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WO2007031172A1 - Verfahren und vorrichtung zum entzünden eines brennbaren gasgemisches in einem verbrennungsmotor - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum entzünden eines brennbaren gasgemisches in einem verbrennungsmotor Download PDF

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WO2007031172A1
WO2007031172A1 PCT/EP2006/008187 EP2006008187W WO2007031172A1 WO 2007031172 A1 WO2007031172 A1 WO 2007031172A1 EP 2006008187 W EP2006008187 W EP 2006008187W WO 2007031172 A1 WO2007031172 A1 WO 2007031172A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
circuit
transformer
primary
voltage
ignition
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2006/008187
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Maul
Dieter Kuhnert
Gerhard Koerner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Multitorch GmbH
Original Assignee
Multitorch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Multitorch GmbH filed Critical Multitorch GmbH
Priority to US11/991,821 priority Critical patent/US7730879B2/en
Priority to EP06776977A priority patent/EP1924770A1/de
Publication of WO2007031172A1 publication Critical patent/WO2007031172A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P3/00—Other installations
    • F02P3/01—Electric spark ignition installations without subsequent energy storage, i.e. energy supplied by an electrical oscillator

Definitions

  • the invention relates to a method for igniting a combustible gas mixture in a working cycle of an internal combustion engine by means of an ignition system, which includes a spark plug and a voltage converter circuit for supplying the spark plug with ignition energy, wherein the voltage converter circuit, a transformer, a primary circuit, arranged in which a primary side of the transformer is, and a secondary circuit in which a secondary side of the transformer is arranged, summarized, and wherein by closing a switch, electrical energy is fed into the primary circuit and to the primary side of the transformer, a primary voltage Ul is applied, the primary voltage Ul up-transformed by means of the transformer and is transmitted via a transformer core in the secondary circuit, so that a secondary voltage U2 (t) builds up on the spark plug connected to the secondary circuit and upon reaching a critical ignition voltage value U 2 a Bogenent charge ignites.
  • the invention further relates to a method suitable for the voltage converter circuit, an ignition system and a transformer.
  • a working cycle of an internal combustion engine comprises introducing the combustible gas mixture into a combustion chamber, igniting the gas mixture and burning the gas mixture. With the renewed filling of the combustion chamber with fresh gas mixture, a new working cycle of the internal combustion engine begins.
  • the high voltage generation takes place on the secondary side in partial resonance, so that an arc discharge with a burning time in the millisecond range can be reheated for any length by repeated voltage pulses to even under the most unfavorable conditions, such as turbulence in the ignition chamber of the engine by a prolonged burning time to ensure reliable ignition of the gas mixture.
  • the object of the invention is to show a way how the maintenance intervals of ignition systems can be extended.
  • This object is achieved in a method of the aforementioned type in that then to delete the arc discharge energy from the transformer core and the secondary circuit is returned to the primary circle by the transformer is discharged by a degaussing current through a discharge path contained in the primary circuit, and until the ignition of another arc discharge, preferably during the remaining time of the operating cycle of the internal combustion engine, a transfer of energy from the primary circuit is prevented in the secondary circuit.
  • a voltage converter circuit for supplying a spark plug with ignition energy comprising a
  • Continuous current transformer having a transformer with a primary side and a secondary side, which are coupled via a transformer core, a primary circuit in which the primary side of the transformer, connections for a primary voltage source and a transistor switch for switching on the primary voltage are arranged, and a secondary circuit in which the secondary side of the transformer and connections for a spark plug are arranged, wherein the primary circuit via the transformer coupled to the secondary circuit is that energy is transferred from the primary circuit to the secondary circuit in the closed transistor switch, in the primary circuit, a discharge path is arranged, demagnetized by the transformer with the transistor switch open and to shorten the burning time of an arc energy from the secondary circuit in the Primary circuit can be returned, and the discharge path with the primary side forms a demagnetization, which is designed such that a transmission of energy from the demagnetizing circuit in the secondary circuit prevented who that can.
  • the extension of the maintenance intervals obtained with the invention is a significant advantage, in particular for gas engines.
  • Gas engines are used in power plants to generate electricity by burning natural gas. Maintenance and in particular the replacement of a defective spark plug, associated with a loss of production and therefore considerable costs.
  • the surprising finding has also been obtained that the ignition voltage value U z , which ignites an arc discharge in a gas mixture, not only on the composition of the gas mixture, its pressure and the electrode gap of the spark plug, but also by the voltage rise rate of the secondary voltage U2 (t) depends.
  • the secondary voltage U2 (t) In order to further reduce the ignition energy introduced into the gas mixture and thus the wear of the spark plugs, steep rising edges of the secondary voltage U2 (t), ie high rising speeds, are therefore preferred in the present invention. If, for example, the duration of the voltage rise edge of the secondary voltage U2 (t) is shortened from 100 ⁇ s to 5 ⁇ s, the ignition voltage value U 2 , at which the arc discharge ignites, is reduced by approximately 10%.
  • One way to increase the rate of voltage rise of the secondary voltage U2 (t) is to select a higher primary voltage U1 than is required in the ignition system used to ignite an arc discharge. Preference is therefore given to the primary voltage Ul at least twice, yet more preferably at least three times as high, in particular at least five times as high, as is required in the ignition system used to ignite an arc discharge in the gas mixture to be ignited.
  • the minimum value of the primary voltage U1 required to ignite an arc discharge in the gas mixture to be ignited can generally not be calculated or only with extremely great expense.
  • the minimum value of the primary voltage Ul can easily be determined by trial and error when setting an ignition system by slowly lowering the primary voltage U1 when the engine is running until an ignition fails.
  • the inventive method is characterized by short burning times of the arc discharge and therefore allows less wear of the spark plugs used and longer maintenance intervals.
  • a burning time of the arc discharge of less than 15 microseconds under certain operating conditions of the internal combustion engine, in particular during a start or load change phase, under certain circumstances, not in each case an ignition of the combustible gas mixture is effected.
  • the ignition method according to the invention causes a reliable ignition even with very short burn times of, for example, less than 10 microseconds in normal operation of an engine, special circumstances may occur in the transitional operation of an engine, in which the reliability of the invention made ignition can be improved.
  • a simple way to improve ignition reliability is during a work cycle of an internal combustion engine to generate several arc discharges in succession, each of which is erased within a few microseconds.
  • One aspect of the invention therefore relates to a method for igniting a combustible gas mixture in a working cycle of an internal combustion engine by means of a spark plug, wherein during the working cycle by means of the spark plug one after the arc several times, in particular at least three times, an arc discharge is ignited.
  • a voltage converter circuit according to the invention can be ignited with a single spark plug at short intervals of, for example, less than 30 microseconds consecutively several arc discharges and so outside the normal operation of an internal combustion engine, especially during a start phase, gas mixtures can be reliably ignited.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of an embodiment of a voltage converter circuit according to the invention.
  • FIG. 2 is a circuit diagram of another embodiment of a voltage converter circuit according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic representation of an embodiment of a transformer for a voltage converter circuit according to the invention
  • Fig. 5 shows the course of the secondary voltage U2 (t) over the time t for an ignition system according to the invention when generating a plurality
  • the voltage converter circuit 1 shows a circuit diagram of a voltage converter circuit 1, with which a spark plug for igniting a combustible gas mixture in an internal combustion engine can be supplied with ignition energy.
  • the voltage converter circuit 1 comprises a transformer 3, a primary circuit 4, in which a primary side 5 of the transformer 3 is arranged, and a secondary circuit 6, in which a secondary side 7 of the transformer 3 is arranged.
  • a spark plug 2 is connected, which is shown schematically in Figure 1 by opposite arrows.
  • the reference numeral 15 unavoidably characterized in the secondary circuit 6 existing parasitic capacitances, resulting in particular by winding capacitances of the secondary side 7 of the transformer 3.
  • the primary circuit 4 is connected to a primary voltage source 10.
  • the primary voltage source 10 is a DC voltage source, which preferably provides a primary voltage U 1 of 100 V to 400 V.
  • the primary voltage Ul can be connected to the primary transistor by closing a transistor switch 11 arranged in the primary circuit 4. page 5 of the transformer 3 are applied.
  • Particularly suitable are field effect transistors, in particular switching power field effect transistors with a switching time of less than 100 ⁇ s, preferably less than 50 ⁇ s, more preferably less than 20 ⁇ s. Suitable transistors are sold for example by the company IXYS under the name HiPerFET.
  • the field effect transistor switch 11 is switched in a manner known to those skilled in the art by means of a control voltage U S ⁇ between a blocking state and a conducting state. To protect the field effect transistor 11 against voltage flashbacks an integrated diode is connected in parallel in the reverse direction.
  • the primary circuit 4 and the secondary circuit 6 coupled to it form a forward converter.
  • the primary circuit 6 is coupled via the ceramic core 16 of the transformer 3.
  • the primary voltage Ul is applied to the primary side 5 of the transformer 3. In this way, electrical energy is fed into the primary circuit 4.
  • the primary voltage U1 is up-converted by means of the transformer 3 and transmitted to the secondary circuit 6, so that a secondary voltage U2 (t) builds up on the spark plug 2.
  • the speed at which the secondary voltage U2 (t) increases depends on the one hand on the magnitude of the primary voltage Ul and on the other hand on the size of the inductances and capacitances contained in the voltage converter circuit 1 and the spark plug 2, which must be charged via unavoidable ohmic resistances.
  • a critical ignition voltage value Uz As soon as the secondary voltage U2 (t) applied to the spark plug 2 reaches a critical ignition voltage value Uz, an arc discharge ignites.
  • a blocking element 13 Arranged in the discharge path is a blocking element 13, which prevents a charging current flowing through the discharge path 12 when the transistor switch 11 is closed.
  • the demagnetizing current flowing in the reverse direction for discharging the transformer is passed through by the blocking element 13.
  • the blocking element 13 is formed as a diode.
  • a second transistor switch can be used, which is controlled in a suitable manner.
  • the electrical energy transferred into the secondary circuit 6 when the transistor switch 11 is open is only partially released by a discharging current flowing in the arc discharge as ignition energy to the gas mixture to be ignited and partially transferred back into the primary circuit, where it dissipates at ohmic resistances. which are inevitably present in the discharge path 12 and the primary side 5.
  • the opening of the transistor switch 11 marks the end of the switch-on phase, in which electrical energy is transferred from the primary circuit to the secondary circuit, and the beginning of the discharge phase, in which energy from the secondary circuit is fed back into the primary circuit.
  • the duration of the switch-on is chosen so that the ignition of an arc discharge and ignition of the gas mixture is reliably achieved. Aging effects of the spark plug, which over time ignite the arc Discharge a slightly higher secondary voltage U2 (t) required, are to be considered.
  • the switch-on phase may be twice as long as the period from the closing of the transistor switch 11 to the ignition of the arc discharge.
  • the transistor switch 11 is preferably opened less than 20 microseconds, preferably less than 10 microseconds, in particular less than 5 microseconds, after the ignition of the arc discharge.
  • the transistor switch 11 is particularly preferably opened at the latest in the moment in which the arc discharge ignites.
  • Particularly short firing times can be achieved by opening the transistor switch 11 after a period of time and starting with the recirculation of energy into the primary circuit 4, which is only 50% to 95%, preferably 50% to 90%, particularly preferably 50% to 80% %, the time that elapses from the closing of the transistor switch 11 to the ignition of the arc discharge.
  • the duration of the starting phase of an ignition system is selected based on empirical values that can be determined in corresponding tests.
  • the subsequent to the start phase discharge phase in which the transistor switch 11 is in its off state, continues until the end of the current operating cycle of the internal combustion engine. The transistor switch 11 is thus closed again only when fresh gas mixture has been introduced into the combustion chamber of the engine and this is to be ignited.
  • the discharge path 12 forms in the illustrated voltage converter circuit 1 with the primary side 5 a demagnetization circuit 14, which is designed in such a way that a transfer of energy from the demagnetization circuit 14 into the secondary circuit 6 during the discharge phase is prevented.
  • the illustrated voltage converter circuit 1 effects the opposite of known high voltage capacitor ignition systems in which a forward converter resonates is operated with the secondary circuit, so that the primary side after opening the transistor switch is a resonant circuit, which initially deprives energy by enmagnetizing the transformer from the secondary circuit and fed back into the secondary circuit at a subsequent half-wave.
  • FIG. 1 Another embodiment of a voltage converter circuit 1, with which a shortened burning time of an arc discharge can be achieved, is shown in FIG.
  • the difference from the voltage converter circuit 1 explained with reference to FIG. 1 is that a capacitor 20 is arranged in the discharge path 12.
  • the capacitor 20 charges by means of a demagnetizing current.
  • the diode 13 prevents the capacitor 20 then discharges again and stored in the discharge path 12 energy is fed back into the transformer 3.
  • the capacitor 20 is discharged via the resistor R z .
  • the resistor R 2 can in principle represent any consumer. A retransmission of energy from the demagnetizing circuit into the secondary circuit during the current cycle of the internal combustion engine would counteract the desired effect of shortening the burning time and is therefore undesirable.
  • the voltage converter circuits 1 described with reference to FIGS. 1 and 2 are particularly suitable for ignition systems which contain a prechamber spark plug.
  • Pre-chamber spark plugs are known, for example, from EP 0675272 B1, which in this regard is incorporated by reference into the subject of the present application.
  • the ignition electrodes of the spark plug are protected in an antechamber from possible turbulence of the igniting gas mixture. Therefore, even with particularly short burning times of the arc discharge of, for example, only 1 .mu.s reliably ignition of the gas mixture can be achieved, since the released by the arc discharge Ignition energy is not distributed by turbulence over a larger area.
  • the turns of the secondary side 7 are formed as a series-connected interconnects 31 on printed circuit boards 32.
  • up to 600 turns can be arranged spirally on a surface of a printed circuit board 32 without problems.
  • 50 to 200 turns preferably 60 to 100 turns, are arranged on a printed circuit board.
  • Higher numbers of turns can be realized, for example, by fitting a printed circuit board 32 on both sides with windings 31 and / or by arranging a plurality of such printed circuit boards according to FIG. 3 as a package.
  • circuit boards 32 are arranged one behind the other.
  • the individual circuit boards 32 have an opening 33 through which a transformer core 34 is passed, which is made of a ceramic material.
  • a transformer core 34 is passed, which is made of a ceramic material.
  • Corresponding ceramic materials with a fast magnetization behavior which is suitable for high-frequency technology are known to the person skilled in the art and are commercially available.
  • the primary side 5 with a few turns, in the extreme case even with a single turn, the U-shaped bent around the transformer core 34 can be realized.
  • the primary side 5 is preferably formed by a printed circuit board 32, on which one or more windings are arranged as conductor tracks.
  • the inductances of the primary side 5 and the secondary side 7 as well as parasitic capacitances, which are shown in FIGS. 1 and 2 by the reference numeral 15, and the total ohmic resistance can be minimized, so that extremely allow fast voltage rise rates of secondary voltage U2 (t) to be realized. Due to the helical arrangement of the windings 31 on the individual printed circuit boards 32, it is achieved that there are always only relatively small voltage differences between adjacent windings 31 and, consequently, penetration can be prevented.
  • Gaps between adjacent printed circuit boards 32 and between the transformer core 34 and printed circuit boards 32 are filled with a voltage-resistant potting compound 36, for example, the potting compound marketed by Tyco Electronics under the name Guronic C500-0.
  • a voltage-resistant potting compound 36 for example, the potting compound marketed by Tyco Electronics under the name Guronic C500-0.
  • the transformer is arranged in a transformer housing, which was poured after the introduction of the transformer core 34 and the circuit boards 32 with the potting compound.
  • the potential difference between windings 31 adjacent to one surface of a printed circuit board 32 is only U2 / N2. If the turns of the secondary side of the transformer 3 are arranged in total on n circuit board surfaces, there is a potential difference of U2 / n between turns of adjacent printed circuit board surfaces (ie front and back of a printed circuit board 32 or on both sides coated printed circuit boards 32 between the turns of adjacent printed circuit boards 32) , The potential differences that occur are thus substantially lower than in the case of conventional coils, which consist of wire windings which are wound in several layers around a transformer core 34, since in the prior art Technology between turns of different layers considerable potential differences exist and these still come to lie next to each other.
  • FIG. 4 shows over time t the curve A of the secondary voltage U2 of an ignition system according to the invention, which comprises a voltage converter circuit 1 according to FIG. 1 with a transformer according to FIG.
  • the curve B of the secondary voltage U2 of a modern ignition system according to the prior art is also shown.
  • Both curves show a rising edge of the secondary voltage U2, which drops rapidly when the arc discharge is ignited. If an arc discharge ignites, then the electrical resistance of the plasma formed by the arc discharge is substantially lower than the electrical resistance of the gas mixture. The ignition of an arc discharge therefore leads to a rapid drop of the secondary voltage U2 with a simultaneous increase in the current flowing in the arc secondary current 12th
  • FIG. 4 shows, on the one hand, that a significantly steeper rising edge of the secondary voltage U2 is realized with an ignition system according to the invention (curve A) and, on the other hand, that the arc discharge ignites at about 15 kV, while due to the significantly slower voltage increase of the ignition system according to the prior art (Curve B) ignites an arc discharge at about 16.5 kV.
  • the secondary voltage U2 in both cases returns within a very short time to a value of less than 800 V.
  • the arc discharge burns until the available in the secondary circuit 6 ignition energy is consumed. In the ignition system according to the prior art, this takes several 100 ⁇ s, so that the extinction of the arc discharge in Figure 4 is not visible. In the ignition system according to the invention, however, the arc discharge comes to extinction after a burning time of less than 10 ⁇ s.
  • course of the secondary voltage U2 causes a reliable ignition in normal operation of an internal combustion engine, but may not be sufficient for reliable ignition of the gas mixture outside of normal operation, for example during a warm-up or load change phase of the engine.
  • ignition system described above, one after the other an arc discharge, in each case after a few microseconds, for example, after less than 20 microseconds, deleted, in the energy from the transformer core and the secondary circuit in the primary circuit is returned.
  • FIG 5 shows an example of the course of the secondary voltage U2 over the time t when several arc discharges are ignited during a working cycle.
  • the ignition apparatus described above can already achieve substantially reliable ignition even under unfavorable conditions with two successive arc discharges, it can be particularly advantageous during the starting phase of the internal combustion engine, at least three times, in particular, during the working cycle by means of the spark plug Ignite an arc discharge at least five times.
  • the first arc discharge ignites at an ignition voltage value Uz of at least 10%, preferably at least 15% preferably at least 20%, in particular at least 25% higher, than the ignition voltage value of the arc discharges following in the operating cycle of the internal combustion engine.
  • Uz ignition voltage value
  • the total applied with the successive arc discharges ignition energy and thus the wear of the spark plug used can be minimized.
  • the arc discharges follow one another at a sufficiently short distance, a plasma is present even after the extinction of a preceding arc discharge around the ignition electrode of the spark plug, the increased electrical conductivity of which facilitates the ignition of a further arc discharge.
  • the ignition voltage value Uz of the first arc discharge is approximately 25% higher than the ignition voltage values of the both subsequent arc discharges are.
  • the arc discharges were ignited in the embodiment shown in Fig. 5 at a time interval of less than 15 microseconds. In general, it is advantageous to ignite successive arc discharges at a time interval of less than 100 ⁇ s, preferably less than 70 ⁇ s and in particular less than 50 ⁇ s. Conveniently, pauses between successive arc discharges during the work cycle of 1 microseconds to 50 microseconds, more preferably 10 microseconds to 30 microseconds, in particular at least 20 microseconds.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zünden eines brennbaren Gasgemisches in einem Verbrennungsmotor mittels einer Zündanlage (17), zu der eine Zündkerze (2) und eine Spannungswandlerschaltung (1) gehört, wobei die Spannungswandlerschaltung (1) einen Transformator (3), einen Primärkreis (4), in dem eine Primärseite (5) des Transformators (3) angeordnet ist, und einen Sekundärkreis (6), in dem eine Sekundärseite (7) des Transformators (3) angeordnet ist, umfasst, und wobei durch Schließen eines Schalters (11) elektrische Energie in den Primärkreis (4) eingespeist und an die Primärseite (5) des Transformators (3) eine Primärspannung Ul angelegt und in den Sekundärkreis (6) übertragen wird, so dass sich an der an den Sekundärkreis (6) angeschlossenen Zündkerze (2) eine Sekundärspannung U2(t) aufbaut und bei Erreichen eines kritischen Zündspannungswertes Uz eine Bogenentladung zündet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass anschließend zum Löschen der Bogenentladung Energie aus dem Sekundärkreis (6) in den Primärkreis (4) zurückgeführt wird, indem der Transformator (3) durch einen Entmagnetisierungsstrom über einen in dem Primärkreis (4) enthaltenen Entladungspfad (12) entladen wird, und bis zum Zünden einer weiteren Bogenentladung eine Übertragung von Energie aus dem Primärkreis (4) in den Sekundärkreis (6) verhindert wird. Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Spannungswandlerscchaltung, eine Zündanlage und einen Transformator.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Entzünden eines brennbaren Gasgemisches in einem Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zünden eines brennbaren Gasgemisches in einem Arbeitszyklus eines Verbrennungsmotor mittels einer Zündanlage, zu der eine Zündkerze und eine Spannungswandlerschaltung zu Versorgung der Zündkerze mit Zündenergie gehört, wobei die Spannungswandlerschaltung einen Transformator, einen Primärkreis, in dem eine Primärseite des Transformators angeordnet ist, und einen Sekundärkreis, in dem eine Sekundärseite des Transformators angeordnet ist, um- fasst, und wobei durch Schließen eines Schalters elektrische Energie in den Primärkreis eingespeist und an die Primärseite des Transformators eine Primärspannung Ul angelegt wird, die Primärspannung Ul mittels des Transformators hochtransformiert und über einen Transformatorkern in den Sekundärkreis übertragen wird, so dass sich an der an den Sekundärkreis angeschlossenen Zündkerze eine Sekundärspannung U2(t) aufbaut und bei Erreichen eines kritischen Zündspannungswertes U2 eine Bogenentladung zündet. Die Erfindung betrifft ferner eine für das Verfahren geeignete Spannungswandlerschaltung, eine Zündanlage und einen Transformator.
Ein Arbeitszyklus eines Verbrennungsmotors umfasst das Einbringen des brennbaren Gasgemisches in eine Brennkammer, das Zünden des Gasgemisches und das Verbrennen des Gasgemisches. Mit dem erneuten Füllen der Brennkammer mit frischem Gasgemisch beginnt ein neuer Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors. Derartige Verfahren und Spannungswandlerschaltungen, bei denen die Energieübertragung aus dem Primärkreis in den Sekundärkreis während einer Einschaltphase, das heißt bei geschlossenem Schalter, stattfindet, nutzen das Durchflußwandlerprinzip. Der Einsatz von Durchflußwandlern für Zündanlagen wurde in der DE 100 15 613 Al vorgeschlagen. Bei der bekannten Zündanlage erfolgt die Hochspannungserzeugung auf der Sekundärseite in Teilresonanz, so dass eine Bogenentladung mit einer Brenndauer im Millisekundenbereich durch wiederholte Spannungspulse beliebig lange nachgeheizt werden kann, um selbst unter ungünstigsten Bedingungen, beispielsweise Turbulenzen in der Zündkammer des Motors, durch eine verlängerte Brenndauer eine zuverlässige Zündung des Gasgemisches zu gewährleisten.
Insbesondere bei Motoren, die mit höheren Mitteldrücken von 14 bar bis 25 bar betrieben werden, ist nach dem Stand der Technik eine zuverlässige Zündung nur mit erhöhtem Aufwand und relativ kurzen Wartungsintervallen der Zündanlage möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie die Wartungs- Intervalle von Zündanlagen verlängert werden können.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der Eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass anschließend zum Löschen der Bogenentladung Energie aus dem Transformatorkern und dem Sekundärkreis in den Pri- märkreis zurückgeführt wird, indem der Transformator durch einen Entmagnetisierungsstrom über einen in dem Primärkreis enthaltenen Entladungspfad entladen wird, und bis zum Zünden einer weiteren Bogenentladung, bevorzugt während der restlichen Zeit des Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors, eine Übertragung von Energie aus dem Primär- kreis in den Sekundärkreis verhindert wird.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Spannungswandlerschaltung zum Versorgen einer Zündkerze mit Zündenergie umfassend einen
Durchflusswandler mit einem Transformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite, die über einen Transformatorkern gekoppelt sind, einem Primärkreis, in dem die Primärseite des Transformators, Anschlüsse für eine Primärspannungsquelle und ein Transistorschalter zum Einschalten der Primärspannung angeordnet sind, und einen Sekundärkreis, in dem die Sekundärseite des Transformators und Anschlüsse für eine Zünd- kerze angeordnet sind, wobei der Primärkreis über den Transformator derart mit dem Sekundarkreis gekoppelt ist, dass Energie bei geschlossenem Transistorschalter aus dem Primärkreis in den Sekundarkreis übertragen wird, in dem Primärkreis ein Entladungspfad angeordnet ist, über den der Transformator bei geöffnetem Transistorschalter entmagnetisiert und zum Verkürzen der Brenndauer einer Bogenentladung Energie aus dem Sekundärkreis in den Primärkreis zurückgeführt werden kann, und der Entladungspfad mit der Primärseite einen Entmagnetisierungskreis bildet, der derart ausgebildet ist, dass eine Übertragung von Energie aus dem Entmagnetisierungskreis in den Sekundärkreis unterbunden werden kann.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass zum Zuverlässigen Zünden eines brennbaren Gasgemisches wesentlich kleinere Zündenergien ausreichen, als mit bekannten Zündanlagen bei Brenndauern der Bogen- entladung von mehreren 100 μs oder sogar Millisekunden in das Gasgemisch eingeleitet werden. Zum Verkürzen der Brenndauer wird deshalb bei der vorliegenden Erfindung nach dem Zünden der Bogenentladung Energie aus dem Sekundärkreis und dem Transformatorkern in den Primärkreis zurück geführt und während der restlichen Zeit des Arbeitszyk- lus des Verbrennungsmotors eine Übertragung von Energie aus dem Primärkreis in den Sekundärkreis verhindert. Nach dem Zünden der Bogenentladung wird auf diese Weise eine beschleunigte Reduktion der an der Zündkerze anliegenden Sekundärspannung U2(t) erreicht, so dass die Bogenentladung schon nach einer verhältnismäßig kurzen Brenndauer zum Erliegen kommt. Durch die verkürzte Brenndauer reduziert sich der Verschleiß der Elektroden der Zündkerze, so dass die Wartungsintervalle der Zündanlage erhöht werden können.
Die mit der Erfindung erzielte Verlängerung der Wartungsintervalle ist insbesondere für Gasmotoren ein bedeutender Vorteil. Gasmotoren wer- den in Kraftwerken eingesetzt, um durch Verbrennung von Erdgas Strom zu erzeugen. Wartungsarbeiten und insbesondere der Austausch einer defekten Zündkerze, sind mit einem Produktionsausfall und deshalb erheblichen Kosten verbunden.
Wegen strengen Emissionvorschriften werden Gasmotoren in immer größerem Umfang mit abgemagerten Gasgemischen, das heißt Gasgemischen mit einem Überschuss an Luft, und erhöhtem Druck betrieben. Obwohl sowohl durch die Abmagerung als auch die Erhöhung des Gas- drucks die Zündung des Gasgemisches erschwert wird, konnte im Rahmen der Erfindung festgestellt werden, dass im normalen Arbeitsbereich eines Verbrennungsmotors eine Zündung selbst unter derartigen Bedingungen schon mit einer Brenndauer der Bogenentladung von weniger als 1 μs sicher erreicht wird. Gegenüber dem Stand der Technik kann deshalb der Verschleiß von Zündkerzen deutlich reduziert werden, indem die Brenndauer der Bogenentladung beispielsweise auf weniger als 50 μs, vorzugsweise weniger als 20 μs, besonders bevorzugt weniger als 10 μs und insbesondere weniger als 5 μs, begrenzt wird.
Im Rahmen der Erfindung wurde ferner die überraschende Erkenntnis gewonnen, dass der Zündspannungswert Uz, bei dem in einem Gasgemisch eine Bogenentladung zündet, nicht nur von der Zusammensetzung des Gasgemisches, seinem Druck und dem Elektrodenabstand der Zündkerze, sondern auch von der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der Sekundärspannung U2(t) abhängt. Je schneller die Sekundärspannung U2(t) ansteigt, desto niedriger ist der Zündspannungswert Uz, bei dem eine Bogenentladung zündet.
Um die in das Gasgemisch eingebrachte Zündenergie und damit die Abnutzung der Zündkerzen noch weiter zu reduzieren, sind bei der vorliegenden Erfindung deshalb steile Anstiegsflanken der Sekundärspannung U2(t), also hohe Anstiegsgeschwindigkeiten, bevorzugt. Wird beispielsweise die Zeitdauer der Spannungsanstiegsflanke der Sekundärspannung U2(t) von 100 μs auf 5 μs verkürzt, reduziert sich der Zündspannungs- wert U2, bei dem die Bogenentladung zündet, um etwa 10 %. Eine Möglichkeit, die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der Sekundärspannung U2(t) zu erhöhen, besteht darin, eine höhere Primärspannung Ul zu wählen, als es bei der verwendeten Zündanlage zum Zünden einer Bogenentladung erforderlich ist. Bevorzugt wird deshalb die Primärspannung Ul mindestens doppelt so doch, besonders bevorzugt mindestens dreimal so hoch, insbesondere mindestens fünfmal so hoch, gewählt, wie es bei der verwendeten Zündanlage zum Zünden einer Bogenentladung in dem zu zündenden Gasgemisch erforderlich ist.
Unter anderem wegen des Einflusses parasitärer Kapazitäten, die unvermeidlicherweiße in einer Zündanlage vorhanden sind, lässt sich der Mindestwert der Primärspannung Ul, der zum Zünden einer Bogenentladung in dem zu zündenden Gasgemisch erforderlich ist, in der Regel nicht oder nur mit extrem großem Aufwand berechnen. Der Mindestwert der Primärspannung Ul lässt sich beim Einstellen einer Zündanlage jedoch durch Ausprobieren leicht ermitteln, indem die Primärspannung Ul bei laufendem Motor langsam gesenkt wird, bis eine Zündung ausbleibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch kurze Brenndauern der Bogenentladung aus und ermöglicht deshalb einen geringeren Verschleiß der verwendeten Zündkerzen und größere Wartungsintervalle. Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass insbesondere bei einer Brenndauer der Bogenentladung von weniger als 15 μs unter bestimmten Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors, insbesondere während einer Start- oder Lastwechselphase, unter Umständen nicht in jedem Fall eine Zündung des brennbaren Gasgemisches bewirkt wird. Obwohl das erfindungsgemäße Zündverfahren selbst bei sehr kurzen Brenndauern von beispielsweise weniger als 10 μs im Normalbetrieb eines Motors eine zuverlässige Zündung bewirkt, können im Übergangsbetrieb eines Motors besondere Umstände auftreten, bei denen die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäß vorgenommenen Zündung verbessert werden kann.
Eine einfache Möglichkeit zur Verbesserung der Zündzuverlässigkeit besteht darin, während eines Arbeitszyklusses eines Verbrennungsmotors nacheinander mehrere Bogenentladungen zu erzeugen, die jeweils innerhalb weniger Mikrosekunden gelöscht werden. Ein Aspekt der Erfindung betrifft deshalb ein Verfahren zum Zünden eines brennbaren Gasgemisches in einem Arbeitszyklus eines Verbrennungsmotors mittels einer Zündkerze, wobei während des Arbeitszyklusses mittels der Zündkerze nacheinander mehrmals, insbesondere mindestens drei Mal, eine Bogen- entladung gezündet wird.
Während bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Normalbetrieb eines Verbrennungsmotors zum Löschen der Bogenentladung Energie aus dem Transformatorkern und dem Sekundärkreis in den Primärkreis zurückgeführt wird, indem der Transformator durch ein Entmagnetisierungsstrom über einen in dem Primärkreis enthaltenen Entladungspfad entladen wird, und während der restlichen Zeit des Arbeitszyklusses des Verbrennungs- motors eine Übertragung von Energie aus dem Primärkreis in den Sekundärkreis verhindert wird, wird zur Verbesserung der Zündzuverlässigkeit außerhalb des Normalbetriebs des Verbrennungsmotors eine Übertragung von Energie aus dem Primärkreis in den Sekundärkreis nur bis zum Zünden einer weiteren Bogenentladung verhindert, die noch in demselben Arbeitszyklus gezündet wird.
Durch Verwendung einer erfindungsgemäßen Spannungswandlerschaltung lassen sich mit einer einzigen Zündkerze in kurzen Zeitabständen von beispielsweise weniger als 30 μs nacheinander mehrere Bogenentladungen Zünden und so auch außerhalb des Normalbetriebs eines Verbrennungsmotors, insbesondere während einer Startphase, Gasgemische zuverlässig gezündet werden können.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von Aus- führungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche und einander entsprechende Bauteile sind dabei mit übereinstimmenden Bezugszeichen gekennzeichnet. Die beschriebenen Merkmale können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltungsskizze eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Spannungswandlerschaltung;
Fig. 2 eine Schaltungsskizze eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Spannungswandlerschaltung; Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Transformators für eine erfindungsgemäße Spannungswandlerschaltung;
Fig. 4 den Verlauf der Sekundärspannung U2(t) über der Zeit t für eine erfindungsgemäße Zündanlage und eine Zündanlage nach dem Stand der Technik; und
Fig. 5 den Verlauf der Sekundärspannung U2(t) über der Zeit t für eine erfindungsgemäße Zündanlage bei Erzeugung mehrerer
Bogenentladungen mittels einer einzigen Zündkerze, um außerhalb des Normalbetriebs des Motors eine zuverlässige Zündung zu bewirken.
In Figur 1 ist eine Schaltungsskizze einer Spannungswandlerschaltung 1 dargestellt, mit der eine Zündkerze zum Zünden eines brennbaren Gasgemisches in einem Verbrennungsmotor mit Zündenergie versorgt werden kann. Die Spannungswandlerschaltung 1 umfasst einen Transformator 3, einen Primärkreis 4, in dem eine Primärseite 5 des Transformators 3 angeordnet ist, und einen Sekundärkreis 6, in dem eine Sekundärseite 7 des Transformators 3 angeordnet ist. An die Sekundärseite 7 des Transformators 3 ist eine Zündkerze 2 angeschlossen, die in Figur 1 schema- tisch durch entgegengesetzte Pfeile dargestellt ist. Mit der Bezugszahl 15 sind unvermeidlicherweise in dem Sekundärkreis 6 vorhandene parasitäre Kapazitäten gekennzeichnet, die sich insbesondere durch Wicklungskapazitäten der Sekundärseite 7 des Transformators 3 ergeben.
Der Primärkreis 4 ist an eine Primärspannungsquelle 10 angeschlossen. Bei der Primärspannungsquelle 10 handelt es sich um eine Gleichspannungsquelle, die bevorzugt eine Primärspannung Ul von 100 V bis 400 V zur Verfügung stellt. Die Primärspannung Ul kann durch Schließen eines in dem Primärkreis 4 angeordneten Transistorschalters 11 an die Primär- seite 5 des Transformators 3 angelegt werden. Besonders gut geeignet sind Feldeffekttransistoren, insbesondere Schalt-Leistungs-Feldeffekttran- sistoren mit einer Schaltzeit von weniger als 100 μs, bevorzugt weniger als 50 μs, besonders bevorzugt weniger als 20 μs. Geeignete Transistoren werden beispielsweise von dem Unternehmen IXYS unter der Bezeichnung HiPerFET vertrieben. Der Feldeffekttransistorschalter 11 wird in dem Fachmann bekannter Weise mittels einer Steuerspannung USτ zwischen einem Sperrzustand und einem leitenden Zustand geschaltet. Zum Schutz des Feldeffekttransistors 11 vor Spannungsrückschlägen ist ihm eine integrierte Diode in Sperrrichtung parallel geschaltet.
Bei der in Figur 1 dargestellten Schaltung bilden der Primärkreis 4 und der mit ihm gekoppelte Sekundärkreis 6 einen Durchflusswandler. Die Kopplung des Primärkreises 6 erfolgt über den Keramikkern 16 des Transfor- mators 3. Durch Schließen des Transistorschalters 11 wird die Primärspannung Ul an die Primärseite 5 des Transformators 3 angelegt. Auf diese Weise wird elektrische Energie in den Primärkreis 4 eingespeist. Die Primärspannung Ul wird mittels des Transformators 3 hochtransformiert und in den Sekundärkreis 6 übertragen, so dass sich an der Zündkerze 2 eine Sekundärspannung U2(t) aufbaut.
Die Geschwindigkeit, mit der die Sekundärspannung U2(t) ansteigt, hängt einerseits von der Größe der Primärspannung Ul und andererseits von der Größe der in der Spannungswandlerschaltung 1 und der Zündkerze 2 enthaltenen Induktivitäten und Kapazitäten ab, die über unvermeidliche ohmsche Widerstände aufgeladen werden müssen. Sobald die an der Zündkerze 2 anliegende Sekundärspannung U2(t) einen kritischen Zündspannungswert Uz erreicht, zündet eine Bogenentladung.
Um die Brenndauer der Bogenentladung zu verkürzen und auf diese Weise den durch Abbrand bewirkten Verschleiß der Zündkerze 2 zu reduzieren, enthält die in Figur 1 dargestellte Spannungswandlerschaltung 1 in dem Primärkreis 4 einen der Primärseite 5 des Transformators 3 parallel geschalteten Entladungspfad 12, über den die Primärseite 4 bei geöffne- tem Transistorschalter 11 für einen Entmagnetisierungsstrom kurzge- schlössen ist. In dem Entladungspfad ist ein Sperrelement 13 angeordnet, das verhindert, dass ein bei geschlossenem Transistorschalter 11 fließender Ladestrom durch den Entladungspfad 12 fließt. Der in umgekehrter Richtung fließende Entmagnetisierngsstrom zum Entladen des Transfor- mators wird von dem Sperrelement 13 jedoch durchgelassen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Sperrelement 13 als Diode ausgebildet. Prinzipiell kann als Sperrelement 13 beispielsweise auch ein zweiter Transistorschalter verwendet werden, der in geeigneter Weise gesteuert wird.
Sobald die Bogenentladung gezündet hat, wird diese wieder gelöscht, indem über den Entladungspfad 12 Energie aus dem Sekundärkreis in den Primärkreis zurückgeführt wird. Sobald der Transistorschalter 11 geöffnet wird, beginnt über den Entladungspfad 12 ein Entmagnetisierungsstrom zu fließen. Durch diesen Entmagnetisierungsstrom wird zunächst in der Primärseite 5 des Transformators 3 gespeicherte Energie abgeführt, und wegen der induktiven Kopplung der Primärseite 5 mit der Sekundärseite 7 auch in der Sekundärseite 7 und in der Kapazität 2 gespeicherte Energie abgezogen.
Auf diese Weise wird die bei geöffnetem Transistorschalter 11 in den Sekundärkreis 6 übertragene elektrische Energie nur teilweise durch einen in der Bogenentladung fließenden Entladungsstrom als Zündenergie an das zu entzündende Gasgemisch abgegeben und teilweise wieder in den Primärkreis zurückübertragen, wo sie an ohmschen Widerständen dissi- piert, die unvermeidlicher Weise in dem Entladungspfad 12 und der Primärseite 5 vorhandenen sind.
Das Öffnen des Transistorschalters 11 markiert das Ende der Einschalt- phase, in der elektrische Energie aus dem Primärkreis in den Sekundärkreis übertragen wird, und den Beginn der Entladephase, in der Energie aus dem Sekundärkreis in den Primärkreis zurückgeführt wird. Die Zeitdauer der Einschaltphase wird so gewählt, dass zuverlässig das Zünden einer Bogenentladung und eine Zündung des Gasgemisches erreicht wird. Alterungseffekte der Zündkerze, die mit der Zeit zum Zünden der Bogen- entladung eine etwas höhere Sekundärspannung U2(t) erforderlich machen, sind dabei zu berücksichtigen.
Insbesondere bei schwer zündbaren Gasgemischen kann es sinnvoll sein, den Transistorschalter 11 erst nach dem Zünden der Bogenentladung zu öffnen. Beispielsweise kann die Einschaltphase doppelt so lang sein wie die Zeitspanne vom Schließen des Transistorschalters 11 bis zum Zünden der Bogenentladung. Bevorzugt wird der Transistorschalter 11 jedoch weniger als 20 μs, bevorzugt weniger als 10 μs, insbesondere weniger als 5 μs, nach dem Zünden der Bogenentladung geöffnet. Besonders bevorzugt wird der Transistorschalter 11 jedoch spätestens in dem Moment geöffnetem, in dem die Bogenentladung zündet. Besonders kurze Zünddauern lassen sich dadurch erreichen, dass der Transistorschalter 11 nach einer Zeitspanne geöffnet und mit dem Zurückführen von Energie in den Primärkreis 4 begonnen wird, die nur 50 % bis 95 %, vorzugsweise 50 % bis 90 %, besonders bevorzugt 50 % bis 80 %, der Zeitspanne beträgt, die von dem Schließen des Transistorschalters 11 bis zum Zünden der Bogenentladung vergeht.
Die Dauer der Einschaltphase einer Zündanlage wird anhand von Erfahrungswerten, die in entsprechenden Versuchen ermittelt werden können, gewählt. Die an die Einschaltphase anschließende Entladungsphase, in welcher der Transistorschalter 11 in seinem Sperrzustand ist, dauert bis zum Ende des derzeitigen Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors an. Der Transistorschalter 11 wird also erst wieder geschlossen, wenn frisches Gasgemisch in die Brennkammer des Motors eingebracht wurde und dieses gezündet werden soll.
Der Entladungspfad 12 bildet bei der dargestellten Spannungswandler- Schaltung 1 mit der Primärseite 5 einen Entmagnetisierungkreis 14, der derart ausgebildet ist, dass eine Übertragung von Energie aus dem Ent- magnetisierungskreis 14 in den Sekundärkreis 6 während der Entladephase unterbunden wird. In dieser Hinsicht bewirkt die dargestellte Spannungswandlerschaltung 1 das Gegenteil von bekannten Hochspannungs- Kondensator-Zündanlagen, bei denen ein Durchflusswandler in Resonanz mit dem Sekundärkreis betrieben wird, so dass die Primärseite nach dem Öffnen des Transistorschalters einen Schwingkreis darstellt, der zunächst durch Enmagnetisieren des Transformators Energie aus dem Sekundärkreis entzieht und bei einer anschließenden Halbschwingung wieder in den Sekundärkreis einspeist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Spannungswandlerschaltung 1, mit der eine verkürzte Brenndauer einer Bogenentladung erreicht werden kann, ist in Figur 2 dargestellt. Der Unterschied zu der anhand von Figur 1 erläuterten Spannungswandlerschaltung 1 besteht darin, dass in dem Entladungspfad 12 ein Kondensator 20 angeordnet ist. Beim Öffnen des außerhalb des Entmagnetisierungskreises 14 angeordneten Transistorschalters 11 lädt sich der Kondensator 20 durch einen Entmagnetisierungsstrom auf. Die Diode 13 verhindert, dass sich der Kondensator 20 anschließend wieder entlädt und in dem Entladungspfad 12 gespeicherte Energie wieder in den Transformator 3 eingespeist wird. Bis zum nächsten Schließen des Transistorschalters 11, das heißt dem Beginn der nächsten Einschaltphase in dem nächsten Zyklus des Motors, wird der Kondensator 20 über den Widerstand Rz entladen. Der Wider- stand R2 kann prinzipiell einen beliebigen Verbraucher darstellen. Eine Rückübertragung von Energie aus dem Entmagnetisierungskreis in den Sekundärkreis während des aktuellen Zyklus des Verbrennungsmotors würde dem angestrebten Effekt einer Verkürzung der Brenndauer entgegenwirken und ist deshalb unerwünscht.
Die anhand der Figuren 1 und 2 beschriebenen Spannungswandlerschaltungen 1 sind insbesondere für Zündanlagen geeignet, die eine Vorkammerzündkerze enthalten. Vorkammerzündkerzen sind beispielsweise aus der EP 0675272 Bl bekannt, die diesbezüglich durch Bezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Bei Vorkammerzündkerzen sind die Zündelektroden der Zündkerze in einer Vorkammer vor eventuellen Turbulenzen des entzündenden Gasgemisches geschützt. Deshalb kann bereits mit besonders kurzen Brenndauern der Bogenentladung von beispielsweise nur 1 μs zuverlässig eine Zündung des Gasge- misches erreicht werden, da die durch die Bogenentladung freigesetzte Zündenergie nicht durch Turbulenzen über einen größeren Bereich verteilt wird.
Bei dem beschriebenen Verfahren zum Zünden eines brennbaren Gasge- misches in einem Verbrennungsmotor sind möglichst hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten der Sekundärspannung U2(t) günstig. Mit den anhand von Figuren 1 und 2 erläuterten Spannungswandlerschaltungen 1 lassen sich zwar auch bestehende Zündanlagen ohne Austausch des relativ teuren Transformators nachrüsten und längere Wartungsintervalle erzielen. Bevorzugt werden erfindungsgemäße Spannungswandlerschaltungen 1 jedoch mit dem in Figur 3 dargestellten Transformator betrieben, der besonders hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten ermöglicht.
Bei dem dargestellten Transformator 3 sind die Windungen der Sekundärseite 7 als in Reihe geschaltete Leiterbahnen 31 auf Leiterplatten 32 ausgebildet. Auf einer Oberfläche einer Leiterplatte 32 lassen sich problemlos beispielsweise bis zu 600 Windungen spiralförmig anordnen. Bevorzugt werden auf einer Leiterplatte 50 bis 200 Windungen, bevorzugt 60 bis 100 Windungen, angeordnet. Höhere Windungszahlen können beispielsweise dadurch verwirklicht werden, dass eine Leiterplatte 32 beidseitig mit Windungen ausbildenden Leiterbahnen 31 bestückt wird oder/und indem mehrere derartige Leiterplatten gemäß Figur 3 als Paket angeordnet werden.
Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind 9 Leiterplatten 32 hintereinander angeordnet. Die einzelnen Leiterplatten 32 haben eine Öffnung 33, durch die ein Transformatorkern 34 hindurchgeführt ist, der aus einem Keramikmaterial gefertigt ist. Entsprechende Keramikmate- rialien mit einem für die Hochfrequenztechnik geeigneten, schnellen Magnetisierungsverhalten sind dem Fachmann bekannt und im Handel erhältlich.
Bei dem dargestellten Transformator 3 kann die Primärseite 5 mit einigen wenigen Windungen, im Extremfall sogar mit einer einzigen Windung, die U-förmig um den Transformatorkern 34 gebogen ist, realisiert werden. Bevorzugt wird die Primärseite 5 aber von einer Leiterplatte 32, auf der eine oder mehrere Windungen als Leiterbahnen angeordnet sind, gebildet. Mit dem in Figur 3 dargestellten Transformator 3 lassen sich die Induktivi- täten der Primärseite 5 und der Sekundärseite 7 ebenso wie parasitäre Kapazitäten, die in den Figuren 1 und 2 mit der Bezugszahl 15 dargestellt sind, und der ohmsche Gesamtwiderstand minimieren, so dass sich extrem schnelle Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten der Sekundärspannung U2(t) verwirklichen lassen. Durch die spiralförmige Anordnung der Windungen 31 auf den einzelnen Leiterplatten 32 wird erreicht, dass zwischen benachbarten Windungen 31 stets nur relativ geringe Spannungsdifferenzen bestehen und folglich ein Durchschlagen verhindert werden kann.
Zwischenräume zwischen benachbarten Leiterplatten 32 sowie zwischen dem Transformatorkern 34 und Leiterplatten 32 sind mit einer spannungsfesten Vergussmasse 36 ausgegossen, beispielsweise der von Tyco Electronics unter der Bezeichnung Guronic C500-0 vertriebenen Vergussmasse. Auf diese Weise lassen sich zwischen den einzelnen Leiterplatten 32 größere Spannungsdifferenzen verwirklichen. Bevorzugt ist der Transformator in einem Transformatorgehäuse angeordnet, das nach dem Einbringen des Transformatorkerns 34 und der Leiterplatten 32 mit der Vergussmasse ausgegossen wurde.
Hat die Sekundärseite 6 insgesamt N2 Windungen, so beträgt die Potentialdifferenz zwischen auf einer Oberfläche einer Leiterplatte 32 benachbarten Windungen 31 lediglich U2/N2. Sind die Windungen der Sekundärseite des Transformators 3 insgesamt auf n Leiterplattenoberflächen angeordnet, so besteht zwischen Windungen benachbarter Leiterplatten- Oberflächen (d. h. Vorder- und Rückseite einer Leiterplatte 32 oder bei beidseitig beschichteten Leiterplatten 32 zwischen den Windungen benachbarter Leiterplatten 32) eine Potentialdifferenz von U2/n. Die auftretenden Potentialdifferenzen sind somit wesentlich geringer, als bei herkömmlichen Spulen, die aus Drahtwindungen bestehen, die in mehre- ren Lagen um ein Transformatorkern 34 gewickelt sind, da im Stand der Technik zwischen Windungen unterschiedlicher Lagen erhebliche Potentialdifferenzen bestehen und diese trotzdem nebeneinander zu liegen kommen.
In Figur 4 ist über der Zeit t der Verlauf A der Sekundärspannung U2 einer erfindungsgemäßen Zündanlage dargestellt, die eine Spannungswandlerschaltung 1 gemäß Figur 1 mit eine Transformator gemäß Figur 3 umfasst. Zum Vergleich ist ferner der Verlauf B der Sekundärspannung U2 einer modernen Zündanlage nach dem Stand der Technik dargestellt.
Beide Kurven zeigen eine Anstiegsflanke der Sekundärspannung U2, die bei Zündung der Bogenentladung rasch abfällt. Zündet nämlich eine Bogenentladung, so ist der elektrische Widerstand des durch die Bogenentladung gebildeten Plasmas wesentlich geringer als der elektrische Widerstand des Gasgemisches. Das Zünden einer Bogenentladung führt deshalb zu einem raschen Abfall der Sekundärspannung U2 bei gleichzeitigem Anstieg des in der Bogenentladung fließenden Sekundärstroms 12.
Figur 4 zeigt einerseits, dass mit einer erfindungsgemäßen Zündanlage (Kurve A) eine wesentlich steilere Anstiegsflanke der Sekundärspannung U2 verwirklicht wird, und andererseits, dass die Bogenentladung bereits bei etwa 15 kV zündet, während wegen des deutlich langsameren Spannungsanstieg der Zündanlage nach dem Stand der Technik (Kurve B) erst bei etwa 16,5 kV eine Bogenentladung zündet.
Nach dem Zünden der Bogenentladung geht die Sekundärspannung U2 in beiden Fällen innerhalb kürzester Zeit auf einen Wert von weniger als 800 V zurück. Bei diesem Wert brennt die Bogenentladung, bis die in dem Sekundärkreis 6 zur Verfügung stehende Zündenergie verbraucht ist. Bei der Zündanlage nach dem Stand der Technik dauert dies mehrere 100 μs, so dass das Erlöschen der Bogenentladung in Figur 4 nicht zu sehen ist. Bei der erfindungsgemäßen Zündanlage kommt die Bogenentladung jedoch schon nach einer Brenndauer von weniger als 10 μs zum Erlöschen. Dies liegt einerseits daran, dass bei einer erfindungsgemäßen Zündanlage von vornherein weniger Zündenergie in den Sekundärkreis 6 eingebracht wird, da die Sekundärspannung U2 nur einen etwa 10 % geringeren Maximalwert erreicht, und andererseits die eingebrachte Zündenergie nach dem Zünden der Bogenentladung über den Entladungspfad 12 in den Primärkreis 4 zurückgeführt wird.
Der in Fig. 4 dargestellte Verlauf der Sekundärspannung U2 bewirkt zwar im Normalbetrieb eines Verbrennungsmotors eine zuverlässige Zündung, kann jedoch außerhalb des Normalbetriebs, beispielsweise während einer Aufwärm- oder Lastwechselphase des Verbrennungsmotors, unter Umständen nicht für eine zuverlässige Zündung des Gasgemisches ausreichen. Um stets mit höchster Zuverlässigkeit eine Zündung zu bewirken kann deshalb mit der im vorhergehenden beschriebenen Zündanlage nacheinander eine Bogenentladung gezündet werden, die jeweils nach wenigen Mikrosekunden, beispielsweise nach weniger als 20 μs, wieder gelöscht wird, in dem Energie aus dem Transformatorkern und dem Sekundärkreis in den Primärkreis zurückgeführt wird. Dies geschieht bei Verwendung der anhand der Figuren 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispiele einer Spannungswandlerschaltung dadurch, dass der Transformator durch einen Entmagnetisierungsstrom über einen in dem Primär- kreis enthaltenen Entladungspfad entladen wird.
Fig. 5 zeigt beispielhaft den Verlauf der Sekundärspannung U2 über der Zeit t bei Zündung mehrerer Bogenentladungen während eines Arbeits- zyklusses.
Im Stand der Technik ist es bei Einsatz von Hakenzündkerzen bekannt, nacheinander zwei Bogenentladungen zu zünden, um auch unter ungünstigsten Bedingungen eine zuverlässige Zündung zu erreichen. Bei der im Stand der Technik bekannten Doppelzündung einer Hakenzündkerze fin- det im Brennraum eine starke Verwirbelung und Gasströmung statt, so dass bei den beiden Bogenentladungen unterschiedliche Bedingungen vorliegen und deshalb davon ausgegangen werden kann, dass zumindest bei der zweiten Bogenentladung für eine Zündung des Gasgemisches ausreichend günstige Bedingungen vorhanden sind. Bei Verwendung einer Vorkammerzündkerze tritt in der Vorkammer zwischen den in einem Arbeitszyklus des Motors aufeinanderfolgenden Bogenentladungen jedoch keine die Zündbedingungen des Gasgemisches beeinflussende Gasströmung statt. Anstatt also bei verbesserter Durchmischung mit einer zweiten Bogenentladung im Falle eines Versagen des ersten Zündversuchs eine zuverlässige Zündung vorzunehmen, wird mit der im vorhergehenden beschriebenen Zündanlage durch aufeinander folgende Bogenentladung der Effekt einer über längere Zeit brennenden Bogenentladung und damit auch eine Zündung unter erschwerten Bedingungen zuverlässig erreicht. Obwohl sich mit der im vorhergehenden beschriebenen Zündan- läge bereits mit zwei aufeinander folgenden Bogenentladungen auch unter ungünstigen Bedingungen eine weitgehend zuverlässige Zündung erreichen lässt, kann es insbesondere während der Startphase des Verbrennungsmotors vorteilhaft sein, während des Arbeitszyklusses mittels der Zündkerze nacheinander mindestens drei Mal, insbesondere min- destens fünf Mal eine Bogenentladung zu zünden.
Werden während des Arbeitszyklusses des Verbrennungsmotors mittels der Zündkerze nacheinander mehrere Bogenentladungen gezündet, ist es besonders günstig, diese Bogenentladungen in einem derartigen zeitlichen Abstand zu zünden, dass die erste Bogenentladung bei einem Zündspannungswert Uz zündet, der mindestens 10%, bevorzugt mindestens 15%, besonders bevorzugt mindestens 20%, insbesondere mindestens 25% höher, als der Zündspannungswert der in dem Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors nachfolgenden Bogenentladungen ist. Auf diese Weise kann die insgesamt mit den aufeinander folgenden Bogenentladungen aufgebrachte Zündenergie und damit auch der Verschleiß der verwendeten Zündkerze minimiert werden. Folgen nämlich die Bogenentladungen in einem hinreichend kurzen Abstand aufeinander, so ist auch nach dem Erlöschen einer vorhergehenden Bogenentladung um die Zündelektrode der Zündkerze herum ein Plasma vorhanden, dessen erhöhte elektrische Leitfähigkeit das Zünden einer weiteren Bogenentladung erleichtert.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten beispielhaften Verlauf der Sekundärspannung U2 ist deutlich zu erkennen, dass der Zündspannungswert Uz der ersten Bogenentladung etwa 25% höher als die Zündspannungswerte der beiden nachfolgenden Bogenentladungen sind. Die Bogenentladungen wurden bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel in einem zeitlichen Abstand von weniger als 15 μs gezündet. Im Allgemeinen ist es günstig, aufeinander folgende Bogenentladungen in einem zeitlichen Abstand von weniger als 100 μs, vorzugsweise weniger als 70 μs und insbesondere weniger als 50 μs zu zünden. Günstig sind Pausen zwischen aufeinander folgenden Bogenentladungen während des Arbeitszyklusses von 1 μs bis 50 μs, besonders günstig 10 μs bis 30 μs, insbesondere mindestens 20 μs.
Bezugszeichenliste
1 Spannungswandlerschaltung
2 Zündkerze
3 Transformator 4 Primärkreis
5 Primärseite des Transformators
6 Sekundärkreis
7 Sekundärseite des Transformators
10 Primärspannungsquelle 11 Schalter
12 Entladungspfad
13 Sperrelement
14 Entmagnetisierungskreis
15 Kapazität 20 Kondensator
31 Windungen
32 Leiterplatten
33 Öffnung
34 Transformatorkern 36 Vergussmasse
t Zeit
Ul Primärspannung
U2 Sekundärspannung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Zünden eines brennbaren Gasgemisches in einem
Arbeitszyklus eines Verbrennungsmotors mittels einer Zündanlage
(17), zu der eine Zündkerze (2) und eine Spannungswandlerschal- tung (1) zur Versorgung der Zündkerze (2) mit Zündenergie gehört, wobei die Spannungswandlerschaltung (1) einen Transformator (3), einen Primärkreis (4), in dem eine Primärseite (5) des Transformators (3) angeordnet ist, und einen Sekundärkreis (6), in dem eine Sekundär- seite (7) des Transformators (3) angeordnet ist, umfasst, und wobei durch Schließen eines Schalters (11) elektrische Energie in den Primärkreis (4) eingespeist und an die Primärseite (5) des Transformators (3) eine Primärspannung Ul angelegt wird, die Primärspannung Ul mittels des Transformators (3) hochtrans- formiert und über einen Transformatorkern (16) in den Sekundärkreis (6) übertragen wird, so dass sich an der an den Sekundärkreis (6) angeschlossenen Zündkerze (2) eine Sekundärspannung U2(t) aufbaut und bei Erreichen eines kritischen Zündspannungswertes U2 eine Bogenentladung zündet, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend zum Löschen der Bogenentladung Energie aus dem Transformatorkern (16) und dem Sekundärkreis (6) in den Primärkreis (4) zurückgeführt wird, indem der Transformator (3) durch einen Entmagnetisierungsstrom über einen in dem Primärkreis (4) enthaltenen Entladungspfad (12) entladen wird, und bis zum Zünden einer weiteren Bogenentladung eine Übertragung von Energie aus dem Primärkreis (4) in den Sekundärkreis (6) verhindert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspannung Ul mindestens doppelt so hoch gewählt wird, wie es bei der verwendeten Zündanlage (1, 2) zum Zünden einer Bogen- entladung in dem zu zündenden Gasgemisch erforderlich ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladungspfad (12) ein Sperrelement (13), vorzugsweise eine Diode (13) enthält, das der Primärseite (5) des Transformators (3) parallelgeschaltet ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenndauer der Bogenentladung auf weniger als 50 μs, vorzugsweise weniger als 20 μs, insbesondere weniger als 10 μs, begrenzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspannung Ul so groß und/oder die Induktivitäten und Wicklungskapazitäten der Primärseite (5) und der Sekundärseite (7) des Transformators (3) so klein gewählt werden, dass die Sekundärspannung U2(t) nach dem Einschalten der Primärspannung Ul innerhalb von weniger als 30 μs, vorzugsweise weniger als 10 μs, insbesondere weniger als 5 μs, auf den Zündspannungswert Uz ansteigt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass spätestens in dem Moment, in dem die Bogenentladung zündet, der Schalter (11) geöffnet und mit dem Zurückführen von Energie in den Primärkreis (4) begonnen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (11) nach einer Zeitspanne geöffnet und mit dem Zurückführen von Energie in den Primärkreis (4) begonnen wird, die nur 50 % bis 95 %, vorzugsweise 50 % bis 90 %, besonders bevorzugt 50 % bis 80 %, der Zeitspanne beträgt, die von dem Schließen des Schalters (11) bis zum Zünden der Bogenentladung vergeht.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem zum Löschen der Bogenentladung vorgenommenen Zurückführen von Energie aus dem Transformatorkern (16) und dem Sekundärkreis (6) in den
Primärkreis (4) während der restlichen Zeit des Arbeitszyklus eine Übertragung von Energie aus dem Primärkreis (4) in den Sekundärkreis (6) verhindert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während des Arbeitszyklus mittels der Zündkerze (2) nacheinander mehrere Bogenentladungen gezündet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bogentladungen während des Arbeitszyklus in einem derartigen zeitlichen Abstand gezündet werden, dass die erste Bogenentladung bei einem Zündspannungswert (Uz) zündet, der mindestens 10%, bevorzugt mindestens 15%, besonders bevorzugt mindestens 20%, insbesondere mindestens 25%, höher als der Zündspannungswert der in dem Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors folgenden Bogenentladungen ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Arbeitszyklus eine weitere Bogenentladung erst gezündet wird, nachdem die vorgehende Bogenentladung seit mindestens 1 μs, vorzugsweise seit mindestens 10 μs, insbesondere seit mindestens 20 μs, erloschen ist
12. Spannungswandlerschaltung zum Versorgen einer Zündkerze (2) mit Zündenergie umfassend einen Durchflusswandler mit einem Transformator (3) mit einer Primärseite (5) und einer Sekundärseite (7), die über einen Transformatorkern (16) gekoppelt ist, einem Primärkreis (4), in dem die Primärseite (5) des Transformators (3), Anschlüsse für eine Primärspannungsquelle (10) und ein Transistorschalter (11) zum Einschalten der Primärspannung Ul angeordnet sind, und einem Sekundärkreis (6), in dem die Sekundärseite (7) des Transformators (3) und Anschlüsse für eine Zündkerze (2) angeordnet sind, wobei der Primärkreis (4) über den Transformator (3) derart mit dem Sekundarkreis (6) gekoppelt ist, dass Energie bei geschlossenem Transistorschalter (11) aus dem Primärkreis (4) in den Sekundarkreis (6) übertragen wird, in dem Primärkreis (4) ein Entladungspfad (12) angeordnet ist, über den der Transformator (3) bei geöffnetem Transistorschalter (11) entmagnetisiert und zum Verkürzen der Brenndauer einer Bogenentladung Energie aus dem Sekundärkreis (6) zurückgeführt werden kann, und der Entladungspfad (12) mit der Primärseite (5) einen Entmag- netisierungskreis (14) bildet, der derart ausgebildet ist, dass eine Übertragung von Energie aus dem Entmagnetisierungskreis (14) in den Sekundärkreis (6) unterbunden werden kann.
13. Spannungswandlerschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Entladungspfad (12) ein Sperrelement (13), vorzugsweise eine Diode, angeordnet ist, das bei geschlossenem Transistorschalter (11) verhindert, dass ein von der Primär- spannungsquelle (10) ausgehender Strom durch den Entladungspfad (12) fließt, und bei geöffnetem Transistorschalter (11) einen Ent- magnetisierungsstrom zum Entmagnetisieren des Transformators (3) durchlässt.
14. Spannungswandlerschaltung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistorschalter (11) außerhalb des
Entmagnetisierungskreises (14) angeordnet ist.
15. Spannungswandlerschaltung nach einen der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärseite (5) des Transforma- tors (3) weniger als 20 Windungen (35), vorzugsweise weniger als 10 Windungen (35), besonders bevorzugt weniger als 5 Windungen (35), insbesondere nur eine einzige Windung (35), aufweist.
16. Spannungswandlerschaltung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärseite (7) des Transformators (3) 50 bis 1000 Windungen (31), bevorzugt 100 bis 800 Windungen, besonders bevorzugt 150 bis 600 Windungen, aufweist.
17. Zündanlage zum Zünden eines brennbaren Gasgemisches in einem Verbrennungsmotor, umfassend eine Spannungswandlerschaltung (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 16 und eine Zündkerze (2).
18. Zündanlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (2) eine Vorkammerzündkerze ist.
19. Transformator für eine Spannungswandlerschaltung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, der eine Primärseite (5) und eine Sekundärseite (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Windungen auf der Sekundärseite als Leiterbahnen (31) auf einer Leiterplatte (32) ausgebildet sind.
20. Transformator nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärseite (7) mehrere Leiterplatten (32) aufweist, auf denen Windungen als Leiterbahnen (31) angeordnet sind.
21. Transformator nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Leiterplatte (32) eine Öffnung (33) aufweist, um welche die Windungen (31) herum angeordnet sind und durch die ein Transformatorkern (34) hindurch geführt ist.
22. Transformator nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (31) spiralförmig angeordnet sind.
23. Transformator nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformatorkern (34) aus einem Keramikmaterial gefertigt ist.
24. Transformator nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass Windungen der Primärseite auf einer Leiterplatte (32) ausgebildet sind.
25. Transformator nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass Zwischenräume zwischen den Leiterplatten
(32) mit einer Vergussmasse (36) ausgegossen sind.
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