DE102005043972A1

DE102005043972A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Entzünden eines brennbaren Gasgemisches in einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102005043972A1
Application number: DE102005043972A
Authority: DE
Inventors: Dieter Kuhnert; Gerhard Körner; Georg Maul
Original assignee: Multitorch GmbH
Current assignee: Multitorch GmbH
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2007-03-29
Also published as: WO2007031172A1; US7730879B2; EP1924770A1; US20090139504A1

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 U1 angelegt und in den Sekundärkreis (6) übertragen wird, so daß sich an der an den Sekundärkreis (6) angeschlossenen Zündkerze (2) eine Sekundärspannung U2(t) aufgebaut und bei Erreichen eines kritischen Zündspannungswertes U¶Z¶ 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 eienn in dem Primärkreis (4) enthaltenen Entladungspfad (12) entladen wird und während der restlichen Zeit des Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors eine Übertragung von Energie aus dem Primärkreis (4) in den Sekundärkreis (6) verhindert wird. Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Spannungswandlerschaltung, eine Zündanlage und ...

Description

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, umfaßt, und wobei durch Schließen eines Schalters elektrische Energie in den Primärkreis eingespeist und an die Primärseite des Transformators eine Primärspannung U1 angelegt wird, die Primärspannung U1 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 U_Z 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 Brennkam mer, das Zünden des Gasgemisches und das Verbrennen des Gasgemisches. Mit dem erneuten Füllen der Brennkammer mit frischen 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 A1 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 Wartungsintervalle 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 Primärkreis zurückgeführt wird, indem der Transformator durch einen Entma gnetisierungsstrom über einen in dem Primärkreis enthaltenen Entladungspfad entladen wird, und während der restlichen Zeit des Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors eine Übertragung von Energie aus dem Primärkreis 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 Zündkerze 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 Bogenentladung von mehreren 100 μs oder sogar Millisekunden in das Gasgemisch einge leitet 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 Arbeitszyklus 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 werden 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 Gasdrucks die Zündung des Gasgemisches erschwert wird, konnte im Rahmen der Erfindung festgestellt werden, daß 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 U_Z, 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 U_Z, 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 Zündspannungswert U_Z, bei dem die Bogenentladung zündet, um etwa 10 %.

Eine Möglichkeit, die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der Sekundärspannung U2(t) zu erhöhen, besteht darin, eine höhere Primärspannung U1 zu wählen, als es bei der verwendeten Zündanlage zum Zünden einer Bogenentladung erforderlich ist. Bevorzugt wird deshalb die Primärspannung U1 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 U1, 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 U1 läßt sich beim Einstellen einer Zündanlage jedoch durch Ausprobieren leicht ermitteln, indem die Primärspannung U1 bei laufendem Motor langsam gesenkt wird, bis eine Zündung ausbleibt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen 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:
1 eine Schaltungsskizze eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Spannungswandlerschaltung;
2 eine Schaltungsskizze eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Spannungswandlerschaltung;
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Transformators für eine erfindungsgemäße Spannungswandlerschaltung;
4 den Verlauf der Sekundärspannung U2(t) über der Zeit t für eine erfindungsgemäße Zündanlage und eine Zündanlage nach dem Stand der Technik.
In 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 1 schematisch durch entgegengesetzte Pfeile dargestellt ist. Mit der Bezugszahl 15 sind unvermeidlicherweiße 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 U1 von 100 V bis 400 V zur Verfügung stellt. Die Primärspannung U1 kann durch Schließen eines in dem Primärkreis 4 angeordneten Transistorschalters 11 an die Primärseite 5 des Transformators 3 angelegt werden. Besonders gut geeignet sind Feldeffekttransistoren, insbesondere Schalt-Leistungs-Feldeffekttransistoren 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 U_ST 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 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 Transformators 3. Durch Schließen des Transistorschalters 11 wird die Primärspannung U1 an die Primärseite 5 des Transformators 3 angelegt. Auf diese Weise wird elektrische Energie in den Primärkreis 4 eingespeist. Die Primärspannung U1 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 U1 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 U_Z 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 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 geöffnetem Transistorschalter 11 für einen Entmagnetisierungsstrom kurzgeschlossen 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 Entmagnetisierngs strom zum Entladen des Transformators 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 dissipiert, die unvermeidlicher Weise in dem Entladungspfad 12 und der Primärseite 5 vorhandenen sind.
Das Öffnen des Transistorschalters 11 markiert das Ende der Einschaltphase, in der elektrische Energie aus den 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 Bogenentladung 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 Spannungswandlerschaltung 1 mit der Primärseite 5 einen Entmagnetisierungkreis 14, der derart ausgebildet ist, daß eine Übertragung von Energie aus dem Entmagnetisierungskreis 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 2 dargestellt. Der Unterschied zu der anhand von 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 R_Z entladen. Der Widerstand 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 1 und 2 beschriebenen Spannungswandlerschaltungen 1 sind insbesondere für Zündanlagen geeignet, die eine Vorkammerzündkerze enthalten. Vorkammerzündkerzen sind beispielsweise aus der EP 0675272 B1 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 Gasgemisches 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 Gasgemisches in einem Verbrennungsmotor sind möglichst hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten der Sekundärspannung U2(t) günstig. Mit den anhand von 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 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 3 als Paket angeordnet werden.
Bei dem in 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 Keramikmaterialien 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 3 dargestellten Transformator 3 lassen sich die Induktivitäten der Primärseite 5 und der Sekundärseite 7 ebenso wie parasitäre Kapazitäten, die in den 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 Leiterplattenoberflächen (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 mehreren 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 4 ist über der Zeit t der Verlauf A der Sekundärspannung U2 einer erfindungsgemäßen Zündanlage dargestellt, die eine Spannungswandlerschaltung 1 gemäß 1 mit eine Transformator gemäß 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 I2.
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 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.

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
U1: Primärspannung
U2: Sekundärspannung

Claims

Verfahren zum Zünden eines brennbaren Gasgemisches in einem Arbeitszyklus eines Verbrennungsmotors mittels einer Zündanlage (17), zu der eine Zündkerze (2) und eine Spannungswandlerschaltung (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 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 U1 angelegt wird, die Primärspannung U1 mittels des Transformators (3) hochtransformiert 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 U_Z 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 während der restlichen Zeit des Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors eine Übertragung von Energie aus dem Primärkreis (4) in den Sekundärkreis (6) verhindert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspannung U1 mindestens doppelt so hoch gewählt wird, wie es bei der verwendeten Zündanlage (1, 2) zum Zünden einer Bogenentladung in dem zu zündenden Gasgemisch erforderlich ist.
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.
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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspannung U1 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 U1 innerhalb von weniger als 30 μs, vorzugsweise weniger als 10 μs, insbesondere weniger als 5 μs, auf den Zündspannungswert U_Z ansteigt.
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.
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.
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 U1 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 Entmagnetisierungskreis (14) bildet, der derart ausgebildet ist, daß eine Übertragung von Energie aus dem Entmagnetisierungskreis (14) in den Sekundärkreis (6) in den Primärkreis (4) unterbunden werden kann.
Spannungswandlerschaltung nach Anspruch 8, 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 Primärspannungsquelle (10) ausgehender Strom durch den Entladungspfad (12) fließt, und bei geöffnetem Transistorschalter (11) einen Entmagnetisierungsstrom zum Entmagnetisieren des Transformators (3) durchläßt.
Spannungswandlerscchaltung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistorschalter (11) außerhalb des Entmagnetisierungskreises (14) angeordnet ist.
Spannungswandlerschaltung nach einen der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärseite (5) des Transformators (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.
Spannungswandlerschaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, 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.
Zündanlage zum Zünden eines brennbaren Gasgemisches in einem Verbrennungsmotor, umfassend eine Spannungswandlerschaltung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12 und eine Zündkerze (2).
Zündanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze (2) eine Vorkammerzündkerze ist.
Transformator für eine Spannungswandlerschaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, 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.
Transformator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärseite (7) mehrere Leiterplatten (32) aufweist, auf denen Windungen als Leiterbahnen (31) angeordnet sind.
Transformator nach Anspruch 15 oder 16, 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.
Transformator nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (31) spiralförmig angeordnet sind.
Transformator nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformatorkern (34) aus einem Keramikmaterial gefertigt ist.
Transformator nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß Windungen der Primärseite auf einer Leiterplatte (32) ausgebildet sind.
Transformator nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß Zwischenräume zwischen den Leiterplatten (32) mit einer Vergußmasse (36) ausgegossen sind.