DE10221072B4

DE10221072B4 - Kapazitives Entladungszündungssystem mit verlängerter Funkendauer

Info

Publication number: DE10221072B4
Application number: DE10221072A
Authority: DE
Inventors: Joseph M. Girard Lepley
Original assignee: Altronic Inc Girard; ALTRONIC Inc
Current assignee: Altronic LLC
Priority date: 2001-05-17
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2022-05-11
Also published as: US20020170547A1; DE10221072A1; ATA7502002A; AT413867B; CA2386276A1; CA2386276C; US6701904B2

Abstract

Kapazitives Entladungszündungssystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend:
einen Speicherkondensator in Reihe geschalten mit einer Diode;
einen Umformtransformator, bestehend aus Primär- und Sekundärwindungen, wobei die Sekundärwindungen hiervon in Reihe geschalten sind mit dem Ladekondensator und der Diode;
einen Zündtransformator, bestehend aus Primär- und Sekundärwindungen;
einen ersten triggerbaren Schalter (S1), wobei die Primärwindungen des Zündtransformators und der Speicherkondensator in Reihe geschalten sind über den triggerbaren Schalter;
eine Zündkerze, die in Reihe geschalten ist mit den Sekundärwindungen des Zündtransformators;
eine Gleichstromquelle und ein zweiter triggerbarer Schalter (S2), die in Reihe geschalten sind mit der Primärseite des Umformtransformators; und
Mitteln zur Steuerung des ersten und zweiten triggerbaren Schalters synchron mit dem Motor derart, dass, während der erste Schalter geöffnet wird der zweite Schalter geschlossen wird für eine Zeitperiode, um Energie im Umformtransformator zu speichern, um nach Öffnung die Energie auf den Ladekondensator zu transferieren, gefolgt von dem...

Description

Stand der Technik
DE 19 65 152 B offenbart ein Zündsystem mit einem Zündtransformator, der einen mit der Primärwicklung in Reihe geschalteten Schalttransistor aufweist.
US 3 870 028 A offenbart ein Zündsystem, bei dem der Zündtransformator derart angeschlossen ist, das ein Kondensator über die Primärwicklung aufgeladen und über die Sekundärwicklung entladen wird.
GB 2 043 166 A offenbart einen Umformtransformator, mit dem ein Speicherkondensator aufgeladen wird, der über die Primärseite des Zündkondensators entladen werden kann.
US 6 138 653 A offenbart einen Resonanzkreis einschließlich der Primärwicklung des Zündtransformators.
Aus dem vorgenannten Stand der Technik ist es nicht möglich, erste und zweite triggerbare Schalter in Reihe mit der Primärwicklung eines Umformtransformators und einem Zündtransformator verstellbar so einzurichten, dass wenn der Schalter in Reihe mit der Primärseite des Zündtransformators geschlossen ist, der Schalter in Reihe mit der Primärseite des Umformtransformators ebenfalls geschlossen ist und danach ein oder mehrmals wieder geöffnet wird, um zusätzliche Energie vom Umformtransformator zum Zündtransformator zu liefern, um die Dauer des Zündfunkens zu verlängern.
Anmeldegegenstand
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein kapazitives Entladungszündungssystem zur Verfügung zu stellen, welches in der Lage ist, eine Lichtbogenentladung zwischen den Zündkerzenelektroden zu bewirken, mit einer Dauer, welche drei- bis sechsmal länger ist, als die typischer, in Verwendung befindlicher Arten von Zündspulen.
Ferner besteht ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung darin, in der Lage zu sein, die verlängerte Funkendauer einstellbar und selektiv modifizierbar zu gestalten, oder außer Betrieb zu setzen, um eine bestmögliche Lebensdauer der Zündkerze zu erhalten.
Sofern die Betriebsbedingungen des Motors Funkenzeiträume erfordern, welche vorher vom kapazitiven Zündentladungssystem her nicht verfügbar waren, kann der verlängerte Funken angewendet werden. Das gestattet die Verwendung eines kapazitiven Funkentladungssystem, wo induktive Zündsystemtypen die einzige praktische Wahl darstellen.
Beschreibung der Erfindung
Kurz gesagt besteht die vorliegende Erfindung darin, ein kapazitives Entladungszündsystem (CD) für einen Verbrennungsmotor vorzusehen.
Das Zündsystem umfasst einen Speicherkondensator, der in Reihe geschalten ist mit einer Diode, einen Umformtransformator, bestehend aus Primär- und Sekundärwindungen, wobei dessen Sekundärwindungen in Reihe mit dem Speicherkondensator und der Diode geschalten sind, ferner umfassend einen Zündtransformator, bestehend aus Primär- und Sekundäwindungen, einen ersten triggerbaren Schalter, wobei die Primärwindungen des Zündtransformators und der Speicherkondensator über den triggerbaren Schalter in Reihe geschalten sind, dass ferner eine Zündkerze in Reihe mit den Sekundäwindungen des Zündtransformators geschalten ist, umfassend eine Gleichstromquelle und dass ein zweiter triggerbarer Schalter in Reihe geschalten ist mit den Primärwindungen des Umformtransformators.
Eine Schaltungsanordnung ist vorgesehen, um den ersten und den zweiten triggerbaren Schalter synchron zum Motor derart zu steuern, dass während der erste Schalter geöffnet wird der zweite Schalter für eine Periode geschlossen wird, um Energie im Umformtransformator zu speichern und dann geöffnet wird, um die Energie auf den Speicherkondensator zu übertragen, gefolgt vom Wiederschließen des zweiten Schalters.
Der erste Schalter wird geschlossen, um den Speicherkondensator über die Primärseite des Zündtransformators zu entladen. Der zweite Schalter wird wieder geöffnet, um die gespeicherte Energie im Umformtransformator auf die Primärseite des Zündtransformators zu übertragen, um den Stromfluss in der Sekundärseite des Zündtransformators zu verlängern. Die Anzahl der Zeiten N, in welchen der zweite Schalter wieder geöffnet und geschlossen wird und die Zeitperiode T, in welcher der zweite Schalter geschlossen bleibt, wird gesteuert, um die Zeitdauer und die Amplitude des verlängerten Lichtbogenstroms zu regeln.
Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und andere Gegenstände und Vorteile werden erkennbar anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, wobei:
1: eine schematische Schaltungsanordnung bezüglich der vorliegenden Erfindung zeigt;
2: eine standardgemäße kapazitive Entladungsschaltungswellenform bei 4 kV Spannungsüberschlag, der einen 500 Mikrosekunden-Funken erzeugt, zeigt;
3: eine standardgemäße kapazitive Entladungsschaltungswellenform bei 19 kV Spannungsüberschlag, der einen 380 Mikrosekunden-Funken erzeugt, zeigt;
4: eine verlängerte kapazitive Entladungsschaltungswellenform, betreffend die vorliegende Erfindung, bei 5 kV Spannungsüberschlag, der einen 1,920 Mikrosekunden-Funken erzeugt, zeigt;
5: eine verlängerte kapazitive Entladungsschaltungswellenform, betreffend die vorliegende Erfindung, bei 19 kV Spannungsüberschlag, der einen 1,920 Mikrosekunden-Funken erzeugt, zeigt;
6: eine verlängerte kapazitive Entladungsschaltungswellenform, betreffend die vorliegende Erfindung, mit acht Verlängerungsimpulsen zeigt;
7: eine verlängerte kapazitive Entladungsschaltungswellenform, betreffend die vorliegende Erfindung, mit zwölf Verlängerungsimpulsen zeigt;
8: eine verlängerte kapazitive Entladungsschaltungswellenform, betreffend die vorliegende Erfindung, mit kurzer Dauer der Verlängerungsimpulse und mit geringem Lichtbogenstrom zeigt und
9: eine verlängerte kapazitive Entladungsschaltungswellenform, betreffend die vorliegende Erfindung, mit längerer Dauer der Verlängerungsimpulse und mit größerem Lichtbogenstrom zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Gemäß 1 besteht ein Transformator TR1 aus Primärwindungen und Sekundärwindungen. Die Primärwindung des ersten Transformators TR1 ist über einen Schalter S2 mit einer Gleichspannungsquelle (DC) verbunden, z.B. einer Batterie. Ein Speicherkondensator C1 ist parallel zu den Sekundärwindungen des Transformators TR1 angeordnet. Eine Diode D1 ist zwischen der Sekundärwindung des Transformators TR1 und dem Speicherkondensator C1 positioniert. Die Diode D1 ist dabei derart gerichtet, dass sie das Laden des Kondensators C1 mit dem Ladestrom (I_TRSEC) von den Sekundärwindungen blockiert, wenn der Schalter S2 geschlossen ist und der Primärstrom I_TRPRI von der Batterie durch die Primärwindungen des Transformators TR1 fließt. Eine Anzahl Dioden D2 ist in Reihe geschalten und parallel verbunden mit dem Speicherkondensator C1. Die Dioden D2 sind derart gerichtet, um bei einem Strom I_CAP vom Speicherkondensator C1 zu sperren und einen Durchfluss durch dieselben zu verhindern. Parallel geschalten zu den Dioden D2 ist die Primärseite der Zündspule. Die Verbindung der Primärseite der Zündspule und der Dioden D2 wird über einen Schalter S1 hergestellt. Die Zündspule besitzt eine Sekundärseite, die mit einer Funkenstrecke, vorzugsweise der Funkenstrecke einer Zündkerze, verbunden ist.
Wenn der Schalter S1 öffnet, das heißt vor einem Zündzeitpunkt, ist der Schalter S2 geschlossen und der primäre Strom I_TRPRI ist in der Lage, durch die Primärwindungen des Transformators TR1 zu fließen. Die Phaseneinstellung der Windungen des Transformators ist derart ausgewählt, dass die Diode D1 den Sekundärstrom -I_TRSEC vom Fluss durch die Sekundärwindungen des ersten Transformators TR1 sperrt. Wenn genügend Energie auf der Primärseite des ersten Transformators TR1 gespeichert ist, öffnet der Schalter S2 und die Energie des zusammenfallenden Magnetfeldes über den Sekundärwindungen des ersten Transformators TR1 verursacht, dass ein Sekundärstrom I_TRSEC durch die Diode D1 fließt und den Speicherkondensator C1 lädt.
Wenn der Zeitpunkt zur Erzeugung eines Funken gekommen ist, wird der Schalter S1 geschlossen und die Spannung über dem Ladekondensator C1 wird an die Primärseite der Zündspule gelegt. Nach einer Verzögerung in Abhängigkeit von der Induktivität der Spule beginnt der Strom I_CAP durch die Primärseite der Zündspule zu fließen. Die Spannung, welche über der Primärseite der Zündspule liegt, ist ursächlich dafür, dass auf der Sekundärseite der Zündspule eine Spannung erzeugt wird, proportional dem Windungsverhältnis der Zündspule. Wenn sich die Sekundärspan nung bis zu einem Wert vergrößert, welcher ausreichend ist, einen Funken zu erzeugen, welcher sich über der Funkenstrecke entlädt, beginnt der Sekundärstrom I_COILSEC zu fließen. Während der Sekundärstrom der Zündspule zu fließen beginnt, wird der Schalter S2 geschlossen und der Strom I_RPRI fließt durch die Primärseite des ersten Transformators TR1. Der Sekundärstrom der Zündspule I_COILSEC verringert sich mit abnehmenden Strom I_CAP des Ladekondensators C1.
Zu einem geeigneten Zeitpunkt, bevor sich der Sekundärstrom hinreichend vermindert hat, um den Funken, der sich über den Elektrodenabstand entlädt, zum Verlöschen zu bringen, wird der Schalter S2 geöffnet und der Sekundärstrom I_TRSEC des Transformators TR1 entwickelt sich, welcher durch die Primärseite der Zündspule fließt. In diesem Zeitpunkt besteht der Strom durch die Primärseite der Zündspule I_COILPRI aus der Summe des Sekundärstromes I_TRSEC des Transformators TR1 und dem Strom I_CAP des Ladekondensators C1. Die Addition des Sekundärstromes I_TRSEC aus der Sekundärspule des Transformators TR1 zu einem geeignetem Zeitpunkt gestattet es, die Dauer der Funkenentladung über den Elektrodenabstand zu verlängern. Darüber hinaus ist die Induktivität der Sekundärspule des Transformators TR1 in Reihe geschalten mit der Induktivität der Primärspule der Zündspule. Folglich wird die Induktivität der Schaltungsanordnung, welche den Strom I_COILPRI auf der Primärseite der Zündspule erzeugt, vergrößert durch die Addition des Stromes I_TRSEC, herrührend von den Sekundärwindungen des ersten Transformators TR1. Die Vergrößerung der Induktivität durch die Kombination mit dem Sekundärstrom I_TRSEC, bereitgestellt vom Transformator TR1, vergrößert die Lichtbogendauer über die Summe des Kondensatorstromes I_CAP oder des Sekundärstromes I_TRSEC des Transformators TR1 allein.
Der Schalter S2 kann eine Anzahl von Zeiteinheiten N geöffnet und geschlossen werden, um den Funkenstrom zu verlängern, wie in 4 bis 9 dargestellt.
2 illustriert die Funktionsweise der Schaltung gegenüber dem Stand der Technik. Angenommen der Kondensator C1 wurde aufgeladen, die Schalter S1 und S2 sind beide geöffnet (nicht leitend). Auf das Ansprechen eines Triggerimpulses wird der Schalter S1 geschlossen (leitend). Dies führt im Ergebnis zu einem sich aufbauenden Strom vom Kondensator C1 zur Primärseite des Zündtransformators. Die Span nungsspitze über der Primärseite von etwa 180 Volt ist dargestellt durch die mittlere Aufzeichnung von 2. Das spiegelt sich wider in der Spannungsspitze, die den Durchschlag über dem Elektrodenabstand verursacht, wie dargestellt in der oberen Aufzeichnung von 2. Die Durchschlagspannung in der Sekundärspule dieses Beispiels beträgt etwa 4 kV. Die Funkendauer beträgt etwa 500 Mikrosekunden. Die untere Aufzeichnung illustriert das Steuersignal, welches den Schalter S2 steuert, um diesen zu schließen und es gestattet, den Kondensator C1 aufzuladen. Es gilt als vereinbart, dass der Schalter S1 zuvor geöffnet wurde.
3 ist ähnlich der 2, abgesehen von unterschiedlichen Bedingungen der Funkenstrecke, wobei die Durchbruchspannung über der Sekundärseite der Zündspule etwa 19 kV beträgt. Das führt zu einem Funken, dessen Dauer auf 380 Mikrosekunden reduziert ist. Hinsichtlich des Standes der Technik steht die Funkendauer in Verbindung mit der Durchbruchspannung, welche ein Kennzeichen für die Funkenstreckenbedingung ist.
4 illustriert die Funktion einer Schaltung in Bezug auf die vorliegende Erfindung. Nach dem initiierten Schließen des Schalters S1 und dem folgenden Spannungsüberschlag zwischen den Elektroden, wird der Schalter S2 wiederholt geöffnet und geschlossen, wie dargestellt auf der unteren Aufzeichnung von 4. In diesem Beispiel wird der Schalter zwölfmal (12) geöffnet und geschlossen innerhalb einer Periode von 1.520 Mikrosekunden. Das führt dazu, dass die Primärseite der Zündspule viele Male angeregt und die Funkendauer bis zu 1.920 Mikrosekunden verlängert wird.
5 illustriert die Funktionsweise einer Schaltung in Bezug auf die vorliegende Erfindung in etwa gleicher Weise wie in 4. Jedoch sind die Bedingungen der Funkenstrecke auf der Primärseite der Zündspule derart eingestellt, dass die Durchbruchspannung auf 19 kV vergrößert wird. Die Funkendauer verbleibt jedoch bei den selben 1.920 Mikrosekunden. Im Unterschied zu den Funktionsweisen der Schaltungsanordnungen des Standes der Technik, steht die Funkendauer nicht in Zusammenhang mit den Elektrodenabstandsbedingungen.
6 zeigt, dass die Funkendauer gesteuert werden kann durch die Anzahl von Anregungsimpulsen, die vom Kondensator C1 bereitgestellt werden. In diesem Fall wird der Schalter S2 achtmal (8) geschlossen und geöffnet innerhalb einer Zeitperiode von 1.040 Mikrosekunden und die Funkendauer wurde verlängert bis zu 1.440 Mikrosekunden.
7 stellt die Spannung über dem Kondensator C1 in Funktionsweise in Bezug auf die vorliegende Erfindung dar, wobei nach dem Spannungsdurchschlag der Schalter S2 zwölfmal (12) geschlossen und geöffnet wird innerhalb von 1.440 Mikrosekunden. Es ist zu bemerken, dass die Ladung über dem Kondensator C1 annähernd 170 Volt beträgt, bevor der Schalter S1 zu schließen ist. Mit jedem Öffnen und Schließen wird der Kondensator wieder geladen mit bis zu 30 Volt.
8 und 9 zeigen den Strom in der Sekundärseite der Zündspule (mittlere Aufzeichnung) wie aufgezeichnet. Der Unterschied zwischen den Bedingungen, mit welchen 8 und 9 aufgezeichnet wurden, besteht in der Zeitdauer in der der Schalter S2 geschlossen war vor dem Wiederöffnen während der Wiederaufladungsperiode. Die mittlere Aufzeichnung stellt den Strom auf der Sekundärseite der Zündspule dar. Verursacht durch eine bedeutende Basisliniendrift erfordert die Aufzeichnung eine Interpretation. Theoretisch wird der Strom niemals negativ. In dem Test, wie er sich nach den 8 und 9 darstellt, werden zwölf Wiederanregungsimpulse im gleichen Abstand verwendet, zur Verlängerung der Funkendauer. Die Impulse, die das Fließen eines Stromes auf der Primärseite des Umformertransformators erlauben, sind für den Test gemäß 9 breiter als 8. Die Stromspitzen mit den schmalen Anregungsimpulsen betragen etwa 8 Milliampere währenddessen bei den breiten Anregungsimpulsen die Stromspitzen etwa 40 Milliampere betragen.
4 und 5 zeigen, dass nach der erfindungsgemäßen Lösung die Funkendauer nicht von den Bedingungen innerhalb der Funkenstrecke abhängt. 6 und 7 zeigen, dass die Funkendauer durch Steuerung der Anzahl der Wiederanregungsimpulse kontrollierbar ist. 8 und 9 illustrieren, dass der Strom während der verlängerten Funkendauer gesteuert werden kann durch Steuerung der Breite der Wiederanregungsimpulse.
Nach der detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung und um den besonderen Forderungen des Patentrechts nach Darstellung des gewünschten Schutzes in einem Patent nachzukommen folgen nunmehr die Ansprüche.

Claims

Kapazitives Entladungszündungssystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend: einen Speicherkondensator in Reihe geschalten mit einer Diode; einen Umformtransformator, bestehend aus Primär- und Sekundärwindungen, wobei die Sekundärwindungen hiervon in Reihe geschalten sind mit dem Ladekondensator und der Diode; einen Zündtransformator, bestehend aus Primär- und Sekundärwindungen; einen ersten triggerbaren Schalter (S1), wobei die Primärwindungen des Zündtransformators und der Speicherkondensator in Reihe geschalten sind über den triggerbaren Schalter; eine Zündkerze, die in Reihe geschalten ist mit den Sekundärwindungen des Zündtransformators; eine Gleichstromquelle und ein zweiter triggerbarer Schalter (S2), die in Reihe geschalten sind mit der Primärseite des Umformtransformators; und Mitteln zur Steuerung des ersten und zweiten triggerbaren Schalters synchron mit dem Motor derart, dass, während der erste Schalter geöffnet wird der zweite Schalter geschlossen wird für eine Zeitperiode, um Energie im Umformtransformator zu speichern, um nach Öffnung die Energie auf den Ladekondensator zu transferieren, gefolgt von dem Schließen des ersten Schalters, um den Ladekondensator über die Primärseite des Zündtransformators zu entladen, während der erste Schalter geschlossen bleibt, der zweite Schalter wird wieder geschlossen und danach geöffnet, um die im Umformtransformator gespeicherte Energie auf die Primärseite des Zündtransformators zu transferieren, um den Stromfluss in den Sekundärwindungen des Zündtransformators zu verlängern.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Steuerung der variablen Schalter es gestatten, die Anzahl der Zeiteinheiten (N) variable zu gestalten, in denen der zweite Schalter geöffnet und geschlossen ist, während der erste Schalter geschlossen bleibt während jedes Zündzeitpunktes, zur Steuerung der Lichtbogendauer des Funkens.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Steuerung der variablen Schalter es gestatten, dass die Zeitperiode, in welcher der zweite Schalter geschlossen bleibt vor jeder Wiederholung hiervon, dann geöffnet wird, während der erste Schalter geschlossen bleibt, um eine Variable (T) zu sein, die genutzt wird, um die Amplitude des verlängerten Lichtbogenstromes des Funken zu steuern.
Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, wobei die Mittel zur Steuerung der variablen Schalter es gestatten, die Dauer und die Amplitude des verlängerten Lichtbogenstromes des Funkens unabhängig vom ursprünglichen Spannungsdurchbruch zu steuern, der gefordert ist, um den Funken zu initiieren.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zur Steuerung der variablen Schalter es einem Mittel gestatten, den zweiten triggerbaren Schalter zu schließen und zu öffnen zu bestimmten zeitlichen Intervallen und das Verhältnis von geschlossener Zeit und geöffneter Zeit gesteuert wird, um den Strom während des verlängerten Funkens zu steuern.