DE2455201A1

DE2455201A1 - Verbrennungsmotor-zuendungssystem

Info

Publication number: DE2455201A1
Application number: DE19742455201
Authority: DE
Inventors: Robert Earl Campbell; Lewis Rambo Hetzler; Gerald Orville Huntzinger
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1973-11-23
Filing date: 1974-11-21
Publication date: 1975-06-26
Also published as: FR2252498B1; CA1041596A; US3824977A; FR2252498A1; GB1459354A; IT1023310B; JPS50112630A

Description

MANITZ. FINSTERWALD & GRÄMKOW

München, den 21. NOV. 1374 Ur/Sv - G 3066

GENERAL MOTORS CORPORATION Detroit, Michigan, USA

Verbrennungsmotor-Zündungssystem

Die Erfindung betrifft Vocbrennurigsmotor-Ziiadungssysteme und insbesondere ein Verbrennuiif^omotor-Zündun^ssystem des induktiven Typs, das eine schnelle Anstiegszeit der Zündspannung und eine lange Zeitdauer des ZündlLchtbogens bzw. Zündfunkens schafft.

Um Zündkerzen verläßlich zu zünden und die Häufigkeit von verschmutzten Zündkerzen wesentlich zu reduzieren, ist eine schnelle Anstiegszeit der Zündfunkenspannung erforderlich und kürzlich vorgenommene Studien zeigen, daß ein langbrennender Zündlichtbogen bzw. Zündfunke einen verbesserten Motorbetrieb sowie verbesserte Treibstoff-Wirtschaftlichkeit und Leerlaufeigenschaften des Motors hervorruft. Da die Parameter von Zündungssystemen praktisch begrenzt sind, ist es bisher schwierig gewesen, ein Zündsystem zu schaffen, das sowohl eine Zündfunkenspannung mit schneller

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DR. G. MANITZ · DIPL.-ING. M. FINSTERWALD DIPL.-ING. W. GRAMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

β MÖNCHEN 522. ROBERT-KOCH-STRASSE 1 7 STUTTGART SO (BAD CANNSTATT» MÖNCHEN, KONTO-NUMMER 7270

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Anstiegszeit als auch eine lange Zeitdauer des Zündlichtbogens bzw. Zündfunkens aufweist. Beim Bau eines Zündungssystems des induktiven Typs mit einer raschen Anstiegszeit der Zündfunkenspannung ist es z.B. ein Problem, daß während einiger Betriebszustände unzulässig hohe Spannungspegel an der Primärwicklung der Zündspule auftreten können und die Schaltvorrichtungen des Stromversorgungskreises der Primärwicklung der Zündspule oder die Zündspule selbst zerstören können. Demzufolge wurden Zündspulen bisher so entworfen, daß das WindungsZahlenverhältnis der sekundären Wicklung zur primären Wicklung ausreichend hoch ist, so daß unzulässig hohe, auf die Primärwicklung zurück übertragene Spannungen vermieden werden.

Der gegenwärtigen Tendenz entsprechend werden zunehmend "elektronische" Kraftfahrzeug-Zündungssysteine verwendet, die im Stromzuführungskreis der Primärwicklung der Zündspule Transistorschaltvorrichtungen benutzen, um den Stromzuführungskreis der Primärwicklung der Zündspule in zeitlicher Beziehung zum Motor zu schließen und zu unterbrechen. Transistoranordnungen sind ganz besonders empfindlich gegen übermäßige Spannungspegel an der Primärwicklung der Zündspule und können von diesem mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zerstört werden. Es ist also wünschenswert, ein Verbrennungsmotor-Zündungssystem zu schaffen, das eine Zündfunkenspannung mit schneller Anstiegszeit und einen lang andauernden Zündlichtbogen bzw. Zündfunken aufweist, ohne unzulässig hohe, auf die primäre Wicklung der Zündspule zurück übertragene Spannungen bei gewissen Betriebsbedingungen wie z.B. einem offenen elektrischen Kreis an der Sekundärwicklung der Zündspule.hervorzurufen.

Ein verbessertes Verbrennungsmotor-Zündungssystem gemäß der Erfindung liefert sowohl eine schnelle Anstiegszeit der Zündfunkenspannung als auch einen langbrennenden Zündlichtbogen bzw. Zündfunken ohne übermäßige, auf die Primärwicklung der Zündspule zurückübertragene Spannungen, wobei die Zündspule

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einen. Induktivitätswert der Primärwicklung aufweist, der . ausreichend hoch ist, um eine lange Zeitdauer des Zündlichtbogens bzw. Zündfunkens hervorzurufen und ein Windungszahlenverhältnis der primären Wicklung zur sekundären Wicklung das klein genug ist, um eine schnelle Anstiegszeit der Zündfunkenspannung zu schaffen, in Verbindung mit/einer spannungsbegrenzenden Vorrichtung, einem Metalloxid-Varistor, der parallel mit den stromführenden Elektroden der Schaltanordnung des stromzuführenden Kreises der Primärwicklung verbunden ist, um die auf die Primärwicklung zurückübertragenden Spannungen auf Werte zu begrenzen, bei denen die Schaltanordnung der Primärwicklung dex^ Zündspule nicht beschädigt oder zerstört wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

I¹Ig. 1 ein Schaltbild des verbesserten Verbrennungsmotor-Zündsystems gemäß der Erfindung,

Pig. 2 den Verlauf der von der Schaltung in Pig. 1 hervorgerufenen Zündfunkenspannung, und

Pig. 3 die B-H-Kurve eines typischen magnetischen Eisenkerns einer Zündspule.

Da der Bezugs- oder Erdpotentialpunkt im ganzen System elektrisch beibehalten ist, wird er in Pig. 1 durch das allgemein bekannte Schaltzeichen mit dem Bezugszeichen 5 dargestellt.

Die Pig. 1 zeigt das Zündsystem gemäß der Erfindung in Verbindung mit einer Gleichspannungsquelle 10 und einem Zündverteiler 15 mit einem beweglichen elektrischen Kontakt 14-, ·

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der in zeitlicher Verbindung mit einem angeschlossenen Verbrennungsmotor 12 gedreht wird, wodurch in bekannter Weise die Zündfunkenspannung einzeln an die Zündkerzen des Motors angelegt wird.

Der Motor 12 ist mit acht Zündkerzen 1S, 2S, 3S, 4S, 5S, 6S, 7S und 8S, von denen jede eine Funkenstrecke hat, dargestellt, er könnte jedoch gleichermaßen ein Drehkolbenmotor sein oder ein Motor mit einer abweichenden Anzahl von Zylindern.

Um das System mit Betriebsspannung zu versorgen, wird ein beweglicher Kontakt 21 eines elektrischen Schalters 20 mit einem feststehenden Kontakt 22 geschlossen, und so die Batteriespannung über die Leitung 23 und das Erdpotential bzw. die Masse zugeführt. Der bewegliche Kontakt 21 und der feste Kontakt 22 können ein Paar normalerweise offener Kontakte sein, die in einem herkömmlichen Kraftfahrzeug-Zündschalter eines bekannten Typs vorhanden sind. Es wird im weiteren angenommen, daß der bewegliche Kontakt 21 elektrisch mit dem festen Kontakt 22 verbunden ist, wie in Fig. 1 dargestellt.

Die Zündspule 25 hat einen magnetischen.Kern 26, eine PrimärwicüLung 27» ä-ie während desAufbaus des Speisestroms in ihr einen magnetischen Fluß im Kern 26 hervorruft, und eine Sekundärwicklung 28, in die eine Zündspannung von ausreichender Höhe, um einen Funken über die Funkenstrecke jeder der Zündkerzen des Motors 12 hervorzurufen, induziert wird, wenn der Speisestrom in der Primärwicklung 27 unterbrochen wird. Die Primärwicklung 27 ist so gebaut, daß sie einen Induktivitätswert hat, der mit einer vorbestimmten Speisestromstärke genügend Energie speichert, um den lichtbogen, der an der Funkenstrecke einer jeden Zündkerze für eine vorbestimmte Zeitdauer ausgelöst wird, aufrechtzuerhalten; die Zündspule 25 hat ein Primär-Sekundär-Windungszahlenverhältnis, das eine vorbestimmte,

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schnelle Zündfunkenspannungs-Anstiegszeit ermöglicht, wie später in dieser Beschreibung erklärt werden wird.

Eine elektrische Schaltvorrichtung, mit stromführenden Teilen, die den elektrischen Kreis in einen offenen und geschlossenen Zustand bringen können, ist in Reihe mit ,dem Stromzuführungskreis der Primärwicklung der Zündspule geschaltet. In Fig. ist diese Schaltvorrichtung als NPN-Schalttransistor 30 dargestellt, der einen Kollektor 32 und einen Emitter 33 aufweist, die den elektrischen Kreis in einen offenen und ,se-.

elektrischen

schlossenen Zustand bringen können, in Abhängigkeit von/Signalen, die an die Basis 31 des Transistors angelegt werden. Der Kollektor und Emitter des Schalttransistors 3° sind in Reihe mit den Stromzuführungskreis der Primärwicklung der Zündspule geschaltet. Der primäre Stromzuführungskreis der Zündspule kann von dem positiven Anschluß der Batterie 10 über die Verbindung 24, die geschlossenen Kontakte des elektrischen Schalters 20, die Verbindung 23,' die Primärwicklung 27 der Zündspule 25, die Verbindung 34, den Kollektor und Emitter des Schalttransistors 30, die Verbindung 36 und Masseanschluß 5 zum negativen Anschluß der Batterie 8 verfolgt werden. Die stromführenden Teile der Schaltvorrichtung des Stromzuführungskreises der Primärwicklung der Zündspule, der Kollektor und der Emitter des Schalttransistors 30 öffnen den elektrischen Kreis zu einer Zeit, bei der j'ede Zündkerze eines Motors 12 gezündet werden soll als Reaktion auf eine Reihe von Zündsignalen, die in zeitlicher Beziehung zu dem"Motor 12 in wohlbekannter Weise erzeugt werden. D.h., wenn die stromführenden Teile dieser Schaltvorrichtung den elektrischen Kreis schließen, fließt durch den oben beschriebenen Stromzuführungskreis der Primärwicklung Strom durch die Primär wicklung 27 der Zündspule 25, und wenn die stromführenden Teile als Reaktion auf jedes Zündsignal den elektrischen Kreis öffnen, wird der Versorgungsstrom der Primärwicklung der Zünd-

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BAD ORIGINAL

spule unterbrochen und in die Sekundärwicklung 28 wird eine, Zündfunkenspannung induziert.

Die Serie von Zündsignalen kann in zeitlicher Beziehung zum Motor 12 von irgendeinem von mehreren herkömmlichen magnetischen Verteilern, die wohlbekannt sind, hergestellt werden; in der Zeichnung ist ein Zündverteiler mit variablem magnetischem Widerstand bzw. variabler Reluktanz gezeigt. Ein Rotor 16 wird in zeitlicher Beziehung zum Motor vom Motor in bekannter Weise innerhalb des Polteils 16 gedreht. Mit gleichen Abständen um den äußeren Umfang des Rotors 16 herum und um die Rotoröffnung des Polteils 17 ist eine Reihe von Erhöhungen angebracht, deren Anzahl gleich der Anzahl der Zylinder des Motors ist, mit dem der Verteiler und das Zündsystem zusammen verwendet wird. Das Polteil 17 kann aus einem Stapel aus einer Anzahl von Blechschnitten aus magnetischem Material gebildet sein, die im Stapel durch Nieten oder Schrauben oder andere Befestigungsverfahren zusammengehalten werden, und der magnetische Fluß kann durch einen nicht gezeigten Permanentmagneten hervorgerufen werden, der an der unteren Fläche dieses Stapels befestigt sein kann. Wenn eine Erhebung am Rotor 16 sich einer Erhebung am Polteil 17 nähert, vermindert sich der magnetische Widerstand des magnetischen Weges zwischen dem Polteil 17 und dem Rotor 16, und wenn sich die Erhebung am Rotor 16 von einer Erhebung am Polteil 17 wegbewegt, vergrößert sich der magnetische Widerstand des magnetischen Kreises zwischen dem Polstück 17 und dem Rotor 16. Folglich wird das vom Permanentmagneten erzeugte magnetische Feld verstärkt bzw. abgeschwächt, wenn sich eine der Erhöhungen am Rotor 16 an eine Erhöhung am Polstück 17 annähert und an dieser vorbeibewegt; dieser Torgang induziert eine Wechselspannung mit einer Wellenform wie in Fig. 1 gezeigt in die Aufnehmerspule 18, die magnetisch mit dem Polstück 17 gekoppelt ist.

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Um den Kollektor- und Emitterkreis des Schalttransistors 30 in zeitlicher Beziehung zum Motor 12 zu öffnen und zu schliessen, ist ein elektronisches Zündsystem 35 vorgesehen, das auf die in die Aufnehmerspule 18 induzierte Serie von Zündsignalen anspricht. Während jedes positiven Teils der Serie von Zündsignalen, die in die Aufnehmerspule 18 induziert werden, hat dessen Anschlußende I8a positive Polarität in bezug auf den Anschluß 18b; folglich ist eine mit 18a verbundene Diode 43 in Sperrichtung gepolt. Während Diode 4-3 in Sperrichtung gepolt ist wird dem HPN-Transistor 40 ein Basis-Emitter-Steuerstrom vom positiven Anschluß der Batterie 10 über die Leitung 24, die geschlossenen Kontakte des Schalters 20, die leitung 23, die Widerstände 44 und 45, die Basis-Emitter-Elektroden des Transistors 40, einem Widerstand 46 und über die Masseleitung 5 dem negativen Anschluß der Batterie 10 zugeführt. Während dem KPN-Transistor 40 ein Basis-Emitter-Steuerstrom zugeführt wird, ist dieses Bauteil über seinen Kollektor-Emitter-Kreis leitend, so daß das Potential am Verbindungspunkt 47 nicht genügend Idch ist, um einen Basis-Emitter-Steuerstrom durch einen NPN-Transistor 41 hervorzurufen, der deshalb auch nicht leitet. Während der Transistor 41 nicht-leitend ist, wird dem NPN-Transistor 42 ein Basis-Emitter-Steuerstrom vom positiven Anschluß der Batterie 10 über die Verbindung 24, die geschlossenen Kontakte des Schalters 20, die Verbindung 23ν die Widerstände 48 und 49, die Basis-Emitter-Elektroden des Transistors 42, eine Verbindung 50, die Basis-Emitter-Elektroden des Schalttransistors 3O₉ eine Verbindung 36 und den Masseanschluß 5 zum negativen Anschluß der Batterie 10 zugeführt. Während dem NPti-Transistor 42 ein Basis-Emitter-Steuerstrom zugeführt wird, leitet dieses Bauteil über seine Kollektor- und Emitter-Elektroden, so daß dem NPN-Sehalttransistor 30 ein Basis-Emitter-Steuerstrom vom positiven Anschluß der Batterie 10 über die Verbindung 24, die geschlossenen Kontakte des Schalters 20, die Verbindung 23,

einen Widerstand 51» den Kollektor und Emitter des Transistors 42, die Verbindungsleitung 50, den Basis-Emitter-Kreis des Schalttransistors 30» cLie Yerbindungsleitung 36 und den Masseanschluß 5 zum negativen Anschluß der Batterie 10 zugeführt wird. Solange dem Schalttransistor 30 ein■ Basis-Emitter-Steuerstrom zugeführt wird, leitet dieses Bauteil über seinen Kollektor-Emitter-Kreis und schließt somit den oben beschriebenen Stromzuführungskreis der primären Wicklung der Zündspule. Während des nächsten negativen Teils der Serie von Zündsignalen, die in die Aufnehmerspule 18 induziert werden, ist deren Anschlußende 18a in bezug auf das Anschlußende 18b negativ und die Diode 4-3 ist deshalb in Durchlaßrichtung gepolt, wodurch der Basis-Emitter-Steuerstrom vom Transistor abgelenkt und dieses Bauteil somit gesperrt wird und deshalb dem Transistor 41 der Basis-Emitter-Steuerstrom vom positiven Anschluß der Batterie 10 über die Verbindung 24, die geschlossene Kontakte des Schalters 20, die Verbindung 23, die Widerstände 52 und 53» die Basis-Emitter-Elektroden des Transistors 41, den Widerstand 46 und den Masseanschluß 5 zum negativen Anschluß der Batterie 10 zugeführt wird. Solange dem Schalttransistor 30 ein Basis-Emitter-Steuerstrom zugeführt wird, leitet dieses Bauteil über seinen Kollektor-Emitter-Kreis und schließt somit den oben beschriebenen Stromzuführungskreis der Primärwicklung der Zündspule. Während des nächsten negativen Teils der Serie von Zündsignalen, die in die Aufnehmerspule 18 induziert werden, ist deren Anschlußende 18a in bezug auf das Anschlußende 18b negativ, folglich ist die Diode 43 in Durchlaßrichtung gepolt. In dem Augenblick, in dem die Diode 43 in Durchlaßrichtung gepolt wird, beim Beginn des negativen Teils des Zündsignals, wird der Basis-Emitter-Steuerstrom vom Transistor abgeleitet und somit dieses Bauteil abgeschaltet. Wenn Transistor 40 nicht leitend ist, wird dem Transistor 41 ein Basis-Emitter-Steuerstrom vom positiven Anschluß der Batterie 10 über die Ver-

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bindungsleitung 24, die geschlossenen Kontakte des Schalters 20, die Leitung 23, die Widerstände 52 und 53» die Basis-Emit ter-Elek tr öden von Transistor 41, den Widerstand 46 und den Massepunkt 5 zum negativen Anschluß der Batterie 10 zugeführt. Solange dem Transistor 41 ein Basis-Emitter-Steuerstrom zugeführt wird, leitet dieses Bauteil über seinen Kollektor-Emitter-Kreis und leitet somit den' Basis-Steuerstrom vom Transistor 42 ab; folglich sperrt Transistor 42 und dem Schalttransistor 30 wird deshalb kein Basis-EmitterSteuerstrom mehr zugeführt, daher sperrt auch Schalttransistor 30 und unterbricht somit den Versorgungsstromkreis der Primärwicklung der Zündspule. Als Folge jeder Unterbrechung des Stromzuführungskreises der Primärwicklung der Zündspule wird eine Zündfunkenspannung in die Sekundärwicklung 28 induziert, welche zur nächsten Zündkerze des Motors 12 geleitet wird, die über den beweglichen Kontakt 14 des Verteilers 15 gezündet werden soll.·

Die Anstiegszeit der in der sekundären Wicklung der Zündspule induzierten Zündfunkenspannung E , die im folgenden als "Anstiegszeit" bezeichnet wird, wird durch die Frequenz der in der Sekundärwicklung aufgrund der Unterbrechung des Stromzuführungskreises der Primärwicklung der Zündspule induzierten Zündfunkenspannung E_ bestimmt, je höher die Frequenz, umso kürzer die Anstiegszeit. Die in der Sekundärwicklung induzierte Zündfunkenspannung E steigt im wesentlichen sinusförmig an, folglich ist ihre Frequenz gleich dem Reziprokwert des Produkts von 2 T und der Quadratwurzel des Produkts der sekun-' dären Induktivität L und der sekundären Kapazität 0 , wie

in der nachstehenden Gleichung dargestellt: .

f = — r Hertz - (I)

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Die sekundäre Induktivität L wird durch die Induktivität der Sekundärwicklung der Zündspule und der extrem kleinen Induktivität der Zündkerzen-Zuleitungen, die vernachlässigt werden kann, gebildet. Folglich wird der Induktivitätswert der sekundären Wicklung als die sekundäre Induktivität L betrachtet. Die sekundäre Kapazität C setzt sich zusammen aus den Kapazitäten zwischen, den Spulenwindungen und zwischen den Lagen der Sekundärwicklung der Zündspule, der Kapazität der Zündkerzen-Zuleitungen, der Kapazität der Zündkerzen selbst und anderen Streukapazitäten* Für jedes beliebige Zündsystem ist daher der Wert der sekundären Kapazität 0 im wesentlichen konstant, typisch in der Größenordnung von 90 Picofarad (90 χ 10 ' Farad). Folglich muß die Induktivität L der Sekundärwicklung der Zündspule vermindert werden, um die Frequenz der Zündfunkenspannung, die in der sekundären Wicklung der Zündspule induziert wird, zu erhöhen. Die Zeitdauer des Zünd-Lichtbogens, im weiteren als "Bogendauer" bezeichnet, wird bestimmt durch die in der Primärwicklung der Zündspule gespeicherte Energie Wp, je größer die gespeicherte Energie umso länger die Bogendauer. Die in der Primärwicklung der Zündspule gespeicherte Energie Wp ist gleich dem halben Produkt der Induktivität Lp der Primärwicklung und dem Quadrat des Stroms in der Primärwicklung I , wie in der folgenden Gleichung dargestellt:

W - Joule (II)

P ο

Der Höchstwert des in der Primärwicklung fließenden Stroms I_ wird bestimmt durch die Strombelastbarkeit und die Schaltleistungsfähigkeit der Schaltvorrichtung im Stromzuführungskreis der Primärwicklung. Folglich wird die Induktivität L der Primärwicklung so ausgewählt, daß die gespeicherte Energie W , die erforderlich ist, um eine vorbestimmte Bogendauer bei maximalem Primärwicklungs-Strom I hervorzurufen, zur Ver-

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fügung steht. Die Induktivität L_ der Sekundärwicklung der Zündspule ist gleich dem Produkt der Induktivität L der Primärwicklung der Zündspule und dem Quadrat des Verhältnisses der sekundären Windungszahl zur primären Windungszahl s , das im weiteren als "Windungszahlenverhältnis"

"¹S

bezeichnet wird, wie durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

Aus dieser Gleichung ergibt sich, daß der Wert der Induktivität I/ der Sekundären Wicklung umso niedriger ist, je kleiner das Windungszahlenverhältnis ist und aus Gleichung I ergibt sich, daß■' dementsprechend die Frequenz der in der Sekundärwicklung der Zündspule induzierten Zündfunkenspannung E_n umso höher wird. D.h.', eine zur Verwendung als Teil des Zündsystems gemäß der Erfindung geeignete Zündspule muß eine Primärwicklung mit ausreichendem Induktivitätswert aufweisen, die bei maximalem Stromdurchfluß, wie er durch die Strombelastbarkeit und die Schalt-Leistungsfähigkeit der Schaltißt

anordnung des Stromversorgungskreises bestimmt/genügend Energie W speichert, um die gewünschte Bogendauer hervorzurufen und die ein Windungszahlenverhältnis aufweist, das klein genug ist, um die gewünschte Anstiegszeit zu liefern.

In jedem Zündsystem sind die festen Parameter der maximale Versorgungsstrom der Primärwicklung der Zündspule, wie durch die Strombelastbarkeit und die Schalt-XeistungsfäÜgkeit der Schaltvorrichtung des Stromzuführungskreises der Primärwicklung der Zündspule vorgegeben ist, und die maximale Primärwicklungsspannung E zu dem Zeitpunkt, bei dem der Stromversorgungskreis der Primärwicklung aufgrund der öffnung des Stromkreises durch die Schaltvorrichtung unterbrochen

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wird, wobei die maximale Spannung E an der Primärwicklung durch die maximale Spannung bestimmt wird, die die Schaltvorrichtung des Stromzuführungskreises der Primärwicklung der Zündspule ohne Beschädigung oder Zerstörung ertragen kann. Zum Zweck der Veranschaulichung des stufenweisen Entwurfs einer Zündspule, die zum Gebrauch als Teil des Zündsystems gemäß der Erfindung geeignet ist, wird angenommen, daß die Schaltvorrichtung des Stromzuführungskreises der primären Wicklung der Zündspule der NPN-Transistor 3O ist, daß die maximale Strombelastbarkeit und die Schaltleistungsfähigkeit des Transistors 30 5»5 Ampere beträgt und daß die maximale Spannung, die an die Kollektor-Emitter-Elektroden angelegt werden darf, die maximale Primärwicklungsspannung E zum Zeitpunkt der Unterbrechung des Stromversorgungskreises der Primärwicklung 500 IToIt beträgt. Weiterhin wird angenommen, daß die gewünschte Anstiegszeit der in der Sekundärwicklung induzierten Zündfunkenspannung E von Null bis zur Größe von 30 kV 40 Mikrosekunden sei und daß die Bogendauer 800 Mikrosekunden betrage.

Zum Zeitpunkt der Unterbrechung des Stromzuführungskreises der Primärwicklung 27 der Zündspule ist die in der Sekundärwicklung 28 induzierte Zündfunkenspannung E gleich dem Produkt der Primärwicklungsspannung E und des Windungszahlenverhältnisses, wie durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird:

- ^EP

Da die maximale Primärspannung E , die der Transistor 3O ohne Beschädigung oder Zerstörung ertragen kann, 5OO Volt beträgt und es wünschenswert ist, daß die in der Sekundärwicklung 28 induzierte Zündfunkenspannung E in der Größen-Ordnung von wenigstens 3O Kilovolt liegt, findet man durch Einsetzen eines Wertes von 30 kV für E und 500 Volt für E

509826/0281 ^{S P}

in die Gleichung ,(IV) und Auflösung nach dem Windungszahlen verhältnis s ", daß die Zündspule 25 ein Windungszahlen-

Verhältnis von 60:1 haben muß.

Die Primärwicklung 27 muß einen Induktivitätswert L aufwei-

ir

sen, der bei maximalem Versorgungsstrom der Primärwicklung der Zündspule von 5» 5 Ampere genügend gespeicherte Energie W liefert, um die erförderliche Ionisationsenergie W^ zur Ionisierung der "Funkenstrecke der Zündkerze, an die sie übertragen wird, bereitzustellen und den Zündlichtbogen bzw. Funken auszulösen, sowie die Bogendauer-Energie W. die erforderlieh ist, um den Lichtbogen bzw. Funken für eine Zeitdauer von 800 Mikrosekunden aufrechtzuerhalten und die System-Verlustenergie W-p die erforderlich ist,- um die Energieverluste des Systems auszugleichen. Die Ionisationsenergie W^ und die Bogendauer-Energie W werden jeweils durch die folgenden Gleichungen

bestimmt:	. E w ^a	2 ! .	⁰S	Joule
		2		(Bogendauer)

(V)

Joule (VI)

Hierbei bedeuten:

E^ = Spannung, die zur Ionisation einer Zündkerzen-Funkenstrecke und zur Auslösung des Lichtbogens bzw. Funkens benötigt wird

G = Sekundär-Kapazität

E ss" Spannung, die zur Aufrechterhaltung des Zündbogens benötigt wird ·

I„ = Sekundärstrom in Ampere

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Bei einer praktischen Anwendung des Verbrennungsmotor-Zündsystems gemäß der Erfindung war die Sekundärkapäzität 9'0 Picofarad (90 χ lO""¹² Farad), die zur Ionisation der Zündkerzen-Funkehstrecke und zur Zündung des Zündlichtbogens bzw. Funkens erforderliche Spannung E. war 15 kV, die zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens erforderliche Spannung E betrug 1,2 kV und die Energieverluste W₁ des

€1 χ

Systems betrugen etwa das 0,4-fache der sekundären Wicklungs-Energie W .

Der Sekundärstrom I ist gleich dem Primärstrom I divi-

s P

diert durch das WindungsZahlenverhältnis und multipliziert mit einem Verlistfaktor, der sich zu etwa 0,80 ergab, wie in der folgenden Gleichung ausgedrückt:

τ _ ¹P χ 0,8 Milliampere (VII)

Wenn man in dieser Gleichung einen Wert von 5»5 Ampere für I

N
und einen Wert von 60 für s einsetzt und nach dem Sekundär

strom I auflöst, ergibt sich, daß der Sekundärstrom I in der s s

Größenordnung von 75 Milliampere liegt.

Zur Bestimmung der erforderlichen Ionisationsenergie W^ wird ein Wert von 15 kV für E. und ein Wert von 90 Picofarad für C in die Gleichung V eingesetzt. Wenn man diese Gleichung für die Ionisationsenergie W^ löst, ergibt sich, daß die zur Ionisierung der Zündkerzen-Funkenstrecke und zum Zünden des Zünd-Lichtbogens benötigte Ioniaationsenergie W^ 10,125 Millijoule beträgt.

Zur Bestimmung der erforderlichen Bogendauer-Energie W wird für E ein Wert von 1,2 kV, für I ein Wert von 75 Milliampere

el S

und für (Bogendauer) ein Wert von 800 MikroSekunden in die

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Gleichung VI eingesetzt. Durch Auflösung der Gleichung nach der Bogendauer-Energie W_Q ergibt sich, daß die zur Aufrecht-

Sl

erhaltung des Bogens bzw. Funkens für eine Zeitdauer von Mikrosekunden benötigte Bogendauer-Energie W 36 Millijoule beträgt. Die insgesamt benötigte Sekundärenergie W_ ergibt sich aus der Summe der Ionisationsenergie W.·, der Bogendauer-Energie W und der Verlustenergie W₁, wie durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

W = W. + W + W₁ Millijoule (VIII)

Da die Verlust energie zu etwa 0,4- W^ bestimmt wurde, erhält man durch Einsetzen von 10,125 Millijoule für W., 36 Millijoule für W₀ und 0,4· W für W₁ in die Gleichung VIII und durch Auflösen nach der gesamten Sekundärenergie W , daß die erforderliche Gesamt-Sekundärenergie W 76,875 Millijoule beträgt.

Bei einer praktischen Anwendung des Verbrennungsmotor-Zündsystems gemäß der'Erfindung ergab sich," daß der Energieübertrag von der Primärwicklung 27 zur Sekundärwicklung 28 etwa 70 # betrug. Die zur Speicherung in der Primärwicklung 27 er forderliche Primärenergie W wird demgemäß durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt:

W ^Ws ' Millijoule (IX)

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Wenn man für die Sekundärenergie W einen Wert von 76,875 Millijoule in diese Gleichung einsetzt und nach der Primärwicklungsenergie W auflöst, findet man, daß die erforderliche Primärwicklungs energie W 110 Millijoule beträgt.

Die Induktivität-L der Primärwicklung ist gleich dem Zweifachen der Primärwicklungsenergie W dividiert durch das Quadrat des Versorgungsstroms I der Primärwicklung, wie durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt wird:

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2W_p

, ,., Millihenry (X)

'¹P,

Durch Einsetzen von 110 Millijoule für die Primärwicklungsenergie W und von 5»5 Ampere für den Primärstrom I in die Gleichung X und Auflösung nach der Primärwicklungs-induktivität L findet man, daß die erforderliche Primärinduktivität L zur Erzeugung einer ausreichenden Energie W die bei maximalem Versorgungsstrom von 5t5 Ampere in der Primärwicklung 27 gespeichert wird, um eine Bogendauer von 800 Mikrosekunden zu erzielen 7»27 Millihenry beträgt; dieser Wert kann auf 8 Millihenry aufgerundet werden.

Die Sekundärinduktivität L ist gleich dem Produkt der Primärinduktivität L und dem Quadrat des Windungszahlenverhältnisses, wie durch die folgende Gleichung gegeben:

-p ~ , _w , Henry (XI)

Durch Einsetzen der oben berechneten Primärinduktivität L von Q Millihenry und des Windungszahlenverhältnisses von 60 in die Gleichung XI und durch Auflösen nach der sekundären Induktivität L findet man, daß die Sekundärinduktivität L 28,8 Henry beträgt,
s

Zur Berechnung der Frequenz der Zündfunkenspannung E , die aufgrund der Unterbrechung des Stromversorgungskreises der Primärwicklung in der Zündspulen-Sekundärwicklung 28 induziert wird, wird ein Wert von 28,8 Millihenry für L_g und ein Wert von 90 Picofarad (90 χ 1O~¹² Farad) für C_a in die Gleichung I eingesetzt. Die Losung dieser Gleichung zeigt, daß die Frequenz der in der Sekundärwicklung 28 induzierten Spannung 3120 Hertz beträgt, und folglich die Periodendauer jeder Schwingung ( j ) 320 Mikrosekunden ist. Da

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die in der Sekundärwicklung 28 der Zündspule induzierte Spannung ihren Spitzenwert bei einem Phasenwinkel von 90 jeder Schwingung erreicht, wird die in der Sekundärwicklung 28 induzierte Spannung ihren Spitzenwert nach 80 Mikro-

Sekunden, 320 MikroSekunden erreichen. 4

Die maximal zur Verfügung stehende Spannung E , die an der sekundären Wicklung 28 der Zündspule anliegt, wird durch die nachstehende Gleichung angegeben:

E ² = ^2Ws Kilovolt . (XII)

a r<

Durch Einsetzen des Werts 76,875 für W und von 90 Picofarad (90 χ 1O~¹² Farad) für G in die Gleichung XII und durch Auflösung nach der zur Verfügung stehenden Spannung E^ findet

el

man, daß die verfügbare Spannung oder die Spitzenspannung, die an der Sekundärwicklung 28 anliegen kann, in der Größenordnung von 4-2 kV liegt. Da die in der Sekundärwicklung 28 induzierte Spannung im wesentlichen eine sinusförmige Wellenform aufweist, kann der Wert dieser induzierten Spannung bei Phasenwinkeln von yO , 45 und 60 dadurch berechnet werden, daß die maximal verfügbare Spannung E mit den Sinuswerten von 30 , 4-5 und 60 multipliziert wird. Die so erhaltenen Werte können in einer Kurve, Fig. 2, aufgetragen werden, wobei die X-Achse mit Winkelgraden und MikroSekunden und die Ϊ-Achse mit Kilovolt beziffert sind. Da die induzierte Spannung anfänglieh negativ ist, ist die Kurve der Fig. 2 im zweiten Quadranten aufgetragen. Man kann daraus entnehmen, daß die maximale verfügbare Spannung E in 40 MikroSekunden etwa 30 kV erreicht.

Die tatsächliche Anzahl der Primärwindungen wird durch die magnetischen Eigenschaften des im magnetischen Kern 26 der Zündspule 25,verwendeten Eisens bestimmt. Zum Gebrauch in der vorliegenden Beschreibung ist in Fig. 3 eine typische B-H-Kurve

von magnetischem Eisen, das als Magnetkern einer Zündspule verwendet wird, dargestellt. Es ist wünschenswert, wenn nicht notwendig, im linearen Teil dieser Kurve zu arbeiten, in der eine Flußdichte B von 75 000 Linien pro Quadrat inch (6,4-52 cm ) im linearen Bereich der Kurve liegt, gerade vor dem Knickpunkt oder Knie. Bei einer praktischen Anwendung des Verbrennungsmotor-Zündsystems gemäß der Erfindung hatte der Kern 26 eine Querschnittsfläche von 3,226 cm (0,5 sq.in.). Die Anzahl der primären Windungen ist gleich dem Produkt der primären Induktivität L und dem Versorgungsstrom I der primären Wicklung, dividiert durch di,e Anzahl der Linien pro

Quadrat Inch (6,4-52 cm ), wie durch die nachfolgende Gleichung gegeben:

^Np = ¹¹P * ¹P_- Windungen (XIII)

0 · 1O~⁸

Durch Einsetzen der erforderlichen Primärinduktivität, 8 Henry, des maximalen Primärstroms I., 5»5 Ampere, und der Anzahl von

P τ.

Linien pro Quadrat Inch des KernquerSchnitts, 37»5 x 10' , in die Gleichung XIII und durch Auflösen nach der primären Windungszahl N findet man, daß 118 primäre Windungen erforderlich sind. Da das Verhältnis der sekundären Windungszahl zur primären Windungszahl 60:1 beträgt, sind insgesamt 7080 sekundäre Windungen erforderlich.

Bei allen normalen Betriebsbedingungen liefert diese Zündsystem-Spule eine Anstiegszeit von 40 Mikrosekunden und eine Bogendauer von 800 Mikrosekunden ohne Beschädigung des Schalttransistors 30. Wenn jedoch eine Zündkerzenzuleitung bricht oder sich löst, oder wenn sich die Verbindung 55 zwischen der sekundären Wicklung 28 der Zündspule und dem -beweglichen Kontakt 14· des Verteilers 15 löst oder den Stromkreis öffnet, wird die in die Primärwicklung der Zündspule übertragene Spannung durch die folgende Gleichung angegeben:

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s

E = / N„ \ Volt (XIV)

Durch Einsetzen eines Werts von 42 kV für E und von 60 für

rzß- in die Gleichung XIV findet-man, daß die Priinärspannung E_

P · ' ^P

700 Volt betragen würde, wodurch der Transistor 3° beschädigt oder zerstört würde. Um zu verhindern, daß die auf die Primärwicklung reflektierte Spannung einen Wert erreicht, der den Transistor 3O beschädigen öder zerstören würde, wird ein Metalloxid-Varistor 60 mit einer Durchbruchsspannung von 5°0 Volt, der Spannung, von der ursprünglich angenommen wurde, daß sie der Transistor 3O ertragen kann, als Nebenschluß zu den stromführenden Teilen der Schaltvorrichtung für den Versorgungsstrom der Primärwicklung der Zündspule, dem Transistor 30 gelegt. Der Metalloxid-Varistor ist ein handelsübliches Bauteil, das von der General Electric Company vertrieben wird. Durch dieses Bauteil ist die maximale Spannung, die an der Schaltvorrichtung des Versorgungsstromkreises der Primärwicklung der Zündspule auftreten kann, gleich der Durchbruchsspannung des verwendeten Metalloxid-Varistors, in diesem Falle 500 Volt. Somit dient der Metalloxid-Varistor 60 als Schutzvorrichtung, die eine Beschädigung oder Zerstörung des Schalttransistors 30 bei ungewöhnlichen, Betriebsbedingungen, wie einem elektrisch offenen Stromkreis der Sekundärwicklung 28 der Zündspule verhindert.

Für Zwecke der Veranschaulichung des neuartigen Verbrennungsmotor-Zündsystems gemäß der Erfindung wurde in dieser Beschreibung angenommen, daß ein Verbrennungsmotor-Zündsystem eine !lichtbogen- bzw. Funkendauer von 800 MikroSekunden hat und daß eine Zündfunkenspannungs-Anstiegszeit von 40 Mikrosekunden von Null auf 30 kV erforderlich ist. Dabei können natürlich insbesondere auch eine andere Lichtbogendauer und

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Anstiegszeit-Werte gewählt werden, v/ie gewünscht oder vorbestimmt durch die Anwendung, ohne vom Erfindungsgedanken abzu-

weichen, ypisch kann die Lichtbogen-Zeitdauer in einem Bereich von 700 bis 1800 Mikrogekunden einschließlich liegen, das Windungszahlenverhältnis kann im Bereich von 4-0:1 bis 60:1 einschließlich liegen und die Anstiegszeit dex in der Sekundärwicklung der Zündspule induzierten Zündfunkenspannung kann im Bereich von 30-45 Mikrosekunden liegen.

Aus der US-PS 3 264 521 ist es bekannt, Zenerdioden-Bauteile zum Schutz eines Schaltelements gegen unzulässige zeitweilige Überspannungsspitzen, die in einem normal arbeitenden Zündsystem auftreten können, zu verwenden. Die Neuartigkeit des Verbrennungsmotor-Zündsystems gemäß der Erfindung ist nicht auf den Metalloxid-Varistor allein gerichtet oder auf irgendein anderes Bauteil mit ähnlichen elektrischen Eigenschaften, zum Überspannungsschutz des Schalttransistors im Stromversorgungskreis der Primärwicklung der Zündspule, sondern ist vielmehr auf die vollständige Zündsystem-Zusammenstellung gerichtet, mit einer Zündspule, die speziell so entworfen ist, daß sie eine Primarwicklungsinduktivität von ausreichendem Wert hat, um eine gewünschte Lichtbogendauer zu schaffen und ein WindungsZahlenverhältnis, das klein genug ist, um eine kurzdauernde oder schnelle Anstiegszeit der Zündfunkenspannung zu ermöglichen, in Verbindung mit einem Bauelement, das die primäre Wicklungs-Spannung begrenzt und dadurch die Beschädigung oder Zerstörung des Schalttransistors des Stromzuführungskreises der primären Wicklung der Zündspule bei der anormalen Bedingung eines offenen Sekundärwicklungskreises der Zündspule verhindert.

- Patentansprüche -

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Claims

Pa tentansprüche

,'Verbrennungsmotor-Zündungssystem, bestehend aus einer GIeichspannungsquelle mit positiven und negativen Anschlüssen, einer Zündspule mit einem magnetischen Kern, mit einer Primärwicklung, die während des Anwachsens des Speisestroms in ihr einen magnetischen Fluß im Kern erzeugt, und mit einer Sekundärwicklung, in der eine Zündfunkenspannung von ausreichender Höhe, um einen Zündlichtbogen bzw. Zündfunken über die Funkenstrecke jeder Zündkerze des Motors auszulösen, induziert wird als Folge der Unterbrechung des Durchflusses von Speisestrom durch die Primärwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (27) einen Induktivitätswert aufweist, der bei einer vorbestimmten Stromstärke des Speisestroms ausreichend gespeicherte Energie liefert, um den Zündlichtbogen bzw. Funken, der an der Zündkerzen-Funkenstrecke ausgelöst ist, während einer vorbestimmten Zeitdauer aufrechtzuerhalten, und daß die Zündspule (25) ein

Windungs'zahlenverhaltnis __s der sekundären zur primären

Wicklung aiifweist, das so gewählt ist, daß eine Zündfunkenspannung mit vorbestimmter schneller Anstiegszeit hervorgerufen wi'd, daß weiterhin die Primärwicklunp; (iac Zündspule einen Stromverfiorgunr-skrei.i aufweist, durch don dor Ver·· üorgungsöbrom von der Gleichnpannungsquelle (lO) durch die Primärwicklung der Zündspule fließt, daß eine -elektrische Schaltvorrichtung (30) stromführende Elemente (52 _t33) aufweist, die in Reihe mit dem Stromzufiihrungskreis der Primärwicklung der Zündspule in einen elektrisch offenen und geschlo as enen Zustand gebracht v/erden können, daß Vorrichtungen (16,17,18,35) so angeordnet sind, daß sie in zeitlicher

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Beziehung mib dem angeschlossenen Verbrennungsmotor (12) die stromführenden Elemente (32, 33) der elektrischen Schaltvorrichtung (30) in einen elektrisch offenen und geschlossenen Zustand bringen können, und daß ein Metalloxid-Varistor (60) im Nebenschluß über die stromführenden Elemente der elektrischen Schaltvorrichtung angeschlossen ist.
2. Verbrennungsmotor-Zündungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrische Schaltvorrichtung ein Transistor (30) ist, dessen Kollektor-Emitter-Elektroden in Reihe mit dem Stromzuführungskreis der Primärwicklung der Zündspule verbunden sind.
3. Verbrennungsmotor-Zündungssystem nach einem der Ansprüche 1

' oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Zündlichtbogen bzw. Zündfunke an jeder Zündkerze während eines Zeitraums im Bereich von 700-1800 MikroSekunden einschließlich aufrechterhalten wird, und die Zündspule ein Windungszahlenverhältnis sekundär.zu primär im Bereich von 40;1 bis 60:1 einschließlich aufweist, um eine Zündfunkenspannung mit einer nchnellen Anstiegszeit im Bereich von 30 bis 4-5 Mikrosekunden zu schaffen.

4·. Verbrennungsmo tor-'jiindungasystem nach .Anspruch 0, dadurch geken η zeichne t , daß der Zündlichtbogen baw. Zündfunke an joder Zündkor se während einer 'iai I; spanne in. der Größenordnung von 800 iiikro.'jokundon aufrechterhalten wird, und daß die ZündüpuLe ein WindungszahLenverhälbnis sekundär zu primär von 60: ] aufweist, u:n eine Zündfunkenspannung mit -schneller Anstiegszeit "in der Größenordnung von 40 MikroSekunden zu schaffen.

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