Zündsystem für eine Verbrennungskraftmaschine

Abstract

 Das Zündsystem besteht aus einer selbstschwingenden Zündend­stufe, einer Miniaturzündspule, einer statischen und/oder dynamischen Erfassung des Zündwinkels und einem Netzteil. Die Zündendstufe bewirkt, daß der Zündstrom ein Wechselstrom ist und daß die Zündenergie den Zündkerzen stromkontrolliert zugeführt wird. Der Zündzeitpunkt wird durch die Erfassung des Zündwinkels bestimmt. Die elektrische Versorgung der gesamten Zündendstufe und zusätzlicher Verbraucher eines Kraftfahrzeuges erfolgt durch ein strom- und spannungsumfor­mendes Netzteil.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Zündsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Die Verwendung von Wechselstrom zur Fremdzündung bei Ver­brennungskraftmaschinen ist bekannt. Die Verwendung von Wechselstrom für die Zündung hat den Vorteil, daß die Fun­kenentladung an der Zündkerze über einen beliebigen Zeitraum aufrechterhalten werden kann und so dem Augenblicksbedarf des Motors leicht angepaßt werden kann, was den Wirkungsgrad der Verbrennungsmaschine durch die vollständigere Ausnutzung des Brennstoffgemisches erhöht und die Schadstoffe im Abgas reduziert.

[0003] In der DE-OS 1 539 183 ist eine Zündungsanordnung mit einem Primär- und Sekundärkreis eines Aufwärtstransformators beschrieben, dessen Primärkreis als Parallel- und Serien­resonanzkreis ausgelegt ist. Dieser Resonanzkreis erzeugt nach einer Schnellentladung im Sekundärkreis einen Wechsel­strom an den Zündkerzenkathoden. Weiterhin ist aus der DE-OS 25 17 940 ein Kondensator-Zündsystem für Brennkraftmaschinen mit ferromagnetischer Resonanz bekannt, bei dem erst im Anschluß an jede Entladung des primärseitigen Kondensators ein zweiter Steuerkreis einen oszillierenden Strom in der Primär- und Sekundärwicklung erzeugt und so für eine vorbe­stimmte Zeitspanne an der Zündkerze einen Wechselstrom fließen läßt.

[0004] Eine Weitere wechselstromzündungsanordnung ist in der DE-OS 29 34 573 beschrieben. Bei dieser Zündanlage steuert eine Oszillatorschaltung eine mit der Primärwicklung einer Zünd­spule verbundende Transistorgegentaktschaltung. Diese Os­zillatorschaltung wird von den Schaltstellungen der Unter­brecherkontakte eines Zündverteilers angesteuert und erzeugt an den Zündkerzen ein Wechselstromsignal mit konstanter Frequenz.

[0005] Nachteilig bei dieser bekannten Zündanlage ist, daß die Erzeugung des Wechselstromsignals ein von einem Startimpuls getriggertes Eingangssignal voraussetzt, was zusätzliche Schaltmaßnahmen zur Erzeugung des Startimpulses nötig macht.

[0006] Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Zündsysteme ist, daß die Energiezufuhr über eine konstante Zündzeitdauer erfolgt und so ein Wechselstromsignal mit konstanter Leistung an den Zündkontakten erzeugt. Dieses kann bei ungünstigem Abschluß des Sekundärkreises z. B. bei nicht erfolgter Zündung des Gemisches, bei kurzgeschlossenen Zündkontakten oder abgezo­genem Zündkerzenstecker zu einer zu hohen Leistungszufuhr führen, die die Beschädigung oder gar Zerstörung der elek­trischen Bauteile der Zündanlage zur Folge haben kann.

[0007] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zündsystem der o. g. Art zu schaffen, das die erläuterten Nachteile nicht besitzt und folgende Eigenschaften aufweist bzw. ermöglicht:

1. Die Zündung des Brennstoffgemisches soll nach der Trigge­rung in kurzer Zeit, möglichst in wenigen µs, erreicht werden.

2. Beliebig einstellbare Brenndauer.

3. Problemlose statische und dynamische Triggerung.

4. Brennspannungstoleranzen, die durch Ionisationsschwankun­gen in den Zündstromnulldurchgängen, Verwirbelung und Druckänderungen des im Zylinderraumes befindlichen Brenn­stoffgemisches auftreten, sollen keinen oder nur einen geringen Einfluß auf den Brennstrom haben.

5. Hohe Betriebssicherheit sowohl im Normalbetrieb als auch bei Störfällen, z. B. bei offenem oder kurzgeschlossenem Zündkerzenausgang, über einen großen Temperaturbereich.

6. Geringe Hochfrequenzströungen.

[0008] Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnen­den Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

[0009] Hiernach besteht der Grundgedanke der Erfindung darin, eine Zündendstufe (Primär- und Sekundärkreis) derart zu schalten, daß sie in einem stromkontrollierten Sperr- und Durchfluß­wandlerbetrieb arbeitet.

[0010] Dabei wird die Sperr- und Durchflußzeit eines Schalttran­sistors im Primärkreis der Zündendstufe in Abhängigkeit von der im Sekundärkreis verbrauchten Zündenergie derart gesteu­ert, daß bei erhöhter Energieaufnahme im Sekundärkreis die Zündstromfrequenz ansteigt und bei verminderter Energieauf­nahme sinkt. Die Regelgröße, die die Einschaltzyklen des Transistors bestimmen, ist die vom Sekundärkreis dem Primär­kreis nicht vollständig entzogene Energie, wobei die kon­stante Energiezufuhr in den Ausgangskreis durch die Strom­kontrolle an einem Widerstand im Primärkreis sichergestellt ist. Dadurch wird dem Primär- und damit auch Sekundärkreis nur soviel Energie zugeführt, wie zur Erzeugung eines Zünd­funkens und zur Regelung notwendig ist.

[0011] Durch den Einsatz einer Energierückgewinnungsdiode, wird die nicht verbrauchte Energie dem Energiespeicher (Batterie) wieder zugeführt und bewirkt so einen kleineren Verbrauch der elektrischen Leistung.

[0012] Schaltungstechnische Möglichkeiten sind mit den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben. Insbesondere kann mit einer Zündendstufe die Zündung zweier Zündkerzen (siehe Anspruch 4) erfolgen. Um die Einschwingzeit der Zündendstufe zu vermindern, ist das die Energiezufuhr steuernde Stellglied (ohmscher Wider­stand) durch zusätzliche schaltungstechnische Maßnahmen (s. Anspruch 7 und 8) schaltbar.

[0013] Die selbstschwingende Zündendstufe (Ausgangskreis) besteht aus einem Schalter (Transistor), einer Energierückgewin­nungsdiode, einer Ladespule, einem Primärschwingkreiskonden­sator und einer Sekundärkreisspule, die in Serie zu einer Zündkerzenkapazität geschaltet ist. Die Funktion des Aus­gangskreises ist mit einem Bandfilter vergleichbar. Es sind elektrisch zwei Zustände möglich:

1. Nichterfolgte Zündung:

[0014] In diesem Fall ist der Sekundärkreis wegen seiner ca. 50 %-igen Kopplung überkritisch mit dem Primärkreis durch die Gegeninduktivität verkoppelt. Damit wird erreicht, daß die Hochspannung im Sekundärkreis inner­halb weniger Perioden sehr schnell in voller Höhe zur Verfügung steht.

2. Erfolgte Zündung:

[0015] In diesem Fall ist der Sekundärkreis durch die starke Bedämpfung mit dem Primärkreis lose gekoppelt. Hier­durch wird eine quasi Konstantstromspeisung nahezu unabhängig von der Zündspannung garantiert.

[0016] Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, die im nicht­gezündeten Zustand die Zündkerzenkapazität mit berück­sichtigt, bietet folgende Sicherheiten und Möglichkei­ten:

a) Die erforderliche Zündspannungsamplitude wird schnell erreicht, so daß auf einen Verteiler, der erst bei bzw. nach Erreichen die Zündkerze an Zünd­spannung legt, verzichtet werden kann.

b) Fehlt z. B. wegen abgezogenen Zündsteckers die Kapazität im Sekundärkreis, so steht zum Schutz der Zündspule nicht die volle Hochspannung am sekundär­seitigen Ausgang an, wodurch eine höhere Betriebs­sicherheit des Zündsystems erreicht wird.

c) Bei kurzgeschlossener Zündkerze sowie im Normal­betrieb bei unterschiedlichen Zündspannungen ist der Zündstrom stets auf einen für das Zündsystem unschädlichen Wert begrenzt.

[0017] Diese Technik der vorher beschriebenen selbstschwingenden Zündstufe läßt eine erhebliche Reduzierung des Volumens einer Zündspule zu, da die Gesamtzündfunkenenergie über einen größeren Zeitraum der Zündkerze zugeteilt wird und da die Übertragungsfrequenz hoch ist und die Schaltung sowohl im Sperr- als auch im Durchflußbetrieb arbeitet.

[0018] Ein weiterer Vorteil dieser Zündendstufe ist, daß für den Aufbau der Zündspule nur eine Kopplung von ca. 50 % benötigt wird. Dieses Merkmal erlaubt, daß eine derartige Miniatur­zündspule kostengünstig und einfach zu fertigen ist.

[0019] Da jede Zündkerze mit einer Miniaturzündspule versehen ist und da die Schaltung im Durchfluß- und im Sperrwandlerbe­trieb arbeitet und somit die Hochspannung praktisch sofort nach dem Triggern zur Verfügung steht, kann auf einen Ver­teiler problemlos verzichtet werden. Besonders geeignete, kleindimensionierbare und und rationell herstellbare Zünd­spulen sind Gegenstand der Ansprüche 10 bis 17.

[0020] Mit der Erfindung werden gemäß den Ansprüchen 18 bis 20 ferner Maßnahmen zur Steuerung, insbesondere Triggerung der Zündwege vorgeschlagen.

[0021] Zur Triggerung der einzelnen Zündwege sind an sich verschie­dene Methoden bekannt. So ist aus der DE-OS 36 30 272 A1 eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der die Position einer mit einer Welle der Brennkraftmaschine verbundenen Geberscheibe, die eine als Markierung ausgebildete Perforation aufweist, von einem raumfesten Aufnahmesegment registriert wird. Mittels eines induktiv arbeitenden Sensors, der z.B. nach dem Wirbelstrom­prinzip arbeitet, werden Impulse gewonnen, die elektronisch ausgewertet werden. Eine Steuer- und Regelschaltung erzeugt mit diesen Impulsen dann die Ein- und Ausschaltsignale für die einzelnen Zündzweige. Diese bekannte Methode ist auch zum Triggern der hochfrequenten Wechselstromzündung geeig­net. Nachteilig bei der oben angeführten dynamischen Erfas­sung des Zündzeitpunkts ist, daß zur Positionsbestimmung eine Bewegung der Geberscheibe notwendig ist, um die Posi­tion der Nocken- bzw. Kurbelwelle eindeutig zu bestimmen.

[0022] Nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag ist zur Erfassung des für die Zündung korrekten Triggerzeitpunktes ein Rad auf der Nockenwelle montiert, das auf seiner Oberfläche einen ein­deutig identifizierbaren Code trägt, der von einem Sensor abgetastet wird. Die Abtastung durch den Sensor erfolgt z.B. induktiv oder optisch. So kann z.B. auf der peripheren Oberfläche eines Nockenwellenrades ein 10 Bit-Gray-Code angeordnet sein, der von einem induktiven Multifunktionssen­sor mit integrierter Elektronik abgetastet wird und der Position des Nockenwellenrades entsprechende elektrische Signale liefert. Eine verbesserte Auflösung wird dadurch erreicht, daß man den Code nichtlinear ausführt, d.h. daß eine hohe Auflösung nur im Bereich vom oberen Totpunkt vorgesehen ist. Mittels dieser Sensor- und Geberanordnung ist eine statische und/oder dynamische Erfassung z.B. des Kurbelwellenwinkels möglich, um somit die Position der Kolben und die Zündfolge für die einzelnen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine festzulegen. Vorteilhafterweise ist hierdurch ein Selbststart ohne Verwendung einer Start­einrichtung, z. B. eines elektrischen Anlassermotors, mög­lich.

[0023] Die für das erfindungsgemäße Zündsystem erforderlichen Komponenten insbesondere für die Steuer- und Regelschaltung und des Sensors zur statischen und/oder dynamischen Erfas­sung des Kurbelwellenwinkels können in herkömmlicher Weise direkt mittels einer bekannten Niederspannungsquelle, z. B. einer Gleichspannungsbatterie von 12 Volt, gespeist werden. Nachteil einer solchen Niederspannungsversorgung ist, daß die Versorgung von elektrischen Verbrauchern, die eine hohe Betriebsspannung benötigen, wie z. B. Scheinwerfer mit Gashochdruckentladungslampen oder auch das oben beschriebene Zündsystem, nur mit einem ungünstigen Wirkungsgrad möglich ist. Diesem Nachteil läßt sich erfindungsgemäß vorteilhaft durch die Verwendung eines Schaltnetzteils, also eines Wechselrichters mit Transformator, in einem Kfz begegnen. Bei Verwendung einer Batterie mit Klemmenspannung von 6 bis 18 Volt lassen sich mittels der Schaltnetzteile Ausgangs­spannungen von z. B. 150 Volt bei einem besseren Wirkungs­grad als bei Verwendung einer Niederspannungsversorgung für die elektrischen Verbraucher und ihr Versorgungsnetz im Kraftfahrzeug bereitstellen.

[0024] Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbei­spielen in der Zeichnung näher erläutert.

[0025] Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Gesamtdarstellung der erfin­dungsgemäßen Zündanlage,

Figur 2a eine Schaltungsanordnung einer Zündendstufe nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

Figur 2b eine Schaltungsanordnung einer Zündendstufe nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Figur 2c ein Ersatzschaltbild der in Figur 2a und Figur 2b dargestellten Zündendstufen,

Figur 3a eine Schaltungsanordnung einer Zündendstufe nach einem dritten Ausführungsbeispiel,

Figur 3b ein Ersatzschaltbild der in Figur 3a dargestell­ten Schaltungsanordnung,

Figur 4a ein Zeitdiagramm des Spannungsverlaufes der Drainspannung U_D des Schalttransistors TR1 bzw. TR2 in den Schaltungen gemäß Figur 2 bzw. 3,

Figur 4b ein Zeitdiagramm der Sekundärkreisspannung UH entsprechend der Drainspannung gemäß Figur 4a,

Figur 4c ein Zeitdiagramm des Drainstroms I_D des Schalttransistors entsprechend der Drainspannung gemäß Figur 4a,

Figur 5a ein Zeitdiagramm des Drainstroms I_D des Schalttransistors im Zündfall,

Figur 5b ein Zeitdiagramm der Brennspannung U_B an der Zündkerze im Zündfall,

Figur 5c ein Zeitdiagramm der Drainspannung U_D des Schalttransistors im Zündfall,

Figur 6 eine Schaltungsanordnung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel für drei Zündwege für je zwei Zündkerzen,

Figur 7 eine Schaltungsanordnung eines Zündendstufenmo­duls nach einem Ausführungsbeispiel,

Figur 8 eine Schaltungsanordnung eines Zündendstufenmo­duls nach einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Figur 9 eine schematische Darstellung einer gesamten Zündendstufe nach einem Ausführungsbeispiel,

Figur 10 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer zusammengesetzten Miniaturzündspule nach einem Ausführungsbeispiel,

Figur 11a - 11c die Einzelteile der Zündspule gemäß Figur 10 in Explosionsdarstellung, nämlich

Figur 11a das Spulengehäuse,

Figur 11b den Spulenkern und

Figur 11c den Spulenkörper,

Figur 12 schematische Darstellung einer Triggervorrichtung zur statischen und/oder dynamischen Erfassung des Kurbelwellenwinkels nach einem Ausführungsbei­spiel,

Figur 13 schematische Darstellung einer Triggervorrichtung zur statischen und/oder dynamischen Erfassung des Kurbelwellenwinkels gemäß einem weiteren Aus­führungsbeispiel und

Figur 14 eine Schaltungsanordnung für ein Schaltnetzteil.

[0026] Die erfindungsgemäße Zündanordnung besteht aus den in Figur 1 schematisch dargestellten Komponenten, das sind:
- eine Niederspannungsversorgung (BAT),
- ein zentrales Schaltnetzteil (UF1),
- hochspannungserzeugende Zündendstufen (ZST), entsprechend der Zylinderanzahl
- sowie Miniaturzündspulen (ZSP) für jede Zündkerze.

[0027] Die in Fig. 2a dargestellte erfindungsgemäße Zündendstufe besteht aus einem Primär- und Sekundärschwingkreis. Der Primärschwingkreis weist eine Steuer- und Regelschaltung 2 mit einem Triggereingang 4, einem Triggerausgang 6 und einer Versorgungsleitung 8, sowie die Primärwicklung P1 einer Zündspule auf. Seriell zu der Primärkreisspule P1 liegt ein Schwingkreiskondensator C1 und parallel zu diesem eine Energierückgewinnungsdiode D1. Ein Transistor TR1 ist drain­seitig mit dem Kondensator C1 und der Energierückgewinnungs­diode D1 verbunden. Sourceseitig ist der Transistor TR1 über einen Strombegrenzungswiderstand R1 mit Masse verbunden. Eine Zuleitung 10 verbindet den Transistor sourceseitig mit dem Strombegrenzungswiderstand R1 und der Steuer- und Regel­ schaltung 2. Sekundärseitig liegt die Sekundärspule (S1) in Serie zu der Wicklungs- und Zündkapazität CW, wie mit dem Ersatzschaubild gemäß Fig. 2c veranschaulicht ist. Bei dem im übrigen entsprechenden Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2b ist eine Endstufe mit galvanisch getrennter induktiver Auskopplung vorgesehen.

[0028] Eine vollständige Schaltung einer Zündendstufe mit drei Zündwegen für je zwei Zündkerzen, also für einen Sechszylin­dermotor z. B., ist mit Fig. 6 veranschaulicht.

[0029] Die Versorgung von zwei Zündkerzen Z1, Z2 mit einer gemein­samen Zündendstufe ist in Figur 3a dargestellt. Bei einer derartigen Beschaltung des Sekundärkreises ist die effektive Wicklungs- und Zündkerzenkapazität CW vorzugsweise um den Faktor 2 reduziert, wie dies im Ersatzschaltbild in Figur 3b veranschaulicht ist.

[0030] Die prinzipielle Funktion der erfindungsgemäßen Zündendstufe ist anhand von Zeitdiagrammen in Figur 4a bis 4c soweit und in Figur 5a bis 5c für die o. g. Ausführungsbeispiele der Zündendstufe erläutert.

[0031] Die Funktion der selbstschwingenden Zündendstufe ist zu­nächst für den nichtgezündeten Fall (Zeitdiagramm in Figur 4a bis 4c) erläutert.

[0032] Hierbei sei der eingeschwungene Zustand bei ausreichender Batteriespannung vorausgesetzt. Die Spannung am Punkt A in der Schaltung gemäß Fig. 6 gibt mit Low-Pegel den Betrieb frei, sobald der Verstärker OP1 durchgeschaltet ist. Ein Triggereingang, z. B. Triggereingang 3, werde entsprechend der Steuerung an Masse gelegt. Da die Referenzspannung am Punkt B positiver als die Spannung am invertierenden Eingang des Verstärkers OP4 ist, wird der Transistor T30 durchge­schaltet. Es beginnt ein Drainstrom I_D zu fließen (Bild 4c, Zeitabschnitt t1). Die hierdurch am Widerstand R37 abfallende Spannung steigt so lange, bis die Spannung am invertierenden Eingang (-) des Verstärkers OP4 positiver wird als die Referenzspannung am Punkt B.

[0033] In diesem Zeitpunkt wird der Transistor T30 gesperrt. Die in der Speicherspule SP30 enthaltene Energie regt den gesamten Ausgangskreis zum Schwingen an. Ein Teil der Energie trans­feriert in den Kondensator C33 des Primärbereichs (C1 bzw. C2 im Ersatzschaltbild 2c bzw. 3b) und der andere Teil in die Kapazität CW des Sekundärkreises (Zeitabschnitt t2, Bild 4a und 4b).

[0034] Die Spannung U_D am Kondensator C33 steigt sinusförmig so lange an, bis keine Energie mehr in der Speicherspule vor­handen ist. Im Zeitabschnitt t3 wird die kapazitiv ge­speicherte Energie wieder der Induktivität L1 zugeführt, bis die Spannung am Kondensator C33 gleich Null ist. Zu diesem Zeitpunkt (Beginn von Zeitabschnitt t4) gibt die Speicher­spule SP30 sekundärseitig ihre vorhandene Energie in den Kreiskondensator CW ab. Primärseitig ist dies analog für C33 nicht möglich, da die Spannung U_D am Drain vom Transistor T30 nicht negativ werden kann, weil die interne Diode (Energierückgewinnungsdiode D1 bzw. D2 in Figur 2a, 2b, 3a) leitend wird. Die in der Primärinduktivität L1 vorhandene Energie wird über die Diode D30 ins Bordnetz zurückgeliefert (Zeitabschnitt t4, s. Abbildung 4c).

[0035] Der Sekundärkreis kann in diesem Zeitabschnitt t4 weiter­schwingen (s. U_H in Figur 4b). Seine Frequenz ist etwas höher als vorher, denn die Streuinduktivität L σ (Figur 2c, Figur 3b) liegt jetzt parallel zu der Gegeninduktivität M (s. Fig. 2c, 3b). Während dieses Zeitabschnittes t4 wird der Transistor T30 wieder durchgeschaltet, denn es liegen die gleichen Spannungsverhältnisse wie zu Beginn vom Zeitab­schnitt t1 vor. Ist die Energie der Induktivität L1 voll­ständig an die Spannungsquelle (Bordnetz) abgegeben, startet ein neuer Zyklus.

[0036] Zum Verständnis der Schaltung sei erwähnt, daß der Tran­sistor T30 nur dann gesperrt ist, wenn die Spannung am invertierenden Eingang (-) des Verstärkers OP4 positiver ist als die Referenzspannung am Punkt B. Dieser Fall tritt immer dann ein, wenn der Ladestrom I_D einen durch den Wider­stand R37 bestimmten Grenzwert erreicht. Diese Stromkontrol­le garantiert gleichbleibende Energiezufuhr in die Primärin­duktivität L1, wobei die Energie - von geringen Verlusten abgesehen - im Falle der Nichtzündung vollständig ins Bord­netz zurückgeliefert wird. Der gesperrte Zustand des Tran­sistors T30 wird durch den Spannungsabfall am Widerstand R36 solange aufrechterhalten, wie die Spannung U_D am Drain des Transistors T30 positiver ist als die Batteriespannung.

[0037] Die beschriebene Funktion der Selbsterregung ändert sich für den Zündfall nicht, denn die induktive Kopplung zwischen Primär- und Sekundärinduktivität von ca. 50 % verhindert eine totale Bedämpfung des Primärkreises durch den stark gedämpften Sekundärkreis. Für den gezündeten Fall ergibt sich dann folgende Funktionsweise:

[0038] Wegen des die Zündkerze nun durchfließenden Brennstromes wird jetzt erheblich weniger Energie der Spannungsquelle, also ins Bordnetz, zurückgeliefert (Figur 5a). Der Zeitab­schnitt t4 verkürzt sich deutlich. Ein Vorteil dieses Schaltungskonzeptes ist, daß nur soviel Energie zurückge­liefert wird, wie nach der Zündphase noch vorhanden ist. Dieses Verhalten ermöglicht, daß die gewünschte Stromspei­sung in einem großen Bereich weitgehend unabhängig von der Brennspannung U_B erfolgt. Wenn die Brennspannung U_B groß ist, wird ein großer Energieanteil im Lichtbo­gen der Zündkerze in Wärme umgewandelt. In diesem Fall wird weniger Restenergie zur Spannungsquelle zurückgelie­fert. Die Folge ist, daß
der Zeitabschnitt t4 kleiner wird, die Zündfrequenz ansteigt und die Stromaufnahme zunimmt zu.

[0039] Für den umgekehrten Fall, also für niedrige Brennspannung U_B, gilt das inverse Verhalten, d.h., daß
der Zeitabschnitt t4 größer wird, die Zündfrequenz nimmt ab und die Stromaufnahme sinkt.

[0040] Bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel ergeben sich unterschiedliche Primär- und Sekundärkreisfrequenzen.

[0041] Bei geeigneter Schaltungsdimensionierung beträgt z.B. die Primärfreilaufkreisfrequenz ungefähr 18 kHz und die Sekun­därkreisfrequenz:
43,5 kHz bei offenem Primärkreis und
60 kHz bei kurzgeschlossenem Primärkeis.

[0042] Die Grundfrequenz mit Zündkerzenabschluß beträgt ungefähr 20 kHz bei einer Brennspannung von 900 Vss.

[0043] Damit unmittelbar nach dem Einschaltsignal der Steuer- und Regelschaltung die Hochspannung an der Zündkerze in voller Höhe zur Verfügung steht, ist es von Vorteil wenn für eine definierte Zeitdauer der Drainstrom I_D durch die Drain-­Source-Strecke des Transistors T30 größer ist als im vollständig eingeschwungenen Zustand. Um dies zu erreichen, wird bei der Schaltung gemäß Figur 7 mittels eines bistabi­len Flip-Flops FF1, das das Gate des Transistors T40 an­steuert, der Ist-Meßwert der drainstromproportinalen Span­nung am Punkt C reduziert. Die Stromamplitude wird durch den Widerstand R40 so eingestellt, daß die gespeicherte Energie in der Primärinduktivität L1 ausreichend groß ist, um die beim Einschalten noch nicht vorhandene Restenergie im Aus­gangskreis zu ersetzen. Hierdurch wird die maximale Hoch­spannung U_H schon während der ersten Schwingungsperiode erreicht.

[0044] Das Flip-Flop FF1 kann durch die negative Flanke (Rückflan­ke) des ersten Stromimpulses zurückgesetzt werden. Das Zurücksetzen des Flip-Flops FF1 kann aber auch davon abhän­gig gemacht werden, ob eine Zündung erfolgt ist oder nicht. Die Information hierfür kann z.B. aus den sich ändernden Frequenzen abgeleitet werden.

[0045] Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in Figur 8 dargestellt ist, kann mittels eines zusätzlichen monostabilen Flip-Flops FF2, bewirkt werden. daß das bista­bile Flip-Flop FF1 nur während der Zeitdauer zurückgesetzt werden kann, in der der Transistorstrom I_D fließen würde, vorausgesetzt, daß eine Zündung erfolgt wäre. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß bei sehr stark verschmutzten Zündkerzen die Zündspannung U_H weiter ansteigt, wodurch eine Spannungsreserve für stark abgenutzte und verschmutzte Zündkerzen bereitgestellt ist.

[0046] Den Gesamtaufbau einer Zündendstufe (s. Figur 9) mit einem Zündmodul IZM mit integrierter Schaltung und einer Zündspule ZSP zeigt Figur 9. Die vollständige Schaltung des Zündmo­duls mit einem hohen Integrationsgrad erlaubt dabei eine kostengünstige Herstellung und eine hohe Betriebssicherheit.

[0047] Die im Zusammenwirken mit den oben erläuterten Zündendstufen vorteilhaft einzusetzende Miniaturzündspule ist in den Figuren 10 und 11a - 11c im einzelnen dargestellt. Die Miniaturzündspule besteht aus drei Einzelkomponenten, näm­lich dem Spulenkörper 20, dem Spulenkern 22 und dem Spulen­gehäuse 24. Der Spulenkörper 20 weist eine zylindrische Grundform auf, an deren einer Endfläche eine Steckbuchse 26 einstückig angesetzt ist. Diese Steckbuchse 26 ist von einer als Schutzkappe wirkenden umlaufenden Zylinderwandung 28 umgeben und bewirkt einen kraftschlüssigen und paßgenauen Sitz auf der Zündkerze.

[0048] Auf der Mantelfläche 29 des Spulenkörpers 20 sind durch mehrere umlaufende Segmentrippen einzelne Kammersegmente 30a bis 30g, 32 gebildet. Vorzugsweise nimmt das Kammersegment 32 mit dem größten Kammerrippenabstand 1 die Spulenwicklung der niederimpedanten Primärkreisspule auf, da der Primär­kreis mit größeren Toleranzen beim Wickelaufbau ausgeführt und zwecks einer besseren Raumnutzung kammerlos gestaltet werden kann. In die abstandskleineren Kammersegmente 30a bis 30g ist vorzugsweise die Spulenwicklung der hochohmigen Sekundärspule eingebracht. Ein Vorteil dieser Kammerwickel­technik des Sekundärkreises ist, daß eine höhere Spannungs­festigkeit erzielt wird und geringere Wicklungstoleranzen leichter herzustellen sind. Die Leitungsanschlüsse 34 für den Primärkreis sind endseitig aus dem Spulenkörper 20 herausgeführt.

[0049] Zur Aufnahme des Spulenkerns 22 weist der Spulenkörper 20 eine konzentrische Bohrung 33 auf (siehe Figur 11c).

[0050] Der Spulenkern 22 ist pilz- bzw. T-förmig ausgeführt. Diese Form erlaubt einerseits eine einfache Montage und bewirkt andererseits eine magnetische Abschirmung und Erhöhung der Güte des Primärkreises. Der Spulenkern 22 besteht vorzugs­weise aus Ferrit, das vorteilhaft bis zu einer Temperatur von 200° C keine Sättigungserscheinungen zeigt.

[0051] Zur Fixierung des Spulenkerns 22 im Spulenkörper und zum Schutz der Spulenwindungen ist das Spulengehäuse 24 für den Spulenkörper 20 mit eingesetztem Spulenkern 22 (s. Figur 11a) kappen- bzw. topfförmig ausgeführt. Zum Schutz der elektrischen Zuleitungen gegen mechanische Beanspruchungen ist an das Spulengehäuse 24 an seinem oberen Deckel ein Rohrstutzen 36 angesetzt.

[0052] In der endmontierten Form (siehe Figur 10) ist der Spulen­körper mit dem Spulengehäuse 24 wasserdicht vergossen, womit vorteilhaft die Korrosionsfestigkeit erhöht wird. Die Ver­gußmasse 38 erstreckt sich vorzugsweise über die die Sekun­därwindungen aufnehmenden Kammersegmente 30a bis 30g. Das verwendete Vergußmaterial besteht vorzugsweise aus Silikon. Für das Spulengehäuse 24 eignet sich Plastoferrit, das z.B. mit Leitruß angereichert ist, wodurch eine magnetische und elektrostatische Abschirmung gegenüber äußeren elektromagne­tischen Feldern bewirkt wird. Insgesamt erlaubt der einfache Aufbau der Zündspule 22 eine kostengünstige Fertigung und das geringe Volumen der Zündspule 22 eine Plazierung unmit­telbar auf den Zündkerzen, was die Betriebssicherheit der Zündanlage erhöht und eine geringe HF-Störung zur Folge hat.

[0053] Zur Triggerung einzelner Zündwege wird die Winkelposition einer Kurbel- bzw. Nockenwelle mittels einer fest mit diesen verbundenen Codierscheibe 40, 42 wie in Fig. 12 bzw. Fig. 13 dargestellt, bestimmt. Fig. 12 zeigt einen Code, der zur Triggerung von 3 Zündwegen verwendet werden kann. Der Binär­code der radial angeordneten Codierspuren 44a, b, c wird mittels eines induktiven Sensors 46 ausgelesen und in der Elektronik 48 ausgewertet. Diese Elektronik stellt an ihrem Ausgang 50 die für die einzelnen Zündwege erforderlichen Triggersignale zur Verfügung. Der Code ist zweckmäßigerweise in seiner Phasenlage für die höchste Motorendrehzahl ausge­legt, so daß die nachgeschaltete Elektronik 48 in Abhängig­keit von der Drehzahl das Triggersignal den Zündendstufen verzögert zuführt.

[0054] Eine volldigitale Schaltung, bei der die Auswertung der Zündphase direkt mittels eines Bordcomputers 52 stattfindet, ist in Fig. 13 dargestellt. Das Codemuster 53 ist auf der Mantelfläche 42 des drehfest z. B. mit der Nockenwelle verbundenen Coderades angeordnet. Als Code ist vorzugsweise ein 10-Bit-Gray-Code verwendet, der z. B. von einem indukti­ven Multifunktionssensor 54 bzw. von einer optischen Abtast­vorrichtung ausgelesen wird. Die Signale werden in einer nachgeschalteten integrierten Elektronik 52 z.B. einem Bordcomputer zur Positionsbestimmung z. B. einzelner Kolben­stellungen ausgewertet. Diese Information wird zur Trigge­rung der einzelnen Zündendstufen, sowie zur Dosierung und zur gesteuerten Direkteinspritzung des Treibstoffgemisches in die Zylinderräume benutzt.

[0055] Mittels einer derartigen Codierscheibe kann die Absolutposi­tion der Kurbel- bzw. Nockenwelle bereits statisch, also im Ruhestand, bestimmt werden, was den Anlauf (Start) der Verbrennungsmaschine aus dem Ruhezustand unter Verzicht auf eine elektrische Starterreinrichtung (Anlasser) möglich macht.

[0056] Die Spannungs- und Stromversorgung elektrischer Geräte kann mittels eines Schaltnetzteils (DC-DC-Wandler) erfolgen. Die Schaltungsanordnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels ist in Fig. 14 dargestellt. Dabei handelt es sich um eine bekannte Schaltungsanordnung eines sekundär geregelten Eintaktsperrwandlers.

Ansprüche

1. Zündsystem für eine Verbrennungskraftmaschine, minde­stens bestehend aus einer Gleichspannungsquelle, einer Zündspule mit Primär- und Sekundärwicklung, einem steu­erbaren Halbleiterschalter zwischen Zündspule und Span­nungsquelle und einer im Stromkreis der Sekundärwicklung angeordneten Zündkerze, wobei die Primärwicklung mit einem Kondensator einen ersten Schwingkreis, den Primär­kreis, und die Sekundärwicklung mit ihrer Wicklungskapa­zität und der Zündkerzenkapazität einen zweiten Schwing­kreis, den Sekundärkreis, zur Erzeugung eines bipolaren Zündstroms während der Zündphase bilden, und ferner bestehend aus einer triggerbaren Steuer- und Regelschal­tung zur Steuerung des Halbleiterschalters, dadurch gekennzeichnet, daß Primär- und Sekundärkreis nach Art eines Bandfilters bei nicht erfolgter Zündung überkri­tisch und nach erfolgter Zündung lose gekoppelt sind, daß parallel zum Kondensator des Primärkreises eine Energierückgewinnungsdiode angeordnet ist und daß der Primärkreis derart dimensioniert und von der Steuer- und Regelschaltung derart gesteuert ist, daß er im stromkon­trollierten Sperr- und Durchflußwandlerbetrieb arbeitet.

2. Zündsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (P1) in Serie zu einem Schwingkreis­kondensator (C1), einer Energierückgewinnungsiode (D1), einem Transistor (TR1) und einem Strombegrenzungswider­ stand (R1) liegt, daß der Transistor (TR1) drainseitig mit der Kathode der Diode (D1) und dem Kondensator (C1) und sourceseitig mit dem Widerstand (R1) und einer Zuleitung (10) mit der Steuer- und Regelschaltung (2) verbunden ist, daß die Primärwicklung (S1) der Zündspule mit der Sekundärwicklung (S1) elektrisch leitend verbun­den ist, daß die Sekundärwicklung (S1) in Serie zur Zündkerzenkapazität (Z1) liegt, daß die Primärwicklung (P1) über eine Zuleitung (8) mit einer Spannungsversor­gung und der Steuer- und Regelschaltung (2) verbunden ist und daß die Steuer- und Regelschaltung (2) einen Triggereingang (4) aufweist.

3. Zündsystem nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Primärwicklung (P2) und Sekundärwick­lung (S2) der Zündspule nur induktiv gekoppelt sind.

4. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (S2) der Zündspule in Serie zu einer ersten Zündkerzenkapazi­tät (Z1) und einer zweiten Zündkerzenkapazität (Z2) liegt.

5. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündendstufe ein Zündmo­dul (ZM3) aufweist, das mindestens einen Verstärker (OP4), einen Transistor (T30), eine in den Transistor (T30) integrierte Energierückgewinnungsdiode, eine Zündspule (SP30), eine Primärkreiskapazität (C33) und vier Widerstände (R34, R35, R36, R37) ) aufweist, wobei der Eingang (-) des Verstärkers (OP4) in Serie mit der Diode (D28) und mit einer Ansteuerleitung (A) verbunden ist, wobei der Ausgang des Verstärkers (OP4) über eine Treiberstufe das Gate des Transistors (T30) ansteuert und die Drain-Source-Strecke des Transistors (T30) in Serie zu der Primärwicklung (L1) und dem Widerstand (R37) liegt, daß der Transistor (T30) sourceseitig über den zueinander in Serie liegenden Widerständen (R34 und R35) mit dem invertierenden Eingang (-) des Verstärkers (OP4) und der Kathode der Diode (D28) verbunden ist, daß der Transistor (T30) drainseitig mit der Spulenwicklung (L1) mit der Kapazität (C33) und dem mit der internen Energierücklieferungsdiode verbundenen Widerstand (R36) verbunden ist und daß die Sekundärwicklung (L2) der Zündspule (SP30) in Serie mit zwei Zündkerzen verbunden ist.

6. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R34) und der Widerstand (R35) gemeinsam mit einem zu der Drain-­Source-Strecke eines Transistors (T40) in Serie liegen­den Widerstands (R40) verbunden sind, daß der Transistor (T40) sourceseitig an Masse liegt und daß das Gate des Transistors (T40) über einen Widerstand (R41) von dem Ausgang eines Flip-Flops (FF1) ansteuerbar ist und dessen Ansteuereingang (S) über eine Diode (D30) mit dem Ausgang eines invertierenden Verstärkers (IC28) verbun­den ist, daß der Rücksetzeingang (R) des Flip-Flops (FF1) mit der Sourceseite des Transistors (T30) über einen Verstärker verbunden ist und daß das Flip-Flop (FF1) den Transistor (T40) derart ansteuert, daß dieser über seine Drain-Source-Strecke mit dem Widerstand (R40) leitend wird, wodurch die elektrische Leistungsabgabe in den Primärkreis erhöht wird.

7. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rücksetzeingang des Flip-Flops (FF1) von dem Ausgang eines UND-Bausteins (UN1) angesteuert wird, wobei der Eingang (E1) des UND-Bausteins (UN1) von dem Ausgang eines monostabilen Flip-Flops (FF2) und der zweite Eingang (E2) des UND-­Bausteins (UN1) mit dem Eingang des monostabilen Flip-­Flops (FF2) und der Sourceseite des Transistors (T30) über einen Verstärker derart verbunden ist, daß das bistabile Flip-Flop (FF1) in Abhängigkeit vom Drainstrom (I_D) des Transistors (T30) rücksetzbar ist.

8. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenndauer des Zünd­stromes bei Erhöhung der Drehzahl der Verbrennungsma­schine verringerbar ist.

9. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündstromfrequenz vor­zugsweise größer als 16 kHz ist.

10. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte selbstschwingen­de Zündendstufe aus einem integrierten Schaltungsaufbau (IZM) und einer Miniaturzündspule (ZSP) besteht.

11. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündspule vorzugsweise aus einem einstückig gefertigten Spulenkörper (20), einem einstückig gefertigten Spulenkern (22) und einem einstückig gefertigtem Spulengehäuse (24) besteht.

12. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkern (22) pilz­förmig ist.

13. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkörper (20) mit dem Spulengehäuse (24) durch eine Vergußmasse (38) verbunden ist.

14. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkörper (20) vor­zugsweise im Bereich der Sekundärwicklung mit Verguß­masse (38) vergossen ist.

15. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Vergußmasse (38) Silikon ist.

16. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulengehäuse (24) aus Plastoferrit besteht.

17. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Plastoferrit mit Leitruß angereichert ist.

18. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (1) des Kammer­segmentes (32) für die Primärwicklung größer ist als die Breite (k) der Kammersegmente (30a - 30g) für die Sekun­därwicklung.

19. Zündsystem insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei welchem Zündzeitpunkt und -dauer aus der Rota­tionsgeschwindigkeit und/oder der Winkelstellung von Kurbel- bzw. Nockenwelle hergeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Nocken- bzw. Kurbelwelle ein Rad (40, 42) drehfest verbunden ist, dessen Oberfläche einen die Winkelstellung eindeutig identifizierenden Code (44a, b, c) trägt, der von einem Sensor (46, 54) abgetastet und mittels einer elektronischen Schaltung (48, 52) in die Zündung steuernde Signale umgewandelt wird.

20. Zündsystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Code nichtlinear ausgeführt ist, wobei die Bereiche hoher Codeauflösung den Bereichen der oberen Totpunkte der Kolben zugeordnet sind.

21. Zündsystem nach Anspruch 19 und/oder 20, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Code ein 1-schrittiger Gray-Code (53) ist.

22. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Teil der elektrischen Versorgung eines Kraftfahrzeuges ein Strom- und Spannungsumformer (UF1) verwendet wird.

23. Zündsystem nach mindestens einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs- bzw. Stromumformer (UF1) Eingangsspannungen im Bereich 6 Volt - 18 Volt und stabilisierte Ausgangsspannungen angepaßt an die Bedürfnisse der elektrischen Verbraucher, insbe­sondere in einem Bereich von 5 Volt - 300 Volt, auf­weist.

Zeichnung