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(11) | EP 0 489 264 B1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Elektronisches Zündsystem Electronic ignition system Système d'allumage électronique |
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| Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung betrifft ein elektronisches Zündsystem für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges elektronisches Zündsystem ist aus der US 4, 406, 273 bekannt.
[0002] In elektronischen Zündsystemen werden über einen Geber und ein Steuergerät mittels Schalttransistoren Zündspulen angesteuert, die die Zündspannung bzw. den Zündstrom erzeugen. Ältere Zündsysteme mit Einfachzündung verwenden einen Verteiler, um die Zündspannung mechanisch auf die einzelnen Zylinder zu verteilen, bei modernen Zündsystemen werden die Zylinder - ohne mechanischen Verteiler - direkt angesteuert. Um das Kaltstartverhalten des Motors zu verbessern, wird eine hohe Zündenergie der Zündspule für den Zündvorgang benötigt; dann ist auch bei Verunreinigungen der Zündkerze - es entsteht ein niederohmiger Nebenschluß, durch den ein Teil der Zündenergie aus der Zündspule abfließt - in der Regel sichergestellt, daß ein Zündfunke zwischen den Zündkerzenelektroden entsteht. Infolge dieser hohen Zündenergie - sie ist beim warmgelaufenen Motor eigentlich gar nicht mehr erforderlich - wird die Lebensdauer der Zündkerzen stark reduziert. Um das Intervall zum Wechseln der Zündkerzen zu verlängern - beispielsweise von 20.000 km auf 50.000 oder 100.000 km -, können verbesserte Zündkerzen eingesetzt werden, die jedoch sehr teuer sind. Bei der eingangs erwähnten US 4,406,273 wird die Brenndauer der Zündkerzen durch eine Steuereinheit aus induktivem Sensor und Pulsformeinheit auf einen bestimmten fest vorgegebenen Wert verkürzt.
[0003] Weiterhin ist in der FR 2 500 074 ein elektronisches Zündsystem für Brennkraftmaschinen zur Steuerung der Funkenbrenndauer der Zündkerzen beschrieben. Bei diesem elektronischen Zündsystem mit einem mechanischen Schalter (mechanischen Unterbrecherkontakt) in der Endstufe zum Ein- und Ausschalten des Primärstroms in der Zündspule, d.h. zur Vorgabe der Einschaltzeitpunkte für den Primärstrom in der Zündspule und somit für die Zündzeltpunkte der einzelnen Zylinder der Brennkaftmaschine, wird mittels eines (des einzig vorgesehenen) Steuersignals die Brenndauer der Zündkerzen verkürzt. In der Schalteinheit der Endstufe ist ein als Thyristor ausgebildeter Schalter vorgesehen, dessen Steueranschluß (Gate-Anschluß) mit der Batteriespannung als festem Bezugspotential verbunden ist; somit steht keine geeignete Spannung bzw. Energie zum Ansteuern des Thyristors zur Verfügung. Weiterhin wird der Gate-Anschluß des Thyristors vom Verbindungspunkt von Primärwicklung der Zündspule und mechanischem Schalter über einen Kondensator und einen Widerstand entkoppelt, so daß eine Ansteuerung des mechanischen Schalters nicht möglich ist.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Zündsystem für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, mit dem eine Verlängerung der Zündkerzen lebensdauer ermöglicht wird und das kostengünstig und in großen Stückzahlen hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.
[0005] Die Brenndauer oder Brennzeit der Zündkerzen - während dieser Zeit wird ein Lichtbogen zwischen den Zündkerzenelektroden aufrechterhalten - kann beim erfindungsgemäßen elektronischen Zündsystem gemäß einer Brenndauer-Vorgabe durch die als Steuergerät ausgebildete Steuereinheit variiert werden: insbesondere kann beim Kaltstartversuch die maximale Brenndauer vorgesehen werden, während sie beim bereits laufenden Motor reduziert wird; deshalb kann auch eine energiereiche bzw. nebenschlußunempfindliche Zündung eingesetzt werden, ohne daß deren schädliche Auswirkungen für die Zündkerzen lebensdauer auftreten. Die gewünschte bzw. erforderliche Brenndauer der Zündkerzen kann in Abhängigkeit von Motorparametern bestimmt bzw. festgelegt werden und wird vom Steuergerät an die Endstufe weitergegeben.
[0006] In der Endstufe ist zur Beeinflussung der Brenndauer eine Schalteinheit mit einem als bipolarer NPN-Schalttransistor mit mindestens einem Kollektoranschluß ausgebildeten Schalter vorgesehen, durch den die Primärseite der Zündspule nach Ablauf der vom Steuergerät vorgegebenen Brenndauer kurzgeschlossen wird; dadurch wird der Zündfunken zwischen den Zündkerzenelektroden zum Erlöschen gebracht und die Brenndauer beendet. Dabei entsteht in der Schalteinheit ein Freilaufstrom, durch den die in der Zündspule gespeicherte Energie dissipiert wird, wobei dieser Energie-Betrag umso größer ist, je mehr die vorgegebene Brenndauer gegenüber der maximalen Brenndauer verkürzt wird.
[0007] Die Erfindung soll nachstehend anhand der Figuren 1 bis 4 näher beschrieben werden.
Dabei zeigen:
- Figur 1
- das Prinzipschaltbild eines elektronischen Zündsystems,
- Figur 2
- die zeitlichen Signalverläufe bei maximaler Brenndauer der Zündkerzen,
- Figur 3
- die zeitlichen Signalverläufe bei verkürzter Brenndauer der Zündkerzen,
- Figur 4
- ein Ausführungsbeispiel für die Schalteinheit des elektronischen Zündsystems.
[0008] In der Figur 1 ist das schematische Blockschaltbild eines elektronischen Zündsystems für ein Kraftfahrzeug dargestellt.
Die als Steuergerät ausgebildete Steuereinheit steuert den zeitlichen Verlauf der Zündung bzw. die Zündzeitpunkte tZ durch Ein-/Ausschalten der Zündspule, indem über die Schaltflanken UZ als erstem Steuersignal am Zündeingang EZ der Endstufe der zeitliche Verlauf des Stromflusses IPr durch die Primärwicklung der Zündspule vorgegeben wird. Außerdem wird eine Steuerspannung Ust als zweites Steuersignal für die Brenndauer tBr der Zündkerzen - abhängig von Motorparametern wie Benzin-Luft-Gemisch, Drehzahl, Motortemperatur und Motorlast - am Steuereingang Est der Endstufe vorgegeben.
Die Endstufe besitzt neben dem Zündschaltgerät - mit einem Zünd-lC und dem Zündtransistor (Endstufentransistor) T1 zur Ansteuerung der Zündspule, wobei das Zünd-lC zur Regelung des Zündtransistors T1 dient - noch eine Schalteinheit, die am Steuereingang Est durch die Steuerspannung Ust angesteuert wird und durch die die Brenndauer tBr der Zündkerzen auf der Sekundärseite der Zündspule variiert wird.
Die Zündspule wird vom Zündtransistor T1 geschaltet; auf der Sekundärseite der Zündspule sind der Zündspule entweder mit oder ohne Verteiler die einzelnen Zylinder über die Zündkerzen (Klemme 3) zugeordnet, wobei über den Zündkerzen die Brennspannung UBr ansteht und durch die Zündkerzen der Brennstrom IBr fließt. Die Primärseite der Zündspule ist (über die Klemme 15) an die Betriebsspannung UB angeschlossen, andererseits liegt am Primäranschluß der Zündspule (an der Klemme 1) die Kollektorspannung des Zündtransistors T1 an.
[0009] Die Figur 2 zeigt die zeitlichen Signalverläufe bei einer Zündung mit der maximal möglichen Brenndauer, wobei in den Figuren 2a- 2e das zweite Steuersignal für die Brenndauer (die Steuerspannung Ust), die Spannung auf der Primärseite der Zündspule (UPr), die Spannung auf der Sekundärseite der Zündspule (Brennspannung UBr), der Strom auf der Sekundärseite der Zündspule (Brennstrom IBr) sowie der Freilaufstrom (IF) in der Schalteinheit dargestellt sind.
Gemäß Figur 2a ist das vom Steuergerät vorgegebene zweite Steuersignal (die Steuerspannung USt) länger als die maximale Brenndauer, so daß ein "normaler" Zündzyklus mit einer unverkürzten Brenndauer tBr von beispielsweise 3 ms vorliegt, wie er beispielsweise beim Kaltstart erforderlich ist:
- der Zündtransistor T1 wird durch die im Steuergerät erzeugten Schaltflanken UZ gesteuert, wobei beim Abschalten des Zündtransistors T1 der Stromfluß durch die Zündspule unterbrochen und eine Induktionsspannung auf der Primärselte der Zündspule induziert wird.
- der Spannungsanstieg auf der Primärseite der Zündspule - die in Figur 2b dargestellte Primärspannung UPr oder Rückschlagspannung, die beispielsweise 380 bis 400 V beträgt wird durch Induktion auf die Sekundärseite der Zündspule übertragen.
- ist die Induktionsspannung auf der Sekundärseite der Zündspule auf einen bestimmten Wert (beispielsweise 20 kV) angestiegen, erfolgt durch einen Funkenüberschlag zwischen den Zündkerzenelektroden die Zündung (Zündzeitpunkt tZ); infolgedessen fällt die Spannung auf der Sekundärseite der Zündspule von 20 kV auf ca. 400 V ab - dies ist die sogenannte Brennspannung UBr (Figur 2c).
- die in der Zündspule beim Aufladevorgang gespeicherte Energie bestimmt die Brennzeit bzw. Brenndauer tBr; der Brennstrom IBr (Figur 2d) fließt so lange bzw. der Lichtbogen zwischen den Zündkerzenelektroden (die Brennspannung UBr) steht so lange an, bis die gespeicherte Energie verbraucht bzw. in den Zündkerzen umgesetzt ist.
- nach Ablauf des Zündvorgangs geht die Rückschlagspannung oder Primärspannung UPr auf der Primärseite der Zündspule (Figur 2b) von ihrem Maximalwert (380- 400 V) auf die Betriebsspannung UB (beispielsweise 12 V) zurück.
- da die Schalteinheit der Endstufe während der Brenndauer nicht aktiviert wurde, fließt gemäß Figur 2e kein Freilaufstrom IF.
[0010] Die Figur 3 zeigt entsprechend der Figur 2 die Signalverläufe bei einer Zündung mit verkürzter Brenndauer, wobei in den Figuren 3a - 3e die zu den Figuren 2a - 2e korrespondierenden Größen aufgetragen sind.
Das vom Steuergerät vorgegebene zweite Steuersignal (die Steuerspannung Ust) geht gemäß Figur 3a beispielsweise bereits nach 2 ms - also vor Ablauf der maximal möglichen Brenndauer von beispielsweise 3 ms - vom "HIGH"-Pegel zum "LOW"-Pegel über und aktiviert dadurch die Schalteinheit der Endstufe, die die Primärseite der Zündspule kurzschließt:
- gemäß Figur 3b sinkt dadurch die Primärspannung UPr signifikant ab.
- die Brennspannung UBr wird gemäß Figur 3c auf einen Wert reduziert, der nicht mehr ausreicht, um den Überschlag zwischen den Zündkerzenelektroden aufrechtzuerhalten, der Brennvorgang wird beendet.
- der Brennstrom IBr geht gemäß Figur 3d unmittelbar nach Aktivierung der Schalteinheit gegen 0.
- der Freilaufstrom IF durch die Schalteinheit (Figur 3e) fließt so lange, bis die in der Zündspule gespeicherte Energie dissipiert wurde; dabei muß umso mehr Energie vernichtet werden, je kürzer die vorgegebene Brenndauer ist. Der Betrag des Freilaufstroms IF hängt demzufolge vom Zeitpunkt der Aktivierung der Schalteinheit ab; sein Maximalwert kann so groß wie der Primärstrom IPr sein, mit dem die Zündspule geladen wurde (tBr = 0). Mit zunehmender Brenndauer nimmt der Freilaufstrom IF ab, da bereits ein Teil der gespeicherten Energie in der Zündkerze umgesetzt wurde.
Die Schalteinheit enthält neben dem NPN-Schalttransistor T2 den Ansteuertransistor bzw. Treibertransistor T3, die Widerstände R1 bis R3 und die Dioden D1 und D2. Der Widerstand R1 dient zur Vorspannung des NPN-Schalttransistors T2, der Widerstand R2 als Schutzmaßnahme bei Defekten und der Widerstand R3 zur Ansteuerung des Ansteuertransistors T3; die Diode D1 ist eine Schutzdiode für den NPN-Schalttransistor T2. Die Diode D2 verhindert einen ungewollten Stromfluß vom Anschluß der Betriebsspannung UB (von der Klemme 15) durch die Diode D1 zum Zündtransistor T1 zu dem Zeitpunkt, zu dem durch das Einschalten des Zündtransistors T1 die Primärseite der Zündspule geladen werden soll; weiterhin werden dadurch vom Emitter des NPN-Schalttransistors T2 positive Spannungsspitzen auf der Leitung für die Betriebsspannung UB ferngehalten. Der NPN-Schalttransistor T2 ist beispielsweise als Darlington-Transistor ausgebildet, dessen Emitteranschluß über die Diode D2 an die Betriebsspannung UB angeschlossen ist (Klemme 15) und dessen Kollektoranschlüsse, die den Ausgang der Schalteinheit bilden, mit dem Primäranschluß der Zündspule (der Klemme 1) verbunden sind. Der Basisanschluß des NPN-Schalttransistors T2 ist mit dem Kollektoranschluß des Ansteuertransistors T3 verbunden, dessen Emitteranschluß an Bezugspotential angeschlossen ist. Am Basisanschluß des Ansteuertransistors T3 ist der Widerstand R3 und an der Betriebsspannung UB der Widerstand R2 angeschlossen, wobei die zweiten Anschlüsse der Widerstände R2 und R3 den Steuereingang Est der Schalteinheit bilden, an dem die Steuerspannung Ust (das zweite Steuersignal) des Steuergeräts anliegt.
Da im Kraftfahrzeug üblicherweise nur eine einzige Betriebsspannung UB (beispielsweise 12 V) vorhanden ist, und sich eine Ansteuerung des NPN-Schalttransistors T2 dadurch problematisch gestaltet, wird die auf der Primärseite der Zündspule während der Brenndauer tBr (vgl. Figur 2b/Figur 3b) durch Induktionsvorgänge verursachte Spannungserhöhung ΔU am Primäranschluß der Zündspule (der Klemme 1) gegenüber der Betriebsspannung UB (der Klemme 15) zur Ansteuerung des NPN-Schalttransistors T2 ausgenützt. Durch die Spannungserhöhung ΔU und den Widerstand R1 wird der Basisstrom für den NPN-Schalttransistor T2 und durch dessen Stromverstärkungsfaktor der Kollektorstrom bzw. Freilaufstrom IF festgelegt.
Während der gewünschten Brenndauer tBr ist das zweite Steuersignal (die Steuerspannung Ust) am Steuereingang Est der Schalteinheit auf HIGH-Potential - der Ansteuertransistor T3 wird durchgesteuert und sperrt dadurch den NPN-Schalttransistor T2; die Schalteinheit ist folglich inaktiv. Wenn die vorgegebene Brenndauer erreicht ist, wird der Steuereingang Est der Schalteinheit aktiv gegen Masse geschaltet - die Steuerspannung Ust geht auf LOW-Potential - und der Ansteuertransistor T3 sperrt; die am Primäranschluß der Zündspule (an der Klemme 1) während der Brenndauer tBr anstehende Spannungsüberhöhung ΔU gegenüber der Betriebsspannung UB (der Klemme 15) steuert über den Widerstand R1 den NPN-Schalttransistor T2 durch, so daß die Primärseite der Zündspule kurzgeschlossen, der Brennvorgang abgebrochen, und die in der Zündspule gespeicherte Energie vom Freilaufstrom IF vernichtet wird. Die gewünschte Brenndauer tBr kann dabei vom Steuergerät beliebig vorgegeben werden und kann sich von der Zeitdauer tBr = 0 (keine Zündung) bis zur maximal möglichen Brenndauer erstrecken.
[0011] Falls durch einen Defekt (beispielsweise Bruch des zugehörigen Kabels) keine Steuerspannung Ust am Steuereingang Est der Schalteinheit anliegt, bleibt der Ansteuertransistor T3 gesperrt und die Schalteinheit würde - unerwünschterweise - bei jeder Zündung unmittelbar nach dem Zündzeitpunkt tZ aktiviert und die Brenndauer tBr sofort abbrechen. Um dies zu vermeiden, ist der Pull-up-Wlderstand R2 vorgesehen, der die Betriebsspannung UB dem Basisanschluß des Ansteuertransistors T3 zuführt, so daß dieser bei fehlender Steuerspannung Ust aktiviert wird; die Schalteinheit wird dadurch deaktiviert, und ein unverkürzter Zündvorgang mit der maximalen Brenndauer tBr ermöglicht
[0012] Der Schalter der Schalteinheit läßt sich neben der oben vorgestellten Ausführungsform auch noch auf andere Weise realisieren. Beispielsweise kann der NPN-Schalttransistor als Darlington-Transistor oder als Triple-Transistor, die eine große Stromverstärkung aufweisen, ausgebildet sein.
Außerdem können in der Schalteinheit Schutzmaßnahmen bzw. Schutz-Bauelemente für Kfz-übliche Störspannungen vorgesehen werden.
a) einer Zündspule mit Primärwicklung und Sekundärwicklung,
b) einer Steuereinheit zum Erzeugen eines ersten Steuersignals (UZ) zur Vorgabe der Einschaltzeitpunkte für den Primärstrom in der Zündspule und der den zündzeitpunkten der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine entsprechenden Ausschaltzeitpunkte für den Primärstrom in der Zündspule sowie zum Erzeugen eines zweiten Steuersignals (USt) zur Verkürzung der Brenndauer (tBr) der Zündkerzen,
c) einer Endstufe
c1) mit einem Zündschaltgerät mit einem zur Primärwicklung der Zündspule in Reihe geschalteten Zündtransistor (T1) zum Ein und Ausschalten des Primärstromes in der Zündspule in Abhängigkeit vom ersten Steuersignal (UZ),
c2) und mit einer Schalteinhelt mit einem Schalter (T2), der parallel zur Primärwicklung der Zündspule liegt und der die Brenndauer der Zündkerzen in Abhängigkeit vom zweiten Steuersignal (USt) durch Kurzschließen der Primärwicklung der Zündspule verkürzt,
dadurch gekennzeichnet, daß- der Schalter (T2) der Schalteinheit als bipolarer NPN-Schalttransistor mit mindestens einem Kollektoranschluß ausgebildet ist, dessen Basisanschluß über einen ersten Widerstand (R1) mit dem Verbindungspunkt von Primärwicklung der Zündspule und Zündtransistor (T1) der Endstufe verbunden ist, und der durch die während der Brenndauer (tBr) der Zündkerzen auf der Primärseite der Zündspule auftretende Spannungsüberhöhung (ΔU) angesteuert wird,
- die Steuereinheit als Steuergerät ausgebildet ist, und als zweites Steuersignal (USt) eine Steuerspannung während einer vom Steuergerät vorgegebenen Dauer erzeugt, und
- die Brenndauer (tBr) der Zündkerzen entsprechend der für die Steuerspannung (USt) vorgegebenen Dauer mit beliebigen Werten bis hin zur maximal möglichen Brenndauer variabel einstellbar ist, indem der NPN-Schalttransistor (T2) der Schalteinheit die Primärwicklung der Zündspule außerhalb der vom Steuergerät für die Steuerspannung (USt) vorgegebenen Dauer kurzschließt.
a) an ignition coil having a primary winding and a secondary winding,
b) a control unit for the generation of a first control signal (Uz) for presetting the switch-on times for the primary current in the ignition coil
and the switch-off times for the primary current in the ignition coil,
which switch-off times correspond to the ignition times of the individual cylinders
of the internal combustion engine, and for the generation of a second control signal
(Ust) for shortening the combustion period (tBr) of the spark plugs,
c) an end stage
c1) with an ignition trigger comprising an ignition transistor (T1), connected in series with the primary winding of the ignition coil, for switching on and off the primary current in the ignition coil as a function of the first control signal (Uz),
c2) and with a switching unit comprising a switch (T2) which is arranged in parallel to the primary winding of the ignition coil and which shortens the combustion period of the spark plugs as a function of the second control signal (USt) by short-circuiting the primary winding of the ignition coil,
characterised in that- the switch (T2) of the switching unit is formed by a bipolar NPN- switching transistor which has at least one collector terminal and whose base terminal is connected via a first resistor (R1) to the connection point of the primary winding of the ignition coil and the ignition transistor (T1) of the end stage and which is driven by the rise in voltage (ΔU) occurring during the combustion period (tBr) of the spark plugs on the primary side of the ignition coil,
- the control unit is constructed as a control device and by way of second control signal (USt) generates a control voltage during a time period preset by the control device and
- the combustion period (tBr) of the spark plugs is variably adjustable in accordance with the time period preset for the control voltage (USt) with arbitrary values up to the maximum possible combustion period in that the NPN- switching transistor (T2) of the switching unit short-circuits the primary winding of the ignition coil outside of the time period preset by the control device for the control voltage (USt).
a) d'une bobine d'allumage avec un enroulement primaire et un enroulement secondaire,
b) d'une unité de commande en vue de la génération d'un premier signal de commande (UZ) en vue de la détermination des instants d'établissement du courant primaire dans la bobine d'allumage et des instants de coupure correspondant aux instants d'allumage des différents cylindres du moteur à combustion interne pour le courant primaire dans la bobine d'allumage ainsi qu'en vue de la génération d'un second signal de commande (Ust) afin de raccourcir la durée d'allumage (tBr) des bougies d'allumage,
c) d'un étage terminal
c1) équipé d'un appareil de commutation d'allumage avec un transistor d'allumage (T1) monté en série avec l'enroulement primaire de la bobine d'allumage en vue de l'établissement et de la coupure du courant primaire dans la bobine d'allumage en fonction du premier signal de commande (UZ),
c2) et équipé d'une unité de commutation avec un commutateur (T2), qui se trouve en parallèle avec l'enroulement primaire de la bobine d'allumage et qui raccourcit la durée d'allumage des bougies d'allumage en fonction du second signal de commande (Ust) en court-circuitant l'enroulement primaire de la bobine d'allumage,
caractérisé en ce que- le commutateur (T2) de l'unité de commutation est réalisé en tant que transistor de commutation NPN bipolaire avec au moins une borne de collecteur, dont la borne de base est reliée, par l'intermédiaire d'une première résistance (R1), au point de liaison de l'enroulement primaire de la bobine d'allumage et du transistor d'allumage (T1) de l'étage terminal, et qui est commandé par l'accroissement de tension (ΔU) apparaissant pendant la durée d'allumage (tBr) des bougies d'allumage sur le côté primaire de la bobine d'allumage,
- l'unité de commande est réalisée sous la forme d'un appareil de commande, et génère, en tant que second signal de commande (Ust), une tension de commande pendant une durée prédéterminée par l'appareil de commande, et
- la durée d'allumage (tBr) des bougies d'allumage est réglable de façon variable de manière correspondant à la durée prescrite pour la tension de commande (Ust) selon des valeurs quelconques jusqu'à la durée d'allumage maximale possible, le transistor de commutation NPN (T2) de l'unité de commutation court-circuitant l'enroulement primaire de la bobine d'allumage à l'extérieur de la durée prescrite par l'appareil de commande pour la tension de commande (Ust).