[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündanlage gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
[0002] Bei der Konzipierung einer Zündanlage ist es Grundziel, Funken mit möglichst hoher
Zündfähigkeit zu erreichen. Der Gesichtspunkt hoher Zündfähigkeit gewinnt vor allem
an Bedeutung im Zusammenhang mit den heute zur Kraftstoffeinsparung in Entwicklung
befindlichen Magerbetriebsmotoren, die zündunwillige und recht träge reagierende Kraftstoff-Luftgemische
(Lambda)1,4) verwenden, und mit dem Einsatz von Abgaskatalysatoren, die Zündaussetzer
nur in beschränktem Umfang vertragen, weil in den Katalysator gelangender unverbrannter
Kraftstoff zu einem Verbrennen des Katalysators führen kann.
[0003] Bei Verwendung eines Hochspannungsspeicherkondensators und einer Vorfunkenstrecke
in Verbindung mit der eigentlichen Zündkerzenfunkenstrecke (DE-QS 28 10 159) hat sich
eine Möglichkeit zu energiereichen Zündfunken geöffnet, die darüber hinaus den wesentlichen
Teil ihrer Energie, was günstig ist; im sogenannten Funkenkopf, also in der Durchbruchsphase,
umsetzen. Allerdings muß bei einer solchen Anordnung in Form des Speicherkondensators
ein Kondensator hoher Kapazität auf im wesentlichen die Zündspannung aufgeladen werden,
was mit herkömmlichen Transistorzündsystemen aufgrund ihres schlechten Wirkungsgrades
oder auch bei Hochspannungskondensatorzündsystemen mit an sich gutem Wirkungsgrad
aber geringer Leistung bei vertretbarer Bela-
st
ung der primären Energiequelle (Batterie, Lichtmaschine) praktisch nicht möglich ist.
Dies liegt vor allem an Verlusten in der Zündspule und im Hochspannungszündverteiler,
durch den die Sekundärseite der Zündspule auf den jeweiligen Zündstrang geschaltet
wird.
[0004] Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine Zündanlage zu schaffen,
welche ohne Verstärkung bzw. zusätzliche Belastung der primären Energiequelle in.der
Lage ist, zuverlässig die geforderte Zündspannung bei gleichzeitig energiereichem
Zündfunken zu liefern.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Zündanlage, wie sie in Anspruch
1 gekennzeichnet ist.
[0006] Die Verwendung des induktivitätsarmen Hochspannungswandlers in der Vielfachheit der
Zündstränge und der damit verbundene Verzicht auf einen hochspannungsseitigen Zündverteiler
trägt entscheidend dazu bei, daß die Energie verlustarm und äußerst rasch aus dem
Mittelspannungsspeicherkondensator, auf den die primäre Energiequelle über den Mittelspannungswandler
arbeitet, in den Hochspannungs-Speicherkondensator umgeladen wird. Die Kapazität des
Hochspannungs-Speicherkondensators kann dabei ohne Verlust an Aufladesicherheit so
hoch gewählt werden, daß auch nach dem Durchschlagen der Vorfunkenstrecke, wenn also
Speicherkapazität und Zündkerzenkapazität parallel liegen, die Spannung an der Zündkerzenfunkenstrecke
noch so hoch ist, daß sie für alle Betriebszustände an der Zündkerzenfunkenstrecke
ausreicht.. Typisch sind bei einer Zündkerzeneigenkapazität von ca. 20 pF Werte der
Größenordnung 300 pF für den Hochspannungsspeicherkondensator.
[0007] Die Vorfunkenstrecke stellt einen Schalter dar, der mit Erreichen der Durchbruchsspannung
schlagartig ins Niederohmige übergeht, wobei Induktivitätsarmut und Niederohmigkeit
des gesamten Zündstranges einschließlich des die hohe Spannung erzeugenden Spannungswandlers
dafür sorgen, daß sich Spannungsanstiege and der Zündfunkenstrecke von der Größenordnung
100 kV/µs erreichen lassen. Dadurch geht der größte Teil der in der Zündkerzenfunkenstrecke
umgesetzten Energie in den Plasmaaufbau und damit in das zu zündende Gemisch.
[0008] Die für die einzelnen Zündstränge geforderte Niederohmigkeit und Induktivitätsarmut
schließt die Schaltelemente, welche den Mittelspannungsspeicherkondensator auf die
einzelnen Zündstränge schalten, mit ein. Vorzugsweise werden hierfür Thyristoren eingesetzt,
die sich leicht zeitrichtig aufsteuern lassen und von selbst rasch wieder sperren.
Für den Mittelspannungswandler, auf den die primäre Niedergleichspannungsquelle arbeitet
ist vorzugsweise ein Sperrschwinger vorgesehen. Er ist kurzschlußfest, relativ verlustfrei
baubar, läßt sich optimal in der Leistung anpassen und hat einen ausreichend schnellen
Spannungsanstieg. Der Mittelspannungsspeicherkondensator,auf den der Spannungswandler
arbeitet wird vorzugsweise auf eine Spannung der Größenordnung von 700 V aufgeladen
und hat eine Kapazität der Größenordnung von 1,5 µF. Damit läßt sich der hochspannungsseitige
Speicherkondensator bei einer Kapazität der Größenordnung von 300 pF auf Spannungswerte
von etwa 30 kV aufladen. Eine derart verlustfreie Übertragung hat sich mit herkömmlichen
Zündspulen hoher Induktivität und mit einer Zündverteilung auf der Hochspannungsseite
als unmöglich erwiesen.
[0009] Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Auf
dieser zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Zündanlage eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors,
Fig. 2 das Schaltbild wesentlicher Teile der Fig. 1 im einzelnen, und
Fig. 3 das Schaltbild auf der Sekundärseite des Hochspannungswandlers.
[0010] Gemäß Fig. 1 wird ausgehend von einer Spannungsquelle in Form einer Lichtmaschine
12 oder einer Batterie 11 über ein Trennglied in Form eines Schalters ein Spannungswandler
2 in Form eines Sperrschwingers mit einer für diese Spannungsquellen typischen Spannung,
also zum Beispiel 12 V oder weniger, beaufschlagt. Der Sperrschwinger 2 lädt einen
Mittelspannungsenergiespeicher 1 in Form etwa eines Folienkondensators etwa einer
Kapazität von 1,5
9F auf eine Spannung etwa von 700 V auf. Hinter diesem
Mittelspannungsen- ergiespeicher 1 verzweigt sich die Schaltung in parallele untereinander
gleich aufgebaute Zweige entsprechend der Vielfachheit der zu zündenden Einheiten,
d.h. Zündkerzen bzw. Zylinder. Am Ausgang des Mittelspannungsenergiespeichers 1 liegen
ansteuerbare Trennglieder, vorzugsweise schnelle Thyristoren, 3a, 3b, 3c, 3d, ...
in der Vielfachheit der vorgesehenen Zündstränge parallel. Ein jeder solcher Zündstrang
besteht aus einem Hochspannungswandler 4x (x = a, b, c, ...) in Form eines möglichst
induktivitätsarmen und ohmsch, dielektrisch und magnetisch besonders verlustarmen
Transformators mit hohem Kopplungsfaktor, einem Hochspannunqsenergiespeicher 5x in
Form etwa eines Keramikkondensators etwa einer Kapazität der Größenordnung zwischen
200 und 400 pF, einem Trennglied 6x in Form einer druckgasgefüllten Funkenstrecke
und einem Energiespeicher 7x mit Energiewandler 8x in Form der Zündkerzeneigenkapazität
bzw. der Zündkerzenfunkenstrecke.
[0011] Ein bevorzugter Aufbau eines Zündstranges 4x bis 8x ist in Fig. 3 dargestellt. An
den Hochspannungsausgang des Transformators 4x ist der Hochspannungsspeicherkondensator
5x angeschlossen. Ihm parallel liegt die Reihenschaltung aus Vorfunkenstrecke 6x und
Zündkerzenkapazität 7x mit Zündfunkenstrecke 8x. Die Zündkerzenkapazität beträgt typischerweise
ca. 20 pF. Damit vor dem Durchschlagen der Vorfunkenstrecke 6x die vom Transformator
4x erzeugt Spannung im wesentlichen wirklich an der Vorfunkenstrecke 6x abfällt, muß
die Kapazität dieser Vorfunkenstrecke klein gegen die Zündkerzenkapazität 7x gewählt
werden, sie ist vorzugsweise also von der Größenordnung 2 pF. Der Speicherkondensator
5x wiederum muß mit seiner Kapazität so hoch liegen, daß nach dem Durchschalten der
Vorfunkenstrecke, wenn also die Kapazität des Speicherkondensators 5x und die Zündkerzenkapazität
7x parallel liegen, die Gesamtkapazität weiterhin im wesentlichen durch die Kapazität
des Speicherkondensators 5x bestimmt wird. Daraus resultieren Kapazitätswerte für
den Speicherkondensator der Größenordnung 100 pF, d.h. 200 bis 400 pF. Dadurch läßt
sich erreichen, daß die Spannung an der Zündkerzenfunkenstrecke 8x nach dem Durchschalten
der Vorfunkenstrecke 6x nicht wesentlich unter die Spannung absinkt, auf die der Speicherkondensator
5x aufgeladen worden ist. Der angestrebte Wert für diese Spannung ist von der Größenordnung
30 kV.
[0012] Die Erzeugung einer Spannung der Größenordnung von 30 kV an einer Kapazität von der
Größenordnung einiger hundert pF ohne zusätzliche Belastung der primären Energiequelle
also Batterie bzw. Lichtmaschine, wird durch die Verwendung derverlust-und induktivitätsarmen
Hochspannungstransformatoren 4x in Verbindung mit dem Verzicht auf eine Zündverteilung
auf der Hochspannungsseite und deren Ersatz durch die Trennglieder 3x auf der Niederspannungsseite
der Transformatoren 4x in der Vielfachheit dieser Transformatoren erreicht.
[0013] Besonders geeignete Werte für den Hochspannungstransformator sind von der Größenordnung
150 µH Induktivität, 350 mΩ Widerstand primärseitig in Verbindung mit 350 mH Induktivität,
180 Ω Widerstand sekundärseitig. Für geringe Kernverluste sorgt ein Ferritkernmaterial.
[0014] Die Induktivitätsarmut des Hochspannungstransformators 4x führt zu äußerst raschen
Umladevorgängen aus dem Mittelspannungsspeicherkondensator in den gerade aufgeschalteten
Hochspannungsspeicherkondensator 5x, was in Verbindung mit dem dadurch begünstigten
raschen Durchschlagen der Vorfunkenstrecke 6x Spannungsanstiege von der Größenordnung
100 kV/us an der Zündkerzenfunkenstrecke liefert. Dies begünstigt den Energieumsatz
in der Zündfunkenstrecke 8x im Kopf des Zündfunkens, also im Nanosekundenbereich,
und trägt dazu bei, daß in der zur Verfügung stehenden Zeit über eventuelle Nebenschlüsse,
wie sie beispielsweise durch Verrußungen des Isolatorkörpers der Zündkerze gegeben
sein könnten, nur vernachläßigbar wenig Energie abfließen kann.
[0015] Die Induktivitätsarmut des Hochspannungstransformators 4x macht seine Kombination
mit dem Hochspannungsspeicherkondensator 5x bzw. dem Mittelspannungspeicherkondensator
1 zu sehr schnell schwingenden Schwingkreisen, so daß die nicht im Nanosekundenbereich
umgesetzte Energie in den Mittelspannungsspeicherkondensator zurückgeführt werden
kann. Um dies zu ermöglichen, kann antiparallel zur Schaltstrecke des zu diesem Zeitpunkt
schon sperrenden Thyristors 3x eine Diode vorgesehen sein.
[0016] Die Anforderungen an das zwischen Mittelspannungsenergiespeicher 1 und Hochspannungswandler
4x liegende Trennglied 3x bestehen vor allem darin, daß es zeitlich definiert ansteuerbar
ist, sehr schnell schaltet und im durchgeschalteten Zustand sehr niederohmig ist,
um auch hier Verluste zu vermeiden. Diese Anforderungen werden durch einen schnellen
Thyristor, wie er heute verfügbar ist, in besonders hohem Maße erfüllt.
[0017] Die Ansteuerung der Trennglieder 3x kann auf beliebige geeignete Weise erfolgen.
Als die Trennglieder 3x ansteuernder Signalwandler 9 kommt beispielsweise ein Kennfeldrechner
in Frage, der über Signalgeber 10 (Sensoren) angesteuert wird, so daß der Zündzeitpunkt
entsprechend den Motorerfordernissen, Lastzuständen usw. verstellt werden kann. Der
Signalwandler 9 kann auch ein umgebauter mechanischer Hochspannungszündverteiler ohne
Hochspannungsfunktion sein, der die Sensoren für Unterdruckverstellung, Fliehkraftverstellung,
Zylindererkennung usw. beinhaltet.
[0018] Als Mittelspannungswandler 2 wird ein Sperrschwinger bevorzugt, da er relativ verlustarm
gebaut werden kann, sich optimal in der Leistung anpassen läßt, kurzschlußfest ist
und einen ausreichend schnellen Spannungsanstieg im Millisekundenbereich bietet. Darüber
hinaus läßt er sich klein bauen. Durch Anwendung des Sperrschwingerprinzips ist es
überdies möglich, bereits ab einer Primärspannung von 3 V (extremer Kaltstart) den
Mittelspannungsenergiespeicher 1 mit einer für
'Motorstarts ausreichenden Impulsfolge von etwa 10 Hz voll aufzuladen.
[0019] In Weiterbildung des beschriebenen Prinzips kann vorgesehen sein, daß jeweils mehrere
Mittelspannungsenergiespeicher 1 unter Vorsehung entsprechender zusätzlicher Trennglieder
3x auf jeden Zündstrang einwirken. Damit lassen sich pro Zündvorgang und Zündkerze
jeweils mehrere energiereiche Funken nacheinander abwickeln. Da die Zündanlage proportional
der
Funkenfolge der Batterie bzw. Lichtmaschine Energie entnimmt, sind bis zur halben maximalen
Funkenfolge Zweifachfunken, bei einem Drittel der maximalen Zündfolge Dreifachfunken
ohne größere Belastung der Batterie oder Lichmaschine als bei der maximalen Funkenfolge
möglich.
[0020] Zeitlich aufeinanderfolgende Mehrfachfunken lassen sich auch in der Weise realisieren,
daß die zur Verfügung stehende Energie des Mittelspannungsenergiespeichers 1 in Kippschwingungen,
jeweils mit dem Energieinhalt des Hoch- spannungsener
giespeichers 5x umgewandelt wird.
[0021] Um die Niederohmigkeit der Zündanlage zu gewährleisten, ist es zweckmäßig die Anlage
kompakt und mit kurzen Leitungswegen auszubilden. Fig. 1 zeigt mehrere mögliche Schnittstellen
in der Gesamtkette mit der sich dadurch ergebenden möglichen Zusammenfassung von Teilkomponenten
in bestimmten Baueinheiten.
[0022] Fig. 2 zeigt einen Teil der Schaltung von Fig. 1 in größeren Einzelheiten. Der Signalwandler
9, etwa ein Kennfeldrechner gibt seine Ausgangssteuersignale auf die Leuchtdioden
20a, 20b, 20c, 20d, ... von Optokopplern aus, mit denen zur Unterdrückung eines Ubersprechens
von einem Zündstrang auf den anderen'der Leistungsteil von den Steuerelementen galvanisch
getrennt ist. Die Phototransistoren 21a, 21b, 21c, 21d, ... der Optokoppler geben
ihre Signale auf die Steuerelektroden der Thyristoren 3a, 3b, 3c, 3d, ..., die in
Reihe mit den Primärwicklungen der Hochspannungswandler 4a, 4b, 4c, 4d, ... liegen.
An der Reihenschaltung aus Primärwicklung des Hochspannungstransformators 4x und dem
Thyristor 3x, in der auch noch eine Entkopplungsdiode 22x vorhanden ist, liegt die
Spannung des über den Sperrschwinger 2 aus der Lichtmaschine oder Batterie auf eine
Spannung der Größenordnung einige 100 V aufgeladenen Mittelspannungskondensators 1.
Sobald der Thyristor,vom Signalwandler 9 angesteuert, durchschaltet, fließt Strom
- wegen der Induktivitätsarmut und Niederohmigkeit des Hochspannungswandlers 4x und
der Schnelligkeit des Thyristors 3x mit kurzer Anstiegszeit und hohen Spitzenstromstärken.
Der Hochspannungswandler transformiert die primärseitige Spannung dabei hoch und der
in Fig. 2 nicht mehr gezeigte Hochspannungsspeicherkondensator 5x wird mit hohem Wirkungsgrad
im Nanosekundenberich auf die gewünschte Spannung der Größenordnung von 30 kV aufgeladen.
[0023] Ist eine Rückspeisung der nicht im Nanosekundenbereich umgesetzten Energie in den
Mittelspannungsspeicherkondensator gewünscht, so entfallen die Entkopplungs-Dioden
22x und es sind antiparallel zu den Thyristoren verschaltete Dioden vorgesehen.
[0024] Zur Belegung der Wirksamkeit der beschriebenen Zündanlage wurde folgender Versuch
unternommen:
[0025] Ein
Sechszylindermotor wurde zunächst mit einer herkömmlichen Transistorzündung mit mechanischem
Hochspannungsverteiler, ergänzt um Vorfunkenstecker mit 100 pF und Vorfunkenstrecken
von 20 kV,betrieben. Dabei ergaben sich folgende Mängel:
a) Das Gemisch im Motor ist nur bedingt abmagerungsfähig, die ans Gas abgegebene Energie
von 20 mJ ist nicht ausreichend für alle Betriebszustände. Die primärseitige Leistungsaufnahme
betrug 96 W.
b) Da beim Kaltstart bis 23 kV an der Zündkerze auftreten, wird zwar durch die Vorfunkenstrecke
bis 20 kV abgesperrt, darüber steigt die Spannung an der Zündkerze aber mit normaler
Geschwindigkeit von ca. 400 V/gs an. Bei leitfähigem Belag fließt oft zuviel Energie
über den Isolatorfuß der Zündkerze ab, so daß es zu Zündaussetzern kommt.
c) Zumindest bei kaltem, innen betautem mechanischen Verteiler kommt.:es hier zuHochspannungsüberschlägen
bereits bei ca. 17 kV und damit zu Zündaussetzern.
[0026] Die Ansprechspannung der Funkenstrecken wurde dann auf 27 kV erhöht und die Kapazitäten
der Speicherkondensatoren auf 330 pF angehoben.
[0027] Mit keiner handelsüblichen, bekannten Zündung konnte diese Kombination zum Durchschalten
gebracht werden. Die Beibehaltung des Konstruktionsprinzips hätte zu einer Leistungsaufnahme
an der Batterie bzw. Lichtmaschine von 360 W geführt, was ohne Verstärkung von Batterie
bzw. Lichtmaschine nicht möglich gewesen wäre. Die Zündspule als Energiezwischenspeicher
wurde nun durch einen über einen Sperrschwinger auf 700 V aufzuladenden Kondensator
einer Kapazität von 1,5 µF ersetzt und dieser über in der Vielfachheit der Zündkerzen
niederspannungsseitig vorhandene Thyristoren und verlust- sowie induktivitätsarme
Transformatoren in die 330 pF-Hochspannungsspeicherkondensatoren umgeladen.
[0028] Damit war es dann möglich, die Kombination aus 330 pF Speicherkondensator und 27
kV Vorfunkenstrecke durchzuschalten und für jeden Motorbetriebspunkt die mindestens
23 kV an der Zündkerze als Nadelimpuls mit einer Anstiegszeit von 100 kV/µs anzubieten.
[0029] Die Anwendung der beschriebenen Zündanlage beschränkt sich nicht auf Ein- und Mehrzylinderhubkolbenmotore,
sondern kann auch bei Rotationskolbenmotoren, Gasturbinen usw. mit den verschiedensten
Kraftstoffen Diesel, Benzin,Alkohol, Äthanol, Wasserstoff, Wasserstoff-Benzin, Biogas,
Erdgas, Propan usw. bei mehr oder weniger guter Gemischaufbereitung, mehr oder weniger
abgemagert, verwendet werden.
[0030] Die günstige Energieausnützung bei der beschriebenen Zündung ermöglicht es, sie bei
reduzierter Zündenergie etwa auch für Zusatzheizungen für Kraftfahrzeuge zu verwenden.
Als primäre Energiequellen sind wegen des hohen Wirkungsgrads der Zündanlage auch
Solarzellen oder handbetriebene Dynamos vorstellbar, ebenso für Kurzzeitbetrieb leistungsfähige
Batterien, die einen Stoßstrom von z.B. 2 A bringen.
1. Zündanlage mit einem oder mehreren und dann zu einander parallel liegenden Zündsträngen,
welche eine Zündfunkenstrecke (8a, 8b, ...), eine Vorfunkenstrecke (6a, 6b, ...) und
einen bei durchgeschalteter Vorfunkenstrecke über die Zündfunkenstrecke entladbaren
Hochspannungsspeicherkondensator (5a, 5b, ...) umfassen, mit einem Hochspannungswandler
(4a, 4b, ...) zur Erzeugung einer Spannung am Hochspannungs- speicherkondensator von
der Größenordnung der Zündspannung, mit einer Niederspannungsquelle (11, 12) als Ausgangspunkt
für die Erzeugung der Zündspannung und mit einer Einrichtung zur zeitrichtigen Ansteuerung
des oder der Zündstränge, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungswandler (4a,
4b ...) mit möglichst niedrigen Induktivitäten und möglichst niedrigen ohmschen Widerständen
in der Vielfachheit der Zündstränge vorgesehen ist, daß zwischen Niederspannungsquelle
(11, 12) und dem oder den Hochspannungswandlern ein Mittelspannungswandler (2) zur
Erzeugung einer zwischen der Niederspannung und der Zündspannung liegenden Mittelspannung
und ein auf diese Mittelspannung aufzuladender Mittelspannungsspeicherkondensator
(1) vorgesehen sind, und daß zwischen dem Mittelspannungsspeicherkondensator und dem
oder den Hochspannungswandlern in der Vielfachheit der Zündstränge parallel liegende
ansteuerbare Schaltelemente (3a, 3b, ...) vorgesehen sind, welche durch die Einrichtung
zur zeitrichtigen Ansteuerung angesteuert werden.
2. Zündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß als Mittelspannungswandler
(2) ein Sperrschwinger vorgesehen ist.
- 3. Zündanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, daß Thyristoren
als die steuerbaren Schaltelemente (3a, 3b, ...) vorgesehen sind.
4. Zündanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem Thyristor (3a;
3b; ...) antiparallel eine Diode zur Rückspeisung von nicht im Nanosekundenbereich
an der Zündfunkenstrecke umgesetzter Energie in den Mittelspannungsspeicherkondensator
(1) vorgesehen ist.
5. Zündanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur zeitrichtigen
Ansteuerung durch Verwendung von Optokopplern (20a, 21a; 20b, 21b, ...) zur Signalübertragung
von den steuerbaren Schaltelementen (3a, 3b, ...) galvanisch getrennt ist.
6. Zündanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für
jeden Zündstrang mehrere Mittelspannungswandler und mehrere steuerbare Schaltelemente
vorgesehen sind, wobei die Schaltelemente eines Stranges zeitversetzt ansteuerbar
sind.