DE4313901A1 - Verfahren zur Funkenbildungsimpulsaufstellung und Zündanlage zum Ausführen des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 5.

Bei Zündanlagen mit einem konventionellen Verfahren der Funkenbildungsimpulsaufstellung und mit induktiver Zündenergiespeicherung werden relativ langzeitige (ca. 1,5 ms) zeitlich trivial aufgestellte (immer je ein Impuls in jedem Zündzeitpunkt) einzelne Funkenbildungs­ impulse benutzt, die eine sichere Zündung bis zur Motordrehzahluntergrenze gewährleisten. Dafür sind aber ein großer Stromverbrauch und eine hohe Reaktanz des Zündenergiespei­ chers erforderlich. Die Folgen davon sind: Zündanlagenüberhitzung, Elektrodenabbrand, Rußbildung, Nebenschlußempfindlichkeit sowie langsame Brennverfahrensentwicklung mit unvollständiger Kraftstoffverbrennung wegen der langsam ansteigenden Impuls- bzw. Funkenfronten. Bei Zündanlagen mit gleichem Impulsaufstellungsverfahren, aber mit kapa­ zitiver Zündenergiespeicherung ist dagegen eine zehnfache Front- sowie Impulsdauer­ verkürzung typisch, und daher fehlen o. g. Nachteile, aber der Anwendungsbereich ist auf schnelldrehende Motoren beschränkt, weil so eine Funkendauer bei niedriger Motordrehzahl für eine sichere Zündung zu kurz ist (Autoelektrik, Autoelektronik am Ottomotor/Bosch - Düsseldorf: VDI-Verlag, 1987, s. 130). Eine Verbesserung ist durch das Multi-Flash-System, d. h. Mehrfachfunkenzündung, erreichbar (H. de Boer. Das Auto und seine Elektrik - Stutt­ gart: Motorbuch-Verlag, 1990, s. 304 sowie DE 37 32 090). Jedoch außerhalb des Nieder­ drehzahlbereichs ist dieses Impulsaufstellungsverfahren überflüssig, ist auch mit großem Stromverbrauch sowie Elektrodenabbrand verbunden und kann zu einer minderwertigen Funkenbildung wegen unvollständiger Wiederaufladung des Zündenergiespeichers führen.

Das neue Verfahren und die Anlage sollen es ermöglichen, den Anwendungsbereich der kurzzeitigen Funken in den niedrigen Motordrehzahlbereich hinein zu erweitern (z. B. bei Personenwagen anzuwenden) sowie die Funkendauer noch weiter vorteilhaft zu verkürzen und dabei nicht nur die genannte Nachteile von Anlagen mit konventionellen Aufstellungs­ verfahren der Funkenbildungsimpulse zu beseitigen und Vorteile beizubehalten, sondern auch Produktions- und Materialaufwendigkeit zu reduzieren, da weder eine Zündspule (nur Mini-Ferrittransformator) noch ein großer Kühlkörper mehr dazu notwendig wäre.

Der Schritt 1.1 nach Patentanspruch 1 sorgt für eine sichere Zündung im Niederdrehzahl­ bereich durch Paketimpulsaufstellung (Mehrfachfunkenzündung). Der Zwischenschritt 1.1.1 schließt dabei die unvollständige Wiederaufladung des Zündenergiespeichers während des gegebenen Paketfunkenbetriebsartes aus. Der Zwischenschritt 1.1.2 stellt automatisch im­ mer die größte Impulsfolgefrequenz innerhalb des Paketes sicher, die vorbehaltlich der Vollwiederaufladung noch möglich ist. Somit ergibt sich eine hohe Zündintensität im Niederdrehzahlbereich, wo Entflammenzuverlässigkeit besonders aktuell ist (s. die Erläu­ terung weiter unten).

Der Schritt 1.2 nach Patentanspruch 1 stellt das Überschreiten eines Drehzahlvorgabe- Wertes fest, unter dem eine sichere Zündung von konventioneller Einzelfunkenbildungs­ impulsaufstellung bereits nicht mehr gewährleistet wird. Es ist sinnvoll, diesen Wert im Bereich zwischen Starthöchstdrehzahl und Leerlaufmindestdrehzahl zu wählen, da meistens eben der untenliegende Drehzahlbereich bei kurzzeitigen Funken kritisch ist.

In dem über dem Vorgabewert liegenden Drehzahlbereich ist die Paketfunkenbetriebsart nicht mehr notwendig; sie wird durch den Schritt 1.3 abgesetzt (Zwischenschritt 1.3.1) und gegen die Einzelimpulsbetriebsart, d. h. gegen die konventionelle Funkenbildungsimpulsauf­ stellung, ausgetauscht (Zwischenschritt 1.3.2). Dadurch verringert sich wesentlich der Stromverbrauch und Elektrodenabbrand außerhalb des Niederdrehzahlbereichs. Darüber hinaus wird es jetzt möglich, die Funkendauer noch weiter zu verkürzen, weil sie allein durch Zündversorgungsschwierigkeiten im Niederdrehzahlbereich nicht mehr beschränkt ist (jenem Drehzahlbereich steht die Paketfunkenbetriebsart mit deren Mehrfachnachzünden zur Verfügung). Sowohl der Stromverbrauch einer Zündanlage als auch die Zeitkonstante eines Zündtransformators lassen sich nunmehr so weit reduzieren, daß man die Zündanlage ohne einen speziellen Kühlkörper ausführen kann und der Zündtransformator viel kompakter, z. B. auf Basis eines Ferritkernes, zu gestalten ist.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist im Patentanspruch 2 angegeben. Es ist dabei zweck­ mäßig, eine Verminderung der Speicherladezeitkonstante mittels Verminderung der Ladeein­ richtungsleistung vorzunehmen. So ein Arbeitsgang ermöglicht es, sowohl eine für die sichere Zündung nötige Anzahl Impulse innerhalb des Paketes bei der Paketimpulsaufstel­ lung unterzubringen (durch Leistungssteigerung) als auch den Stromverbrauch bei der Einzelimpulsaufstellung spürbar zu reduzieren, da ein nötiger Abstand zwischen Nachbar­ impulsen sowie eine zulässige Ladezeitkonstante im letzten Fall viel größer sind. Dies er­ möglicht seinerseits den Langzeitmittelwert der Ladeeinrichtungs- bzw. Zündanlagenleistung beachtlich zu vermindern, da die Paketimpulsaufstellung mit deren Leistungssteigerung meistens nur beim Start des Motors notwendig ist, wie es sich aus den o. a. Erläuterungen ergibt.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens ist durch Merkmale nach Patentanspruch 3 erreichbar. Eine Verlängerung der Paketdauer wirkt sich bei Senkung der Motordrehzahl vorteilhaft auf die Entflammzuverlässigkeit aus, weil bekanntlich (Autoelektrik . . . , s. 102) ein mageres inhomogenes Kraftstoffgemisch sowie ein hoher Restgasanteil, die bei nied­ rigen Drehzahlen typisch sind, eine immer steigende Zündenergie und Funkendauer brau­ chen. Dies gilt gerade im Niederdrehzahlbereich, wo eben die Paketimpulsaufstellung Ver­ wendung findet.

Noch eine Ausgestaltung des Verfahrens weist der Patentanspruch 4 auf. Die Funken­ bildungsimpulsaufstellung nach Anspruch 1 ermöglicht es, wie es oben erläutert worden ist, die Funkendauer bedeutend zu verkürzen, und zwar vielfach gegenüber den konventionellen Aufstellungsverfahren. Man kann dabei die Ansteigzeit der Funkenspannung (Frontdauer) problemlos, z. B. durch Verminderung der Zündenergiespeicherkapazität oder der Zündtrans­ formatorinduktivität, verkürzen, ohne den Ladestrom zu steigern. So eine steil ansteigende Funkenspannung gewährleistet eine Unempfindlichkeit gegen elektrische Nebenschlüsse (Autoelektrik . . . , s. 131) sowie eine schnelle Entwicklung des Brennverfahrens mit vollstän­ digerer Kraftstoffverbrennung dank Stoßschwingentflammung. Der Patentanspruch 4 stellt die dafür nötige vorteilhafte Zeitverhältnisse als Verfahrensbedingungen fest.

Eine Zündanlage zum Ausführen des Verfahrens ist im Patentanspruch 5 angegeben und in der Zeichnung durch ein Strukturschaltbild dargestellt.

Der Synchrontaktgeber 1 (das kann z. B. der Unterbrecher oder ein kontaktloser Geber sein) synchronisiert die Anlagearbeit bzw. den Zündvorgang mit vorgegebenen Zündzeit­ punkten im Motorumlauf. Aufgabe des Impulsformers 2 ist die Störunterdrückung, u. a. auch der Kontaktprellenschutz des Synchrontaktgebersignals und, falls notwendig, dessen weitere Vorbereitung (Anpassung).

Der Drehzahldiskriminator 8 überwacht an seinem Eingang die Frequenz des Ausgangssig­ nals des Impulsformers 2 (und dadurch die Motordrehzahl) und erzeugt beim Überschreiten eines Drehzahlvorgabewertes ein stetiges Ausgangssignal. Das stellt die Steuereinrichtung 4 durch den Betriebswahleingang 4.2 in der Paketfunkenbetriebsart ein. Erlöscht das Ausgangssignal des Drehzahldiskriminators 8, wird die Steuereinrichtung in der Einzel­ funkenbetriebsart umgestellt.

Bei der Paketfunkenbetriebsart gibt die Steuereinrichtung 4 deren Ausgangsimpuls jeweils am Zusammentreffen aller drei deren Eingangssignale (4.1, 4.2, 4.3) ab. Die Dauer des Synchroneingangssignals 4.1 bestimmt die Paketdauer am Steuereinrichtungausgang. Die Wiederkehrperiode des Auftasteingangssignals 4.3 bestimmt die Impulswiederkehrperiode innerhalb des Paketes am Steuereinrichtungsausgang. Das Bereitschaftsmeldungsausgangs­ signal 3.1 (das Auftasteingangssignal 4.3) entsteht jedesmal, sobald der Speicherkondensa­ tor 5 am Ladestromausgang 3.8 vollständig aufgeladen ist, und erlöscht jedesmal bei Ent­ ladung des Kondensators. Die Impulswiederkehrperiode innerhalb des Paketes am Ausgang der Steuereinrichtung 4 ist also durch eine Ladezeitkonstante bestimmt.

Bei der Einzelfunkenbetriebsart (das Ausgangssignal des Drehzahldiskriminators 8 am Be­ triebswahleingang 4.2 ist erlöscht) erzeugt die Steuereinrichtung 4 ein einzelnes Kurzzeit­ impuls jeweils zur Ausgangsimpulsfront des Impulsformers 2 ungeachtet des Auftastein­ gangssignals 4.3. Dasselbe gilt auch für den ersten Impuls jedes Paketes bei der Paket­ funkenbetriebsart, da der Ausgang des Impulsformers 2 am Synchroneingang 4.1 fest ge­ koppelt ist.

Die weitere Arbeit der Anlage ist in beiden Betriebsarten identisch. Jeder Ausgangsimpuls der Steuereinrichtung löst den Entladeschalter 7 aus, der den Speicherkondensator 5 durch die Primärwicklung des Zündtransformators 6 entladet, wodurch eine hohe Spannung in der Sekundärwicklung letzteres induziert wird, so daß ein Funke sprüht.

Eine Ausgestaltung der Anlage ist im Patentanspruch 6 angegeben. Dies ist mit dem ent­ sprechenden Patentanspruch 2 des Verfahrens verbunden ebenso wie eine Erläuterung dazu, und verwirklicht sich durch den vom Drehzahldiskriminatorausgangssignal gesteuerten Leistungssteuereingang 3.2 der Ladeeinrichtung 3.

Im Patentanspruch 7 ist eine Ausgestaltung der Ladeeinrichtung 3 angegeben. Der Ausgang des grundliegenden Bausteines, des Spannungsumsetzers 3.3, ist mit dem Ladestromaus­ gang 3.8 der Ladeeinrichtung 3 zusammengetroffen. Durch einen eigenen Leistungssteuer­ eingang ist der Spannungsumsetzer 3.3 mit einer Gegenkopplung durch einen Spannungs­ vergleicher 3.6 und einen Addierwerk 3.7 umfaßt. Infolgedessen bleibt die Ladung des Speicherkondensators 5 bzw. Funkendaten im breiten Bereich der Speisespannung sowie der Motordrehzahl stabil. Abgesehen davon wird der Ausgang des Spannungsvergleichers 3.6 für die Ermittlung der vollständigen Speicherkondensatoraufladung verwendet, d. h. für eine Ausbildung des zuvor erwähnten Bereitschaftsmeldungseinganges 3.1. Ein Sollspannungs­ geber 3.4 gibt einen Spannungsvorgabewert als Ladeabschlußkriterium ab. Ein Solleistungs­ geber 3.5 gibt einen Anfangswert der Leistung des Spannungsumsetzers 3.3 an. Dieser Wert soll bei der Höchstdrehzahl in der Einzelfunkenbetriebsart eine Ladezeitkonstante gewähr­ leisten, die mindestens dreifach kürzer ist, als die Mindestwiederkehrperiode der Impulse bzw. der Funken in dieser Betriebsart, um die vollständige Wiederaufladung des Speicher­ kondensators 5 zwischen Nachbarfunken zu sichern. In der Paketfunkenbetriebsart soll die Leistung der Ladeeinrichtung 3 bzw. des Spannungsumsetzers 3.3 im Vergleich zur Einzelfunkenbetriebsart gesteigert werden, wie es oben erläutert. Der dafür sorgende 2."+"-Eingang des Addierwerks 3.7 bildet den zuvor erwähnten Leistungssteuereingang 3.2 der Ladeeinrichtung 3 aus.

Im Patentanspruch 8 ist eine Ausgestaltung der Steuereinrichtung 4 angegeben. Ein Kurz­ zeitimpulsformer 4.4 spricht jeweils auf der Ausgangsimpulsfront des Impulsformers 2 an (d. h. zu jedem Zündzeitpunkt) und erzeugt jeweils dabei einen kurzzeitigen Impuls zur Aus­ lösung des Entladeschalters 7. Die oben beschriebene Paketfunkenbetriebsart verwirklicht sich durch ein UND-Glied 4.5. Die Ausgänge des Kurzzeitimpulsformers 4.4 und des UND- Gliedes 4.5 sind zum Ausgang der Steuereinrichtung 4 durch ein ODER-Glied 4.6 zusam­ mengeschlossen.

Im Patentanspruch 9 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung des Zündtransformators 6 ange­ geben, die dank bedeutender Impulsdauerverringerung gemäß dem vorliegenden Verfahren ermöglicht worden ist, und die der Transformator viel kompakter und preisgünstiger aus­ führen läßt.

Im Patentanspruch 10 ist eine Ausgestaltung des Drehzahldiskriminators 8 angegeben. Dessen Eingangssignal wird durch einen Frequenzvergleicher 8.2 zum Signal eines Soll­ frequenzgebers 8.1 verglichen. Letzterer gibt einen der Drehzahlvorgabe entsprechenden Sollwert ab. Der Ausgang des Frequenzvergleichers 8.1 bildet den Ausgang des Drehzahl­ diskriminators 8 aus und erzeugt beim Überschreiten des Sollwertes bzw. des Drehzahl­ vorgabewertes ein stetiges Signal.

Claims (10)

1. Verfahren zur Aufstellung von Funkenbildungsimpulsen vorzugsweise bei Verbrennungsmotoren (im weiteren - Motoren) mittels elektronischen Zündanlagen mit einem Zündenergiespeicher, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• 1.1 vom Startvorgang des Motors an stellt man in jedem vorgegebenen Zündzeit­ punkt je ein Paket der Funkenspannungsimpulse auf, wobei gilt:
  • 1.1.1 nach jedem zum Paket gehörigen Impuls vom Anfang jedes Paketes an überwacht man die Zündenergiespeicherladung und stellt die vollstän­ dige Wiederaufladung des Zündenergiespeichers fest,
  • 1.1.2 erzeugt zum Zeitpunkt dieser Feststellung einen nächstfolgenden Impuls und führt diese Impulsaufstellung bis zum Ende des Paketes weiter;
• 1.2 man überwacht die Motordrehzahl und stellt das Überschreiten eines Drehzahlvorgabewertes fest;
• 1.3 vom Zeitpunkt der Überschreitenfeststellung an
  • 1.3.1 hört man mit der Paketaufstellung auf,
  • 1.3.2 stellt in jedem vorgegebenen Zündzeitpunkt je einen einzelnen Funken­ spannungsimpuls auf
    und führt diese Einzelimpulsaufstellung im ganzen übrigen Motordrehzahl­ bereich durch, der über den Drehzahlvorgabewert liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ladezeit­ konstante des Zündenergiespeichers bei Durchführung des Schrittes 1.1 vermindert, im Vergleich zum Schritt 1.3.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Impulspaketdauer umgekehrt abhängig von der Motordrehzahl macht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Funkenbildungs­ impulse durch Zeithöchstwerte von nicht mehr als 50 µs (Impulsdauer) und 5 µs (Frontdauer) begrenzt.

5. Zündanlage zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1, enthaltend

• 5.1 einen Synchrontaktgeber (z. B. Unterbrecherkontakte des Motors),
• 5.2 einen Impulsformer,
• 5.3 eine Ladeeinrichtung,
• 5.4 eine Steuereinrichtung,
• 5.5 einen Speicherkondensator,
• 5.6 einen Zündtransformator und
• 5.7 einen Entladeschalter (z. B. Thyristor),
  wobei gekoppelt sind:
• 5.8 der Synchrontaktgeber - an den Eingang des Impulsformers,
• 5.9 Ausgang des Impulsformers - an den Synchroneingang der Steuereinrichtung,
• 5.10 Ausgang der Steuereinrichtung - an den Auslöseeingang des Entladeschalters,
• 5.11 Ladestromausgang der Ladeeinrichtung - an den Speicherkondensator,
  gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
• 5.12 die Zündanlage beinhaltet zusätzlich einen Drehzahldiskriminator, dabei besitzt die Ladeeinrichtung
• 5.3.1 einen Bereitschaftsmeldungsausgang und verfügt die Steuereinrichtung über
• 5.4.1 zwei Betriebsarten der Funkenbildungssteuerung (Paket- und Einzelfunkenbetriebsart, d. h. Anregung periodisch wiederholende Pakete der Funken bzw. periodisch wiederholende Einzelfunken) und dazu
• 5.4.2 einen Betriebswahleingang sowie
• 5.4.3 einen Auftasteingang,
  wobei gekoppelt sind:
• 5.13 Ausgang des Drehzahldiskriminators - an den Betriebswahleingang der Steuereinrichtung,
• 5.14 der Bereitschaftsmeldungsausgang der Ladeeinrichtung - an der Auftasteingang der Steuereinrichtung.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

• 5.3.2 die Ladeeinrichtung einen Leistungssteuereingang besitzt, wobei
• 5.15 der Leistungssteuereingang an den Kreis des Ausgangs des Drehzahldiskriminators gekoppelt ist.

7. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeeinrichtung

• 5.3.3 einen Speisespannungsumsetzer,
• 5.3.4 einen Sollspannungsgeber,
• 5.3.5 einen Solleistungsgeber,
• 5.3.6 einen Spannungsvergleicher und
• 5.3.7 ein Addierwerk
  beinhaltet,
  wobei gekoppelt sind:
• 5.3.8 Ausgang des Speisespannungsumsetzers - an den "+"-Eingang des Spannungsvergleichers und an den Ladestromausgang der Ladeeinrichtung,
• 5.3.9 der Sollspannungsgeber - an den "-"-Eingang des Spannungsvergleichers,
• 5.3.10 der Solleistungsgeber - an den 1."+"-Eingang des Addierwerks,
• 5.3.11 der Leistungssteuereingang der Ladeeinrichtung - an den 2."+"-Eingang des Addierwerks,
• 5.3.12 Ausgang des Spannungsvergleichers - an den "-"-Eingang des Addierwerks und an den Bereitschaftsmeldungsausgang der Ladeeinrichtung,
• 5.3.13 Ausgang des Addierwerks - an den Leistungssteuereingang des Speisespannungsumsetzers.

8. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung

• 5.4.4 einen Kurzzeitimpulsformer,
• 5.4.5 ein logisches UND-Glied und
• 5.4.6 ein logisches ODER-Glied,
  beinhaltet,
  wobei gekoppelt sind:
• 5.4.7 der Synchroneingang der Steuereinrichtung - an den Eingang des Kurzzeitimpulsformers und an den 1. Eingang des UND-Gliedes,
• 5.4.8 der Betriebswahleingang der Steuereinrichtung - an den 2. Eingang des UND-Gliedes,
• 5.4.9 der Auftasteingang der Steuereinrichtung - an den 3. Eingang des UND-Gliedes,
• 5.4.10 Ausgang des Kurzzeitimpulsformers - an den 1. Eingang des ODER-Gliedes,
• 5.4.11 Ausgang des UND-Gliedes - an den 2. Eingang des ODER-Gliedes,
• 5.4.12 Ausgang des ODER-Gliedes - an den Ausgang der Steuereinrichtung.

9. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

• 5.6.1 der Zündtransformator auf Basis eines Kernes aus hochfrequentem Magnetstoff (z. B. Ferrit) ausgeführt ist.

10. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahldiskriminator

• 5.12.1 einen Sollfrequenzgeber und
• 5.12.2 einen Frequenzvergleicher beinhaltet,
  wobei gekoppelt sind:
• 5.12.3 der Sollfrequenzgeber - an den "+"-Eingang des Frequenzvergleichers,
• 5.12.4 der "-"-Eingang des Frequenzvergleichers - an den Kreis des Ausgangs des Impulsformers,
• 5.12.5 der Ausgang des Frequenzvergleichers - an den Ausgang des Drehzahl­ diskriminators.