DE2833474C2 - - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Zündanlage nach der Gattung des Hauptanspruchs. Eine solche Zündanlage ist beispielsweise aus der DE-OS 24 06 018 und der DE-OS 25 31 337 bekannt.

Bei der DE-OS 24 06 018 handelt es sich um eine Zündanlage mit zur Primärwicklung der Zündspule in Reihe liegenden Verbindungsschaltern (Transistoren) und einem Meßwiderstand. Der erste Transistor wird mit vom Motor angetriebenen Mitteln ein- und ausgeschaltet, wobei bei eingeschaltetem ersten Transistor Energie in der Zündspule ge­ speichert und beim Ausschalten ein Funke erzeugt wird (Schließzeit). Der zweite Transistor ist eingeschaltet und wird bei Erreichen eines vorgegebenen Stromwertes für eine durch eine monostabile Schaltung vorgegebene Zeit unterbrochen, was zur Folge hat, daß der Stromfluß in der Primärwicklung im wesentlichen konstant gehalten wird. Der Vorteil einer so arbeitenden Stromregelung für die Primärwicklung besteht darin, daß die Verlustleistung in der Primärwicklung relativ klein gehalten wird, da nur so viel Energie gespeichert wird, wie zur Erzeugung des Zündfunken benötigt wird.

Bei der DE-OS 25 31 337 wird der Wicklungsbereich der Primärwicklung der Zündspule in zwei Bereiche aufgeteilt, so daß während der Spei­ cherung der für einen Zündvorgang bestimmten Zündenergie nur in einem Wicklungsteilbereich Strom aus der Gleichstromquelle fließt und daß an einem zweiten größeren Wicklungsteilbereich der Primär­ wicklung ein Nebenschlußzweig liegt, über den der am Ende eines Zeitabschnittes durch die Primärwicklung erzeugte Induktionsstrom geführt ist. Bei dieser Ausführung sind die beiden Wicklungsbereiche (Haupt- und Nebenschlußzweig) im Gegentakt stromführend, wobei es darum geht, in der Primärwicklung nur soviel Energie zu speichern, wie für den Zündfunken benötigt wird, um die Verlustleistung gering zu halten, da nach dem Erreichen des vorgegebenen Spulenstroms der Hauptstromkreis nur noch jeweils kurzzeitig geschlossen werden muß, um den Energievorrat in der Primärwicklung zu ergänzen, wobei man die Verluste im Haltekreis möglichst klein hält.

In den beschriebenen Zündanlagen wird zwar der Strom begrenzt, je­ doch sind durch die Schaltvorgänge die Verlustleistungen im Zünd­ schaltgerät insbesondere bei mittleren Drehzahlen um so größer, je häufiger je Zündzyklus die Verbindungsschalter umgesteuert werden.

Aufgabe der Erfindung

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Auf­ gabe zugrunde, bei Zündanlagen mit getakteter Stromregelung im Primärkreis die auftretende Verlustleistung noch weiter zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zündanlage bietet den wesentlichen Vor­ teil, daß die Schließzeit bzw. die Offenzeit in der Weise optimal geregelt werden kann, daß die Haltezeit, in der bereits eine ausreichende Energie in der Primärwicklung gespeichert ist, so kurz gehalten werden kann, daß die Verlustleistung gegen­ über bekannten Zündanlagen noch weiter verringert wird, während gleichzeitig die Möglichkeit besteht, die Regelung der Schließ­ zeit so zu gestalten, daß trotz der verkürzten Haltezeit auch während einer Beschleunigungsphase der Brennkraftmaschine im Zündzeitpunkt jeweils die volle Zündenergie zur Verfügung steht.

Weiterhin lassen sich in Ausgestaltung der Erfindung folgende Vorteile erzielen:

• - Kompensation von Schwankungen der Batteriespannung durch entsprechende Änderung des Schließwinkels,
• - konstante Energiespeicherung in der Zündspule über einen breiten Drehzahlbereich,
• - eine von der Drehzahl unabhängige konstante Sekundär­ spannung, ohne die bei getakteter Stromregelung im Primärkreis üblichen Streuungen im Toleranzbereich zwischen dem zulässigen Maximalwert und dem zulässigen Minimalwert der induzierten Sekundärspannung.

Zeichnung

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nach­ stehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen. Es zeigt

Fig. 1 ein Teilschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Zündanlage gemäß der Erfindung;

Fig. 2a und 2b schematische Diagramme des zeitlichen Verlaufs des Primärstroms über einer Zündspule bei einer bekann­ ten Zündanlage (Fig. 2a) und bei einer Zündanlage gemäß der Erfindung (Fig. 2b);

Fig. 3 ein schematisches Diagramm des Verlaufs des Schließ­ winkels einer Zündanlage gemäß Fig. 1.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Die in Fig. 1 der Zeichnung (teilweise) gezeigte Zündanlage gemäß der Erfindung wird an einem Anschluß 10 in üblicher Weise mit der positiven Batteriespannung +U _B versorgt und besitzt einen zweiten Anschluß 12, der auf Bezugspotential liegt und üblicherweise mit dem negativen Pol der Starter­ batterie eines Kraftfahrzeugs verbunden ist. Zwischen den An­ schlüssen 10 und 12 liegen in Serie ein Widerstand 14, eine Diode 16, ein weiterer Widerstand 18, eine weitere Diode 20 und ein Geber 22, der der Einfachheit halber als Wechselspannungs­ quelle dargestellt ist. Bei dem Geber 22 kann es sich beispiels­ weise um einen induktiven Geber handeln, wobei in der Praxis eine Wicklung dieses Gebers, in der eine induzierte Spannung erzeugt wird, einfach zwischen der Kathode der Diode 20 und Bezugspotential liegt. Die beiden Dioden 16, 20 der betrachte­ ten Serienschaltung zwischen den Anschlüssen 10 und 12 sind für die Batteriespannung +U _B in Durchlaßrichtung gepolt. Ein ge­ meinsamer Verbindungspunkt der Diode 16 mit dem Widerstand 18 ist mit der Basis eines ersten Transistors T 1 verbunden, welche gleichzeitig über eine für die Batteriespannung +U _B in Sperr­ richtung gepolte Diode 26 und einen parallel dazu geschalteten Kondensator 28 mit Bezugspotential verbunden ist. Der Kollektor des ersten Transistors T 1 ist über einen Widerstand 32 mit dem Anschluss 10 bzw. mit Batteriespannung +U _B verbunden und außer­ dem mit der Basis eines zweiten Transistors T 2, dessen Kollektor über einen Widerstand 34 ebenfalls mit dem Anschluß 10 ver­ bunden ist und dessen Emitter mit dem Emitter des ersten Tran­ sistors T 1 und über einen gemeinsamen Emitterwiderstand 30 beider Transistoren T 1, T 2 mit Bezugspotential verbunden ist. Die vorstehend beschriebenen Schaltelemente der Zündanlage gemäß Fig. 1 bilden in üblicher Weise eine gebergesteuerte Eingangsstufe in Form eines Schmitt-Triggers, dessen Ausgang 36 durch den Kollektor des zweiten Transistors T 2 gebildet ist.

Der Ausgang 36 des Schmitt-Triggers ist über einen Kondensator 38 mit dem Kollektor eines dritten Transistors T 3 verbunden. Parallel zu dem Kondensator 38 liegt die Serienschaltung einer weiteren Diode 40 und eines Kondensators 42, wobei die Kathode der Diode 40 dem Ausgang 36 zugewandt ist und wobei der Kon­ densator 42 in der Praxis vorzugsweise als Elektrolyt-Kondensa­ tor ausgebildet ist. Der gemeinsame Verbindungspunkt 44 der Diode 40 und des Kondensators 42 ist ferner über einen Wider­ stand 46 mit dem Anschluß 10 verbunden. Der Emitter des dritten Transistors T 3 ist über einen Widerstand 48 ebenfalls mit dem Anschluß 10, d. h. mit der positiven Batteriespannung +U _B verbunden, während sein Kollektor, welcher, wie bereits beschrieben, mit den Kondensatoren 38 und 42 verbunden ist, außerdem über einen weiteren Kondensator 50 mit Bezugspoten­ tial und ferner direkt mit der Basis eines vierten Transistors T 4 verbunden ist. Der Emitter des vierten Transistors T 4 liegt direkt an Bezugspotential, während sein Kollektor einerseits über einen Widerstand 52 mit der Basis des dritten Transistors T 3 verbunden ist und andererseits über die Serienschaltung zweier Widerstände 54 und 56 mit der Batteriespannung +U _B. Der gemeinsame Verbindungspunkt 58 der beiden Kollektorwider­ stände 54, 56 des vierten Transistors T 4 bildet den Steueraus­ gang des betrachteten Teils der erfindungsgemäßen Zündanlage, über den die Endstufe der Zündanlage, welche als elektronischen Unterbrecher beispielsweise eine Darlington-Transistorschaltung aufweisen kann.

Der Signalpegel am Steuerausgang 58 steuert also einen elektro­ nischen Unterbrecher bzw. einen Verbindungsschalter in der nicht dargestellten Endstufe der erfindungsgemäßen Zündanlage, wobei in Reihe zu dem Unterbrecher einerseits die Primärwicklung der Zündspule und andererseits ein Überwachungs- bzw. Meß­ widerstand liegt, der beim erstmaligen Erreichen eines vorge­ gebenen Primärstroms durch die Primärwicklung der Zündspule aufgrund des dann an ihm auftretenden Spannungsabfalls bei­ spielsweise über einen Transistorschalter den elektronischen Unterbrecher öffnet, d. h. in den nicht-leitenden Zustand bringt und den Hilfsschalter, bei dem es sich häufig um einen Thyri­ stor handelt, in den leitenden Zustand steuert, so daß nunmehr für die Dauer einer Haltezeit ein Strom über den Nebenschluß­ zweig fließen kann. Dabei wird die Dauer, für die die vor­ stehend genannten Betriebszustände aufrechterhalten werden, durch eine monostabile Kippschaltung M bestimmt, die beim Um­ schalten von Haupt- und Hilfsschalter in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Spannung über dem Meßwiderstand gesetzt wird und dann nach Ablauf ihrer Kippzeit ein Signal erzeugt, wodurch die beiden Schalter erneut umgeschaltet werden, so daß der ursprüngliche Zustand wieder hergestellt ist und der beschrie­ bene Zyklus erneut abläuft, bis schließlich im Zündzeitpunkt zu Beginn der Offenzeit sowohl der Verbindungsschalter als auch der Hilfsschalter gesperrt werden.

Die monostabile Kippschaltung M ist in dem Teilschaltbild ge­ mäß Fig. 1 rechts außen dargestellt und besitzt einen Steuer­ eingang 60, über den sie beim erstmaligen Umschalten von Ver­ bindungsschalter und Hilfsschalter (nicht dargestellt) gesetzt werden kann, sowie einen Ausgang 62, der einerseits dem erneu­ ten Umschalten von Verbindungsschalter und Hilfsschalter dient und andererseits mit der Serienschaltung zweier Widerstände 64, 66 verbunden ist, deren dem Ausgang 62 abgewandter Anschluß auf Bezugspotential liegt und deren gemeinsamer Verbindungs­ punkt 68 mit der Basis eines siebten Transistors T 7 verbunden ist. Der Emitter des siebten Transistors T 7 liegt ebenfalls auf Bezugspotential, während sein Kollektor über einen Spannungs­ teiler aus zwei Widerständen 68, 70 mit Batteriespannung +U _B Verbunden ist. Der gemeinsame Verbindungspunkt 72 der Wider­ stände 68 und 70 ist mit der Basis eines sechsten Transistors T 6 verbunden, der ebenso wie der dritte Transistor T 3 ein pnp-Transistor ist, während alle übrigen Transistoren T 1, T 2, T 4, T 5 und T 7 als npn-Transistoren ausgebildet sind. Der Emitter des sechsten Transistors T 6 liegt an Batteriespannung +U _B, während sein Kollektor einerseits über einen Widerstand 74 und andererseits über die Serienschaltung eines Widerstandes 76 und eines Kondensators 78 an Bezugspotential liegt. Der gemein­ same Verbindungspunkt 80 des Widerstands 76 mit dem Kondensa­ tor 78 ist dabei mit der Basis eines fünften Transistors T 5 verbunden, dessen Kollektor direkt an Batteriespannung +U _B und dessen Emitter über einen Widerstand 82 an Bezugspotential liegt und außerdem über einen Widerstand 84 an der Basis des dritten Transistors T 3, welche zusätzlich über einen Wider­ stand 86 mit Bezugspotential und über die Serienschaltung eines Widerstandes 88 und einer Diode 90 mit Batteriespannung +U _B verbunden ist.

Die in Fig. 1 der Zeichnung teilweise dargestellte Zündanlage arbeitet wie folgt:

Es sei zunächst angenommen, daß bei dem eingangsseitigen Schmitt-Trigger der Zündanlage der erste Transistor T 1 leitend und der zweite Transistor T 2 gesperrt sei. Während dieser Zeit werden die dem Kollektor 36 des zweiten Transistors T 2 des Schmitt-Triggers zugewandten Beläge der Kondensatoren 38 und 40 auf ein positives Potential bzw. auf Batteriespannung +U _B aufgeladen. Ferner befindet sich der dritte Transistor T 3 im leitenden Zustand und liefert somit für den vierten Transistor T 4 einen Basisstrom, durch den auch dieser Transistor im lei­ tenden Zustand gehalten wird.

Wenn dann der erste Transistor T 1 des eingangsseitigen Schmitt- Triggers durch die Ausgangsspannung des Gebers 22 im Verlauf einer positiven Halbwelle der Geberausgangsspannung gesperrt wird, dann wird hierdurch der zweite Transistor T 2 leitend gesteuert, wodurch das Potential an den seinem Kollektor 36 zugewandten Belägen der Kondensatoren 38, 42 abgesehen von dem relativ kleinen Spannungsabfall über dem gemeinsamen Emitter­ widerstand 30 der Transistoren T 1, T 2 etwa auf Bezugspotential abgesenkt wird. Aufgrund der Potentialänderung an den zuvor positiv aufgeladenen Belägen der Kondensatoren 38 und 42 ergibt sich nunmehr an deren anderen Belägen ein negatives Potential, durch welches der vierte Transistor T 4 gesperrt wird. Bei der Sperrung des vierten Transistors T 4 wird aber der Stromfluß über dessen Kollektorspannungsteiler 54, 56 unterbrochen, so daß sich am Steuerausgang 58 ein positiver Spannungssprung ergibt, der zur Folge hat, daß der elektronische Unterbrecher bzw. der Verbindungsschalter in der nicht dargestellten End­ stufe der Zündanlage in den sperrenden Zustand überführt wird. Der positive Spannungssprung am Steuerausgang 58 bestimmt also den Beginn der Offenzeit, welche endet, wenn der vierte Tran­ sistor T 4 wieder in den leitenden Zustand gelangt.

Bei der erfindungsgemäßen Zündanlage ist die Dauer, für welche der vierte Transistor T 4 gesperrt ist, davon abhängig, welche Signale die monostabile Kippschaltung M an ihrem Ausgang 62 erzeugt. Diese Signale werden nämlich dadurch, daß sie den siebten Transistor T 7 über den Spannungsteiler 64, 66 leitend steuern und dadurch, daß der siebte Transistor T 7 über seinen Kollektor und den Spannungsteiler 68, 70 dann den sechsten Transistor T 6 leitend steuert, auf dem Kondensator 78 im Basis­ zweig 76, 78 des fünften Transistors T 5 integriert, und zwar in der Weise, daß sich der Kondensator 78 bei jedem Ausgangs­ impuls der monostabilen Kippschaltung M, d. h. bei jedem Durch­ schalten der Transistoren T 6 und T 7 auflädt und sich dann während der Impulspausen über die Widerstände 76 und 74 ent­ lädt. Das Potential an dem mit dem fünften Transistor T 5 bzw. dem Schaltungspunkt 80 anliegenden Belag des Kondensators 78 liegt im wesentlichen auch an dem Emitter des als Emitterfolge geschalteten fünften Transistors T 5 und bestimmt damit die Höhe des Stroms über den Widerstand 88, die Diode 90 und den Widerstand 84 sowie das Potential an der Basis des dritten Transistors T 3. Die Höhe des über den dritten Transistor T 3 fließenden Stroms ist somit vom Potential an dem Integrator- Kondensator 78 abhängig. Andererseits bestimmt die Stromstärke über die Kollektor-Emitter-Strecke des dritten Transistors T 3 die Zeit, welche erforderlich ist, um die Kondensatoren 38, 42 und 50 soweit aufzuladen, daß der vierte Transistor T 4 wieder in den leitenden Zustand gelangen kann. Bei der in Fig. 1 ge­ zeigten Zündanlage gemäß der Erfindung wird also letztlich die Offenzeit in Abhängigkeit von den Ausgangsimpulsen der monostabilen Kippschaltung M und damit in Abhängigkeit von der Haltezeit bestimmt. Dabei sind zwei Extremfälle möglich:

Wenn der Zündzeitpunkt bereits in die Phase des erstmaligen Stromanstiegs in der Primärwicklung fällt, dann entsteht über dem Kondensator 78 überhaupt keine Regelspannung, so daß in diesem Fall der dritte Transistor T 3 eine Konstantstromquelle bildet, deren Stromstärke allein durch die Serienschaltung des Widerstandes 88, der Diode 90, des Widerstandes 84 und des Widerstandes 82 sowie des Widerstandes 86 bestimmt wird. Die Dimensionierung der Kon­ stantstromquelle ist dabei so getroffen, daß sich für die Zündanlage der maximale Schließwinkel ergibt.

Der minimale Schließwinkel der Zündanlage gemäß Fig. 1 be­ stimmt sich dagegen aufgrund der Dimensionierung des Schmitt- Triggers mit den Transistoren T 1 und T 2 in Verbindung mit der Kurvenform, der von dem Geber 22, insbesondere einem induktiven Geber, erzeugten Wechselspannung sowie den eingestellten Schalt­ pegeln des Schmitt-Triggers und ist gleich dem sogenannten Steuertastverhältnis.

Im Betrieb stellt sich die Offenzeit bzw. die Schließzeit je nach vorgegebener Haltezeit auf einen Optimalwert zwischen diesen beiden Grenzwerten ein. Auf diese Weise erreicht man, daß unnötig lange Haltezeiten, welche unerwünschte Energie­ verluste mit sich bringen, vermieden werden, während anderer­ seits die Haltezeit bei entsprechender Auslegung der Regelung so bemessen werden kann, daß für eine Beschleunigungsphase der mit der Zündanlage ausgerüsteten Brennkraftmaschine eine ausreichende Schließzeitreserve zur Verfügung steht.

Die vorstehend beschriebenen Zusammenhänge werden besonders aus Fig. 2 deutlich, wo die Teilfigur a den zeitlichen Verlauf des Spulenstroms I _SP bei fehlender Schließzeitregelung zeigt, während die Teilfigur b den Verlauf des Spulenstroms I _SP, d. h. des zeitlichen Verlaufs des Stroms über die Primärwicklung der Zündspule für eine erfindungsgemäße Zündanlage darstellt. Man sieht, daß bei der erfindungsgemäßen Zündanlage (Fig. 2b) die Offenzeit t _off, d. h. die Zeit zwischen dem Ende der Schließ­ zeit t _aus und dem Beginn der nächsten Schliesszeit t _ein be­ trächtlich verlängert ist, was entsprechend kleinere Verluste mit sich bringt.

Bei der Zündanlage gemäß Fig. 1 ergibt sich der aus Fig. 3 ersichtliche Verlauf des relativen Schließwinkels über der Drehzahl η der mit der Zündanlage ausgerüsteten Brennkraftma­ schine. Der Kurvenverlauf für den erfindungsgemäß geregelten relativen Schließwinkel α _s ist dabei in Fig. 3 als Kurve a eingezeichnet. Man erkennt, daß diese Kurve a zwischen der ge­ strichelt eingezeichneten Kurve b für einen relativen Schließ­ winkel entsprechend dem Steuertastverhältnis und einer Kurve c für eine Zündanlage ohne Schließwinkelregelung liegt.

Ausgehend von der Zündanlage gemäß Fig. 1 läßt sich eine für den gesamten Drehzahlbereich drehzahlproportionale Haltezeit dadurch erreichen, daß man den sechsten Transistor T 6 als Konstantstromquelle schaltet und die Widerstände 74, 76, welche der Entladung des Kondensators 78 dienen, ebenfalls durch eine Konstantstromquelle ersetzt.

Eine konstante Haltezeit läßt sich dagegen dadurch erzielen, daß man eine der Entladung des Kondensators 78 dienende Kon­ stantstromquelle unabhängig von der Drehzahl stets nur für ein vorgegebenes konstantes Zeitintervall einschaltet. Bei dieser Ausgestaltung einer Zündanlage gemäß der Erfindung regelt sich dann das Verhältnis von Aufladezeit zu Entladezeit bezogen auf die Drehzahl auf einen konstanten Wert.

Eine weitere Linearisierung und Verbesserung des Regelfaktors läßt sich bei einer Zündanlage gemäß der Erfindung ferner dadurch erreichen, daß man die für die Erfassung der Halte­ zeit erforderliche Integrationsvorrichtung unter Verwendung eines Operationsverstärkers aufbaut und gegebenenfalls gleich­ zeitig die bei der Zündanlage gemäß Fig. 1 mit Hilfe des dritten Transistors T 3 aufgebaute Konstantstromquelle durch eine noch genauere Konstantstromquelle mit einem Operations­ verstärker ersetzt. Bei dieser Ausgestaltung der Zündanlage ließe sich dann erreichen, daß die konstante Haltezeit und damit die konstante Spulenenergie sowohl von der Drehzahl der Brennkraftmaschine als auch von Schwankungen der Batterie­ spannung völlig unabhängig wird.

Claims (4)

1. Zündanlage für eine Brennkraftmaschine mit einer Zündspule, die zwecks Speicherung von Zündenergie an ihrer Primärwicklung über einen mit der Primärwicklung in Reihe liegenden Unterbrecherschalter von einem dem erstmaligen Einschalten des Stroms für die Primärwick­ lung entsprechenden Schließzeitbeginn bis zu einem dem Zündpunkt entsprechenden Schließzeitende mit elektrischer Energie versorgbar ist, und bei der die Energiezufuhr zur Primärwicklung während der Schließzeit abwechselnd freigegeben und unterbrochen wird, indem die Stromzufuhr zur Primärwicklung jedesmal für eine mittels einer Zeit­ stufe vorgebbare Zeit unterbrochen wird, sobald der über den Unter­ brecherschalter fließende Strom durch die Primärwicklung einen mit Hilfe einer Strommeßvorrichtung ermittelten vorbestimmten Wert er­ reicht hat und am Ende der vorgebbaren Zeit wieder freigegeben wird und wobei ein bei Erreichen des vorbestimmten Wertes des über den Unterbrecherschalter fließenden Primärwicklungsstroms bzw. am Ende der vorgebbaren Zeit jeweils umsteuernder Hilfsschalter bewirkt, daß während der vorgebbaren Zeit der Strom in der Primärwicklung der Zündspule über einen zur Primärwicklung parallelgeschalteten Neben­ schlußzweig aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Gesamtdauer der vorgebbaren Zeiten während min­ destens eines vorausgegangenen Zündzyklus die zum Zündzeitpunkt be­ ginnende und mit dem erstmaligen Einschalten des Stroms für die Pri­ märwicklung endende Offenzeit (t _off) des Unterbrecherschalters mittels einer Regeleinrichtung (64 bis 88) festgelegt wird.

2. Zündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Regeleinrichtung (64 bis 88) eine Integrationsvorrichtung (64 bis 78, T 6, T 7) zum Integrieren der vorgebbaren Zeiten vorgesehen ist.

3. Zündanlage nach einem der vorhergehnden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Zeitglied (M) eine monostabile Kippschaltung vorgesehen ist.

4. Zündanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationsvorrichtung (64 bis 78, T 6, T 7) einen Operationsverstärker aufweist.