Stand der Technik
[0001] Die Erfindung betrifft ein induktives Spulenzündsystem für einen Motor, mit zumindest
einer Zündspule, die eine von einer Spannungsquelle gespeiste, zwei Anschlüsse aufweisende
Primärwicklung und eine ebenfalls zwei Anschlüsse aufweisende Sekundärwicklung umfaßt.
[0002] Induktive Spulenzündsysteme für Motoren, insbesondere Kfz-Motoren sind allgemein
bekannt. Die in solchen Systemen eingesetzte Zündspule weist eine Primärwicklung auf,
die periodisch mit einem Primärstrom beaufschlagt wird. Dieser Strom dient zum Aufbau
eines Magnetfelds in der Spule, das als Energiespeicher dienen soll. Zum gewünschten
Zündzeitpunkt wird der Primärstrom unterbrochen. Die im Magnetfeld gespeicherte Energie
sorgt dann für einen steilen Anstieg der Spannung an der Sekundärwicklung mit dem
Ergebnis eines Funkenüberschlags in der Zündkerze und einem entsprechend steilen Anstieg
des Sekundärstroms. Die in der Spule gespeicherte magnetische Energie fließt stetig
als elektrische Energie in den Funken ab.
[0003] Bei modernen Zündsystemen besteht heutzutage die Forderung, möglichst genau verbrennungsspezifische
Parameter zu messen und anhand dessen die Zündung zu optimieren. Ein aus dem Stand
der Technik bekanntes Verfahren zur Ermittlung solcher Verbrennungsparameter ist in
dem Ionenstrom-Meßverfahren zu sehen.
[0004] Da das Ionenstrom-Meßverfahren einen erloschenen Zündfunken erfordert, ist es bei
den bekannten Zündsystemen, bei denen der Sekundärstrom langsam abklingt, nicht einsetzbar.
Zur Erfassung beispielsweise der Klopfneigung eines Motors sind vielmehr andere aufwendigere
Meßsysteme notwendig.
Vorteile der Erfindung
[0005] Das induktive Spulenzündsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber
den Vorteil, daß es den Einsatz eines Ionenstrom-Meßverfahrens ermöglicht, so daß
eine kostengünstige Gesamtlösung erreichbar ist. Dadurch, daß eine parallel zur Primärwicklung
angeordnete Schaltvorrichtung zu einem vorbestimmbaren Zeitpunkt die beiden Anschlüsse
der Primärwicklung elektrisch verbindet, wird die magnetische Energie in der Spule
über die Primärwicklung abgebaut, so daß der Sekundärstrom abrupt abfällt. Bedingt
durch diesen Stromabfall erlischt der Zündfunke, so daß unmittelbar danach eine Ionenstrom-Messung
möglich ist. Das parallel zur Primärwicklung angeordnete Schaltelement wird über einen
Steuereingang von einem in einer speziellen Ansteuerschaltung erzeugten Steuersignal
angesteuert.
[0006] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.
Zeichnungen
[0007] Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen
näher beschrieben. Dabei zeigen:
- Figur 1
- ein Schaltbild eines induktiven Spulen zündsystems mit einer Ionenstrom-Meßvorrichtung;
- Figur 2
- ein Diagramm der Spannungs- und Stromverläufe, und
- Figur 3
- ein zweites Ausführungsbeispiel eines induktiven Spulenzündsystems.
Ausführungsbeispiele
[0008] Figur 1 zeigt ein induktives Spulenzündsystem 1, das zur Ansteuerung einer Zündkerze
3 dient, die beispielsweise einem Zylinder eines Kfz-Motors zugeordnet ist. Wesentlicher
Bestandteil eines solchen Spulenzündsystems ist eine Spule 5, die eine Primärwicklung
7 und eine Sekundärwicklung 9 aufweist. Eine Anschlußseite 11 der Primärwicklung 7
ist an den Pluspol einer Gleichspannungsquelle, vorzugsweise einer Batterie angeschlossen,
der andere Anschluß 13 an den Kollektor eines Transistors T2, dessen Emitter an Masse
liegt. Bei dem Transistor T2 handelt es sich vorzugsweise um einen 3-fach-Darlington-Transistor.
Die Basis des Transistors T2 wird mit einem Zündsignal A beaufschlagt.
[0009] Auf der Sekundärseite der Spule 5 ist ein erster Anschluß 15 der Sekundärwicklung
9 mit einem Pol der Zündkerze verbunden, deren anderer Pol an Masse liegt.
[0010] An den zweiten Anschluß 17 der Sekundärwicklung 9 ist eine Kathode einer Diode D1
angeschlossen, deren Anode mit Masse verbunden ist.
[0011] Parallel zu der Primärwicklung 7 ist ein Schaltelement 19, beispielsweise ein Thyristor
vorgesehen, dessen einer Anschluß 21 mit dem Anschluß 13 und dessen zweiter Anschluß
23 mit dem ersten Anschluß 11 der Primärwicklung verbunden ist. Einem Steuereingang
25 des Schaltelements 19 wird ein Ansteuersignal zugeführt, das von einer Ansteuerschaltung
27 erzeugt wird.
[0012] Die Steuerung der Ansteuerschaltung 27 erfolgt über ein Steuersignal B.
[0013] Der Sekundärseite der Spule 5 ist eine Ionenstrom-Meßvorrichtung 31 zugeordnet, die
einen über die Kerze fließenden Ionenstrom nach Erlöschen des Zündfunkens mißt. Anhand
dieses Meßwerts ist es möglich, Rückschlüsse auf den Ablauf der Verbrennung zu ziehen.
Die Ionenstrom-Meßvorrichtung umfaßt eine Reihenschaltung aus einem Meßwiderstand
R
M und einer Diode D2, wobei die Anode dieser Diode mit dem Widerstand verbunden ist.
Der andere Anschluß des Meßwiderstands R
M ist an eine Meßspannung U
M angeschlossen, während die Kathode der Diode D2 mit dem zweiten Anschluß 17 der Sekundärwicklung
9 in elektrischer Verbindung steht. Die an dem Meßwiderstand R
M abfallende Spannung wird einem Meßverstärker, vorzugsweise einem Operationsverstärker
zugeführt, der ein Differenzsignal S erzeugt und einer Auswerteeinrichtung zuführt.
Für den Einsatz der Ionenstrom-Meßvorrichtung ist es wichtig, daß der durch das Magnetfeld
der Spule erzeugte Sekundärstrom auf Null abgesunken und damit der Zündfunken erloschen
ist. Solange ein Zündfunken existiert, ist eine Ionenstrom-Messung nicht möglich.
[0014] Anhand der Spannungs- und Stromdiagramme in Figur 2 soll nun die Funktion des induktiven
Spulenzündsystems 1 erläutert werden.
[0015] Wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten induktiven Spulenzündsystemen wird
das Zündsignal A zu einem Zeitpunkt t1 auf einen Spannungspegel "1" (beispielsweise
5 V) gesetzt, mit der Folge, daß der Transistor T2 leitend wird. Damit fließt ein
Primärstrom I
prim. von der Batteriespannung U
bat über die Primärwicklung 7 und die Kollektor-Emitter-Verbindung des Transistors 2
zur Masse. Aufgrund der Induktivität der Spule 5 steigt der Strom I
prim. exponentiell an. Dieser Primärstrom I
prim. dient dazu, ein magnetisches Feld in der Spule 5 aufzubauen, das die für die Zündung
notwendige Energie liefern soll. Zu einem gewünschten Zündzeitpunkt t
Z wird das Zündsignal A auf das Potential "0" (beispielsweise 0 V) gesetzt. Der Transistor
T2 fällt zurück in den sperrenden Zustand mit der Folge, daß der Primärstrom nicht
mehr zur Masse abfließen kann. Wie aus dem Diagramm deutlich zu erkennen, fällt er
auf den Wert 0 zurück.
[0016] Dieser Stromabfall in der Primärwicklung führt zu einer Induktion einer sehr großen
Spannung in der Sekundärwicklung 9. Sobald die Spannung ausreichend groß ist, entsteht
ein Zündfunke in der Zündkerze 3 bei gleichzeitigem steilen Anstieg des Sekundärstroms
I
sek., wie in Figur 2 zu erkennen. Die in der Spule gespeicherte magnetische Energie wird
nun in elektrische Energie umgewandelt, so daß weiterhin ein Sekundärstrom über die
Kerze zur Masse fließt, wobei der Stromwert über der Zeit abnimmt.
[0017] Nach einer definierbaren Zeitdauer t
Funke wird zu einem Zeitpunkt t2 das einen "1" Pegel aufweisende Steuersignal B auf einen
"0" Pegel gesetzt. Damit wird von der Ansteuerschaltung 27 das Schaltelement 19 über
den Steuereingang 25 in den leitenden Zustand geschaltet. Damit wird eine elektrische
Verbindung zwischen den beiden Anschlüssen 11, 13 der Primärwicklung 7 geschaffen,
so daß ein weiterer Abbau der in der Spule gespeicherten magnetischen Energie über
den Primärstrom I
prim. erfolgt. Im Diagramm gemäß Figur 2 ist zu erkennen, daß der Primärstrom I
prim. zum Zeitpunkt t2 deutlich angestiegen ist und langsam über die Zeit abklingt, bis
die gespeicherte magnetische Energie auf den Wert 0 abgesunken ist.
[0018] Gleichzeitig mit dem Fließen eines Primärstroms I
prim. zum Zeitpunkt t2 fällt der Sekundärstrom I
sek. auf den Wert 0 ab.
[0019] Es ergibt sich also, daß bereits nach einer kurzen Zeitdauer t
funke der Sekundärstrom auf 0 abgesunken und damit eine Ionenstrom-Messung möglich ist.
Hierzu wird kurz nach dem Zeitpunkt t2 eine Meßspannung U
M in der Ionenstrom-Meßvorrichtung eingeschaltet, die einen über den Meßwiderstand
R
M, die Diode D2, die Sekundärwicklung 9 und die Kerze 3 fließenden Strom erzeugt. Die
Höhe dieses Ionenstroms hängt insbesondere von den Verbrennungsverhältnissen innerhalb
des der Kerze 3 zugeordneten Zylinders ab. Der Stromwert selbst läßt sich durch Abgreifen
des an dem Meßwiderstand R
M entstehenden Spannungsabfalls bestimmen.
[0020] Anhand des gemessenen Ionenstroms läßt sich beispielsweise beurteilen, ob die Verbrennung
zu früh stattgefunden hat mit der sich daraus ergebenden Gefahr des Klopfens. Ebenfalls
ist es möglich, festzustellen, ob überhaupt eine Verbrennung stattgefunden hat. Die
gemessenen Werte fließen dann beispielsweise in die Neubestimmung der Zündwinkel und
die Diagnose des Zündsystems ein.
[0021] Figur 3 läßt ein Zündsystem erkennen, das aus mehreren Zündspulen aufgebaut ist.
Derartige Systeme werden in mehrzylindrigen Motoren eingesetzt, wobei beispielsweise
jedem Zylinder eine Zündspule zugeordnet ist.
[0022] Die gestrichelt umrandeten Einzelsysteme 1.1, 1.2 und 1.3 entsprechen in ihrem Aufbau
und ihrer Funktionsweise dem Zündsystem gemäß Figur 1, weshalb auf eine nochmalige
Beschreibung der mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichneten Teile verzichtet wird.
[0023] Von Bedeutung ist jedoch, daß für die in Figur 3 gezeigten drei Zündspulensysteme
1.1 bis 1.3 lediglich eine Ansteuerschaltung 27 mit einem Schaltelement 19 und eine
Ionenstrom-Meßvorrichtung 31 vorgesehen sind. Die Anschlüsse 13 der drei Spulen 5
sind über jeweils eine Diode 35 mit dem Anschluß 21 des Schaltelements verbunden,
wobei jeweils die Anode einer Diode 35 am Anschluß 13 liegt. Diese Verschaltung ermöglicht
eine sehr kostengünstige Realisierung eines induktiven Spulenzündsystems auch bei
mehrzylindrigen Motoren, da nur ein Schaltelement und eine Ansteuerschaltung 27 notwendig
sind.
[0024] Die Ionenstrom-Meßvorrichtung 31 ist jeweils mit allen Anschlüssen 17 der Sekundärwicklungen
9 der Spulenzündsysteme 1.1 bis 1.3 verbunden, so daß auch hier bauliche Einsparungen
realisiert sind.
[0025] Selbstverständlich lassen sich Spulenzündsysteme aufbauen, die mehr als die in Figur
3 gezeigten drei Einzelspulen aufweisen. Die Spulen selbst können als Einzelfunken-
oder als Doppelfunkenspulen ausgebildet sein.
[0026] Bei der schaltungstechnischen Realisierung ist es möglich, als Schaltelement einen
IGBT (insulated gate bipolar transistor) oder einen Thyristor zu verwenden, dessen
Ermitter beziehungsweise Kathode an einer mit einer positiven Spannung beaufschlagten
Anschlußseite der Primärwicklung und der Kollektor beziehungsweise die Anode an der
anderen Anschlußseite der Primärwicklung angeschlossen ist. Der Steuereingang des
IGBT's beziehungsweise des Thyristors wird mit einem Ansteuersignal beaufschlagt,
das von einer Ansteuerschaltung geliefert wird. Die Verwendung eines Thyristors als
Schaltelement ermöglicht einen einfachen und kostengünstigen Aufbau. Bei einer solchen
schaltungstechnischen Realisierung umfaßt die Ansteuerschaltung 27 einen Transistor
T1, dessen Emitter mit Masse verbunden ist. Der Kollektor des Transistors T1 ist über
eine Parallelschaltung aus einem Widerstand R1 und einem RC-Glied mit der Batteriespannung
U
bat verbunden. Das RC-Glied besteht aus einem Widerstand R2 und einem Kondensator C1,
wobei ein Anschluß des Kondensators mit dem Kollektor verbunden ist. Das dem Steueranschluß
25 zuzuführende Steuersignal wird an einem Knoten 29 zwischen Widerstand R2 und Kondensator
C1 abgegriffen.
[0027] Letztendlich ist es möglich, in der Ansteuerschaltung für das Schaltelement einen
Transistor vorzusehen, dessen Basis ein Steuersignal zugeführt wird. Der Emitter des
Transistors ist an Masse gelegt, während der Kollektor über eine Parallelschaltung
aus einem Widerstand und einem RC-Glied an die positive Spannung gelegt ist. Das Ansteuersignal
für das Schaltelement wird dann am Verbindungsknoten von Widerstand und Kondensator
des RC-Glieds abgegriffen.
1. Induktives Spulenzündsystem für einen Motor, mit zumindest einer Zündspule, die eine
von einer Spannungsquelle gespeiste, zwei Anschlüsse aufweisende Primärwicklung und
eine ebenfalls zwei Anschlüsse aufweisende Sekundärwicklung umfaßt, gekennzeichnet durch eine Schaltvorrichtung (19), die parallel zur Primärwicklung (7) angeordnet ist und
abhängig von einem Steuersignal die beiden Anschlüsse (11,13) der Primärwicklung (7)
verbindet, und eine Ansteuerschaltung (27) zur Erzeugung des Steuersignals.
2. Induktives Spulenzündsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung (27) das für die Schaltvorrichtung (19) erforderliche
Ansteuersignal erzeugt und einen Steuereingang (B) aufweist, über den die Ansteuerschaltung
(27) getriggert wird.
3. Induktives Spulenzündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (7) über einen Darlingten-Transistor (T2) mit der Spannungsquelle
(Ubat) verbindbar ist.
4. Induktives Spulenzündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (9) mit einem Anschluß über die Zündkerze (3) an Masse
und mit einem zweiten Anschluß (17) über eine Diode (D1) an Masse liegt.
5. Induktives Spulenzündsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den zweiten Anschluß (17) der Sekundärwicklung (9) eine Ionenstrom-Meßvorrichtung
(31) angeschlossen ist.
6. Induktives Spulenzündsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenstrom-Meßvorrichtung (31) eine Reihenschaltung aus einer Diode (D2)
und einem Strommeßwiderstand (RM) aufweist, deren eines Ende an der Sekundärwicklung und dessen anderes Ende an einer
Meßspannung (UM) angeschlossen ist.
7. Induktives Spulenzündsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine am Meßwiderstand (RM) abfallende Spannung von einem Meßverstärker abgreifbar ist.
8. Induktives Spulenzündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem mehrzylindrigen Motor entsprechend mehrere Zündspulen (5) vorgesehen
sind, und daß die Schaltvorrichtung (19) allen Zündspulen (5) zugeordnet ist.
9. Induktives Spulenzündsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschluß (13) jeder Primärwicklung (7) über eine Diode (35) mit der
Anschluß (21) des Schaltelements (19) verbunden ist.
10. Induktives Spulenzündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündspule (5) als Einzelfunken- oder als Doppelfunkenspule ausgebildet ist.