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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zünden eines Gas-Kraftstoff-Gemischs, insbesondere in Brennkraftmaschinen, wobei mindestens eine durch zwei Elektroden begrenzte Gasentladungsstrecke mittels einer an die Gasentladungsstrecke angelegten Hochspannung gezündet wird.
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Für die Zündung eines brennbaren Gas-Kraftstoff-Gemischs im Brennraum einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine sind derzeit z. B. die Hochspannungs-Kondensator-Zündung und die Transistorspulenzündung sowie die Magnetzündung bekannt. Weiterhin existieren die kapazitiven Plasmazündungen (
US 5 027 764 ,
US 5 197 448 ) als Weiterentwicklung der bekannten Zündungen mit Entladung über die Funkenstrecke eines parallel geschalteten Kondensators. Diese Plasmazündungen zeigen bezüglich der verbrennungstechnischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkte deutliche Vorteile gegenüber den zuerst genannten Zündungen. Die der Gasentladungsstrecke direkt bzw. entkoppelt durch mindestens eine Hochspannungsdiode zur Gasentladungsstrecke parallel geschaltete aufgeladene Kapazität des Kondensators soll nach dem Durchbruch (Ionisierung) einen Hochstrom durch die Gasentladungsstrecke erzeugen. Die Stromwerte liegen hierbei bei 1 bis 1000 Ampere. Dieser Strom erzeugt im Bogenbereich der Gasentladung ein elektrisch geladenes Plasma mit hohen Temperaturen. Dadurch können lokal magere Gemische sicher entflammt werden. Die Funkenbrenndauer liegt dabei im Mikrosekundenbereich.
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Nachteile ergeben sich durch die im Bogenbereich übliche thermische Elektronenemission aus der heißen Kathode, was eine starke Erosion der Zündkerzenelektroden zur Folge hat. Die Gasentladung schnürt sich bei der Bogenentladung stark ein, wodurch eine Brennfleckbildung auf der Oberfläche der Kathode folgt. Die Zündenergiezuführung unterliegt dann starken Wärmeverlusten, außerdem entstehen Zuleitungsverluste durch den Skin-Effekt bei hohen Frequenzanteilen und Strahlungsverluste im Lichtbogen. Deshalb muss auch eine sehr hohe Energiemenge aufgebracht werden. Es sind häufig auch technisch aufwendige Plasmazündkerzen notwendig. Außerdem wird durch diese Art der Zündenergieeinbringung eine turbulente Flammenausbreitung erzeugt. Der Brennverlauf weist eine niedrige Flammengeschwindigkeit und damit hohe Verbräuche und hohe Abgaswerte von HC und CO und niedrige Drehmomente, vor allem bei niedriger Drehzahl des Verbrennungsmotors, auf. Bei hohen Kompressionen kann verstärkt eine klopfende Verbrennung auftreten.
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Aus der
DE 10 2005 036 968 A1 ist ein Plasma-Zündsystem bekannt, bei dem über einen Resonator eine hochfrequente Spannung an Elektroden in einem Verbrennungsraum erzeugt wird. Mittels einer Steuerung/Regelung kann der Energieimpuls einer Energiezufuhr für den Fall, dass eine Rückführung eines Signals vom Resonator vorgesehen wird, nachgeregelt werden.
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In der
EP 2 554 832 A1 wird darauf hingewiesen, dass die Entladung zwischen den Elektroden einer Zündkerze mehrere Übergangszustände zwischen einer Bogenentladung und einer Glimmentladung einnehmen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zünden eines Gas-Kraftstoff-Gemischs vorzuschlagen, mit denen die Verbrennung verbessert wird und eine in etwa laminare, schnelle Flammenfront mit hoher Energiedichte erzeugt wird, wobei in der Gasentladungsstrecke eine Glimmschicht größerer Flächen- und Raumausdehnung erzeugt wird und der Elektrodenverschleiß klein gehalten wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst. Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Zünden eines Gas-Kraftstoff-Gemischs insbesondere in Brennkraftmaschinen vorgeschlagen, bei dem mindestens eine durch zwei Elektroden begrenzte Gasentladungsstrecke mittels an die Gasentladungsstrecke angelegter Hochspannung gezündet wird. Dadurch, dass nach dem Durchbruch der Gasentladungsstrecke der Strom durch die Gasentladungsstrecke derart gesteuert wird, dass die Gasentladung im anomalen Glimmbereich liegt, bei dem die Spannung über die Gasentladungsstrecke bei Strömen größer als 0,1 Ampere mit positiver Steigung ansteigt, wird eine definierte Plasmaenergieverteilung in der Gasentladungsstrecke erzeugt, bei der der Anregungsraum des Plasmas an der Kathode vergrößert wird und die Elektronen flächig aus der Kathode ausgelöst werden, wodurch eine laminare Flammenfront und eine sichere Flammenkernbildung des brennbaren Gas-Kraftstoff-Gemischs erzeugt wird. Die erzeugte intensive laminare Flammenfront hat die Eigenschaft, das Gemisch schadstoffarm umzusetzen und sich bis an die Brennraumwand fortzusetzen. Dadurch wird eine Bildung von Ölkohleablagerungen auf den Brennraumwänden verringert, bzw. die mit Ablagerungen bedeckten Brennraumwände werden freigebrannt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem die Gasentladung über die Gasentladungsstrecke im anomalen Glimmbereich liegt, kann unter widrigen Entflammungsbedingungen, wie beispielsweise bei starker Gemischverdünnung, bei hohem Restgasanteil bzw. Magerkonzepten und hohen Ladungsströmungen eine sichere zeitpräzise und klopffreie Verbrennung eingeleitet. Dies führt in bestimmten Betriebszuständen z. B. bezüglich Lastpunkt/Drehmoment und Drehzahl des Verbrennungsmotors zu einem vergrößerten Betriebsfenster z. B. bezüglich des Gemischverhältnisses und zu einem höheren Wirkungsgrad, welcher sich in höherer Leistung, besserem Kraftstoffverbrauch und besseren Abgaswerten äußert. Dies trifft beispielsweise auch auf die Abgaskomponenten der unverbrannten Kohlenwasserstoffe HC, Kohlenmonoxid CO3 Formaldehyd und auch der Partikelemission zu.
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In vorteilhafter Weise wird der Strom durch die Gasentladungsstrecke so gesteuert bzw. eingestellt, dass er zwischen 0,1 Ampere und 10 Ampere liegt, vorzugsweise größer ist als 0,1 Ampere und kleiner oder gleich 3 Ampere, noch bevorzugter zwischen 0,5 Ampere und 1 Ampere, und die Spannung zwischen 250 Volt und 3000 Volt, vorzugsweise zwischen 500 Volt und 2000 Volt, liegt. Unter Berücksichtigung der Elektrodengeometrie, des Gasgemischzustands, des Drucks, des Elektrodenabstands werden die Spannung und der Strom durch die Gasentladungsstrecke so dimensioniert, dass die Gasentladung sicher im anomalen Glimmbereich liegt.
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Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Dauer und ggf. die Periodenzeit des Stromflusses durch die Gasentladung so gesteuert, dass sie zwischen 0,01 und 50 Mikrosekunden, vorzugsweise zwischen 0,1 und 10 Mikrosekunden, liegt. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass die Gasentladung nicht in den Bereich der Bogenentladung übergeht.
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Vorteilhafterweise wird die Amplitude und/oder die Form des durch die Gasentladungsstrecke fließenden Stroms derart gesteuert bzw. eingestellt, dass er impulsförmig und/oder ansteigend und/oder abfallend ist. Dabei kann er beispielsweise rampenförmig oder sägezahnförmig oder als mit Wechselkomponenten überlagerte Gleichkomponenten ausgebildet sein. Beispielsweise dadurch, dass die Form des durch die Gasentladungsstrecke fließenden Stroms gesteuert bzw. eingestellt wird, kann der optimale Punkt für die Erzeugung der laminaren Flamme durchlaufen bzw. erreicht werden. Dies kann durch z. B. einen rampenförmigen Strom erzielt werden. Es ist auch ein ”Pendeln” des Stroms durch die Gasentladungsstrecke möglich, z. B. in Form eines Sägezahns, einer gleichspannungsüberlagerten Sinuskurve oder dergleichen, um die Möglichkeiten der Entstehung einer laminaren Flamme zu erhöhen.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird abhängig vom Durchbruch der Gasentladungsstrecke, der mittels eines Sensors detektiert oder von der Motorsteuerung vorgegeben wird, ein zusätzlicher Strom der Gasentladungsstrecke zugeführt. Dadurch kann die Verlaufsform des Stroms entsprechend gewünschten Vorgaben besser gesteuert werden. Dabei wird der zusätzliche Strom von einem gesteuerten Transformator oder einer gesteuerten Stromquelle erzeugt.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der durch die Hochspannung initiierte Strom durch die Gasentladungsstrecke gesteuert bzw. eingestellt.
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Dies geschieht in einfacher Weise durch die Dimensionierung und Ansteuerung der die Hochspannung erzeugenden Schaltung, wodurch der Schaltungsaufwand geringer ist.
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Erfindungsgemäß wird ebenfalls eine Vorrichtung zum Zünden eines Gas-Kraftstoff-Gemischs, insbesondere in einer Brennkraftmaschine, vorgeschlagen, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den angegebenen Merkmalen geeignet ist und die mindestens eine von zwei Elektroden begrenzte Gasentladungsstrecke, eine eine Hochspannung liefernde Zündschaltung mit Zündtransformator und eine Steuerschaltung für eine Steuerung eines über die Gasentladungsstrecke fließenden Stroms umfasst, wobei die Steuerschaltung ausgebildet ist, den Strom derart zu steuern, dass die Gasentladung über die Gasentladungsstrecke im anomalen Glimmbereich liegt, bei dem die Spannung über die Gasentladungsstrecke bei Strömen größer als 0,1 Ampere mit positiver Steigung ansteigt. Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die zum Verfahren genannten Vorteile erzielt werden. Die Zündschaltung kann als bekannte Zündschaltung ausgebildet sein, z. B. als Hochspannungs-Kondensator-Zündung, Transistorspulenzündung oder Magnetzündung.
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Erfindungsgemäß weist die Steuerschaltung eine Stromquelle und vorzugsweise impulsformende Elemente auf. Dadurch kann der gewünschte Strom in seiner Amplitude und/oder seiner Signalform so gesteuert bzw. eingestellt werden, dass der Arbeitspunkt der anomalen Glimmentladung erreicht wird.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Steuerschaltung als Stromquelle einen Transformator auf, der primärseitig mit einer Spannungsquelle und einer Ansteuerschaltung verbunden ist, wobei die Ansteuerschaltung ausgebildet ist, einen Stromfluss durch die Primärwicklung zu initiieren und die Primärseite abzuschalten, wenn der Strom durch die Primärwicklung einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt oder wenn eine vorgegebene Zeitdauer abgelaufen ist. Die Ansteuerschaltung kann dabei einen Schalttransistor und einen Schwellenwertdetektor für den Strom durch die Primärwicklung des Transformators und/oder eine Zeitschaltung, die den Schalttransistor ansteuern, aufweisen. Die Zeitschaltung kann dabei beispielsweise als monostabile Kippstufe (Monoflop) oder als Timer oder als ein Mikroprozessor ausgebildet sein.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Transformator zusätzlich zu dem Zündtransformator der Zündschaltung vorgesehen. Auf diese Weise kann ein zusätzlicher Strom auf die Gasentladungsstrecke aufgebracht werden, dessen Parameter in einfacher Weise durch den zusätzlichen Transformator mit seiner entsprechenden Ansteuerschaltung eingestellt werden können. Dabei kann der zusätzliche Transformator in seiner Dimensionierung kleiner gehalten werden als der für die Hochspannungserzeugung notwendige Zündtransformator.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel bildet der Zündtransformator zur Hochspannungserzeugung gleichzeitig den Transformator zur Erzeugung des Stroms durch die Gasentladungsstrecke, wobei die Ansteuerschaltung entsprechend angepasst werden muss. Diese Ausführungsform beinhaltet den Vorteil, dass weniger Bauelemente verwendet werden müssen.
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In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist die Steuerschaltung eine gesteuerte Stromquelle auf, die eine Gleichspannungsquelle, einen Schalttransistor und eine Impulsformungsstufe umfasst, die den Schalttransistor ansteuert. Eine derartige Ausführungsform ist insofern vorteilhaft, als in einfacher Weise die Amplitude und die Form des zusätzlichen Stroms, d. h. der Stromverlauf durch die Gasentladungsstrecke gesteuert bzw. eingestellt werden kann.
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Um weiterhin die Form und die Amplitude bei der Ausführungsform mit Transformator einzustellen bzw. zu steuern, kann die Ansteuerschaltung auch eine Impulsformungsstufe aufweisen, die den Schalttransistor der Ansteuerschaltung ansteuert.
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Die verschiedenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind geeignet, den für den Arbeitspunkt der Gasentladung im anomalen Glimmbereich notwendigen Stromverlauf und die damit einhergehende Spannung zu steuern bzw. einzustellen, wobei die Parameter im Zusammenhang mit dem Verfahren angegeben sind. Es wird angenommen, dass zur Vermeidung des Übergangs vom anomalen Glimmbereich in den Bogenbereich der Gasentladungsstrecke das Integral des Stroms oder des Quadrats des Stroms über die Zeit berücksichtigt werden muss.
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Vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Zünden eines Gas-Kraftstoff-Gemischs in Verbrennungskraftmaschinen, anderen Wärmekraftmaschinen, Heizungsanlagen oder Gasbrennern eingesetzt werden. Dabei kann auch eine Nachrüstung von bestehenden Zündschaltungen vorgenommen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch für unterschiedliche Zündkerzen anwendbar, die die Elektroden der Gasentladungsstrecke bilden. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest teilweise mit einer Vergußmasse zur elektrischen Isolation vergossen sein Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den folgenden Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schaltungsgemäße Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine schaltungsgemäße Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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3 eine schaltungsgemäße Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel,
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4 eine beispielhafte Strom-Spannung-Kennlinie einer Gasentladung und
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5 Kennlinien des Stromverlaufs des bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Transformators auf der Primärseite und der Sekundärseite über die Zeit.
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Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Zündschaltung TSZ auf, die als Transistorspulenzündung ausgebildet ist und einen Zündtransformator TR2 sowie eine Ansteuerschaltung 2 umfasst, wobei die Ansteuerschaltung einen Transistor T2 und einen Mikrocomputer 3 einschließt, der den Transistor T2 in an sich bekannter Weise für die Erzeugung der für eine Zündung notwendigen Hochspannung ansteuert. Der Transistor T2 ist mit seinem Kollektor mit der Primärwicklung 4 verbunden, die außerdem an einer Spannungsquelle, z. B. der Batterie eines Kraftfahrzeugs, liegt. Die Sekundärwicklung 5 des Transformators TR2 ist mit zwei Zündkerzen ZK, ZK' mit den dazugehörigen Gasentladungsstrecken GS und GS' verbunden, d. h., es ist eine Zweifunken-Zündanlage dargestellt, die jedoch nur beispielhaft ist. Die zwei Zündkerzen ZK und ZK' können auch durch nur eine ersetzt werden, und in der folgenden Beschreibung wird im Wesentlichen nur auf eine Zündkerze und Gasentladungsstrecke Bezug genommen.
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In den Zweig zur Zündkerze ZK ist eine Diode D3 zur Verhinderung eines Gegenstroms geschaltet. Der Zündtransformator TR2 liefert in bekannter Weise nach Abschalten eines durch die Primärwicklung 4 fließenden Primärstroms durch den Transistor T2 eine Hochspannung an die Sekundärseite und entsprechend im Zündzeitpunkt eine Hochspannung an die Zündkerze ZK.
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An die Gasentladungsstrecke ist über eine Hochspannungsdiode D1 zur Entkopplung bzw. zum Abblocken der Hochspannung vom Zündtransformator die Sekundärseite eines weiteren Transformators oder Übertragers TR3 angeschlossen. Die Primärseite bzw. Primärwicklung 6 des Transformators TR3 ist mit der einen Seite an die Betriebsspannung, z. B. die Batterie eines Kraftfahrzeugs, gelegt, und der andere Anschluss ist mit dem Kollektor eines Schalttransistors T3 verbunden, dessen Emitter über einen Widerstand R1 an Masse liegt. Die Basis des Transistors T3 ist mit einem Monoflop 8 verbunden, wobei der Transistor T3 und das Monoflop 8 Bestandteil einer Ansteuerschaltung 1 sind. Ein Sensor Sen, der auf der Seite des Transformators TR2 oder des Transformators TR3 mit der entsprechenden Leitung gekoppelt sein kann und als kapazitiver, induktiver Sensor oder als Spannungsteiler ausgeführt sein kann, dient zur Detektion des Durchbruchs der Gasentladungsstrecke.
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In 1 sind weitere Zylinder bzw. Gasentladungsstrecken angedeutet, die durch eine Hochspannungsdiode D2 entkoppelt sind. Es kann jedoch auch für jeden Zylinder eine Stufe bestehend aus Transformator TR3 und Ansteuerschaltung 1 bzw. Schalttransistor T3 vorgesehen sein.
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Die Funktionsweise der Vorrichtung nach 1 wird im Folgenden näher erläutert. Zunächst erzeugt die Zündschaltung TSZ eine Hochspannung von etwa 10 bis 30 kV und liefert diese an die Zündkerze ZK. Dadurch erfolgt ein Durchbruch der Gasentladungsstrecke GS. Über den Sensor Sen, der beispielsweise ein Antennensensor sein kann und in der Nähe der Zündleitung liegt, wird ein Eingang des Monoflops 8 gesetzt, das den Transistor T3 ansteuert, da der Ausgang des Monoflops auf HIGH geschaltet wird. Die Triggerung des Monoflops 8 kann auch über einen weiteren Eingang durch eine Motorsteuerung erfolgen. Der Transistor T3 wird leitend, und ein ansteigender Strom, der in 5 oben gezeigt ist, fließt durch die Primärwicklung 6 des Übertragers TR3. Der Ferritkern des Transformators TR3, der beispielsweise ein Übersetzungsverhältnis von 1:100 hat und dessen Sekundärwicklung 7 z. B. eine kleine Induktivität von etwa 15 mH besitzt, wird mit magnetischer Energie aufgeladen. Nach Ablauf der Ladezeit der monostabilen Kippstufe 8 wird der Ausgang auf LOW geschaltet, wodurch der Transistor T3 wieder sperrt. Das Abschaltkriterium kann auch durch eine Stromschwellenmessung am Widerstand R1 vorgegeben werden. Die Ansteuerzeit des Transistors T3 wird so bemessen, dass ein Strom I von etwa 50 bis 100 A (in 5 sind es 50 A) auf der Primärseite erreicht wird. Da der Stromfluss primärseitig im Transformator TR3 unterbrochen wurde, fließt bei einem beispielsweise 1:100 übersetzten Transformator TR3 sekundärseitig ein Strom von ca. 0,5 bis 1 A in die vorionisierte Gasentladungsstrecke GS, d. h., die geladene magnetische Energie im Übertrager TR3 wird über die Hochspannungsdiode D1 und gegebenenfalls über andere Bauelemente, z. B. ein Entstörfilter, in Form des Stroms über die Gasentladungsstrecke abgegeben.
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Wie aus 5 zu erkennen ist, fließt der Sekundärstrom des Transformators TR3 über einen Zeitraum von etwa 5 μs. Selbstverständlich können auch andere Zeiten zwischen 0,1 und 10 μs bis zu 50 μs eingestellt werden. Durch den zugeführten Strom findet die Entladung im Bereich der anomalen Glimmentladung statt, wobei die Kennlinie der Gasentladung in 4 dargestellt ist. Die Spannung liegt dann etwa im Bereich von 1 kV, wobei die Spannungsbereiche je nach Ausführung der Parameter der Bauelemente zwischen 250 V und 3000 V, vorzugweise zwischen 500 V und 2000 V, liegen können.
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Mit der Einschaltzeit der monostabilen Kippstufe 8 kann der Maximalstrom auf der Primärseite und damit auch auf der Sekundärseite des Übertragers TR3 bestimmt werden, wobei auch die abzugebende Energie von dem Maximalwert des Ladestroms I auf der Primärseite abhängig ist. In dem beschriebenen Fall wird die Verlaufsform des Stroms i durch die Gasentladungsstrecke durch den Transformator bzw. Übertrager TR3 bestimmt, und die Stromamplitude durch den Maximalstrom auf der Primärseite. Als Steuerelement für die Verlaufsform ist der Übertrager TR3 und für den Maximalstrom der Transistor T3 und die Zeit der monostabilen Kippstufe 8 zuständig.
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Da der typische Verlauf der U/I-Kennlinie der Gasentladungsstrecke bekannt ist, kann ein bestimmter Arbeitspunkt durch die Aufprägung des definierten Stroms erreicht werden. Durch die abfallende Flanke des Sekundärstroms, wie in 5 dargestellt, wird der Arbeitspunkt des anomalen Glimmbereichs sicher erreicht.
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In 1 ist mit dem Bezugszeichen 9 eine Impulsformungsstufe dargestellt, die anstelle des Monoflops 8 oder zusätzlich zu diesem mit der Basis des Transistors T3 verbunden sein kann. Dieser Impulsformungsstufe 9 werden dieselben Eingangssignale wie bei der monostabilen Kippstufe 8 zugeführt, und abhängig von diesen Signalen wird der Transistor T3 gemäß einer vorgegebenen und gewünschten Signalform angesteuert. Beispielsweise kann ein Primärstrom in Form einer Sägezahnfunktion oder auch als abfallende oder ansteigende Einzelimpulse oder Impulsgruppen realisiert werden. Eine entsprechende Form des Primärstroms des Transformators TR3 wird auf die Sekundärseite übertragen, und der Sekundärstrom entsprechend dieser Form wird der Gasentladungsstrecke aufgeprägt. Ein solcher Stromverlauf soll dazu dienen, den Arbeitspunkt der anomalen Glimmentladung und damit der laminaren Flammenbildung mehrfach in an- oder abfallender Kurve zu durchlaufen und damit sicherzustellen, dass durch ein mehrfaches Erreichen des Arbeitspunktes die Zündungseinleitung verbessert wird bzw. die Zündsicherheit erhöht wird.
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Die Impulsformungsstufe 9 kann zur Signalformung von einem Mikrocontroller angesteuert werden oder diesen beinhalten. Der Sekundärstrom, der, wie ausgeführt, Wechselkomponenten enthalten kann und beispielsweise eine Sägezahnkurve aufweist, wird von der Hochspannungsdiode D1 gleichgerichtet, so dass gegebenenfalls nur eine Halbwelle durchgelassen wird. Es ergibt sich somit ein überlagertes Stromsignal, das über die Gasentladungsstrecke fließt.
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Hinsichtlich der Dimensionierung und Auslegung der Transformatoren TR2 und TR3 kann der Transformator TR2 als konventionelle Zündspule, d. h. als konventioneller Zündtransformator, ausgebildet, der die für die Zündung notwendige Hochspannung liefert. Bei dem Transformator ist ein Ferrit mit Luftspalt für eine größere magnetische Energieaufnahme im Luftspalt vorgesehen. Wie ausgeführt, liegt das Übersetzungsverhältnis der Wicklungen in der Größenordnung von 1:100, wobei dies eine grobe Angabe ist: Beispielsweise kann auch ein Übersetzungsverhältnis von 1:75 gewählt werden; das Verhältnis kann auch zwischen den angegebenen Übersetzungsverhältnissen gewählt werden. Die sekundärseitige Wicklung liegt im Ausführungsbeispiel bei etwa 15 mH, während primärseitig eine Größe von etwa 2,7 μH mit einem Spitzenstrom von 50 bis 100 A gewählt werden kann. Die Betriebsspannung beträgt im Ausführungsbeispiel 12 bis 24 V. Nach dem Durchbruch der Gasentladungsstrecke liefert der Transformator TR3 etwa eine Spannung von etwa 500 bis 2000 V.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, bei dem der Aufbau ähnlich dem nach 4 auf der linken Seite ist, d. h., es ist ein Transformator TR4 vorgesehen, der die Funktion der Erzeugung der Hochspannung und die Funktion des Einstellens bzw. Steuerns des Stroms durch die Gasentladungsstrecke umsetzt. Die Primärwicklung 10 des Transformators TR4 liegt wiederum an der Betriebsspannung von 12 bis 24 V und an dem Kollektor eines Schalttransistors T4, dessen Emitter über den Widerstand R2 an Masse liegt und dessen Basis von einem Mikrocontroller 12 gesteuert wird.
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Zur Auslösung des Zündvorgangs wird der Transistor T4 durch den Mikrocontroller 12 angeschaltet. Bei Einschalten des Transistors T4 wird die Primärseite des Transformators TR4 durch den ansteigenden Strom I mit magnetischer Energie aufgeladen. Durch Abschalten des Transistors T4 wird auf der Sekundärseite des Transformators/Übertragers TR4 eine Hochspannung an die Gasentladungsstrecke GS geliefert, wodurch diese durchbricht. Nach dem Durchbruch der Gasentladungsstrecke wird die restliche Energie des Transformators TR4 mit einem definierten Stromverlauf, der dem in 5 entspricht und eine abnehmende Rampe darstellt, in die Gasentladungsstrecke geleitet, wodurch die Gasentladung in dem Bereich der anomalen Glimmentladung stattfindet. Beispielsweise ist, wie in 5 dargestellt, der Primärabschaltstrom etwa 50 A, und die Höhe des Stroms i nach dem Durchbruch beträgt 0,5 A im Maximum und ist abfallend innerhalb einer Brenndauer der Gasentladungsstrecke von ca. 5 μs. Der Stromverlauf wird dabei von der Dimensionierung des Transformators TR4 und seiner Ansteuerung vorgegeben. Die impulsbestimmenden Bauteile für den Strom i durch die Gasentladungsstrecke sind der Transistor T4 für den Maximalwert, der Mikrocontroller 12 mit einer definierten Einschaltzeit des Transistors T4 und der Transformator TR4 mit dem vorgegebenen Übersetzungsverhältnis, das hier ebenfalls im Bereich von 1:100 bis 1:75 liegt. Der Widerstand R2 kann, ebenso wie der Widerstand R1 nach 1, zur Messung des Stroms in der Primärwicklung 10 dienen.
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Um eine andere Stromverlaufsform als die in 5 gezeigte zu erzielen, kann auch hier eine Impulsformungsstufe 13 angewendet werden, die den Transistor T4 ansteuert. Damit eine Hochspannung für die Ionisation der Gasentladungsstrecke gebildet werden kann, muss auf der Primärseite des Übertragers TR4 eine ansteigende Stromrampe I mit Abschaltung durch den Transistor T4 als vorlaufender Impuls realisiert werden. Danach steuert die Impulsformungsstufe 13 den Transistor T4 derart an, dass der Stromverlauf i in der Gasentladungsstrecke einem Wechselsignal entspricht. Beispielsweise ist die Verwendung eines Sägezahns denkbar, wobei bei mehrfachen hintereinander folgenden abfallenden Rampen zunächst eine Hochspannung zur Ionisation und dann jeweils der Stromimpuls für den anomalen Glimmbereich erzeugt werden. Da eine zusätzliche Diode im Sekundärkreis des Transformators TR4 nicht notwendig ist (die Hochspannung und der Strom i der Gasentladungsstrecke wird aus derselben Quelle TR4 erzeugt), wird der Strom i nicht gleichgerichtet. So ist auch ein Wechselstrom möglich, z. B. ein ”echter Sägezahnstrom.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, wobei der Transformator TR3 mit seiner Ansteuerung 1 durch eine gesteuerte Stromquelle ersetzt ist. Die Zündschaltung zur Erzeugung der Hochspannung für die Gasentladungsstrecke entspricht der nach 1 und wird hier nicht weiter beschrieben.
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Die gesteuerte Stromquelle weist eine Gleichspannungsquelle 14 auf, die hier beispielhaft aus einem Hochsetzsteller 15 und einem Kondensator C1 besteht, der beispielsweise auf 2000 V aufgeladen wird. Der Kondensator C1 ist mit dem Kollektor eines gesteuerten Schalttransistors T6 verbunden, dessen Emitter über einen Widerstand R3 und die Diode D1 mit der Zündkerze ZK zur Steuerung des Stroms i durch die Gasentladungsstrecke nach dem Durchbruch verbunden ist. Die Steuerung des Transistors T6 übernimmt hier eine Impulsformungsstufe 16. Entsprechend 1 können auch hier weitere Gasentladungsstrecken angesteuert werden, die durch die Diode D2 und den Sensor Sen 2 angedeutet sind.
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Wie in 1 schon beschrieben, wird nach dem Durchbruch der Gasentladungsstrecke ein zusätzlicher Strom durch die Gasentladungsstrecke über die gesteuerte Stromquelle aufgeprägt. Mittels der gesteuerten Stromquelle und insbesondere der Impulsformungsstufe 16, des Schalttransistors T6 und des Widerstands R3 kann eine gewünschte Kurvenform des aufgeprägten Stroms i durch die Gasentladungsstrecke erzeugt werden. Dabei wird die Höhe des Stroms und die Dauer der Aufprägung entsprechend den schon beschriebenen Ausführungsbeispielen gewählt, d. h., es werden beispielsweise abfallende Stromflanken von 0,5 bis 1 A über eine Zeit von 5 bis 10 μs erzeugt. Gegebenenfalls können bei etwas anderen Dimensionierungen der Bauelemente Stromstärken zwischen 0,5 bis 3 A bzw. Zeiten zwischen 0,5 und 50 μs erzielt werden.
