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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Zündsystem für einen Kraftfahrzeugmotor.
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Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf ein System, das Mittel enthält, die
eine Zündspule
bilden, umfassend Mittel, die eine Primärwicklung bilden, die an eine
Betriebsstromversorgung des Fahrzeugs über Steuermittel für ihre Versorgung
angeschlossen sind, und Mittel, die eine Sekundärwicklung bilden, die an wenigstens
eine Zündspule
des Motors angeschlossen sind.
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Die
auf herkömmliche
Weise verwendeten Zündsysteme
für Benzinmotoren
von Fahrzeugen umfassen eine Zündspule,
die die Energiespeicherung und eine Erhöhung der Spannung sicherstellen, die
an die Zündkerze,
und insbesondere zwischen deren Elektroden, angelegt wird, um zwischen
diesen einen Lichtbogen oder Funken zu erzeugen.
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Die
Eigenschaften dieses Funkens, das heißt, seine Dauer und seine Intensität, hängen einerseits
von den Umgebungsbedingungen in dem entsprechenden Brennraum (aerodynamischer Druck,
Kraftstoffgehalt, Temperatur, usw.) und andererseits von der Leistung
des Zündsystems
(gespeicherte Energie, sekundärseitige
Induktion, usw.) ab.
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In
den derzeit bekannten Systemen wird die Erzeugung des Funkens in
zwei aufeinanderfolgenden Schritten durchgeführt, nämlich einem ersten Schritt
des Aufladens, in dessen Verlauf die Spule eine gewisse Energiemenge
durch die Speisung ihrer Primärwicklung
speichert, und einem zweiten Schritt der Entladung, in dessen Verlauf
die abrupte Unterbrechung des Primärstroms der Spule eine Erhöhung von
deren Sekundärspannung
hervorruft, bis ein Lichtbogen zwischen den Elektroden der Zündkerze
erzeugt wird, wobei die Energie, die in dem magnetischen Kreis der
Spule enthalten ist, in dem Lichtbogen bis zu dessen Erlöschen dissipiert
wird.
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Die
Dauer des Lichtbogens ist also hauptsächlich eine Funktion der Energie,
die die Spule speichern kann.
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Der
Strom des Lichtbogens, der die Intensität des Funkens darstellt, ist
seinerseits eine Funktion der Impedanz der Sekundärwicklung.
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Diese
zwei Parameter sind entscheidend für die Qualität der Entzündung des
Gemischs im Brennraum.
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Auf
Grund der aktuellen Technologie bei Spulen sind Strom und Dauer
des Lichtbogens miteinander verbunden und es nicht möglich, eine
lange Zeitdauer des Funkens zu erhalten, ohne auch den Strom des
Lichtbogens anwachsen zu lassen.
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Die
Untersuchungen der Leistungsfähigkeit, die
bei der Schadstoffminimierung und beim Verbrauch der Motoren durchgeführt werden,
bringen die Konstrukteure dazu, die Motoren auf magere oder inhomogene
Gemische auszulegen, die im allgemeinen mit einer starken Aerodynamik
im Brennraum verbunden sind.
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Diese
Betriebsbedingungen erfordern besondere Leistungsfähigkeit
des Funkens, nämlich eine
lange Dauer des Lichtbogens, damit der Funken während ungefähr 10° der Kurbelwellenumdrehung vorhanden
ist, d. h. eine Zeitdauer größer als
2,5 ms im Leerlauf des Motors, und einen Strom des Lichtbogens,
der hoch genug ist, damit er der Aerodynamik gut widersteht, der
aber dennoch begrenzt ist, um die Elektroden der Zündkerzen
nicht vorzeitig zu verschleißen.
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Außerdem ist
die Zündkerze
entsprechend der Orientierung des Einspritzstrahls, insbesondere im
Falle von Motoren mit Direkteinspritzung, dafür anfällig, zu verschmutzen, und
es wird daher bevorzugt, ein Zündsystem
mit geringer Sekundärimpedanz
einzusetzen, dessen Anstiegszeit für die Hochspannung kurz ist.
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Die
herkömmlichen
Zündsysteme
sind nicht dazu eingerichtet, um diesen neuen Ansprüchen zu genügen.
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In
der Tat impliziert eine große
Dauer des Lichtbogens die Verwendung voluminöser, massiver und kostspieliger
Zündspulen,
die einen Hochleistungsmagnetkreis (Bleche mit orientierten Körnern, Einführung von
Permanentmagneten, usw.) enthalten.
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Wenn
außerdem
die Dauer des Lichtbogens lang ist, ist im Allgemeinen der Strom
des Lichtbogens zu groß (größer als
100 mA).
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Schließlich impliziert
die große
Induktanz dieser Spulen ziemlich lange Anstiegszeiten der Hochspannung
(etwa gleich 40 μs).
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Um
zu versuchen, diese Probleme zu lösen, sind nach dem Stand der
Technik schon verschiedene Lösungen
vorgeschlagen worden.
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So
ist beispielsweise vorgeschlagen worden, zwei Stromversorgungen
zu verwenden, die eine, um den Lichtbogen zu erzeugen, und die andere,
um ihn zu unterhalten.
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Es
ist auch vorgeschlagen worden, einen induktiven Schaltkreis und
einen kapazitiven Schaltkreis zu verbinden, die abwechselnd arbeiten.
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Abwechselnde
Zündungen
oder Mehrfunkenzündungen
sind ebenfalls vorgeschlagen worden.
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Jedoch
werden Systeme, die die Umsetzung der drei zuvor erwähnten ersten
Lösungen
erlauben, in elektronischen Schaltkreisen ausgeführt, die im allgemeinen als
zu komplex beurteilt werden.
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Die
vierte Lösung
der Mehrfunkenzündung besteht
ihrerseits darin, eine Folge von mehreren kurzen Funken zu erzeugen,
die durch Zwischenzeiten unterbrochen sind, die zum Wiederaufladen
der Spule erforderlich sind. Der Vorteil dieser Lösung ist, dass
die Spule kleine Abmessungen haben kann und eine reduzierte Anstiegszeit
der Hochspannung aufweist.
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Die
Gesamtdauer der Funkenfolge kann als Funktion der Betriebsbedingungen
des Motors moduliert werden.
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Der
Lichtbogen ist jedoch diskontinuierlich, was zwei Nachteile zeigt,
betreffend:
- 1) die Wahrscheinlichkeit, dass
gleichzeitig der Lichtbogen und die auf das Gas bezogenen Bedingungen
für die
Einleitung der Verbrennung vorliegen, die proportional zum Takt
der Funken ist, und
- 2) den Verschleiß der
Spule, der schneller voranschreitet, weil die Erosion der Elektroden
hauptsächlich
während
der Phase der Erzeugung der Lichtbögen stattfindet.
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Das
Ziel der Erfindung ist folglich, die zuvor erwähnten Probleme zu lösen.
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Zu
diesem Zweck hat die Erfindung ein Zündsystem für einen Kraftfahrzeugmotor
zum Gegenstand, des Typs enthaltend Mittel, die eine Zündspule
bilden, umfassend Mittel, die eine Primärwicklung bilden, die an eine
Betriebsstromversorgung des Fahrzeugs über Steuermittel für ihre Versorgung
angeschlossen sind, und Mittel, die eine Sekundärwicklung bilden, die an wenigstens
eine Zündkerze
des Motors angeschlossen sind, wobei die Mittel, die die Zündspule
bilden, wenigstens zwei Spulen umfassen, deren Sekundärwicklungen über Mittel
mit Diode zur Rückflusssperrung
an wenigstens eine Zündkerze
angeschlossen sind, und deren Primärwicklungen mit Steuermitteln
verbunden sind (Siehe 2244 Research Disclosure, 1993, April, No.
348, Ensworth, GB). Diese Mittel ermöglichen während einer ersten Betriebsphase
der Zündung
eines Lichtbogens zwischen den Elektroden der Zündkerze die gleichzeitige Stromversorgung
der Spulen, um die Überschlagsspannung
zwischen den Elektroden dieser Kerze zu erreichen, und dann während einer
zweiten Betriebsphase der Aufrechterhaltung dieses Lichtbogens ihre
abwechselnde Versorgung, um den Lichtbogen ohne Unterbrechung zu
versorgen.
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Die
Erfindung wird bei der Lektüre
der folgenden Beschreibung besser verständlich, die nur als Beispiel
angegeben wird und die sich auf die Zeichnungen im Anhang bezieht,
in denen:
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die 1 einen
Schaltplan darstellt, der die Struktur einer ersten Ausführungsform
eines Zündsystems
nach der Erfindung darstellt;
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die 2 verschiedene
Signalformen darstellt, die die Funktionsweise dieser Vorrichtung
illustrieren; und
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die 3 einen
Schaltplan darstellt, der die Struktur einer zweiten Ausführungsform
eines Zündsystems
nach der Erfindung darstellt.
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In 1 erkennt
man ein Zündsystem
für einen
Kraftfahrzeugmotor, das Mittel enthält, die eine Zündspule
bilden, die mit dem allgemeinen Bezugszeichen 1 in dieser
Figur bezeichnet ist, umfassend Mittel, die eine Primärwicklung
bilden, die mit dem allgemeinen Bezugszeichen 2 bezeichnet
sind, und die an eine Energieversorgungsquelle des Kraftfahrzeugs über Steuermittel
angeschlossen sind, die mit dem allgemeinen Bezugszeichen 3 in
dieser Figur bezeichnet sind, und Mittel, die eine Sekundärwicklung
bilden, die mit dem allgemeinen Bezugszeichen 4 bezeichnet
sind, und die an wenigstens eine Kerze des Motors angeschlossen
sind, die mit dem allgemeinen Bezugszeichen 5 bezeichnet
ist.
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In
dem Ausführungsbeispiel
aus 1 ist das Zündsystem
mit einer einzelnen Zündkerze 5 verbunden.
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Nach
der Erfindung umfassen die Mittel, die die Zündspule bilden, wenigstens
zwei verschiedene Spulen ohne magnetische Kopplung, die mit den
allgemeinen Bezugszeichen 6 und 7 bezeichnet sind, deren
Sekundärwicklungen 8 beziehungsweise 9 an die
Zündkerze 5 über Mittel
mit Diode zur Rückflusssperrung 10 beziehungsweise 11 angeschlossen sind
und deren Primärwicklungen 12 beziehungsweise 13 an
Steuermittel 14 beziehungsweise 15 angeschlossen
sind, die erlauben, während
einer ersten Betriebsphase der Zündung
eines Lichtbogens zwischen den Elektroden der Zündkerze die Spulen gleichzeitig
mit Strom zu versorgen, um die Zündspannung
zwischen den Elektroden dieser Kerze zu erreichen, und dann während einer
zweiten Betriebsphase der Aufrechterhaltung des Lichtbogens diese abwechselnd
zu versorgen, um den Lichtbogen ohne Unterbrechung zu versorgen.
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In
dem Ausführungsbeispiel,
das in der 1 dargestellt ist, werden die
Steuermittel 14 und 15 jeweils durch eine Halbleiterschalteinrichtung
dargestellt, wie beispielsweise einen NPN-Transistor, der mit der
Primärwicklung
jeder Spule verbunden ist, indem er zwischen einem Anschluss dieser
Primärwicklung
und der Masse angeschlossen ist, wobei der andere Anschluss dieser
Primärwicklung
an eine Energieversorgung des Fahrzeugs (+AC) angeschlossen ist.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
ist eine der Elektroden der Zündkerze 5,
wie zum Beispiel Elektrode 16, an die Masse angeschlossen,
während
deren andere Elektrode 17 an erste Anschlüsse der
Sekundärwicklungen 8 und 9 der
Spulen 6 und 7 über Mittel mit Diode zur Rückflusssperrung 10 und 11 angeschlossen
ist, während
die zweiten Anschlüsse dieser
Spulen 8 und 9 an die Masse angeschlossen sind.
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Man
kann sich dann vorstellen, dass die Sekundärwicklungen 8, 9 der
zwei verschiedenen Spulen 6, 7 über zwei
Dioden zur Rückflusssperrung 10, 11 an
die Kerze 5 angeschlossen sind, und die Steuermittel 14, 15 der
Primärwicklungen 12, 13 dieser Spulen
dazu eingerichtet sind, deren gegenphasigen Betrieb mit einer leichten Überlappung
auszulösen.
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Der
Steuerungsablauf sowie die Spannungen und Ströme, die sich daraus an verschiedenen Punkten
des Schaltkreises ergeben, sind in der 2 dargestellt.
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In
dieser Figur stellen Vc1 und Vc2 die Steuersignale dar, die an die
Halbleiterschalteinrichtungen 14 und 15 angelegt
werden, Ip1 und Ip2 stellen die Ströme dar, die durch die Primärwicklungen
der Spulen fließen,
Vs1 und Vs2 stellen die Spannungen an den Anschlüssen der Sekundärwicklungen
dieser Spulen dar, und Vs und Is stellen jeweils die Spannung und
den Strom an den Anschlüssen
und an der Kerze 5 dar.
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Man
kann vor dem Hintergrund dieser 2 feststellen,
dass die zwei Spulen ganz zu Beginn gleichzeitig mit Strom versorgt
werden.
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Auf
diese Weise steigen die Spannungen an den Anschlüssen von deren Sekundärwicklungen gleichzeitig,
derart, dass die Spannung, die an den Anschlüsse der Dioden anliegt, kleiner
als der Grenzwert von deren Durchbruchsspannung bleibt.
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Wenn
die Spannung des Lichtbogens aufgebaut ist, wird die Spule 7 wieder
aufgeladen, während die
Spule 6 den Lichtbogen versorgt.
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Bevor
der Strom des Lichtbogens zusammenbricht, wird das Laden der Spule 7 unterbrochen und
die Sekundärspannung
Vs2 baut sich bis zur Lichtbogenspannung auf.
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Die
Spule 7 übernimmt
folglich die Versorgung der Zündkerze,
während
die Spule 6 wiederum aufgeladen wird.
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Der
Versatz zwischen der Ansteuerung der einen Spule und dem Beginn
des Wiederaufladens der anderen Spule stellt die Kontinuität des Lichtbogens
sicher und vermeidet das Anlegen einer zu hohen Spannung an die
Anschlüsse
der Dioden.
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Der
wechselweise Betrieb der zwei Spulen kann sich beliebig fortsetzen
und kann auf diese Weise Funken mit modulierbarer Dauer erzeugen.
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Der
Strom Is, der durch die Kerze fließt, verändert sich in Form von Sägezähnen und
eine richtige Einstellung der Parameter der Spule und Anregungszeiten
erlaubt, diesen Strom zwischen zwei einstellbaren Grenzwerten zu
halten.
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Die
Lade- und Entladezeiten dieser Spulen können in Abhängigkeit von deren Eigenschaften eingestellt
werden, und es ist nicht erforderlich, Hochenergiespulen vorzusehen.
Dagegen ist es vorteilhaft, Spulen mit geringer Sekundärimpedanz
zu verwenden, deren Anstiegszeit der Sekundärspannung verringert ist.
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Selbstverständlich können noch
andere Ausführungsformen
eines solchen Systems in Betracht gezogen werden.
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So
kann zum Beispiel ein solches Zündsystem
mit zwei Kerzen verbunden sein (statische Doppelzündung),
wie zum Beispiel die Kerzen 5a und 5b, die in
der 3 dargestellt sind, in der die anderen Elemente
mit Bezugszeichen bezeichnet sind, die mit denen identisch sind,
die in der 1 verwendet werden.
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Man
erkennt in dieser 3 nämlich die zwei verschiedenen
Spulen 6 und 7, deren Sekundärwicklungen 8 und 9,
deren Primärwicklungen 12 und 13, die
Halbleiterschalteinrichtungen 14 und 15 und die Mittel
mit Diode zur Rückflusssperrung 10 und 11.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
sind also zwei Kerzen 5a und 5b angeschlossen,
wobei deren erste Elektroden gemeinsam an die Masse angeschlossen
sind.
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Die
andere Elektrode einer der Kerzen, wie zum Beispiel die Kerze 5a,
ist an erste Anschlüsse der
Sekundärwicklungen 8 und 9 der
Spulen über
die Mittel mit Diode zur Rückflusssperrung 10 und 11 angeschlossen,
während
die andere Elektrode der anderen Kerze 5b an zweite Anschlüsse der
Wicklungen 8 und 9 und an die Masse angeschlossen
ist.
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Die
Funktionsweise einer solchen Ausführungsform ist analog zu der,
die oben beschrieben worden ist.
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Man
kann sich dann vorstellen, dass es mit einem solchen System möglich ist,
einen kontinuierlichen Funken mit modulierbarer Dauer ohne Begrenzung
der Dauer und mit einem Strom des Lichtbogens zu erhalten, der in
Sägezahnform
zwischen zwei Grenzwerten variiert, was auf diese Weise den Verschleiß der Elektroden
dieser Kerze verringert.
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Außerdem ermöglicht eine
solche Struktur auch eine geringe Sekundärimpedanz, die einen schnellen
Aufbau der Hochspannung zulässt,
wobei Niederenergiespulen verwendet werden, und die für eine oder
mehrere Kerzen angemessen ist.