DE2628509C2

DE2628509C2 - Kapazitätsentladungs-Zündsystem

Info

Publication number: DE2628509C2
Application number: DE2628509A
Authority: DE
Inventors: Irving E. Hancock N.Y. Linkroum
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1975-08-14
Filing date: 1976-06-25
Publication date: 1986-11-27
Also published as: CA1062766A; IT1066819B; US4027198A; IL49809A0; GB1508093A; DE2628509A1; FR2321207A1; FR2321207B1; JPS5567352U; IL49809A

Description

Beschreibung

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Die Erfindung betrifft ein Kapazitätsentladungs-Zündsystem, insbesondere für Düsentriebwerke, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Kapazitätsentladungs-Zündsystem ist aus der US-PS 38 94 273 bekannt. Das dort beschriebene Kapazitätsentladungs-Zündsystem ist insbesondere für Gasbrenner vorgesehen. Dem Anwendungszweck entsprechend sind besondere Maßnahmen getroffen, um eine Zündung dann zu verhindern, wenn die Gasflamme bereits brennt, und wenn ein Thermostat einen Fehlerzustand anzeigt.

In diesem Anwendungsfall sind weder Gewichtsnoch Platzprobleme bedeutsam. Zudem liegt die für die Zündung eines Gasbrenners erforderliche Energie in Bereichen, die auch mit der aus der US-PS 38 94 273 bekannten Schaltungsanordnung auch mit einer Eingangsgleichspannung von 12 Volt ohne besondere schaltungstechnische Maßnahmen erzeugbar ist. Dementsprechend sind aus der US-PS 38 94 273 keine Maßnahmen bekannt, um den Leistungsfaktor, also die Pha-

3V.IIV\.I.>I.IIH.UU1I5 Z.WI.}^ll\.|l OtIWIII UIIVl tjpailllUllg LfV-I dem dortigen Transformator 40 zu verbessern.

Demgegenüber ist in anderen Anwendungsfällen, beispielsweise bei Düsentriebwerken für Flugzeuge, ein Zündsystem erforderlich, welches auch während des Be- ν> triebes des Düsentriebwerks fortwährend Funken erzeugt, wobei etwa zwei Funken pro Sekunde wünschenswert sind. Dadurch kann sichergestellt werden, daß der Brennstoff stets gezündet bleibt Bei Zündsystemen für Düsentriebwerke besteht zudem die Forderung, daß neben einer festgelegten Wiederholfrequenz der Zündung auch eine vorgegebene Energiemenge bei jeder Zündung abgegeben werden sollte, um die vollständige Verbrennung sicherzustellen. Aufgrund dei auf der Hand liegenden Beschränkungen hinsichtlich Platzbedarf, Gewicht des Umfangs der elektrischen Leitungen besteht bei den Düsentriebwerksherstellern grundsätzlich die Tendenz, die Größe des Zündsystems und auch den in einem derartigen Schaltkreis fließenden Strom so stark zu begrenzen, daß die minimal notwendige Energiemenge aufgewendet werden kann. Hinsichtlich des Eingangsstromes ist bei den in einem Flugzeug auftretenden Kabellängen auch das Gewicht der Kabel von Bedeutung, so daß ein niedriger Strom wünschenswert ist Schranken für das Zündsystem hinsichtlich Gewicht- und Platzbedarf sind offensichtlich notwendig, da jedes Zusatzgewicht in einem Flugzeug die erforderliche Triebwerksleistung erhöht.

Aus der DE-AS 11 85 862 ist eine Zündanlage für Gasturbinen bekannt, bei der eine Tertiärwicklung und ein Kondensator vorgesehen ist Bei einem derartigen System ist es nicht möglich, mit einem relativ geringen Eingangsstrom eine hohe Energiemenge zu speichern. Vielmehr dient der dortige Kondensator der Funkenlöschung. Ferner ist aus der US-PS 38 90 562 eine geregelte Stromversorgung bekannt, bei welcher eine Tertiärwickk'ng verwendet wird. Die dortige Konstruktion ermöglicht eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Netzteils aufgrund der Anordnung der dortigen Korrekturkapazität. Diese Schaltung ermöglicht jedoch nicht die Zusammenschaltung mit einer Zündanlage, so daß ein periodisch wiederholtes Zünden möglich wäre.

Bei Verwendung des Wechselspannungsnetzcs zur Speisung des Eingangstransformators des Kapazitätsentladungs-Zündsystems kann die induktive Entkopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung verwendet werden, um eine Eingangsgröße zu schaffen, mit der der Eingangsstrom in den Transformator begrenzt werden kann. Dadurch wird jedoch ein verminderter Leistungsfaktor in Kauf genommen, d. h., der Strom erreicht seinen Spitzenwert erst erheblich nach dem Auftreten der Spitzenspannung. Ein verminderter Leistungsfaktor bedingt jedoch wiederum einen erhöhten Primärstrom. Dies führte zur Suche nach einem Leistungsfaktor-Korrekturschaltkreis. Mit einem derartigen Leistungsfaktor-Korrekturschaltkreis soll der Leistungsfaktor dadurch erhöht werden, daß der zeitliche Abstand zwischen der Stromspitze und der Spannungsspitze vermindert wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß einfach ein Kondensator parallel zur Primärwicklung des Transformators geschaltet wird. Bei den in Bordnetzen auftretenden Spannungen, z. B. 110 Volt, ist jedoch der Wirkungsgrad derartiger Kondensatoren niedrig. Da ein derartiger Kondensator dafür ausgelegt sein muß, auch bei hohen Umgebungstemperaturen zu arbeiten, ist er vergleichsweise groß und insbesondere für den erwähnten Verwendungszweck zu schwer.

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pazitätsentladungs-Zündsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei welchem in einer Speicherkapazität eine hohe Energiemenge gespeichert werden kann, das ein fortwährend periodisch wiederholtes Zünden erlaubt und bei welchem dennoch der erforderliche Eingangsslrom niedrig ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden

Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Besonders vorteilhaft ist es, daß das erfindungsgemäße Kapazitätsentladungs-Zündsystem mit einer Eingangswechselspannung von 110 Volt verwendet werden kann, eine Zündenergie von 9 Joule an die zur Erzeugung eines Zündfunkens verwendeten Elektroden abgeben kann und der Zündfunken eine Wiederholfrequenz von 2 Hertz aufweisen kann und dennoch ein Eingangsstrombedarf von weniger als 1 Ampere besteht. Dies wird dadurch erreicht, daß eine Tertiärwicklung vorgesehen ist, die in Reihe mit der Primärwicklung geschaltet ist, vorzugsweise in Sparschaltung. Ein hoher Kopplungsfaktor ist hierbei vorteilhaft- Ferner ist die Tertiärwicklung, die mit der Primärwicklung in Reihe geschaltet ist, also die Reihenschaltung aus Primärwicklung und Tertiärwicklung, mit einem die ICorrekturkapazität bildenden Kondensator abgeschlossen. Dadurch ergibt sich der besondere Vorteil, daß der Korrektur-Kondensator erheblich kleiner sein kann als bei einem Zündsystem ohne Tertiärwicklung. Dadurch wird Gewicht und Raum gespart und dennoch der Eingangsstrom für das Zündsystem auf einen niedrigen Wert von beispielsweise einem Ampere begrenzt

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kapazitätsentladungs-Zündsystems.

Das in der Figur dargestellte Zündsystem ist vom Kapa/.itälsentladungstyp und wird durch eine Wechselstromquelle 1 oder eine pulsierende, Gleichstrom abgebende Quelle erregt, die an die Eingangsanschlüsse A und ßder Zündschaltung angeschlossen ist Die Wechselstromquelle 1 ist an eine Primärwicklung 11 eines Lcislungs-Transformators 10 angeschlossen, der eine Tertiärwicklung 12 und eine Sekundärwicklung 13 besitzt. An die Primärwicklung und Tertiärwicklung 11 und 12 des Transformators 10 ist eine Kapazität 3 angeschaltet.

Normalerweise läßt sich der Leistungsfaktor bestimmter Transformatoren mit einem nacheilenden Leistungsfaktor dadurch korrigieren, indem man eine Kapazität an die Primärwicklung des Transformators anschließt. Der Eingangsspannungswert eines solchen Transformators liegt jedoch gewöhnlich bei 115 Volt, und weiter sind Kapazitäten für geringe Spannung, die für einen Betrieb innerhalb einer Umgebung mit hohen Temperaturen ausgelegt sind, physikalisch groß. Bei der gezeigten Schaltung läßt sich der Leistungsfaktor durch die Kapazität 3 mit geringer räumlicher Größe korrigieren. Die Größe der Kapazität hängt vom Wicklungsverhältnis zwischen der Primärwicklung 11 und der Tertiärwicklung 12 des Transformators ab. Es läßt sich daher in Fällen, wie beispielsweise im Falle eines Flugzeugs, bei welchen ein hoher Leistungsfaktor gefordert wird, jedoch wenig Raum zur Verfugung steht, ein hoher Leistungsfaktor durch den Transformator und die Kapazität realisieren, die in der einzigen Figur veranschaulicht sind. Es wurde festgestellt, daß dann, wenn die Tertiärwickiung i2 die gleiche Windungszahl wie die Primärwicklung ti besitzt, die Kapazität 3 den gleichen Leistungsfaktor wie eine Kapazität in einer ähnlichen Schaltung erzeugt, in welcher die Kapazität an einen Transformator angeschlossen wurde, der nur eine Primärwicklung besitzt, mit der Ausnahme, daß eine solche Kapazität einen Kapazitätswert hat, der viermal so groß ist wie der Kapazitätswert der Kapazität 3, die bei der gezeigten Schaltung verwendet werden kann. Die folgende Gleichung veranschaulicht den erwähnten Vorteil:

X =

■N2

Vl

worin bedeuten:

/Vl = Zahl der Windungen der Primärwicklung 11; N 2 = Zahl der Windungen der Tertiärwicklung 12;

X = die Zahl, durch die der Kapazitätswert einer Kapazität in einem Kapazitätsentladungs-Zündsystem mit einem Tertiärwicklungs-Transformator geteilt wird, um den Kapazitätswert einer Kapazität in der Schaltung nach der Erfindung zu erhalten, die die gleiche Größe elektrischer Energie an der Sekundärwicklung des Transformators in der erfindungsge

mäßen Schaltung wie die andere Schaltung erzeugt.

Für einen gegebenen Leistungsfaktor läßt sich daher eine kleine Kapazität bei dieser Schaltung verwenden, was im Gegensatz zu einer Schaltung steht, bei welcher der Transformator nur eine Primärwicklung mit einer an die Primärwicklung angeschlossenen Kapazität besitzt. Demzufolge werden die Vorteile entsprechend einer Raumeinsparung und einer Gewichtseinsparung durch die vorliegende Erfindung voll realisiert.

Im primären Abschnitt der Schaltung ist ein Hochfrequenzfilterkreis 2 vorhanden, um hochfrequentes Rauschen bzw. Störgrößen zu dämpfen, die innerhalb der Zündschaltung erzeugt werden und um dadurch eine Interferenz zu anderen Abschnitten der Schaltung hin zu vermeiden.

An die Sekundärwicklung 13 des Transformators 10 ist eine Spannungsverdopplerschaltung angeschlossen.

Die Spannungsverdopplerschaltung enthält Dioden 21 und 22 und Kapazitäten 31 und 32. Die Kapazität 31 ist an die Wicklung 13 des Transformators über die Diode oder den Halbwellengleichrichter 22 angeschlossen, so daß die Kapazität 31 beim positiven Abschnitt eines Ladezyklus geladen wird, während die Kapazität 32 beim negativen Abschnitt des Ladezyklus geladen wird. Durch diese Anordnung wird eine Spannung an der Kapazität 31 und 32 erhalten, die das doppelte der Spannung an der Sekundärwicklung 13 des Transformators 10 beträgt. Beide Kapazitäten 31 und 32 sind an eine Kapazität 50 angeschlossen, die einen relativ großen Kapazitätswert (zwei Mikrofarad) besitzt. Die Speicherkapazität 50 wird periodisch über eine Last entladen, wie beispielsweise eine Zündkerze 90 oder einen Zündspalt. Die Kapazität 50 kann die Energie entsprechend 1/2 CV² speichern; wobei Vdie Spannung an der Kapazität 50 ist. Die Dioden 21 und 22 können gegen eine Zerstörung geschützt werden, und die Betriebslebensdauer derselben kann verlängert werden, und ebenso lassen sich die geforderten Betriebsdaten dieser Dioden dadurch minimal halten, indem man einen StrombcgiciiZüiigswiderstand 40 vorsieht. Eine Seite der Kapazität 50 ist mit einer gemeinsamen Masse oder Erde 4 verbunden. Es sei hervorgehoben, daß gewünschtenfalls alle Massepunkte oder Erdpunkte 4 durch einen gemeinsamen, nicht geerdeten Leiter miteinander verbunden werden können. Eine Eingangselektrode 61 eines Steuerspaltes 60 ist mit der Hochspannungsseite der

Hauptspeicherkapazität 50 verbunden; eine Ausgangselektrode 62 des Steuerspaltes 60 ist mit einem Anschluß einer Sekundärwicklung 82 eines nach oben transformierenden Transformators 80 (step-up) verbunden, während der andere Anschluß der Sekundärwicklung 82 mit der nicht geerdeten Elektrode der Zündkerze 90 verbunden ist.

Über die Elektroden 61 und 62 des Steuerspaltes 60 ist eine Schaltung angeschlossen, die eine kleine Kapazität 70 (0,06 Mikrofarad) enthält und die in Reihe mit einer Primärwicklung 81 des Transformators 80 geschaltet ist. Ein Widerstand 71 vervollständigt den Stromkreis für die Aufladung der Kapazität 70 und schafft auch einen Stromkreis für die Entladung der Kapazität 50 für den Fall, daß die Zündkerze 90 keinen Funken erzeugt.

Die Entladeschaltung der Speicherkapazität 50 enthält folgende Einrichtungen: den Steuerspalt 60, den Widerstand 71, den Transformator 80, die Kapazität 70 und die Zündkerze oder die funkenerzeugende Kerze 90. Der Transformator 80 besitzt allgemein ein sehr hohes Wicklungsverhältnis, so daß dann, wenn die Kapazität 70 über die Primärwicklung 81 entladen wird, eine hohe Spannung von ca. 15 000 bis 20 000 Volt der Sekundärwicklung 82 aufgedrückt wird und damit der Zündkerze 90. Die Zündkerze 90 enthält zwei Elektroden, über welche sich ein elektrischer Bogen entlädt, wenn dies eingeleitet wird und welche die Energie von der Kapazität 50 empfängt und diese entlädt, wenn eine Entladung über den Steuerspalt 60 stattfindet.

Da dieses Zündsystem ein zeitlich nicht gesteuertes Zündsystem darstellt (im Gegensatz zu dem zeitlich gesteuerten Zündsystem eines Kraftfahrzeugmotors), stellt der Steuerspalt 60 eine Schaltervorrichtung dar, die selektiv leitend und nichtleitend gemacht wird. Der Steuerspalt 60 enthält zwei Elektroden, die so ausgelegt sind, daß sie durchschlagen, wenn an die Elektroden eine bestimmte Spannung angelegt wird. Jedesmal, wenn daher die Kapazität 50 diese vorbestimmte Spannung erreicht, so erfolgt ein Überschlag im Steuerspalt 60, und die in der Kapazität 50 gespeicherte Energie erhält die Möglichkeit, sich über den Steuerspalt 60 zu entladen.

Bei einer Ausführungsform der Kapazitätsentladungs-Zündschaltung transformiert der Leistungstransformator 10 die Versorgungsspannung hoch (z. B. 400 Hz, 115 Volt) auf einen Wert von mehr als 1400 Volt Spitze an der Sekundärwicklung 13 des Transformators 10. Jede Halbwelle der Versorgungsspannung wird durch die Dioden 21 und 22 gleichgerichtet, um jeweils die verdoppelnden Kapazitäten 31 und 32 zu laden. Die Spannung über den Kapazitäten 31 und 32 ist additiv, und daher beträgt die Spannung, welche die Hauptspeicherkapazität 50 lädt, mehr als 2500 Volt Spitze.

Die Speicherkapazität 50 wird weiterhin aufgeladen, bis eine Spannung erreicht wird, die gleich ist der Durchbruchsspannung des Steuerspaltes 60. Sobald die Spannung über dem Steuerspalt 60 das Ionisationspotential (z. B. 3550 Volt) überschreitet, wird der Steuerspalt 60 leitend. Wenn dies auftritt, entlädt sich die Triggerkapazität 70 über die Primärwicklung 81 des Transformators 80. was zu einer nach oben transformierten Spannung an der Sekundärwicklung 82 des Transformators 80 führt. Die nach oben transformierte Spannung liegt in der Größenordnung von 15 bis 20 Kilovolt, die ebenfalls der Zündkerze 90 aufgedrückt wird, um einen Funken in der Funkenstrecke der Zündkerze 90 einzuleiten. Gleichzeitig mit der Einleitung des Funkens in der Funkenstrecke der Zündkerze 90 wird die in der Speicherkapazität 50 vorhandene Energie über den Steuerspalt 60, die Sekundärwicklung 82 des Transformators 80 und über die Funkenstrecke der Zündkerze 90 entladen. Diese von der großen Speicherkapazität 50 stammende Energie wird als "Nachfolge" (follow through)-Energie bezeichnet. Nachdem die Spannung über der Kapazität 50 auf einen niedrigen Wert abgefallen ist, fällt die Spannung an den Elektroden 61 und 62 des Steuerspaltes 60 ab, so daß der Steuerspalt 60 entionisiert und nichtleitend wird (ausschaltet), so daß sich der Zyklus selbst wiederholen kann.

Obwohl nur ein einziges Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurde, so sei besonders darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern in spezifischen unterschiedlichen Schaltungen realisiert werden kann. Beispielsweise kann der Hauptspeicher oder die Speicherkapazität 50 durch eine andere Einrichtung als das Spannungsverdopplungssystem geladen werden. Beispielsweise kann diese Kapazität direkt von der Sekundärwicklung eines nach oben transformierenden Transformators geladen werden, der von einer Wechselstromquelle gespeist wird. Der Transformator kann auch von einer pulsierenden Gleichstromquelle gespeist werden. Es lassen sich auch weitere Änderungen vornehmen, wie beispielsweise hinsichtlich der elektrischen Werte, die in der Beschreibung nur als Beispiel gewählt wurden, und hinsichtlich der verwendeten Gleichrichtertypen, ohne dabei den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Zusammenfassend schafft die Erfindung somit ein Kapazitätsentladungs-Zündsystem, welches insbesondere für Düsenmaschinen geeignet ist und welches einen relativ hohen Leistungsfaktor am Transformatoreingang besitzt, ohne daß dabei der Nennstrom überschritten wird, der bei Düsen-Zündsystemen bei dem gewünschten Leistungswert gefordert wird. Ein speziell ausgelegter Leistungstransformator ist mit einer Kapazität versehen, die über die eng gekoppelten Primär- und Tertiärwicklungen angeschaltet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche

1. Kapazitätsentladungs-Zündsystem, insbesondere für Düsentriebwerke, mit einem Transformator mit einer Primärwicklung und mit einer Sekundärwicklung, mit einer mit der Sekundärwicklung verbundenen Gleichrichtereinrichtung, mit einer mit dem Ausgangsanschluß der Gleichrichtereinrichtung verbundenen Speicherkapazität und mit einer Entladeeinrichtung für die in der Speicherkapazität gespeicherte elektrische Energie über eine Elektrodenanordnung zur Erzeugung eines Zündfunkens, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator

(10) eine Tertiärwicklung (12) aufweist, die mit der Primärwicklung (11) in Reihe geschaltet ist, und daß eine Korrekturkapazität (3) vorgesehen ist, die an die Reihenschaltung aus Tertiärwick'.ung {12) und Primärwicklung (11) angeschlossen ist.

2. Kapazitätsentladungs-Zündsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Tertiärwicklung (12) verbundene Anschluß der Primärwicklung (U) als Eingangsanschluß ausgebildet ist und der andere Anschluß der Primärwicklung

(11) mit Masse (4) verbunden ist und daß ein Anschluß der Korrekturkapazität (3) mit Masse (4) und der andere Anschluß der Korrekturkapazität (3) mit dem anderen Anschluß der Tertiärwicklung

(12) verbunden ist.

3. Kapazitätsentladungs-Zündsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tertiärwicklung (12) und die Primärwicklung (11) in Sparschaltung angeordnet sind.

4. Kapazitätsentladungs-Zündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tertiärwicklung (12) mindestens so viele Windungen wie die Primärwicklung (11) aufweist.