DE10015613A1 - Zündanlage - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochfrequenzzündeinrichtung zu realisieren bei der die Kennwerte DOLLAR A - Zündspannung DOLLAR A - Zündleistung (Leistung des brennenden Lichtbogens) DOLLAR A - Brenndauer DOLLAR A voneinander unabhängig einstellbar sind und bei Bedarf zustandsabhängig nachgestellt oder verändert werden können. Mit der Zündanlage sollen deutlich höhere Zündleistungen gegenüber dem Stand der Technik möglich sein. DOLLAR A Der Lichtbogenstrom soll regelbar sein, damit Störgrößen im Brennraum wie z. B. Gasturbulenzen den Lichtbogen nicht auslöschen oder in seiner Brennleistung mindern. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird eine neue Zündeinrichtung für Verbrennungskraftmaschinen durch einen teilweise in Resonanz betriebenen Hochfrequenzsperr- oder Durchflusswandler zur quasikontinuierlichen Erzeugung der Zündhochspannung und der Energienachspeisung zum längeren Betrieb des Zündlichtbogens verwendet. Die Zündparameter DOLLAR A - Zündspannung DOLLAR A - Zündleistung, Lichtbogenstrom DOLLAR A - Brenndauer DOLLAR A sind unabhängig voneinander intern oder durch eine externe Steuereinrichtung zustandsabhängig einstellbar. DOLLAR A Durch eine Zündlichtbogenbrennregelung und Zeitdauersteuerung werden Störgrößen im Brennraum ausgeregelt und die Brenndauer des Zündlichtbogens beliebig eingestellt. DOLLAR A Durch die quasikontinuierliche Zündhochspannungserzeugung bis zur...

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündanlage, mit der die Zünd­ parameter

• - Zündspannung
• - Zündleistung/Lichtbogenstrom
• - Brenndauer

voneinander unabhängig einstellbar und wesentlich höhere Zünd­ leistungen realisierbar sind.

Die derzeitig bekannten Zündanlagen arbeiten nach dem Prinzip, dass die Zündenergie in elektrischen Bauelementen wie:

• - Induktivität (induktive Zündanlage)
• - Kapazität und Zündübertrager (Kondensatorzündanlagen)

für einen Zündvorgang gespeichert wird. Die Brenndauer des Zündfunkens ergibt sich dann aus der gespeicherten Energie und dem Elektrodenabstand der Zündkerze. Bei großen Elektroden­ abstand hat man kräftige Zündfunken bei kurzer Brenndauer. Bei kleinem Elektrodenabstand ergeben sich schwache Zündfunken bei langer Brenndauer. Die aufzubringende Zündspannung muss so groß sein, dass das Gas an der Kerze, auch bei sehr hohen Drücken und Turbulenzen, ausreichend ionisiert wird, damit es zu einem Überschlag und Lichtbogenbildung kommt.

Typische Zündspannungen liegen bei 10 bis 50 kV, bei einer typischer Brenndauer zwischen 5 ms bis 20 ms. Unter ungünstigen Umständen kann es bei Verbrennungskraftmaschinen zu Fehl­ zündungen kommen, deren Ursache auch in unzureichenden Zündan­ lagen liegen wie:

• - zu kleine Zündspannung
• - zu kleine Zündenergie
• - zu kurze Brenndauer
• - Zündfunkenverlöschung durch Turbulenz oder zu magerem Gemisch, ohne dass ständig nachgezündet wird.

Weiterhin wiedersprechen sich hohe Zündspannung und Zündenergie sowie lange Brenndauer mit geringem Zündkerzenverschleiß, wenn man diese Parameter nicht unabhängig voneinander und zustands­ abhängig von der Brennkraftmaschine einstellen kann.

Die neuartige Zündanlage besteht im wesentlichen aus einem Hochfrequenzwandler mit einem Hochfrequenzleistungsübertrager, bestehend aus einem keramischen Kern, einer Primärwicklung und einer Sekundär-Hochspannungswicklung, einer Zündlichtbogen­ stromregelung und einer Zeitsteuerung zur Brenndauereinstellung.

Es können Durchfluß- und Sperrwandler angewendet werden. In beiden Fällen erfolgt die Hochspannungserzeugung vorzugsweise in Teilresonanz der Hochspannungswicklung, mit Hochspannungs­ verkabelung und Kerze. Die Energie wird dem Wandler in jeder Periode zugeführt, in Teilresonanz übertragen, hochtransformiert und der Zündkerze zugeführt. Beim Sperrwandler wird der Kern über eine 12 V bis 24 V Versorgungsspannung durch einen ent­ sprechenden Schaltleistungsverstärker in der Leitphase aufge­ laden. In der Sperrphase wird durch die im Kern gespeicherte Energie und durch die schlagartige Abschaltung des Auflade­ stromes eine Hochspannung erzeugt, die durch Resonanz der Hochspannungswicklung mit der Hochspannungsverkabelung und der Kerze eine abklingende Sinuskurve bilden würde. In der erste Halbwelle wird die Hochspannung erzeugt. In der zweiten Halb­ welle wird der Resonanzbetrieb abgebrochen, in dem die erneute Aufladung des Kerns durch eine weitere Leitphase des Schalt­ leistungsverstärkers erfolgt. Die Zündspannung wird durch das Übersetzungsverhältnis des Kerns dimensioniert und durch das Tastverhältnis des Schaltleistungsverstärkers eingestellt.

Beim Durchflusswandler wird die Energie vorzugsweise aus einer höheren Gleichspannungszwischenebene (z. B. 240 V . . . 600 V) direkt in der erste Halbwelle in den Resonanzkreis übertragen.

Die Hochspannung wird zweckentsprechend nach Anforderung der Verbrennungskraftmaschine (Verdichtungsenddruck) und Isolations­ festigkeit der Hochspannungsarmaturen eingestellt, kann aber auch zustandsabhängig nach Bedarf geändert und gesteuert werden. Durch die quasikontinuierliche Zündhochspannungserzeugung bis zur Lichtbogenbildung wird eine sichere Zündung auch unter un­ günstigen Brennraumbedingungen erreicht.

Bei induktiven- und Kondensatorzündanlagen wird die Zündhoch­ spannung nicht quasikontinuierlich bis zur Bildung eines Licht­ bogens erzeugt, sondern es entsteht nur eine kurze, zeitlich begrenzte Spannungsspitze, in der ein Lichtbogen gebildet werden muß, wenn es nicht zur Fehlzündung kommen soll. Bei einigen Zündanlagen wird dieser Nachteil durch eine Doppelzündung nur teilweise ausgeglichen.

Wenn die Zündhochspannung ionisiertes Gas erzeugt hat, kommt es zum Funkenüberschlag. Vorzugsweise durch eine Strommessein­ richtung wird der Lichtbogenstrom gemessen und über das Tastver­ hältnis des Schaltleistungsverstärkers wird der Lichtbogenstrom durch einen Regler so gestellt, dass der Stromistwert einen vor­ gegebenen Stromsollwert entspricht.

Weiterhin ist neben der Lichtbogenstromregelung bei einer entsprechenden Istwerterfassung auch eine Lichtbogenleistungs­ regelung möglich. Störgrößen, die auf den Lichtbogen Einfluß haben wie z. B. Gasturbulenzen, Gasdruckänderung, Gastemperaturen und Bauteiltemperaturen werden während der Brenndauer weitest­ gehend ausgeregelt. Falls durch widrige Umstände der Zündlicht­ bogen innerhalb der vorgesehenen Brenndauer dennoch ausgeht, wird dies durch die Lichtbogenregelung sofort erkannt und die Ansteuerung des Leistungsschaltverstärkers auf die Erzeugung der vorgesehenen Zündspannung eingestellt und somit sofort eine er­ neute Zündung eingeleitet. Da die Brenndauer eines normalen Zündfunkens im ms-Bereich liegt, wird durch die Energiezuführung mit Hochfrequenz mit Periodendauern im Bereich zwischen 1 µs bis 100 µs der Lichtbogen beliebig lange nachgeheizt bis hin zum Grenzfall der Dauerfunkenerzeugung ohne, dass der Lichtbogen im Takt der Hochfrequenz dabei erlischt. Durch bekannte Schalt­ leistungsverstärker und vorhandenes Kernmaterial können belie­ bige Lichtbogenleistungen im Bereich zwischen ca. 2 W (normale Standardzündung) bis über 2000 W realisiert werden. Diese Licht­ bogenleistungen sind mit vertretbaren Aufwand aufgrund der not­ wendigen Windungszahlen und Eisenkernen mit klassischen induk­ tiven und kapazitiven Zündanlagen nicht für beliebig lange Brenndauer erreichbar.

Die Brenndauer wird bei herkömmlichen induktiven und kapazitiven Zündanlagen im wesentlichen durch die Energiespeichermög­ lichkeit und durch den Elektrodenabstand der Zündkerze bestimmt. Die Brenndauer der erfindungsgemäßen Zündanlage wird durch eine Zeitsteuerung des Lichtbogenstromregelkreises realisiert und kann somit durch die quasikontinuierliche, geregelte Energiezu­ führung in den Lichtbogen beliebig lang eingestellt werden. Bei Bedarf kann die Brenndauer zustandsabhängig eingestellt werden. In kritischen Zuständen kann z. B. über den gesamten Arbeitstakt der Verbrennungskraftmaschine gefeuert werden. Durch die zustandsabhängige Einstellmöglichkeit aller Zündparameter können Zündanlagenleistung und Verschleiß zustandsabhängig optimiert betrieben werden.

Claims (9)

1. Zündeinrichtung für Verbrennungskraftmaschinen dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Hochspannungserzeugung und Energienachspei­ sung zur gesteuerten Brenndauer des Zündlichtbogens quasikonti­ nuierlich durch einen teilweise in Resonanz betriebenen Hoch­ frequenzsperr- oder Durchflusswandler erfolgt, mit einer Zünd­ lichtbogenbrennreglung zur Ausregelung von Störgrößen im Brenn­ raum, einer Zeitsteuerung des Zündlichtbogens und der unabhängig voneinander einstellbaren oder durch externe Steuereinrichtungen zustandsabhängig einstellbaren Zündparameter

• - Zündspannung,
• - Zündleistung, Zündlichtbogenstrom und
• - Brenndauer

2. Zündeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenzsperr- oder Durchflusswandler durch die Einstellung der Betriebsfrequenz im Bereich von 10 kHz bis 1 MHz so erfolgt, dass sie durch die Hochspannungswicklung, Hoch­ spannungsverkabelung und Zündkerze oder zusätzliche Bauelemente teilweise in Resonanz betrieben werden. Beim Sperrwandler, in dem nach der Energiezuführung und Speicherung im keramischen Kern während der Leitphase des Schaltleistungsverstärkers in der darauffolgenden Sperrphase des Schaltleistungsverstärkers die Hochspannungserzeugung und Energieabgabe in den Lichtbogen erfolgt und anschließend die erneute Energiezufuhr in der Leitphase. Beim Durchflusswandler in dem bei der Energiezuführung in der Leitphase die Hochfrequenzerzeugung und Energieabgabe in den Lichtbogen erfolgt.

3. Zündeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Zündspannung durch das Übersetzungsverhältnis des Transformators mit keramischen Kern, einschließend der Summenstreukapazität der Sekundär- Hochspannungswicklung dimensioniert wird und durch das Tastverhältnis des Sperr- oder Durchflusswandlers einstellbar ist.

4. Zündeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch die quasikontinuierliche Erzeugung der Zündhochspannung bis zur Lichtbogenbildung eine sichere Zündung auch unter ungünstigen Bedingungen im Brennraum eingeleitet wird.

5. Zündeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündlichtbogenbrennregelung durch Zündlichtbogenstrom­ messung, Soll-Ist-Vergleich und Stellung des Tastverhältnisses des Sperr- oder Durchflusswandlers, die in dem Lichtbogen eingespeiste Energiemenge so einstellt, dass der Zündlicht­ bogenstrom dem Sollwert entspricht und Störgrößen im Brennraum weitestgehend ausgeregelt werden.

6. Zündeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Brenndauer des Zündlichtbogens durch eine Zeitsteuereinrichtung gesteuert wird, die nach einem externen Strom- oder Spannungs­ impuls die Hochspannungserzeugung bis zur Zündlichtbogenbildung auslöst und nach einem beliebig langen intern oder extern einstellbaren Wert die Zündlichtbogenbrennregelung abschaltet und somit den Zündvorgang beendet.

7. Zündeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass beim Verlöschen des Zündlichtbogens dies durch die Zündlicht­ bogenbrennregelung erkannt wird und sofort den Hochfrequenz­ wandler auf Hochspannungserzeugung einstellt bis der Lichtbogen zündet und die Zündlichtbogenbrennregelung wieder einsetzt.

8. Zündeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Energiezuführung zur Hochspannungserzeugung und Zündlichtbogen­ energienachspeisung quasikontinuierlich mit einer Frequenz im Bereich von 10 KHz bis 1 MHz, also mit einer Periodendauer von 1 µs bis 100 µs, die wesentlich kleiner ist als die Brenndauer eines Zündfunkens und somit zu einem ständigen Nachheizen des Zündfunkens ohne Verlöschung des Zündfunkens geeignet ist, wobei durch die quasikontinuierliche Energiezuführung in den Zündlichtbogen mit hoher Frequenz mit bekannten Bauteilen von Schaltleistungsverstärkern und keramischen Kernmaterialien Zündleistungen im Bereich von 0 bis 2000 W bei langer Brenndauer problemlos bereitgestellt werden können. Diese Leistungen liegen weit über den zur Zeit realisierbaren Werten für induktive und kapazitive Zündanlagen.

9. Zündanlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch eine zustandsabhängige Steuerung der Werte

• - Zündspannung,
• - Zündleistung, Zündlichtbogenstrom,
• - Brenndauer

die Zündanlage nach den momentanen Erfordernissen einer Brenn­ kraftmaschine und bezüglich des Zündkerzenverschleißes angepasst gefahren wird.