DE19602401A1 - Einrichtung zur Erzeugung hoher elektrischer Spannungen in einem vom Bordnetz unabhängigen Teilnetz einer Kolbenverbrennungsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung hoher elektrischer Spannungen in einem vom Bordnetz unabhängigen Teilnetz einer Kolbenverbrennungsmaschine die einen antreibbaren Wechselstromgenerator aufweist, der mit einer Gleichstromquelle in Verbindung steht.

An modernen Verbrennungsmotoren werden anstelle von mechanisch betätigten und/oder angesteuerten Systemen in zunehmendem Maße Systeme verwendet, die über elektro­ magnetische Aktuatoren betätigt und/oder gesteuert werden und ständig wachsende Anforderungen der unterschiedlich­ sten Art erfüllen müssen. Sie müssen hohe Betätigungsge­ schwindigkeiten sowie präzise, reproduzierbare Betäti­ gungszeitpunkte bei gleichzeitig kleiner Verlustleistung bieten. Derartige Aktuatoren werden beispielsweise benö­ tigt für elektromagnetisch betätigte Einspritzventile oder auch für elektromagnetische Stelleinheiten zur Betätigung der Gaswechselventile an einem Kolbenverbren­ nungsmotor.

Aus der DE-A-39 23 477 ist ein derartiger Aktuator zur elektromagnetische Betätigung der Gaswechselventile bekannt. Um die gestellten Anforderungen erfüllen zu können, ist es erforderlich, daß der Strom für die Anzugs- bzw. Fangphase des Ankers einerseits und die Haltephase des Ankers andererseits unterschiedlich ausgelegt sein muß, da die zum Halten des Ankers erforderlichen magne­ tischen Feldstärken in der Regel unter den für das An­ ziehen bzw. das Fangen des Ankers erforderlichen Feld­ stärken liegt.

Durch eine entsprechend hochohmige Auslegung der Magneten kann der erforderliche (ungeregelte) Haltestrom mit Hilfe der üblichen 12 V-Bordnetzspannung realisiert werden. Die dann erforderlichen Ströme und Kabelquer­ schnitte wirken sich hierbei günstig auf Kosten, Zuver­ lässigkeit und Störabstrahlung aus. Allerdings muß dann zum schnellen Anziehen und Fangen des Ankers eine deut­ lich höhere Spannung bereitgestellt werden, als diese durch das 12-V-Bordnetz vorgegeben ist. Die an sich bestehende Möglichkeit einer kurzzeitigen Zuführung einer Spannung eines vorher aufgeladenen Kondensators scheidet jedoch bei dem hohem Strombedarf eines Aktuators zur Betätigung der Gaswechselventile praktisch aus. Auch die Verwendung eines DC-DC-Wandlers, durch den die 12-V-Bordnetzspannung in höhere Spannungen konvertier­ bar wären, ist wegen der zusätzlich entstehenden Verlu­ ste, die aufgrund des Generatorwirkungsgrades und eines hohen Leistungsbedarfs besonders stark zu Buche schlagen, sowie wegen der zusätzlichen hohen Kosten in der Praxis nicht verwertbar.

Ein besonderes Problem besteht im Zusammenhang mit Betäti­ gungselementen an Kolbenverbrennungsmaschinen dadurch, daß diese bereits beim Start in der nötigen Weise betätigt werden müssen und daß weder über die Bordbatterie noch über den beim Anlaßvorgang mitdrehenden Generator die erforderlichen hohen Spannungen zur Verfügung gestellt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrich­ tung der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, durch die bereits beim Anlassen des Motors aus dem Stillstand heraus eine Hochspannungserzeugung möglich ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß neben dem Wechsel­ stromgenerator zur Erzeugung einer niedrigen Bordnetz-Nor­ malspannung ein Transformator zur Erzeugung einer hohen Teilnetzspannung vorgesehen ist und daß ein drehzahl­ abhängig schaltbarer Umschalter vorgesehen ist, der bei Unterschreiten einer vorgegebenen Mindestdrehzahl zur Stromversorgung der Primärwicklung des Transformators auf einen mit der Gleichstromquelle verbundenen Wechsel­ richter umschaltet. Diese Einrichtung hat den Vorteil, daß die Primärwicklung des Transformators bei Stillstand der Motors und auch bei kleinen Drehzahlen des Wechsel­ stromgenerators über die niedrige Bordnetz-Normalspannung mit einem Wechselstrom beaufschlagt werden kann, so daß über den Transformator die notwendige hohe Spannung des Teilnetzes zur Verfügung gestellt werden kann. Die über den Transformator bereitzustellenden hohen Spannun­ gen können je nach Einsatzfall in einem Bereich zwischen 24 Volt und etwa 250 Volt liegen. Die Auslegung des Transformators ist jedoch nicht auf den vorstehend angege­ benen Spannungsbereich beschränkt. Auch die Bereitstellung höherer Spannungen ist bei entsprechender Auslegung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators möglich. Als Wechselstromgenerator wird zweckmäßigerweise ein Drehstromgenerator eingesetzt. In diesem Fall sollte der Transformator entsprechend als Drehstromtransformator ausgebildet sein.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Transformator in den Wechselstromgene­ rator integriert ist und durch dessen Erregerwicklung als Primärwicklung einerseits und eine zusätzliche Hoch­ spannungsstatorwicklung als Sekundärwicklung andererseits neben der Niederspannungsstatorwicklung gebildet wird. Hierdurch ist es möglich, die Erregerwicklung des Wechsel­ stromgenerators bei Stillstand des Motors und bei kleinen Drehzahlen nicht durch den von der Bordbatterie abgenomme­ nen Gleichstrom sondern vielmehr durch einen über den Wechselrichter bereitgestellten Wechselstrom zu beaufschlagen wird. Hierdurch wird dieser Teil des Wechselstromgenera­ tors zu einem Transformator "umfunktioniert", wobei die Erregerwicklung dies Primärwicklung und die zusätzliche Hochspannungsstatorwicklung die Sekundärwicklung bildet. Auch hierbei wird zweckmäßigerweise ein Drehstromgenerator eingesetzt.

Die Erfindung wird anhand schematischer Schaltbilder von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung mit gesondertem Transformator,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung mit in den Drehstromgenerator integriertem Trans­ formator,

Fig. 3 eine Umschaltanordnung.

Bei der anhand des Schaltbildes gem. Fig. 1 dargestellten Einrichtung ist ein Drehstromgenerator 1 vorgesehen, der eine Erregerwicklung 2 sowie eine Niederspannungs­ statorwicklung 3 für die 12-V-Versorgung des Bordnetzes aufweist. Die Erregerwicklung 2 steht über einen Gleich­ stromregler 4 mit der hier nicht näher dargestellten Bordbatterie B in Verbindung. Der vom Generator 1 erzeugte Drehstrom wird für die Verwendung im Bordnetz über einen Gleichrichter 5 gleichgerichtet.

Die Statorwicklung 3 des Generators 1 ist ferner mit einem Schalter 6 verbunden, der über eine hier nicht näher dargestellte Betätigungsvorrichtung in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Mindestdrehzahl umschaltbar ist.

Dieser Umschalter 6 steht mit der Primärwicklung 8.1 eines Transformators 7, hier eines Drehstromtransformator, in Verbindung, von dessen Sekundärwicklung 8.2 über einen entsprechenden Hochspannungsgleichrichter 9 die entsprechen­ de Hochspannung auf das Teilnetz aufgebracht werden kann.

Bei Normaldrehzahl des Motors und damit Normaldrehzahl des Generators 1 wird der Transformator 7 ebenso wie der Gleichrichter 5 unmittelbar vom Generator 1 gespeist, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.

Soll nun der stehende Verbrennungsmotor gestartet werden (Generatordrehzahl n = 0) und wird der Generator 1 dann über den hier nicht näher dargestellten Anlassermotor gedreht mit einer niedrigen Drehzahl (Anlaßdrehzahl < vorgegebene Mindestdrehzahl), dann steht weder über die Bordbatterie noch über den Generator eine ausreichende Spannung zur Erzeugung der Hochspannung zur Verfügung. Da nun der drehzahlabhängige Umschalter 6 dann in die andere Umschaltposition umgeschaltet ist und den Transfor­ mator 7 mit einem Wechselrichter 10 verbindet, der eben­ falls über die Bordbatterie gespeist wird, kann gleich­ wohl der Startvorgang mit Betätigung von Einspritzventilen und/oder mit Betätigung von elektromagnetisch betätigten Gaswechselventilen durchgeführt werden. Der Wechselrichter 10 wird über die Bordbatterie versorgt, so daß über den Hochspannungsgleichrichter 9 die entsprechende Hoch­ spannung schon dann in voller Höhe zur Verfügung steht, wenn über den Anlasser der Generator 1 in Drehung versetzt wird. Beim Hochlaufen des Motors wird dann die vorgege­ bene Mindestdrehzahl erreicht, so daß der Umschalter 6 umgelegt werden kann und dann der Transformator 7 unmittelbar über den Generator 1 gespeist wird.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform entspricht in ihrem elektrischen Aufbau der Ausführungsform gem. Fig. 1. Gleiche Bauteile weisen hierbei gleiche Bezugs­ zeichen auf. Der Unterschied zur Ausführungsform gem. Fig. 1 besteht darin, daß für den Generator 1 neben einer Niederspannungsstatorwicklung 11 zur Versorgung des Bordnetzes über den Gleichrichter 5 eine zweite Hochspannungsstatorwicklung 12 vorgesehen ist, die auf den Hochspannungsgleichrichter 9 aufgeschaltet ist. Diese Wicklung kann prinzipiell auch mit weniger als drei Phasen ausgeführt werden, allerdings ist dann die Qualität der Hochspannungsversorgung abhängig von der Stillstandsposition des Läufers, so daß eine 3-Phasen-Wick­ lung als bevorzugte Ausführungsform anzusehen ist. Die Erregerwicklung 2 bildet hierbei die Primärwicklung und die zusätzliche Hochspannungsstatorwicklung 12 bildet hierbei die Sekundärwicklung eines "Transformators".

Der Erregerwicklung 2 ist hierbei ein drehzahlabhängig schaltbarer Umschalter 6 zugeordnet, so daß die Erreger­ wicklung bei stehendem Motor bis zum Erreichen einer vorgegebenen Mindestdrehzahl zunächst mit einem Wechsel­ richter 10 verschaltet ist und erst bei Überschreiten der vorgegebenen Mindestdrehzahl auf den üblichen Gleich­ stromregler 4 umgeschaltet wird. Der Gleichstromregler 4 und der Wechselrichter 10 werden, wie vorstehend be­ schrieben, jeweils mit Strom aus dem Bordnetz versorgt.

Obwohl der Wirkungsgrad dieser Generatorbauform aufgrund des nur vergleichweise kurzen Einsatzes für die Wirkungs­ grad-Gesamtbetrachtung kaum eine Rolle spielt, sollte zur Minimierung der Wirbelstromverluste auch der Anker, d. h. der Kern der Erregerwicklung geblecht ausgeführt werden.

Der in den Ausführungsbeispielen gem. Fig. 1 und 2 darge­ stellte und-beschriebene Umschalter kann nicht nur durch ein mechanisches Schaltelement verwirklicht werden. Unter Schalter im Sinne der Erfindung sind daher nicht nur mechanische Umschaltelemente, elektronische Umschalt­ elemente in Halbleitertechnik sondern auch Schaltungsan­ ordnungen zu verstehen, bei denen in Abhängigkeit von einer Eingangsinformation, beispielsweise einer vorgege­ benen Mindestdrehzahl entweder eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung am Ausgang zur Verfügung gestellt wird.

Die vorgegebene, den Schaltvorgang auslösende Mindestdreh­ zahl braucht ebenfalls nicht durch ein direktes Drehzahl­ signal zur Verfügung gestellt werden, das über entsprechen­ de Drehzahlsensoren an der Generatorwelle oder an der Motorwelle abgegriffen wird oder über einen zusätzlichen Tachogenerator bereitgestellt wird. Auch indirekt drehzahl­ abhängige Kenngrößen können als Stellsignal zur Auslösung des Umschaltvorgangs abgegriffen werden, so beispielsweise auch der direkte Abgriff von Spannung oder Strom am Generator selbst, da auch dieser in den hier interessie­ renden Bereichen eine drehzahlabhängige Größe darstellt.

In Fig. 3 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, die sowohl die Funktion eines Umschalters als auch die Funktion des Wechselrichters erfüllt. Die Schaltungsanord­ nung ist zum besseren Verständnis des Prinzips mit mechani­ schen Schaltelementen dargestellt und beschrieben, wird jedoch in der Praxis durch Halbleiterbauteile gleicher Funktion verwirklicht. Diese Schaltungsanordnung wird bei den Ausführungsformen gem. Fig. 1 und Fig. 2 jeweils an die Stelle des dort dargestellten Umschalters 6 einge­ setzt. Bei der Ausführungsform gem. Fig. 1 ist diese Schaltung 6-10 mit der Primärwicklung 8.1 des Transforma­ tors 7 verbunden und bei der Ausführungsform gem. Fig. 2 mit der Erregerwicklung 2 des Generators 1. In Fig. 3 ist die Verschaltung mit der Erregerwicklung 2 dargestellt.

Die Schaltung weist ein Relais 13 mit drei Schaltkontakten 14, 15 und 16 auf, zu dem ein Kondensator 17 parallel geschaltet ist. Relais 13 und Kondensator 17 sind über einen Widerstand 19 mit dem Eingang 18 zur Einspeisung des Drehzahlinformationssignals verbunden. Die Schaltung 6-10 ist ferner über den Anschluß 20 mit der Batterie verbunden.

Wenn der Motor in Betrieb ist und somit die Betriebsdrehzahl über der vorgegebenen Mindestdrehzahl liegt, ist das Drehzahlunterscheidungssignal 18 nicht aktiv, z. B. 0 Volt.

Im Betrieb befindet sich somit das Relais 13 in Ruheposi­ tion, die Kontakte 15 und 16 verbinden dann die beiden Anschlüsse der Primärwicklung mit dem Bordnetz. Wenn die vorgegebene Mindestdrehzahl unterschritten wird, beispielsweise wenn der Motor steht, ist das Drehzahl­ unterschreitungssignal am Eingang 18 aktiv. Hier kann beispielsweise eine Spannung von 12 Volt anstehen. Dann zieht nach kurzer Verzögerungszeit, bedingt durch den Widerstand 19 und den Kondensator 17 das Relais 13 an und bewirkt über die Schaltkontakte 15 und 16 eine Umkehr des Stromflusses in der Erregerwicklung. Gleichzeitig wird allerdings durch Öffnen des Schaltkontaktes 14 der Stromkreis für das Relais 13 unterbrochen und nach kurzer Verzögerungszeit, die durch den Kondensator 17 verursacht wird, fällt das Relais 13 wieder ab und stellt über die Kontakte 15 und 16 die alte Polarität des Stromes durch die Erregerwicklung 2 wieder her. Durch das gleich­ zeitige Schließen des Kontaktes 14 wird das Relais wieder­ um verzögert angezogen, so daß sich der vorstehend be­ schriebene Schaltvorgang wiederholt. Solange nun das Drehzahlunterschreitungssignal am Eingang 18 anliegt, wird ständig die Polarität des Stromes durch die Erreger­ wicklung 2 umgekehrt, was einer Beaufschlagung mit Wechsel­ strom entspricht.

Die vorbeschriebene Wirkungsweise ist auch dann gegeben, wenn anstelle der Erregerwicklung 2 die Primärwicklung 8.1 eines gesonderten Transformators vorgesehen ist, wie dies anhand von Fig. 1 beschrieben ist. Die Besonderheit dieser Schaltungsanordnung 6-10 besteht also darin, daß sie die Wirkungsweise des drehzahlabhängigen Umschal­ ters 6 und die Wirkung des Wechselrichters 10 in sich vereinigt, so daß beim Einsatz der Schaltung gem. Fig. 3 in die Schaltungsanordnungen gem. Fig. 1 oder Fig. 2 jeweils der Wechselrichter 10 entfällt.

In der praktischen Umsetzung ist die Schaltungsanordnung selbstverständlich nicht mit mechanischen Schaltelementen verwirklicht sondern durch entsprechende Halbleiter­ bauteile.

Claims (2)

1. Einrichtung zur Erzeugung hoher elektrischer Spannun­ gen in einem vom Bordnetz unabhängigen Teilnetz einer Kolbenverbrennungsmaschine, die einen antreibbaren Wechsel­ stromgenerator (1) aufweist, der mit einer Gleichstrom­ quelle (B) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Wechselstromgenerator (1) zur Erzeugung einer niedrigen Bordnetz-Normalspannung ein Transforma­ tor (7) zur Erzeugung einer hohen Teilnetzspannung vor­ gesehen ist und daß ein drehzahlabhängig schaltbarer Umschalter (6) vorgesehen ist, der bei Unterschreiten einer vorgegebenen Mindestdrehzahl zur Stromversorgung der Primärwicklung des Transformators (7) auf einen mit der Gleichstromquelle (B) verbundenen Wechselrichter (10) umschaltet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator in den Drehstromgenerator (1) integriert ist und durch dessen Erregerwicklung (2) als Primärwicklung einerseits und eine zusätzliche Hoch­ spannungsstatorwicklung (12) als Sekundärwicklung anderer­ seits gebildet wird, die neben der Niederspannungsstator­ wicklung (11) vorgesehen ist.