Zündsystem für Brennkraftmaschinen

Abstract

 Zündsystem für Brennkraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren, in Kraftfahrzeugen, bei dem zur Erzeugung der Zündspannung an Zündkerzen (Z₁-Z₄) ein oder mehrere Transformatoren vorgesehen sind, deren Primärwicklung(en) (P,-P₄) mit einem elektronischen Schaltkreis (SK) und deren Sekundärwicklung(en) (S₁-S₄) mit den Zündkerzen (Z₁-Z₄) verbunden sind, wobei die Ansteuerung der Primärwicklung(en) (P₁-P₄) durch einen aus einer Gleichspannungs- oder gleichgerichteten Wechselspannungsquelle gespeisten Zerhacker (T) erfolgt und an den Sekundärwicklungen (S₂-S₄) Zusatzwicklungen (S') angeordnet sind, die mit mechanischen, elektromechanischen oder elektronischen Schaltern (I bzw. p) in Reihe liegen, die mittels an geeigneter Stelle der Brennkraftmaschine angeordneter, die Zündzeit steuernder Sensoren betätigbar sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Zündsystem für Brennkraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren, in Kraftfahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Die Konstruktion von Zündsystemen für Brennkraftmaschinen muß in zunehmendem Maße auf eine gute Ver_- brennung des Kraftstoffgemisches und zwar insbesondere im Bereich niedriger Motordrehzahlen und auf magere. Kraftstoffgemisch-Zusammensetzungen abstellen, um eine gute Energieausnutzung und eine möglichst geringe Luftverschmutzung zu erhalten.

[0003] Mit den herkömmlichen Zündsystemen, bei denen die für die Zündung des Kraftstoffgemisches erforderliche Hochspannung durch Zündspulen und/oder durch kapazitive Vorrichtungen erzeugt und an den Zündkerzen ein exponentiell abnehmender Zündfunken angelegt wird, sind diese Forderungen nicht in ausreichendem Maße erfüllt.

[0004] Aus der DE-AS-28 46 425 ist ein Zündsystem bekannt, bei dem die Schaltung zwischen den primären und den sekundären Spulen durch einen einzigen magnetischen Kreis verwirklicht ist. Dabei sind eine Primärspule bzw. bei einer anderen Ausführungsform zwei mit Gleichspannung versorgte Primärspulen vorgesehen. Die Erzeugung der für die Zündung erforderlichen Hochspannung erfolgt dabei durch Unterbrechung des Stromflusses in der bzw. den Primärspulen. Dieser Vorgang ist unabhängig von der Drehzahl des Motors.

[0005] Die FR-A-2 407 362 beschreibt ein Zündsystem für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen, bei dem zur Erzeugung der Zündspannung ein oder mehrere Transformatoren vorgesehen sind, deren Sekundärwicklungen mit den Zündkerzen verbunden sind. Dabei ist (sind) die Primärwicklung (en) an einen elektronischen Schaltkreis angeschlossen und durch einen Zerhacker gesteuert und elektronische Schalter an der Sekundärseite des bzw. der Transformatoren angeordnet.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Zündsystem für Brennkraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren,in Kraftfahrzeugen anzugeben, durch welches eine hohe Spannung an den Zündkerzen erzeugt wird und bei welchem die Dauer des Zündfunkens, insbesondere im Bereich niedriger Motordrehzahlen genügend lange eingestellt werden kann.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

[0008] Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.

[0009] Die Vorteile, sowie die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Zündsystems werden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 das Prinzip eines ersten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Zündsystems,

Fig. 2 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel für das Zündsystem nach Fig. 1,

Fig. 3 in schematischer und perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel für einen Transformator eines erfindungsgemäßen Zündsystems,

Fig. 4 das Prinzip-Schaltbild eines erfindungsgemäßen Zündsystems mit einer einzelnen Sekundärwicklung,

Fig. 5 die Wirkungsweise des Zündsystems nach 'Fig. 4, dargestellt anhand eines Diagramms,

Fig. 6 das Prinzip-Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispieles für ein Zündsystem mit einem Zündverteiler,

Fig. 7 die Wirkungsweise des Zündsystems nach Fig. 6, dargestellt anhand eines Diagramms.

[0010] Fig. 1 zeigt - wie bereits erwähnt - das Grundprinzip für ein äußerst vorteilhaftes erfindungsgemäßes Steuersystem zur Zündung der Zündkerzen Z einer Brennkraftmaschine, z.B. eines Vierzylindermotors. Dabei ist jeder der Zündkerzen Z ein durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Steuerkreis versorgter Transformator mit den Primärwicklungen P und den Sekundärwicklungen S zugeordnet, die mit den Elektroden der Zündkerzen Z verbunden und entweder durch mechanische, elektromechanische oder elektronische Schalter I bzw.Q überbrückt sind. Auf die sekundärseitige Wicklung S der Transformatoren ist jeweils eine Zusatzwicklung S' aufgebracht, deren Stromkreis durch die genannten Schalter kurzgeschlossen bzw. geöffnet werden kann. Das Kurzschließen der Zusatzwicklung S' durch die Schalter I bzw. ? zieht das Verschwinden der sekundärseitigen Spannung der Wicklung S nach sich bzw. die Intensität wird soweit herabgesetzt, daß kein Zündfunken an den Zündkerzen Z gebildet wird. Hingegen gelangt bei offenen Schaltern I bzw. ? die erforderliche Zündspannung an die Elektroden der Zündkerzen Z, so daß eine ordnungsgemäße Zündung erfolgen kann. Der Vorteil dieses erfindungsgemäßen Prinzips der Erzeugung bzw. Vernichtung der sekundärseitigen Hochspannung besteht darin, daß dies ohne Beeinflussung der Primärseite P der Transformatoren geschieht.

[0011] Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird in der Zusatzwicklung S' eine Wechselspannung erzeugt, die über einen Gleichrichter D gleichgerichtet und mit Hilfe parallelgeschalteter Kondensatoren C₁ und C_2- gefiltert wird. Im Filterkreis ist zur Glättung der Wechselspannung zusätzlich ein Widerstand R_f angeordnet. Parallel zum Filterkreis liegt die Parallelschaltung eines Widerstandes R₂ mit einem Transistor T, durch welche die Steuerimpulse für den Beginn und das Ende der Zündung erzeugt werden. An der gemeinsamen Verbindung des Widerstandes R₂ und des Kollektors des Transistors T liegt eine Diode d, die über einen Strombegrenzungswiderstand R₁ mit dem positiven Pol +V der Spannungsquelle des Kraftfahrzeuges verbunden ist.

[0012] Bei gesperrtem Transistor T fällt die im Gleichrichter D erzeugte Spannung am Widerstand R₂ völlig ab; dadurch wird eine erhöhte Impedanz gebildet, so daß eine hohe Spannung an den Klemmen der Sekundärwicklung S ansteht, wodurch die Zündfunken in den Zündkerzen Z gebildet werden.

[0013] Bei durchgesteuertem Transistor T sinkt die Spannung zwischen Kollektor und Emitter und damit der Spannungsabfall am Widerstand R₂ ab, d.h. daß der Scheinwiderstand des Transistors T sehr gering ist. Damit ist die an die Kerzenklemmen zurückgeführte Impedanz niedriger als die Scheinimpedanz der Zündkerze Z und der Zündfunken erlöscht bzw. wird nicht erzeugt.

[0014] Der Strombegrenzungswiderstand R₁ und die Diode d speisen den Transistor T mit einer Spannung, wenn sowohl die Spannung an den Zündkerzen Z als auch an der Sekundär-und Zusatzwicklung S bzw. S' null ist.

[0015] Die Vorteile dieses und der sonstigen erfindungsgemäßen Zündsysteme bestehen zum Teil darin, daß die Montagezeit der Transformatoren geringer als bei den Zündsystemen bekannter Bauart ist und daß sich die Zeitdauer des Zündfunkens im Gegensatz zu den bekannten Systemen beliebig verlängern und genau fixieren läßt, wobei die Primärspule durch einen Zerhacker und somit durch die Wechselspannung angesteuert wird. Diese Ansteuerung erfolgt unabhängig von der Motordrehzahl. Die Magnetflüsse sind in allen Transformatoren gleich, wobei durch den Zündvorgang kein Einfluß auf die Primärwicklungen ausgeübt wird. Weiterhin wird der Zündfunken konstant versorgt. Die Energie des Zündfunkens läßt sich je nach Regelung durch die elektronische Steuerung beliebig verändern. Zusammengenommen erhält man damit eine verbesserte Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemisches, insbesondere bei niedrigen Motordrehzahlen.

[0016] In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Transformator dargestellt, dessen Kern 1 aus vier kreuzförmig zueinander angeordneten Jochen 2 bis 5 besteht, an deren Kreuzungspunkt ein Steg 6 mit einer Primärwicklung P mit Anschlüssen A₁ angeordnet ist. Auf den Schenkeln der Joche 2 bis 5, welche parallel zum Steg 6 sind, befinden sich Sekundärwicklungen S₂ bis S₅ mit ihren Anschlüssen A₂ bis A₅. Auf den Sekundärwicklungen S₂ bis 8₅ sind Zusatzwicklungen S'₂ bis S'_S angeordnet, welche durch in der Figur nicht dargestellte mechanische, elektromechanische oder elektronische Schalter kurzgeschlossen bzw. geöffnet werden können. Wenn diese Schalter geschlossen sind, d.h. wenn die Zusatzwicklungen S'₂ bis S'₅ kurzgeschlossen sind, liegt an den Anschlüssen A₂ bis A₅ der Sekundärwicklungen S₂ bis S₅ keine Spannung an.

[0017] Die Transformatoren sind dabei so gestaltet, beispielsweise hinsichtlich der Anzahl ihrer Windungen und ihrer Luftspalte, daß die Streuinduktivitäten den Strom in der Primärwicklung P begrenzen, wenn eine oder mehrere der Zusatzwicklungen S'₂ bis S'_S kurzgeschlossen sind.

[0018] Bei geöffneten Zusatzwicklungen S'₂ bis S'₅ kann an den Anschlüssen A₂ bis A₅ der Sekundärwicklungen S₂ bis S₅ die erforderliche Spannung abgegriffen werden.

[0019] Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel mit vier Sekundärwicklungen eignet sich beispielsweise zur Ansteuerung der Zündkerzen bei einem Kraftfahrzeug - Ottomotor, wobei die Elektroden der Zündkerzen an die Anschlüsse A₂ bis A₅ der Sekundärwicklungen S₂ bis S₅ angeschlossen sind. Durch entsprechende Steuerung der in der Figur nicht dargestellten mechanischen, elektromechanischen oder elektronischen Schalter, welche die Zusatzwicklungen S'₂ bis S'₅ kurzschließen bzw. öffnen, wird zum erforderlichen Zündzeitpunkt die benötigte Spannung an die Elektroden der Zündkerzen gelegt.

[0020] Das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht sich dabei auf einen Vierzylindermotor. Bei Motoren anderer Zylinderzahl, beispielsweise 5-, 6-, 8-, 12-Zylindermotoren ist dementsprechend jedem Zylinder eine Sekundärwicklung zugeordnet (im Beispiel 5, 6, 8, 12 Sekundärwicklungen).

[0021] In Fig. 4 ist eine Ausgestaltung des Zündsystems dargestellt, bei der ein Transformator mit einer einzigen Sekundärwicklung verwendet wird. Die Sekundärwicklung S ist mit einer Zusatzwicklung S' versehen, deren Stromkreis durch den mechanischen Schalter I oder den elektromechanischen bzw. elektronischen Umschalter kurzgeschlossen bzw. geöffnet werden kann. Durch das Kurzschließen der Zusatzwicklung S' durch die Schalter I bzw.

tritt, wie bereits ausgeführt, an der Sekundärwicklung S keine Spannung auf, bzw. wird ihre Intensität soweit herabgesetzt, daß kein Zündfunken an den Zündkerzen gebildet wird. Die Sekundärwicklung S ist über die Unterbrecher C₁ bis C_n an die Zündkerzen Z₁ bis Z gelegt.

[0022] In Fig. 5 ist die Funktion des Zündsystems nach Fig. 4 an Hand der Wirkungsweise eines Verbrennungsmotors mit zwei Zündkerzen Z₁ und Z₂ erläutert. Das obere Niveau der Kurven entspricht dabei geschlossenen Schaltern bzw. Unterbrechern und das untere geöffneten. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, sind zu Beginn des Zyklus der Schalter I bzw.

geschlossen und die Unterbrecher C₁ und C₂ geöffnet. Da der Schalter I bzw.

geschlossen ist, liegt, wie bereits ausgeführt, auch keine Spannung an der Sekundärwicklung S an. Es wird nun zuerst der Unterbrecher C₁ geschlossen und dann durch Öffnen des Schalters I bzw.

die erforderliche Spannung erzeugt, so daß die Zündung der Zündkerze Z₁ erfolgt. Der Zündfunken steht solange an der Zündkerze Z₁ an, wie der Schalter I bzw.

geöffnet ist. Nach Schließen dieses Schalters erlischt der Zündfunken an der Zündkerze Z₁ wonach der Unterbrecher C₁ geöffnet und nachfolgend der Unterbrecher C₂ geschlossen wird. Anschließend wird der Schalter I bzw.

geöffnet, so daß die Zündkerze Z₂ die erforderliche Zündspannung erhält, die solange aufrechterhalten wird, bis der Schalter I bzw.

wieder geschlossen wird. Danach, also nachdem die Spannung an der Sekundärseite S wieder verschwunden ist, wird der Unterbrecher C₂ wieder geöffnet, so daß der Zyklus von neuem beginnen kann.

[0023] Da somit Beginn und Ende des Zündvorganges nur durch den Schalter I bzw. _f bestimmt wird und die Unterbrecher C₁ bis C_n stets vorher, bzw. hinterher geschaltet werden, ist es nicht erforderlich, mechanische oder elektronische Unterbrecher einzusetzen, an die hohe Anforderungen gestellt werden. Die Kosten des erfindungsgemäßen Zündsystems nach Fig. 4 sind deshalb bedeutend niedriger, da neben der Verwendung nur noch einer einzigen Hochspannungsspule Unterbrecher verwendet werden,an die keine hohen Spannungsanforderungen gestellt werden. Die Unterbrecher C₁ bis C können beispielsweise Reed_-Reläis sein.

[0024] In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Zündsystems mit Zündverteiler dargestellt. Dabei wird ein Transformator mit Primärwicklung P und Sekundärwicklung S verwendet, die mit dem Verteilerläufer L eines Zündverteilers Zv verbunden ist. Der Verteilerläufer L bewegt sich beispielsweise in Pfeilrichtung, so daß nacheinander über die Kontakte K1 bis K₄ die Hochspannung der Sekundärwicklung S an die Zündkerzen Z₁ bis Z₄ gelangt. Fig. 6 zeigt dabei eine Zündfolge Z₁, Z₂, Z₃, Z₄. Auf der Sekundärwicklung S ist eine Zusatzwicklung S' angeordnet, die durch den Schalter I kurzgeschlossen bzw. geöffnet werden kann.

[0025] Wie aus der schematischen Darstellung in Fig. 6 ersichtlich ist, kann der Verteilerläufer L beispielsweise die Form eines umlaufenden Kreissegmentes aufweisen. Die größstmögliche Zündzeitdauer wird dabei einerseits durch die Größe des Kreissegmentes und andererseits durch die Umlaufgeschwindigkeit des Verteilerläufers L bestimmt. Wegen der in der Sekundärwicklung S erzeugten Hochspannung ist nicht unbedingt ein mechanischer Kontakt zwischen dem Verteilerläufer L und den einzelnen im Zündverteiler Zv angeordneten Kontakten K₁ bis K₄ erforderlich. Um eine möglichst gleichmäßige Zündspannung zu gewährleisten, wird man jedoch nicht den Beginn des Zündvorganges in den Zeitpunkt legen, in dem der Verteilerläufer L die Kontakte K₁ bis K₄ erreicht und das Ende des Zündvorganges mit dem Verlassen des Verteilerläufers L und den entsprechenden Kontakten K₁ bis K₄ zusammenlegen, sondern man wird eine entsprechend kleinere Zeit vorgeben.

[0026] Die Steuerung der Zündzeit, das heißt des Öffnens und Schließens des Schalters I, erfolgt durch in der Figur nicht dargestellte Sensoren, welche an geeigneten Stellen des Motors angeordnet sind. Vorzugsweise werden dafür kontaktlose Geber verwendet, wie beispielsweise Induktionsgeber, Feldplattengeber, lichtelektrische Geber usw.

[0027] In Fig. 7 ist die Funktion des erfindungsgemäßen Zündsystems nach Fig. 6 anhand der Wirkungsweise eines Verbrennungsmotors mit vier Zündkerzen Z₁ bis Z 4 erklärt, wobei die Zündfolge dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht.

[0028] Mit A sind die Signale der Sensoren, bzw. Geber bezeichnet, durch welche der Schalter I den Befehl zum Öffnen bzw. Schließen erhält. Der Beginn und das Ende der Zündzeit in B, wo die Funktion des Schalters I dargestellt ist, sind mit t_a und t_e bezeichnet. Beim Öffnen des Schalters I wird in der Sekundärspule S die erforderliche Hochspannung erzeugt, so daß ein Zündfunken an den Zündkerzen Z₁ bis Z₄ erzeugt wird. In den Zünddiagrammen gemäß Fig. 7 ist bei Z₁ bis Z₄ gestrichelt die Zeit angegeben, zu welcher sich das Segment des Verteilerläufers L im Bereich der Kontakte K₁ bis K₄ befindet. Der Fig. 7 ist zu entnehmen, daß die Zündzeit kürzer als diese Zeit ist. Daraus ist ersichtlich, daß durch Vergrößern des Kreissegments des Verteilerläufers L eine gewünschte Verlängerung der Zündzeitdauer ermöglicht wird.

[0029] Beim Diagramm nach Fig. 7 ist lediglich bei A das Signal eines Sensors bzw. Gebers zur Steuerung des Schalters I dargestellt. Es können'jedoch zur Steuerung des Schalters I auch mehrere Sensoren verwendet werden, welche beispielsweise für die Gaspedalstellung, die momentane Geschwindigkeit des Fahrzeugs, den Unterdruck im Saugrohr, die Motortemperatur usw. die erforderlichen Informationen liefern.

Ansprüche

1. Zündsystem für Brennkraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren, in Kraftfahrzeugen, bei dem zur Erzeugung der Zündspannung an Zündkerzen ein oder mehrere_' Transformatoren vorgesehen sind, deren Primärwicklung (en) (P₁ - P₄) mit einem elektronischen Schaltkreis (SK) und deren Sekundärwicklung (en) (S₁ - S₄) mit den Zündkerzen (Z₁ - Z₄) verbunden sind,
dadurch ekennzeichnet,
daß die Ansteuerung der Primärwicklung (en) (P₁ - P₄) durch einen aus einer Gleichspannungs= oder gleichgerichteten Wechselspannungsquelle gespeisten Zerhacker (T) erfolgt, und daß an den Sekundärwicklungen (S₂ - S₄) Zusatzwicklungen (S') angeordnet sind, die mit mechanischen, elektromechanischen oder elektronischen Schaltern (I bzw. 9 ) in Reihe liegen, die mittels, an geeigneter Stelle der Brennkraftmaschine angeordneter, die Zündzeit steuernder Sensoren betätigbar sind.

2. Zündsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transformator mit auf einem magnetischen Kern (1) angeordneter Primär-und Sekundärwicklung vorgesehen ist, dessen Kern (1) derart ausgebildet ist, daß einer Primärwicklung mehrere Sekundärwicklungen zugeordnet sind.

3. Zündsystem nach Anspruch 2, dadurch ge- kennzeichnet, daß der Kern (1) des Transformators aus Ferritmaterial besteht.

4. Zündsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (1) des Transformators aus vier kreuzförmig zueinander angeordneten Jochen (2,3,4,5) besteht, die an ihrem Kreuzungspunkt durch einen Steg (6) miteinander verbunden sind, und daß auf dem Steg (6) die Primärspule (P) und auf den Jochen (2, 3, 4, 5) die Sekundärspulen (S₂, S₃, S₄, S₅) angeordnet sind, die mit Zusatzwicklungen (S'₂, S'₃, S'₄, S'₅) gekoppelt sind, die mit mechanischen, elektromechanischen oder elektronischen Schaltern (I bzw.

) in Reihe liegen.

5. Zündsystem nach Anspruch 1, gekennzeich-net durch einen Transformator mit einer einzelnen, mit einer Zusatzwicklung (S') gekoppelten Sekundärwicklung (S), die über in Reihe zu jeder Zündkerze (Z₁ bis Z ) angeordnete mechanische oder elektronische _Unt_erbrecher (_C1 bis C_n) mit den Zündkerzen (Z₁ bis Z_n) verbunden ist.

6. Zündsystem nach Anspruch 5, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Unterbrecher (C₁ bis C_n) als Reed-Relais ausgebildet sind.

7. Zündsystem nach Anspruch 1, gekenn- zeichnet durch einen Transformator mit einer einzelnen, mit einer Zusatzwicklung (S') gekoppelten Sekundärwicklung (S), die über einen Verteilerläufer (L) eines Zündverteilers (Zv) an den Zündkerzen (Z₁-Z₄) liegt.

Zeichnung