DE20011584U1 - Zündeinrichtung eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Zündeinrichtung eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors

Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors mit einer Hochspannungsquelle zur Erzeugung eines Zündfunkens zwischen den Elektroden einer Zündkerze und einer davon gesonderte Stromquelle zur Aufrechterhaltung und Speisung des gebildeten Zündfunkens, wobei die Hochspannungsquelle und die Stromquelle vorzugsweise keine gemeinsamen Transformatorstufen aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Zündeinrichtung zu schaffen, mittels derer der Zündfunken unabhängig vom Zündkerzenzustand und den Bedingungen im Verbrennungsmotor sicher zündbar und sowohl in seiner Intensität als auch Dauer beeinflußbar ist.

Gemäß der Grundidee wird dies durch eine Hochspannungsquelle zur Erzeugung eines Zündfunkens zwischen den Elektroden einer Zündkerze und eine davon gesonderte Stromquelle zur Aufrechterhaltung und Speisung des gebildeten Zündfunkens erreicht, wobei die Hochspannungsquelle und die Stromquelle vorzugsweise keine gemeinsamen Transformatorstufen aufweisen, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, daß ein primärseitiger Zündkreis bzw. die Stromquelle einen Hochfrequenzzündkreis mit einer Frequenz von vorzugsweise mehr als 1OkHz umfaßt.

In der Praxis ist es schwierig, eine einzige Zündspule so zu dimensionieren, daß sie sowohl zur Erzeugung der für die Bildung des Zündfunkens nötigen Hochspannung als auch zur Übertragung der für die Aufrechterhaltung des Zündfunkens notwendigen Energie gleichzeitig geeignet ist. Aus diesem Grund trennt die Erfindung die Funktion des Ausbildens des Zündfunkens (Bilden des Plasmas über eine Hochspannungsquelle) von der Funktion der Aufrechterhaltung bzw. Speisung des Zündfunkens (über eine gesonderte Stromquelle) und verwendet insbesondere zur Aufrechterhaltung des Zündfunkens einen HF-Kreis.

Dabei kann die Hochspannungsquelle und die Stromquelle bezüglich der Zündkerze entweder parallel oder in Reihe geschaltet sein.

Bei einer Zündeinrichtung eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors mit wenigstens einer Zündspule, die von einem primärseitigen Zündkreis gespeist ist und die sekundärseitig zumindest eine Zündkerze mit Hochspannung versorgt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß für eine Zündkerze zumindest zwei gesonderte primärseitige Zündkreise vorgesehen sind, die günstigerweise verschiedenartig ausgebildet ist, wobei der eine primärseitige Zünd-

kreis im wesentlichen für die Erzeugung des zur Bildung des Plasmas nötigen Hochspannung ausgebildet ist und der andere Zündkreis zur Aufrechterhaltung des Plasmas konzipiert ist.

Besonders günstig ist eine Ausführungsform, bei der die Zündspule zumindest zwei sekundärseitig in Reihe geschaltete Transformatorstufen aufweist, wobei die Primärwicklung einer ersten Transformatorstufe von einem ersten primärseitigen Zündkreis und die gesonderte Primärwicklung einer zweiten Transformatorstufe von einem, vom ersten Zündkreis gesonderten, verschiedenartigen, primärseitigen Zündkreis gespeist sind, wobei die eine Stufe im wesentlichen als Hochspannungsquelle (HS-Quelle) arbeitet und die andere Stufe als Stromquelle. Die Hochspannungsquelle kann vorzugsweise einen Kondensatorzündkreis (HKZ) oder einen induktiven Zündkreis (TSZ) umfassen, während die Stromquellenstufe erfindungsgemäß einen Hochfrequenzzündkreis (HF) umfaßt.

Die HS-Quelle erzeugt die zur Plasmabildung notwendige Hochspannung, während das HF-System über eine leicht einstellbare Zeitspanne die notwendige, ebenfalls leicht einstellbare Energie in Plasma liefert.

Für die Bildung eines Plasmas (Zündfunken) müssen die Teilchen zwischen den Elektroden der Zündkerze durch hohe Spannung ionisiert werden. Die notwendigen Hochspannungen, werden, wie bereits erwähnt, bevorzugt in einer Reihenschaltung von einem HF-System und einer HS-Quelle erzeugt, wobei die beiden Systeme gut miteinander arbeiten, wenn die Frequenz des HF-Systemes wesentlich höher ist als die Eigenfrequenz der HS-Quelle (bevorzugte HF-Frequenzen 10 kHz bis über 100 kHz, bevorzugte Frequenzen der HS-Quelle bis 10 kHz). Selbstverständlich ist es günstig, die beiden primärseitigen Zündkreise durch eine Steuereinrichtung zu synchronisieren und gemeinsam zu steuern bzw. zu regeln.

Wenn man den zeitlichen Ablauf eines Zündfunken betrachtet, so kann die Steuerung der einzelnen Zündsysteme so erfolgen, daß nach Bildung des Plasmas die HS-Quelle inaktiv wird und das HF-System als Stromquelle die Energie im Plasma nach einem vorbestimmbaren Verlauf steuert.

Dabei sollte auch das Spannungsangebot der HF-Stufe zweckmäßigerweise so gewählt werden, daß bei einem eventuellen Verlöschen des Plasmas während eines Zündfunkens dieses in der nächsten Periode des HF-Signals sofort wieder erzeugt wird. Die dafür notwendige Spannung ist geringer als die für die erste Plasmabildung notwendige lonisations-

spannung, welche ja bevorzugt durch die HS-Quelle bereitgestellt wird. Besonders günstig ist eine Ausbildungsform der Erfindung, bei der die beiden Zündsysteme im wesentlichen unabhängig voneinander gesteuert bzw. geregelt werden können. Dabei ist es auch denkbar, bei speziellen Betriebszuständen der Maschinen, beispielsweise im Leerlauf, die HS-Quelle völlig zu deaktivieren, wenn in diesem Bereich das Spannungsangebot der HF-Stufe ausreicht.

Grundsätzlich sind Kombinationen verschiedenster Zündsysteme denkbar und möglich. Als HS-Quelle kann beispielsweise eine HKZ-Stufe, eine TSZ-Stufe (Induktivität über Transistor gesteuert) oder ein Spannungsverfielfacher eingesetzt werden. Zur Plasmasteuerung sind neben dem HF-System auch andere Stromquellen möglich.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt den schematischen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung,

die Fig. 2 bis 5 zeigen weitere Ausführungsbeispiele.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kommen zwei Zündspulen 8a und 8b zum Einsatz, deren Sekundärseiten jeweils über Dioden 23 auf die Zündkerze 1 gehen. Primärseitig wird die eine Zündspule 8a von einem HKZ-System 4 mit einem mechanischen oder elektronischen Unterbrecher 4a und einer Kapazität 4b gespeist, die über einen DC/DC-Wandler 14 versorgt wird.

Die zweite Zündspule 8b wird primärseitig von einem HF-System 2 gespeist und weist sekundärseitig einen Gleichrichter 15 auf.

Es ist daran gedacht, die beiden parallel geschalteten Systeme 2, 4 über die Steuereinrichtung 9 so zu synchronisieren, daß sie beide gemeinsam zur Bildung eines Zündfunkens beitragen. Beispielsweise ist es möglich, über den HKZ-Teil 4, 8a die Bildung eines Plasmas (Zündfunkens) zwischen den Elektroden der Zündkerze 1 hervorzurufen und dann über den HF-Teil 2, 8b die Brenndauer und Zündenergie zu regeln.

In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt, bei der in einer zweistufigen Zündspule 8 zwei sekundärseitig in Reihe geschaltete Transformatorstufen 8b und 8a vorgesehen

sind. Die Primärwicklung der ersten Transformatorstufe 8b wird von einem HF-Zündkreis 2 gespeist. Die Primärwicklung der zweiten Transformatorstufe 8a wird von einem vom ersten Zündkreis gesonderten, verschiedenartigen, primärseitigen Zündkreis, nämlich einem HKZ-Zündkreis 4 gespeist, und zwar über eine zwischengeschaltete zusätzliche Transformatorstufe 5. Die Eigenfrequenz des HKZ-Zündkreises 4 liegt typischerweise bis 10 kHz, die des HF-Zündkreises 2 vorzugsweise zwischen 10 und mehr als 100 kHz.

Durch die zwischengeschaltete Transformatorstufe 5 kann man die eigentliche zweite Transformatorstufe 8a mit niedriger Induktivität und Widerstand aufbauen, indem ein kleines Wicklungsverhältnis verwendet wird. Die Spannung im Kondensator der HKZ-Zündstufe 4 kann somit auf einige hundert Volt beschränkt werden.

Man kann mit dem HKZ-Zündkreis 4 (Hochspannungsquelle) eine hohe Spannungsspitze erreichen, die zur Bildung des Plasmas (Zündfunkens) zwischen den Elektroden der Zündkerze 1 ausreicht. Nach der Bildung des Plasmas kann der HKZ-Teil im wesentlichen deaktiviert werden. Der HF-Zündkreis 2 steuert dann als Stromquelle die Energie und die Brenndauer im Plasma zwischen den Elektroden zwischen der Zündkerze 1. Man kann hier bei sicherer Zündung wesentlich längere und vor allem frei wählbare Energieverteilungen erzielen, als dies mit dem HKZ-Zündkreis alleine möglich wäre.

Besonders günstig ist es, das Spannungsangebot des HF-Zündkreises 2 so zu wählen, daß bei einem eventuellen Verlöschen des Plasmas dieses in der nächsten Periode des HF-Signals sofort wieder erzeugt wird. Die dafür notwendige Spannung ist nämlich geringer, als die für die erste Plasmabildung notwendige lonisationsspannung, welche am Beginn des Zündfunkens durch den HKZ-Zündkreis erzeugt wird.

Gesteuert wird der gesamte Zündablauf wiederum von einer Steuervorrichtung 9, die über einen Eingang 10, beispielsweise von einem Pickup-System auf der Kurbel- und Nockenwelle, ein kurbelwellenwinkelsynchrones Signal erhält. Über die Ausgangsleitungen 11 und 12 werden dann die Zündkreise 2 und 4 getriggert.

Die Steuervorrichtung 9 kann noch weitere Eingangsleitungen 13 aufweisen, über die Motorzustände eingegeben werden, beispielsweise die Motorlast, Klopfsignale, eine Verbrennungsdetektion, der Zündwinkel und die Zündenergiesteuerung. In Abhängigkeit von diesen motorspezifischen Signalen kann die Steuervorrichtung dann die Zündsysteme 2, 4 in unterschiedlichen Zeitfolgen triggern und den Energieverlauf steuern. Es ist sogar möglich, daß

beispielsweise im Leerlauf die HS-Quelle 4 vollkommen deaktiviert wird, weil in diesem Betriebszustand des Motors das Spannungsangebot der HF-Stufe ausreichen kann. Auch ist es möglich, über die Leitungen 11 nicht nur den Zündzeitpunkt der HF-Stufe 2, sondern auch weitere Parameter, wie Brenndauer und Energieverteilung während der Brenndauer in Abhängigkeit von Motordaten, festzulegen.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel im wesentlichen dadurch, daß die Transformatorstufe 8b sekundärseitig eine Gleichrichterschaltung 15 aufweist, und zwar in Form eines Vollwellengleichrichters.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel kommt auf der Primärseite der zweiten Transformatorstufe 8a eine TSZ-Zündung zum Einsatz, bei der das Öffnen des Schalters 16 einen Spannungsimpuls induziert. Der Schalter 16 kann beispielsweise als Transistor elektronisch realisiert sein und wird über die Steuerleitung 12 von der Steuervorrichtung 9 angesteuert.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind ebenfalls zwei verschiedene Systeme vorhanden, nämlich eine als Spannungsvervielfacherschaltung 4' ausgebildete Hochspannungsquelle und eine Stromquelle 2. Die Stromquelle 2 besteht, wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen im wesentlichen aus einem HF-System und einer Transformatorstufe, der sekundärseitig eine Gleichrichterschaltung 15 nachgeschaltet ist.

Als Hochspannungsquelle kommt im wesentlichen eine aus Dioden D und Kapazitäten C aufgebaute Spannungsverfielfacherschaltung 4' (beispielsweise eine Delon-Greinacher-Schaltung) zum Einsatz, die von einem HF-System 16 über eine Tansformatorstufe 8a gespeist wird. Die ausgangsseitige Hochspannung gelangt dann über eine kleine Induktivität 17 an die Zündkerze 1.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, beispielsweise könnten auch mehrere Transformatorstufen hintereinander geschaltet werden. Auch die eingesetzten Zündsysteme können verschieden von den in den Ausführungsbeispielen dargestellten Zündsystemen sein. Erfindungswesentlich ist die Tatsache, daß zwei gesonderte Systeme zum Einsatz kommen, die es in Ergänzung ihrer Eigenschaften erlauben, einerseits die Zündung gut zu initiieren und andererseits wesentliche Zündparameter, wie beispielsweise die Brenndauer oder die Energieverteilung zu beeinflussen.

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Claims (15)

1. Zündeinrichtung eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors mit einer Hochspannungsquelle zur Erzeugung eines Zündfunkens zwischen den Elektroden einer Zündkerze und einer davon gesonderte Stromquelle zur Aufrechterhaltung und Speisung des gebildeten Zündfunkens, wobei die Hochspannungsquelle und die Stromquelle vorzugsweise keine gemeinsamen Transformatorstufen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß ein primärseitiger Zündkreis (2) bzw. die Stromquelle (2, 8b) einen Hochfrequenzzündkreis (HF) mit einer Frequenz von vorzugsweise mehr als 10 kHz umfaßt.

2. Zündeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsquelle (4, 8a) und die Stromquelle (2, 8b) bezüglich der Zündkerze (1) parallel geschaltet sind.

3. Zündeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsquelle (4, 8a) und die Stromquelle (2, 8b) bezüglich der Zündkerze (1) in Reihe geschaltet sind.

4. Zündeinrichtung eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors mit wenigstens einer Zündspule, die von einem primärseitigen Zündkreis gespeist ist und die sekundärseitig zumindest eine Zündkerze mit Hochspannung versorgt, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Zündkerze (1) zumindest zwei gesonderte primärseitige Zündkreise (2, 4) vorgesehen sind.

5. Zündeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gesonderten primärseitigen Zündkreise (2, 4) verschiedenartig ausgebildet sind.

6. Zündeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündspule (8) zumindest zwei sekundärseitig in Reihe geschaltete Transformatorstufen (3, 6) aufweist, wobei die Primärwicklung einer ersten Transformatorstufe (8b) von einem ersten primärseitigen Zündkreis (2) und die gesonderte Primärwicklung einer zweiten Transformatorstufe (8a) von einem, vom ersten Zündkreis (2) gesonderten, verschiedenartigen, primärseitigen Zündkreis (4) gespeist sind.

7. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein primärseitiger Zündkreis (4) bzw. die Hochspannungsquelle (4, 8a) einen Kondensatorzündkreis (HKZ) oder einen induktiven Zündkreis (TSZ) umfaßt, dessen Eigenfrequenz vorzugsweise bis 10 kHz reicht.

8. Zündeinrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die näher der Verbrennungsmotormasse liegende Transformatorstufe (8b) von einem Hochfrequenzzündkreis (HF) (2) gespeist ist und die andere Transformatorstufe (8a) von einem Kondensatorzündkreis (HKZ) (4) angesteuert wird.

9. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jene Transformatorstufe (8b), deren Primärwicklung vom HF-Zündkreis (2) gespeist wird, einen sekundärseitigen Gleichrichter (15) aufweist.

10. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Primärwicklung der Zündspule (8) und dem eigentlichen primärseitigen Zündkreis (4) eine Transformatorstufe (5) zwischengeschaltet ist.

11. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung (9), die in Abhängigkeit von motorspezifischen Signalen (wie beispielsweise Kurbelwellenwinkel, Verbrennungsdetektion, Klopfsignale, und/oder Motorlast, die Zündkreise (2, 4) bzw. die Hochspannungsquelle (4, 8a) und Stromquelle (2, 8b) steuert.

12. Zündeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (9) die Zündkreise (2, 4) derart steuert, daß sich die an die Zündkerze (1) abgegebenen Spannungs- bzw. Stromanteile aus beiden Zündkreisen (2, 4) bzw. der Hochspannungsquelle einerseits und der Stromquelle andererseits zumindest bei einem Teil der Betriebszustände des Motors wenigstens teilweise zeitlich überlappen.

13. Zündeinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß über die Steuereinrichtung (9) die Brenndauer des Zündfunkens oder die dem Zündfunken zugeführte Energie einstellbar ist.

14. Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsquelle eine vorzugsweise aus Dioden und Kondensatoren aufgebaute Spannungsverfielfacherschaltung (4') aufweist (Fig. 5).

15. Zündeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Spannungsverfielfacherschaltung (4') und der Zündkerze (1) eine Induktivität (17) angeordnet ist.