage inductance of the secondary coil and the capacitance between the Electrodes 8.1 and 8.2.
  • the resonant circuit has a resonance frequency.
  • Switches 1 and 2 are opened and closed at this frequency.
  • a switch is advantageously actuated precisely when the magnitude of the voltage amplitude Uz between the electrodes 8.1 and 8.2 is maximum. In this case, the maximum value of the amount increases with an increasing number of voltage pulses.
  • the resonant circuit has two resonance frequencies.
  • the arrangement corresponds to that in FIG. 3, but there is only a single switch and the primary coil has only one partial coil.
  • the resonance frequency corresponds to the resonance frequency of the resonant circuit from the leakage inductance Ls and the capacitance 7 between the electrodes 8.1, 8.2. If the switch is opened, a self-induction voltage is built up according to Lenz's rule and transformed into the secondary coil. In this idle case, the inductance of the resonant circuit is formed by the sum of the main inductance L H and the leakage inductance Ls of the secondary coil of the transformer 6, so that the resonant circuit has a second, lower resonance frequency when the switch is open.
  • the switch is preferably actuated in the maximum amount of the voltage Uz, the signal shape of Uz becoming asymmetrical.
  • FIG. 4 shows a further preferred arrangement of a circuit for an ignition unit according to the invention.
  • the switches of the arrangement can be in partial or full bridge Circuits according to the examples Fig. 1 to 3 may be formed and are not shown separately.
  • a voltage source supplies a voltage U BR to a transformer 6.
  • a further voltage source G is implemented in the secondary circuit of the transformer 6.
  • This voltage source G is preferably a DC voltage source or a voltage source with low-frequency voltage. This can advantageously be used for ion current measurements, with which state variables of the motor can preferably be determined.
  • phase 5 shows a voltage-time diagram in the self-induction phase, the breakdown phase and the subsequent firing phase according to the inventive method.
  • period a the energy is built up in the magnetic field of the primary coil of the transformer for the breakdown or voltage flashover to generate the ignition spark.
  • the control unit 5 outputs control signals during this time, so that switches 1 and 4 are closed and switches 2 and 3 are open.
  • phase b electrical charge flows to the electrodes.
  • Means for current, voltage and / or magnetic field measurement can be provided in the transformer 6, which report the values back to the control unit 5. If the voltage or the energy in the magnetic field of the transformer 6 is sufficient for ignition, the control unit 5 issues the signal to open at least one of the switches 1 or 4. Because of Lenz's rule, this leads to an increase in voltage on the secondary side of the transformer. This phase corresponds to the time interval b in FIG. 5. The voltage builds up until the breakdown, in which a plasma ignites between the electrodes 8.1 and 8.2, voltage values of around 30 kV being easily achieved. Any excess energy from the transformer can briefly maintain the initial burning process between the electrodes 8.1, 8.2.
  • the voltage collapses to a lower value and only reaches peak values of up to 500 to 600 V.
  • the precise voltage values depend, among other things, on the exact structure of the spark plug 8 and the properties of the area surrounding the electrodes 8.1, 8.2 Ga ses.
  • the subsequent burning process is then maintained by means of resonant voltage transformation. This corresponds to phase c in FIG. 5.
  • switches 1, 2, 3, 4 of the bridge circuit are alternately opened and closed so that the transformer 6 is supplied with an alternating voltage or voltage pulses with a frequency of preferably more than 100 kHz, particularly preferably more than 1 MHz .
  • a strong magnetic coupling between the primary side and the secondary side of the transformer is advantageous. If the magnetic coupling between the primary side and secondary side of the transformer is weak, it is advisable to apply frequencies lower than 100 kHz.
  • the gas breakdown can preferably be detected by analyzing the alternating voltage in relation to the alternating current in phase c and / or the voltage breakdown and / or by optically detecting the plasma.
  • a corresponding signal from an ignition detection means can be forwarded to the control electronics 5.
  • the resonance circuit for the resonance transformation is formed by the leakage inductance Ls of the transformer 6 and the parasitic capacitance 7 of the spark plug 8.
  • a separate resonant transformation circuit with a capacitor and inductance can also be provided, each spark plug 8 preferably having such a circuit.
  • a coil can be used instead of a transformer 6.
  • the transformer 6 is arranged inside an ignition unit 8 'and consists of two coils which are coaxially wound one above the other.
  • the ignition unit 8 ' is supplied with voltage via a plug 9, which is supplied by an energy store or a generator (not shown).
  • the transformer 6 On the input side, the transformer 6 is connected to an integrated circuit 10, which contains the bridge circuit with switches and can also contain the control electronics 5. On the output side, the transformer 6 supplies the electrodes 8.1 and 8.2 of the ignition unit 8 '.
  • the arrangement can be minimized to such an extent that it can be integrated into a cylinder head.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren für die Zündung einer Brennkraftmaschine, bei der im Arbeitstakt eine Hochspannung an die Elektroden (8.1, 8.2) einer Zündkerze (8) angelegt wird, wobei die Hochspannung einen Spannungsüberschlag an den Elektroden (8.1, 8.2) der Zündkerze (8) bewirkt und auf den Spannungsüberschlag eine Brennphase aufrecht erhalten wird, wobei die Zuführung von elektrischer Energie zur Auslösung eines Spannungsüberschlags an den Elektroden (8.1, 8.2) der Zündkerze mit einem Selbstinduktionsverfahren und die Aufrechterhaltung der Brennphase mittels resonanter Spannungstransformation erfolgt.

Description

Verfahren und Schaltungsanordnung für die Zündung einer Brennkraftmaschine
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung für die Zündung einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Bekannte Zündanlagen, die verbreitet in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, bestehen aus einer Zündspule, einem Zündverteiler und Zündkerzen. In der Zündspule wird eine Hochspannung erzeugt, die über den Zündverteiler den einzelnen Zündkerzen zugeführt wird. Die erzeugte Hochspannung liegt üblicherweise im Bereich von 20 kV bis 30 kV. Infolge der Hochspannung kommt es zu einem Spannungsüberschlag an den Elektroden der Zündkerze, wodurch das Brennstoff/Luft-Gemisch gezündet wird. Es ist dabei auch bekannt, anstelle eines rotierenden sogenannten Verteilerfingers in einem Zündverteiler eine elektronische Zündverteilung vorzusehen. Die Zündspule ist wegen der hohen Energie, die zum Zünden bereitgestellt werden muß, großvolumig und die Schaltungsanordnung muß ab dem Ausgang der Zündspule hochspannungsfest ausgelegt sein, um Spannungsüberschläge auf die Fahrzeugkarosserie zu vermeiden.
Aus der US-AI -5 113 839 ist ein Zündverfahren bekannt, bei dem eine Hochfrequenzzün- düng durch Anlegen einer Wechselspannung an die Zündkerzenelektroden ausgelöst wird. Zur Durchfulirung des Verfahrens ist ein Netzteil für 200 V notwendig, und der Wirkungsgrad ist reduziert.
Aus der DE-Al-196 25 422 ist eine Hybridzündschaltung für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei der der Zündfunkendurchbruch durch eine Kondensatorentladung erzeugt und das Brennen des Zündfunkens durch eine Wechselspannung in einem Durchflußwandler aufrechterhalten wird. In der EP 0 482 127 Bl ist ein Verfahren offenbart, bei dem die Spannung für den Spannungsüberschlag und die Brennphase über eine Resonanztransformation erzeugt wird. Das Problem ist, daß dieses Verfahren energiekonsumierend ist und die Zündkerze einem hohen Verschleiß ausgesetzt ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung anzugeben, mit der eine Zündanlage der voranstehend beschriebenen Art zu verbessern, um diese besonders kompakt und energiesparend auszubilden und mit der Zündkerzen verschleißarm betrieben werden.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß die Zufuhrung von elektrischer Energie zur Auslösung eines Spannungsüberschlags an den Elektroden der Zündkerze mit einem Selbstinduktionsverfahren erfolgt, wobei die Zündkerze durch einen Transformator mit Spannung versorgt und der Spannungsüberschlag durch eine sprungartige Verringerung des Stromflusses durch die Primärseite des Transformators hervorgerufen wird, und daß die Aufrechterhaltung der Brennphase mittels resonanter Spannungstransformation erfolgt, wobei eine Resonanzfrequenz durch induktive und kapazitive Elemente auf der Sekundär- seite eines Transformators bestimmt wird.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird zur Selbstinduktion und zur Auf- rechterhaltung der Brennphase derselbe Transformator verwendet.
Günstig ist, die Zündkerze in der Brennphase mit hochfrequenter Wechselspannung zu versorgen. Bevorzugt wird die Zündkerze in der Brennphase mit elektrischer Leistung einer Frequenz von größer als 100 kHz versorgt. In einer weiteren bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die Zündkerze in der Brennphase mit elektrischer Leistung einer Frequenz im Bereich von 1 MHz bis zu einigen hundert MHz versorgt. In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird die Zündkerze in der Brennphase mit hochfrequenter Wechselspannung versorgt, der eine Gleichspannung oder eine niederfrequente Wechselspannung überlagert ist.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für die Zündung einer Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, daß Versorgungsmittel für die Zündkerze zumindest vier Schalter in einer Brückenschaltung zur Spannungsversorgung der Elektroden aufweisen.
Eine weitere erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für die Zündung einer Brerinkraft- maschine ist dadurch gekennzeichnet, daß Versorgungsmittel für die Zündkerze zumindest zwei Schalter in einer Gegentaktschaltung mit einem Transformator zur Spannungsversorgung der Elektroden aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind in einer Teilbrückenschaltung zwei Schalter und zwei Spannungsquellen angeordnet.
Vorzugsweise ist zwischen Schalter und Elektroden zumindest eine Spule und/oder ein Transformator als Induktivität eines Resonanzkreises angeordnet. Der Transformator bildet dabei zumindest bereichsweise eine Induktivität und ist sowohl Bestandteil des Resonanzkreises als auch Bestandteil der Spannungstransformation des Selbstinduktionskreises.
Bevorzugt ist die Brückenschaltung mit einer Ansteuereinheit verbunden, welche die Schalter gemäß den Anforderungen der Zündphase und der Brennphase öffnet und schließt.
In einer bevorzugten Ausführung besteht die resonante Transformationsschaltung zumindest aus einem Collins-Filter.
In einer besonders bevorzugten Ausführung weist die resonante Transformationsschaltung zumindest einen Serienresonanzkreis auf. Vorteilhaft ist, daß zur Erzeugung einer Selbstinduktionsspannung zum Spannungsüberschlag und zur Erzeugung der resonanten Spannungstransformation ein gemeinsamer Transformator vorgesehen ist.
Zweckmäßig ist, zu jeder Zündkerze eine separate resonante Transformationsschaltung vorzusehen. Der Vorteil ist, daß Transformationsschaltung und Zündkerze in eine Einheit integrierbar sind.
Günstig ist, Mittel zur Selbstinduktion, Resonanztransformation und die Zündkerze zu ei- nem Zündeinheitsbauteil zusammenzufügen.
Besonders günstig ist, Mittel zur Selbstinduktion, Resonanztransformation, Zündkerze und Ansteuerelektronik zu einem Zündeinheitsbauteil zusammenzufügen.
In einer zweckmäßigen Ausführung sind eine Zündeinheit mit Mitteln zur Selbstinduktion, Resonanztransformation und die Zündkerze mittels einer Steckverbindung zusammensteckbar.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist, daß die resonante Transformationsschaltung an ihrem Eingang mit einer Wechselspannungsquelle und einer Gleichspannungsquelle verbunden ist.
Besonders vorteilhaft ist, die Gesamtanordnung in einen Zylinderkopf zu integrieren.
Im folgenden sind die Merkmale, soweit sie für die Erfindung wesentlich sind, eingehend erläutert und anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Schaltung für eine erfindungsgemäße Zündeinheit, Fig. 2 eine Prinzipskizze einer weiteren Schaltung für eine erfindungsgemäße Zündein- heit, Fig. 3 eine Prinzipskizze einer weiteren Schaltung für eine erfmdungsgemäße Zündeinheit,
Fig. 4 eine weitere Prinzipskizze einer Schaltung für eine erfindungsgemäße Zündeinheit mit einer zusätzlichen Gleichspannungsquelle, Fig. 5 den Verlauf der Zündspannung der Zündeinheit mit einer Selbstinduktionsphase, einer Durchbruchsphase und einer Brennphase, und Fig. 6 Details einer Zündeinheit gemäß der Erfindung.
Im beanspruchten Verfahren wird der Spannungsüberschlag bei der Bildung des Zündfun- kens durch Selbstinduktion erzeugt, indem an einem Transformator, welcher zur Spannungsversorgung einer sekundärseitig angeordneten Zündkerze vorgesehen ist, primärseitig der Stromfluß sprungartig verringert wird, insbesondere durch Öffnen eines Schalters unterbrochen. Durch die sprungartige Stromabnahme wird in der Primärspule gemäß der Lenzschen Regel ein Spannungsanstieg proportional zur zeitlichen Änderung des Stromes induziert, der entsprechend auch in die Sekundärspule des Transformators übertragen wird. Die Spulen des Transformators ersetzen dabei die übliche Zündspule. Die Zündkerze zündet, wenn die sekundärseitige Spannung ausreicht, um ein Plasma zwischen den Elektroden der Zündkerze zu zünden.
Die Brennphase des Zündfunkens wird dagegen durch eine resonante Spannungstransformation aufrechterhalten. Im Vergleich zu einem Verfahren mit einer nur durch Selbstinduktion unterstützten Brennphase ist der Energieinhalt der Spulen deutlich geringer, da nur eine relativ kleine Energiemenge für den Spannungsüberschlag von der Spule aufgebracht werden muß, aber nicht die größere Energiemenge zum Aufrechterhalten der Brennphase.
Daher kann die Baugröße der Spulen des Transformators verglichen mit einer konventionellen Zündspule, bei der Zünd- und Brennphase aus dem Energieinhalt der Spule unterstützt werden müssen, verringert werden. Ein weiterer Vorteil im Vergleich zu einem Verfahren, welches sowohl Zünd- als auch Brennphase mit resonanter Spannungstransformati- on unterstützt, liegt im deutlich geringeren Energieverbrauch und in der geringeren Baugröße der Spulen des Transformators, die einen vergleichsweise geringen Energieinhalt in der Brennphase bereitstellen muß. Insbesondere wird der durch Resonanztransformation grundsätzlich energiekonsumierende Aufbau der Zündspannung vor der Zündung vermieden.
Weiterhin werden hohe Hochfrequenz-Spannungen vermieden, so daß elektronische Bauelemente in der Anordnung insgesamt weniger belastet werden. Dabei erweist sich gerade die erfindungsgemäße Kombination der Selbstinduktion zur Erzeugung des Zündfunkens mit einer resonanten Spannungstransformation zur Unterhaltung der Brennphase als besonders vorteilhaft, weil zusätzlich eine sehr kompakte Bauweise der Anordnung und eine Integration der Anordnung in eine Zündeinheit mit geringen Abmessungen möglich ist.
In Fig. 1 ist eine Prinzipskizze einer Schaltung für eine erfindungsgemäßen Zündeinheit dargestellt. Elektroden 8.1 und 8.2 symbolisieren eine Zündkerze 8, welche eine parasitäre Kapazität 7 aufweist. Zwischen den Elektroden 8.1, 8.2 ist die Sekundärseite eines Trans- formators 6 geschaltet. Besonders vorteilhaft ist, zur Erzeugung der Selbstinduktionsspannung und zur Erzeugung der resonanten Spannungstransformation einen gemeinsamen Transformator 6 vorzusehen. Zur Diskussion der Resonanztransformation wird vereinfachend nur die Sekundärseite des Transformators betrachtet, welche dann durch ihre Streuinduktivität Ls und ihre Hauptkapazität LH dargestellt werden kann. Ein Einfluß des Über- Setzungsverhältnisses ü wird vernachlässigt, wobei der Übertrager des Transformators als verlustarmer Übertrager angesehen wird.
Der Transformator 6 weist sekundärseitig eine Streuinduktivität Ls in Serie mit der parasitären Kapazität 7 der Zündkerze 8 auf. Die Hauptinduktivität LH des Transformators 6 liegt parallel zur Reihenschaltung aus Kapazität 7 und Streuinduktivität Ls.
Gemäß der Erfindung bildet die Streuinduktivität Ls zusammen mit der parasitären Zündkerzenkapazität 7 im wesentlichen eine Reihenresonanzschaltung der resonanten Spannungstransformation, während ein anderer Teil des Transformators 6 mit der Hauptindukti- vität LH parallel zur Reihenresonanzschaltung aus Ls und Kapazität 7 liegt und zur Spannungstransformation bei der Selbstinduktion eingesetzt wird. Liegt kurzzeitig eine Eingangsspannung UBR, insbesondere mit einer der Bordnetzspannung UB entsprechenden Amplitude, an der Primäxseite des Transformators 6 an, und ist das Übertragungsverhältnis des Transformators 6 durch ü gegeben, so ist der Spannungsabfall ΔU über der Sekundärseite des Transformators Ü-UBR.
Auf der Primärseite des Transformators 6 ist an den Anschlüssen A und B der Ausgang einer Brückenschaltung mit 4 Schaltern 1, 2, 3, 4, insbesondere Halbleiterschaltern, angeordnet. Die Schalter 1, 2, 3, 4 werden mit einer nicht näher dargestellten üblichen Ansteuerschaltung 5 angesteuert. An der Eingangsseite der Brückenschaltung liegt die Versor- gungsspannung ÜB an. Zum Aufbau des Magnetfeldes in der Spule des Transformators 6 werden jeweils ein Paar der Schalter 1 und 4 oder 2 und 3 geschlossen. Zum Auslösen des Zündfunkens wird mindestens einer der Schalter 1, 2, 3, 4 geöffnet und der Stromfluß durch die Primärspule sprungartig reduziert, bzw. unterbrochen. Die Spannung an der Primärspule erhöht sich in der eingangs beschriebenen Weise bis zum Zünden des Plasmas zwischen den Elektroden 8.1 , 8.2 der Zündkerze 8.
In Fig. 2 ist eine bevorzugte Anordnung mit zwei Schaltern 1, 2 und zwei in Serie geschalteten Spannungsquellen Ul, U2 dargestellt, wobei der Transformator 6 zwischen den Mittenabgriff zwischen den in Serie geschalteten Schaltern und den Mittenabgriff zwischen den beiden Spannungsquellen Ul und U2 geschaltet ist. Durch abwechselndes Öffnen bzw. Schließen der Schalter 1 und 2 wird der Transformator 6 mit einer Wechselspannung versorgt. Die Anordnung der Zündkerze 8 mit ihren Elektroden 8.1, 8.2 und ihrer parasitären Kapazität 7 und die Steuerlogik 5 entspricht der in Fig. 1 und ist nicht weiter dargestellt.
In Fig. 3 ist eine weitere bevorzugte Anordnung einer Gegentaktschaltung mit zwei Schaltern 1 , 2 und einer Spannungsquelle U3 dargestellt. Die Spannungsquelle U3 ist mit einem Mittenabgriff des Transformators 6 verbunden, welcher demnach zwei primärseitige Teilspulen mit gegenläufigen Wicklungen aufweist. Bei wechselndem Öffnen bzw. Schließen der Schalter 1 und 2 wird der Transformator 6 primärseitig mit einer Wechselspannung UBR versorgt. Die Signalform von UBR entspricht vorzugsweise einer Rechteckimpulsfolge mit einer Amplitude zwischen -ÜB und +UB und einer Frequenz, welche die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ist, der aus Elementen auf der Sekundärseite des Transformators 6 besteht, insbesondere der Streuinduktivität der Sekundärspule und der Kapazität zwischen den Elektroden 8.1 und 8.2. Der Schwingkreis weist eine Resonanzfrequenz auf.
Mit dieser Frequenz werden die Schalter 1 und 2 geöffnet bzw. geschlossen. Vorteilhafterweise wird ein Schalter genau dann betätigt, wenn der Betrag der Spannungsamplitude Uz zwischen den Elektroden 8.1 und 8.2 maximal ist. In diesem Fall steigt der Maximalwert des Betrages mit steigender Spannungspulszahl an. Diese Überlegungen gelten entsprechend auch bei den anderen Ausfuhrungsbeispielen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung, die nicht gesondert dargestellt ist, weist der Schwingkreis zwei Resonanzfrequenzen auf. Die Anordnung entspricht der in Fig. 3, je- doch ist nur ein einziger Schalter vorhanden, und die Primärspule weist nur eine Teilspule auf.
Im geschlossenen Zustand des Schalters auf der Primärseite des Transformators 6 wird der Sekundärseite eine Spannung U aufgeprägt. Die Resonanzfrequenz entspricht der Reso- nanzfrequenz des Schwingkreises aus der Streuinduktivität Ls und der Kapazität 7 zwischen den Elektroden 8.1, 8.2. Wird der Schalter geöffnet, wird gemäß der Lenzschen Regel eine Selbstinduktionsspannung aufgebaut und in die Sekundärspule transformiert. In diesem Leerlauffall ist die Induktivität des Schwingkreises durch die Summe aus der Hauptinduktivität LH und der Streuinduktivität Ls der Sekundärspule des Transformators 6 gebildet, so daß bei geöffnetem Schalter der Schwingkreis eine zweite, geringere Resonanzfrequenz aufweist. Vorzugsweise wird der Schalter wie im vorangehenden Beispiel jeweils im Betragsmaximum der Spannung Uz betätigt, wobei die Signalform von Uz asymmetrisch wird.
In Fig. 4 ist eine weitere bevorzugte Anordnung einer Schaltung für eine erfindungsgemäße Zündeinheit dargestellt. Die Schalter der Anordnung können in Teil- oder Vollbrücken- Schaltungen entsprechend den Beispielen Fig. 1 bis 3 ausgebildet sein und sind nicht gesondert dargestellt. Eine Spannungsquelle liefert eine Spannung UBR an einen Transformator 6. Die über der Hauptinduktivität LH abfallende Spannung ist U2=UBR-Ü. Zusätzlich ist im Sekundärkreis des Transformators 6 eine weitere Spannungsquelle G implementiert. Vorzugsweise ist diese Spannungsquelle G eine Gleichspannungsquelle oder eine Spannungsquelle mit niederfrequenter Spannung Diese kann vorteilhaft für Ionenstrommessungen verwendet werden, mit denen vorzugsweise Zustandsgrößen des Motors bestimmbar sind.
In Fig. 5 ist ein Spannungs-Zeitdiagramm in der Selbstinduktionsphase, der Durchbruch- phase und darauf folgender Brennphase gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Im Zeitraum a wird die Energie im Magnetfeld der primärseitigen Spule des Transformators für den Durchbruch bzw. Spannungsüberschlag zur Erzeugung des Zündfunkens aufgebaut. Die Ansteuereinheit 5 gibt in dieser Zeit Ansteuersignale aus, so daß Schalter 1 und 4 geschlossen und die Schalter 2 und 3 geöffnet sind. Während die Selbstinduktionsspannung in Phase b aufgebaut wird, fließt elektrische Ladung an die Elektroden.
Im Transformator 6 können Mittel zur Strom-, Spannungs- und/oder Magnetfeldmessung vorgesehen sein, die die Werte an die Ansteuereinheit 5 zurückmelden. Reicht die Span- nung bzw. die Energie im Magnetfeld des Transformators 6 zur Zündung aus, so gibt die Ansteuereinheit 5 das Signal, mindestens einen der Schalter 1 oder 4 zu öffnen. Wegen der Lenzschen Regel führt dies zu einem Spannungsanstieg auf der Sekundärseite des Transformators. Diese Phase entspricht dem Zeitintervall b in Fig. 5. Die Spannung baut sich bis zum Durchbruch, bei dem zwischen den Elektroden 8.1 und 8.2 ein Plasma zündet, auf, wobei leicht Spannungswerte um 30 kV erreicht werden können. Etwaige überschüssige Energie aus dem Transformator kann den anfänglichen Brennvorgang zwischen den Elektroden 8.1, 8.2 kurzzeitig aufrechterhalten. Nach dem Zünden des Plasmas bricht die Spannung auf einen geringeren Wert zusammen und erreicht nur noch Spitzenwerte bis zu 500 bis 600 V. Die genauen Spannungswerte sind unter anderem abhängig vom genauen Auf- bau der Zündkerze 8 und den Eigenschaften des die Elektroden 8.1, 8.2 umgebenden Ga- ses. Der nachfolgende Brennvorgang wird dann mittels resonanter Spannungstransformation aufrechterhalten. Dies entspricht Phase c in Fig. 5.
Zur Aufrechterhaltung der Brenndauer werden alternierend jeweils Schalter 1, 2, 3, 4 der Brückenschaltung so geöffnet und geschlossen, daß der Transformator 6 mit einer Wechselspannung oder Spannungspulsen einer Frequenz von bevorzugt mehr als 100 kHz, besonders bevorzugt von mehr als 1 MHz, versorgt wird. In diesem Fall ist eine starke magnetische Kopplung zwischen Primärseite und Sekundärseite des Transformators vorteilhaft. Ist die magnetische Kopplung zwischen Primärseite und Sekundärseite des Transfor- mators schwach, ist die Beaufschlagung mit kleineren Frequenzen als 100 kHz zweckmäßig.
Der Gasdurchbruch kann vorzugsweise durch die Analyse der Wechselspannung in Bezug auf den Wechselstrom in der Phase c und/oder den Spannungszusammenbruch und/oder durch optische Erkennung des Plasmas detektiert werden. Ein entsprechendes Signal eines Nachweismittels der Zündung kann an die Ansteuerelektronik 5 weitergeleitet werden.
Im einfachsten Fall wird der Resonanzkreis für die Resonanztransformation durch die Streuinduktivität Ls des Transformators 6 und die parasitäre Kapazität 7 der Zündkerze 8 gebildet. Es kann jedoch auch eine separate resonante Transformationsschaltung mit Kondensator und Induktivität vorgesehen sein, wobei bevorzugt jede Zündkerze 8 eine solche Schaltung aufweist.
Falls der Generator eine ausreichend hohe Eingangsspannung, z.B. einige hundert Volt, liefert, kann eine Spule statt einem Transformator 6 verwendet werden.
Der Transformator 6 kann, da der nur zur Zündung notwendige Energieinhalt kleiner ist als der Energieinhalt, der zur Zündung und Aufrechterhaltung der Brennphase notwendig wäre, relativ klein ausgelegt werden, so daß dieser in eine Zündeinheit integriert werden kann. Jede Zündkerze 8 weist dann automatisch eine separate resonante Transformationsschaltung auf. Es ist auch möglich, die Ansteuerelektronik 5 mit der Zündkerze 8 und dem Transformator 6 in einer Zündeinheit in einem Bauteil zusammenzufassen. Diese besonders platzsparende Anordnung ist in Fig. 6 dargestellt. Der Transformator 6 ist im Innern einer Zündeinheit 8' angeordnet und besteht aus zwei Spulen, welche koaxial übereinander gewickelt sind. Über einen Stecker 9 wird die Zündeinheit 8' mit Spannung versorgt, welche von einem nicht dargestellten Energiespeicher oder einem Generator geliefert wird. Eingangsseitig ist der Transformator 6 mit einer integrierten Schaltung 10 verbunden, welche die Brückenschaltung mit Schaltern enthält und auch die Ansteuerelektronik 5 enthalten kann. Ausgangssei- tig versorgt der Transformator 6 die Elektroden 8.1 und 8.2 der Zündeinheit 8'.
Besonders günstig ist, daß sich die Anordnung soweit minimieren läßt, daß sie in einen Zylinderkopf integrierbar ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren für die Zündung einer Brennkraftmaschine, bei der im Arbeitstakt eine Hochspannung an die Elektroden (8.1, 8.2) einer Zündkerze (8) angelegt wird, wobei die Hochspannung einen Spannungsüberschlag an den Elektroden (8.1, 8.2) der Zündkerze (8) bewirkt und auf den Spannungsüberschlag eine Brennphase aufrecht erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrung von elektrischer Energie zur Auslösung eines Spannungsüberschlags an den Elektroden (8.1, 8.2) der Zündkerze (8) mit einem Selbstinduktionsverfahren erfolgt, wobei die Zündkerze (8) durch einen Transformator (6) mit Spannung versorgt und der Spannungsuberschlag durch eine sprungartige Verringerung des Stromflusses durch die Primärseite des Transformators (6) hervorgerufen wird, und daß die Aufrechterhaltung der Brennphase mittels resonanter Spannungstransformation erfolgt, wobei eine Resonanzfrequenz durch induktive und kapazitive Elemente auf der Sekundärseite eines Transformators (6) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Selbstinduktion und zur resonanten Spannungstransformation ein einziger Transformator (6) verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz mehr als 100 kHz beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz im Bereich von 1 MHz bis zu einigen hundert MHz liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze (8) in der Brennphase mit hochfrequenter Wechselspannung versorgt wird, der eine Gleichspannung oder eine niederfrequente Wechselspannung, de- ren Frequenz höchstens 1/10 der hochfrequenten Wechselspannung beträgt, überlagert wird.
6. Schaltungsanordnung für die Zündung einer Brennkraftmaschine, bei der im Arbeitstakt eine Hochspannung an die Elektroden (8.1, 8.2) einer Zündkerze (8) ange- legt ist, wobei Versorgungsmittel für einen Spannungsüberschlag an den Elektroden
(8.1, 8.2) der Zündkerze (8) und für eine Brennphase vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsmittel zumindest zwei Schalter (1, 2) in einer Teilbrückenschaltung oder Gegentaktschaltung oder vier Schalter (1, 2, 3, 4) in einer Vollbrücken- schaltung zur Spannungsversorgung der Elektroden (8.1, 8.2) aufweisen, und eine resonante Transformationsschaltung und ein Selbstinduktionskreis mit den Elektroden (8.1, 8.2) verbunden ist.
7. Schaltungsanordnung für die Zündung einer Brennkraftmaschine, bei der im Ar- beitstakt eine Hochspannung an die Elektroden (8.1, 8.2) einer Zündkerze (8) angelegt ist, wobei Versorgungsmittel für einen Spannungsüberschlag an den Elektroden (8.1, 8.2) der Zündkerze (8) und für eine Brennphase vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsmittel zumindest einen Schalter (1) und einen Transformator (6) mit zumindest einer einzigen Primärwicklung aufweisen.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Schalter (1, 2, 3, 4) und Elektroden (8.1, 8.2) zumindest eine Spule und/oder ein Transformator (6) als Induktivität (Ls) einer resonanten Transformati- onsschaltung (Ls, 7) und als Induktivität (LH) eines Selbstinduktionskreises (LH, Ü-UBR) angeordnet ist.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung mit einer Ansteuereinheit (5) verbunden ist.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die resonante Transformationsschaltung zumindest aus einem Serienresonanzkreis (Ls, 7) besteht.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die resonante Transformationsschaltung zumindest einen Collins-Filter aufweist.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zu jeder Zündkerze (8) eine separate resonante Transformationsschaltung vorge- sehen ist.
13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsmittel zur Erzeugung des Spannungsüberschlags und/oder die Versorgungsmittel zur Aufrechterhaltung der Brennphase und die Zündkerze (8) zu einer Zündeinheit (8') zusammengefügt sind.
14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß Zündkerze (8), Induktivitäten (LH, LS) und Ansteuerelektronik (5) zu einer
Zündeinheit (8') zusammengefügt sind.
15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die resonante Transformationsschaltung lösbare Verbindungsmittel (9) zur Ver- bindung mit der Zündkerze (8) aufweist.
16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die resonante Transformationsschaltung an ihrem Eingang mit einer Wech- selspannungsquelle und einer Gleichspannungsquelle (G) verbunden ist.
17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtanordnung in einen Zylinderkopf integriert ist.
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