DE4324863C2 - Schaltungsanordnung zur Flammerkennung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Flamm­ erkennung für eine Transistorspulenzündung eines Brenners, die eine Ansteuerstufe aufweist, die einen im Stromkreis der Primär­ wicklung einer Zündspule liegenden Leistungstransistor bei Er­ reichen einer bestimmten Stromstärke im Stromkreis der Primär­ wicklung sperrt, wobei die Sekundärwicklung über einer Funken­ strecke liegt und die bestimmte Stromstärke so gewählt ist, daß die beim Sperren des Leistungstransistors in der Sekundärwick­ lung induzierte Spannung einen Zündfunken über der Funkenstrecke auslöst.

Eine derartige Transistorspulenzündung, deren Aufbau und Arbeitsweise an sich bekannt sind, wird als Zündvorrichtung bei mit Gas, Dieselbrennstoff, Benzin oder anderen Brennstoffen be­ triebenen Brennern vorgesehen. Es ist dabei erwünscht, die Bren­ nerflamme zu überwachen, d. h. ein Flammerkennung und Zünddiagno­ se vorzusehen.

Aus der DE 37 06 555 A1 ist es bekannt, zur Flammüberwachung einer Zündeinrichtung in Form einer Glühkerze mit einem Glühker­ zenkörper eine Ionisationselektrode vorzusehen, die in die Glüh­ kerze integriert ist. Bei dieser bekannten Flammenüberwachung ist ein zusätzlicher Schaltungsaufwand zur Ansteuerung notwen­ dig, wobei weiterhin die Zünddiagnose schwierig ist und sich die Signalauswertung als störanfällig erweist. Von der fertigungs­ technischen Sicht ergibt sich darüber hinaus ein zusätzlicher konstruktiver Aufwand.

Aus der DE 41 07 335 A1 sind darüber hinaus ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zündüberwachung einer Zündanlage bekannt, mit denen die Zündanlage auf Nebenschluß und Unterbrechungen auf der sekundären Hochspannungsseite überprüft werden kann. Dazu wird in der Zündphase eine Zünddiagnose durchgeführt.

Die DE 27 31 082 A1 beschreibt weiterhin eine Schaltungsanord­ nung zum Feststellen des Vorhandenseins einer Flamme über der Flamm­ erkennungsphase an der Sekundärwicklung der Zündspule eine Span­ nung erzeugt wird, die immer zum Auslösen eines Funkens über der Funkenstrecke ausreicht, wobei lediglich die dann beim Auftreten eines Zündfunkens an den Elektroden, d. h. über der Sekundärwick­ lung auftretende Spannung zur Feststellung herangezogen wird, ob eine Flamme vorhanden ist oder nicht. Dazu wird die Stärke des die Sekundärwicklung eines Zündtransformators durchfließenden Stroms erfaßt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht dem­ gegenüber darin, die Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine sichere Erkennung der Flamme bei geringem schaltungstechnischen Aufwand möglich ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Ausbildung gelöst, die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben ist.

Aufgrund dieser Ausbildung erlaubt es die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, die gesamte Transistorspulenzündung, bei der sie vorgesehen ist, einfach und kompakt in Form eines kom­ pletten Gerätes auszubilden.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 6.

Insbesondere die im Anspruch 6 angegebene Weiterbildung erlaubt eine zusätzliche Diagnose zur Erkennung von Nebenschluß und Unterbrechung sowie Kurzschluß der Zündanlage in der Zünd­ phase und zwar zusätzlich zu der Flammerkennung in der Flamm­ erkennungsphase.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 bis 4 in Zeitdiagrammen die Signalverläufe von an bestimmten Punkten der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsan­ ordnung auftretenden Signalen und

Fig. 5 ein schematisches Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

In Fig. 1 ist in einem Blockschaltbild eine herkömmliche Transistorspulenzündung dargestellt, die mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Flammerkennung versehen ist.

Die Transistorspulenzündung besteht aus einer Zündspule ZS, einem Leistungstransistor Tr2 mit einer Z-Diode ZD1 zur Spannungsbegrenzung sowie einem Stromsensor R2 zur Stromer­ fassung. Die Ansteuerstufe der Transistorspulenzündung ist bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Komparator K1 gebildet, an dessen einem Eingang einer von zwei Stromsollwerten Isoll1 und Isoll2 liegt die für die Ansteuerung während einer beliebig langen Zündphase und während einer beliebig langen Flammerkennungsphase dienen. Die jeweiligen Zeiträume für diese beiden Phasen sind durch ein Zeitglied ZG1 bestimmt, das einen Schalter S1 mit zwei Kontakten für die beiden Stromsollwerte schaltet, so daß je nach Schalterstellung ein entsprechender Stromsollwert am Eingang des Komparators K1 liegt. Aufgrund dieser Ausbildung ist ein gleichzeitiges Zünden und Flammerkennen nicht möglich.

Am zweiten Eingang des Komparators K1 liegt der Stromistwert des über die Primärwicklung der Zündspule ZS bei durchgeschaltetem Leistungstransistor Tr2 fließenden Stromes, der vom Stromsensor R2 erfaßt wird, der die Form eines Widerstandes hat.

Der Komparator K1 steuert ein Flip-Flop FF1 mit einem Takteingang CP an, dessen nichtinvertierender Ausgang Q an einer Treiberstufe, im vorliegenden Fall aus in Gegentakt geschalteten Transistoren Tr1a und Tr1b liegt. Der Leistungstransistor Tr2 wird über die Treiberstufe angesteuert, um die Primärwicklung der Zündspule ZS zu laden.

Arbeitsweise und Aufbau einer derartigen Transistor­ spulenzündung im einzelnen sind an sich bekannt und werden deshalb nicht näher erläutert.

Während in der Zündphase am Komparator K1 der Stromsollwert Isoll1 liegt, so daß der Stromfluß über die Primärwicklung der Zündspule ZS ausreicht, um beim Sperren des Leistungstransistors Tr2 einen Zündfunken an der Funkenstrecke FS, d. h. an den Elektroden oder der Zündkerze zu erzeugen, liegt in der Flammerkennungsphase der Stromsollwert Isoll2 am Komparator K1, der unter dem Stromsollwert Isoll1 liegt und für einen Stromfluß über die Primärwicklung der Zündspule ZS sorgt, der soweit reduziert ist, daß an den Elektroden kein Funkenüberschlag in nichtleitenden Medien z. B. Luft oder einem Gasgemisch erfolgen kann.

Falls allerdings an der Funkenstrecke FS eine Flamme vorhanden ist, so ist die Funkenstrecke FS ionisiert und somit in leitfähigem Zustand, so daß dennoch ein Funkenüberschlag auftritt, da keine Ionisierungsarbeit durch die Spannung an der Funkenstrecke FS verrichtet werden muß.

Die Amplitude der an der Sekundärseite der Zündspule ZS, d. h. an der Funkenstrecke FS auftretenden Impulse sollte in Abhängigkeit von der Länge der Funkenstrecke FS d. h. des Elektrodenabstandes und/oder der Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches und/oder der Flammengeschwindigkeit eingestellt werden. Bei höheren Geschwindigkeiten ergibt sich nämlich eine Aufweitung des Ionisationskanals, was einer Erhöhung des Elektrodenabstandes gegenüber den Verhältnissen bei ruhendem Gasgemisch entspricht. Diese Einstellung kann über eine entspre­ chende Wahl der Höhe des Wertes IS0112 am Komparator K1 erfol­ gen, was beispielsweise mittels eines eine variable Spannung liefernden Generators, beispielsweise eines Rampengenerators statt des Schalters S1 möglich ist.

Ein Funkenüberschlag wird über eine Auswerteschaltung über­ wacht, die gemäß Fig. 1 aus einem Gleichrichter Glr1, einem Speicherglied in Form eines RC Gliedes R3, C2 sowie einem Kom­ parator K2 besteht und die das Signal von der Primärwicklung der Zündspule ZS nach Sperren des Leistungstransistors Tr2 auf das Vorliegen einer Flamme in der Flammerkennungsphase auswertet.

Das dabei anstehende Signal an der Kathode der Diode D1 wird über das RC Glied R3, C2 integriert und über den Komparator K2 mittels eines Vergleiches mit einem am anderen Eingang des Komparators K2 liegenden Sollwert ausgewertet.

Um eine fehlerfreie Erkennung der Flamme sowie eine zuver­ lässige Aussage über die Funktion der Zündung zu erhalten, kann zusätzlich eine Zünddiagnoseeinrichtung ZüD1 vorgesehen sein, die in der Zündphase die Zündanlage auf Nebenschluß und Unter­ brechung auf der sekundären Hochspannungsseite überprüft. Eine derartige Zünddiagnoseeinrichtung ist an sich bekannt.

Tritt in der Zünd- oder in der Flammerkennungsphase ein Fehler auf, so wird das an einer Anzeigeeinrichtung A1 angezeigt und zur Kenntnis gebracht, an der die Ausgangssignale des Kom­ parators K2 für die Flammerkennung sowie der Zünddiagnoseein­ richtung ZüD1 liegen.

Im folgenden wird anhand der Fig. 2 bis 4 die Arbeits­ weise des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels der erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnung im einzelnen erläutert.

Bei Anschalten der Batteriespannung +Ub liegt am Komparator K1 der Referenzwert Isoll1. Das bedeutet, daß sich die Zündung in der Zündphase befindet, deren Dauer durch das Zeitglied ZG1 bestimmt ist. In dieser Zündphase erfolgt neben der Zündung eine gleichzeitige Zünddiagnose über die Zünddiagnoseeinrichtung ZüD1 so daß die Funkenstrecke FS auf Unterbrechungen und Nebenschluß der Elektroden untersucht wird.

Nach Ablauf der Zündphase schaltet das Zeitglied ZG1 über den Schalter S1 den Referenzwert Isoll2 an den Komparator K1. Dadurch wird der vom Stromsensor R2 erfaßte Primärladestrom der Zündspule ZS soweit reduziert, daß an der Funkenstrecke FS ohne Flamme kein Überschlag erfolgen kann. An den Punkten A und B im Schaltbild von Fig. 1 liegen dann Signale mit dem in Fig. 2 dargestellten Verlauf.

Beim Abschalten des Stromes durch ein Sperren des Leistungstransistors Tr2 treten am Punkt A Halbschwingungen auf, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind. Ursächlich werden diese Halbschwingungen durch die negativen nach Masse geleiteten Schwingungsanteile über der Kollektoremitterstreckendiode des Transistors Tr2 erzeugt. Das heißt mit anderen Worten, daß an der Kathode der Diode D1 positive Impulse anstehen, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind.

Wird nun der Sekundärkreis der Zündspule ZS über die Funkenstrecke FS durch einen erfolgten Überschlag belastet, der in der Flammerkennungsphase nur dann auftritt, wenn eine Flamme vorhanden ist, d. h. wenn die Funkenstrecke durch eine Flamme ionisiert ist, dann wird von der im Magnetkreis der Zündspule ZS gespeicherten Energie ein Teil verbraucht. Das hat zur Folge, daß die Abschaltspannungswerte am Transistor Tr2 wesentlich geringer als ohne eine Flamme sind und die Kollektoremitterstreckendiode des Transistors Tr2 nicht mehr in den leitendend Zustand versetzt wird.

Physikalisch läßt sich die beim Vorhandensein einer Flamme auftretende Belastung der Zündspule ZS durch einen Funkenüberschlag an der Funkenstrecke FS infolge der nicht zu verrichtenden Ionisierungsarbeit erklären, so daß der Energiebedarf für den Funkenüberschlag wesentlich geringer als bei nichtionisierten und nichtleitenden Medien wie z. B. Luft oder anderen Gasgemischen ist.

Aufgrund dieser Belastung der Zündspule ZS beim Vorliegen einer Flamme und den dadurch bedingten geringeren Abschaltspannungswerten am Transistor Tr2 stehen keine Impulse am Punkt A sowie an der Diode D1 an, wie es in Fig. 4 dargestellt ist.

Das am Punkt A anliegende Signal mit oder ohne Impulsspitzen (Fig. 3, Fig. 4) wird über den Gleichrichter Glr1 gleichgerichtet und über das Integrierglied R3, C2 geglättet. Die geglättete Spannung liegt am Komparator K2, der diese mit einer Bezugsspannung USOLL vergleicht. Je nach Signalzustand am Punkt A ergibt sich ein Ausgangssignal Uout vom Komparator K2, das zu einer entsprechenden Anzeige an der Anzeigeeinrichtung A1 führt. Das dabei gebildete Fehlersignal kann zur weiteren Verarbeitung verwendet werden.

Fig. 5 zeigt das schematische Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, das sich von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel zum einen durch die Ausbildung der Schaltungseinrichtung unter­ scheidet, die in der Flammerkennungsphase den über die Primärwicklung der Zündspule ZS fließenden Ladestrom auf eine Stromstärke begrenzt, die unter der für die Erzeugung eines Zündfunkens in der Zündphase notwendigen Ladestromstärke liegt. Während bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel diese Schaltungseinrichtung aus einem Zeitglied ZG und einem durch das Zeitglied ZG betätigten Schalter S1 bestand, wird bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel diese Schaltungseinrichtung von einem Rampengenerator RG1 gebildet, dessen Ausgangsspannung in Form eines Wertes Irp am Komparator K1 liegt.

Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung unterscheidet sich weiterhin von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, daß der Wert Iist d. h. der Stromistwert des über die Primärwicklung der Zündspule ZS bei durchgeschaltetem Leistungs­ transistor Tr2 fließenden Stromes nicht nur am Eingang des Komparators K1 sondern auch an einer als Signalauswerteein­ richtung ausgebildeten Anzeigeeinrichtung A1 liegt.

Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel ist ins­ besondere dazu geeignet, über die Amplitude der Flammerkennungs­ impulse eine Aussage über die Strömungsgeschwindigkeit der Flamme oder des Gasgemisches im Brennraum zu treffen. Dazu werden an die Funkenstrecke FS Impulse mit steigender Spannungsamplitude ge­ schaltet. Das wird über den Rampengenerator RG1 erreicht, dessen Ausgangsspannung mit der Zeit linear ansteigt. Durch die dem­ entsprechende kontinuierliche Erhöhung des Primärladestroms Iist, der über den Widerstand R2 fließt, der als Stromsensor arbeitet, werden auf der Sekundärseite der Zündspule ZS dann Impulse mit steigender Amplitude erzeugt. Da der Ionisationskanal, d. h. die tatsächliche Funkenstrecke FS bei höheren Geschwindigkeiten des Gasgemisches oder bei höheren Flammengeschwindigkeiten zunimmt, liefert die Höhe der Amplitude der Impulse an der Funkenstrecke FS, die notwendig ist, um einen Überschlag zu bewirken, eine Information über die Flammen- oder Gasgemischgeschwindigkeit.

Zu dem Zeitpunkt, an dem bei steigender Spannungsamplitude der Impulse an der Funkenstrecke FS ein Überschlag zum ersten Mal erfolgt, liefert die Auswerteschaltung aus dem Gleichrichter Glr1, dem Integrationsglied R3, C2 über den Komparator K2 das Signal Uout, das an der Anzeigeeinrichtung A1 liegt. Der Wert des Primärladestromes Iist, der zu diesem Zeitpunkt d. h. zu dem Zeitpunkt, an dem das Signal Uout am Komparator K2 auftritt, liegt gleichfalls an der Anzeigeeinrichtung A1. Die Anzeigeein­ richtung A1 ist als Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet, daß die Eingangswerte gespeichert und als Maß für die Geschwindigkeit der Flamme oder des Gasgemisches ausgewertet und verwendet werden können.

Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bietet gegenüber dem in Fig. 1 dargestellen Ausführungsbeispiel somit die weitere Möglichkeit, nicht nur eine Flammerkennung durchzuführen sondern auch eine Information über die Geschwindigkeit der Flamme oder des zu zündenden Gasgemisches zu erhalten.

Als Betriebsarten einer derartigen Zündung mit Zünddiagnose und Flammerkennung kommen der intermittierende Betrieb von Zündphase und Flammerkennung, ein aufeinanderfolgender Betrieb sowie auch ein extern gesteuerter Betrieb in Frage.

Tritt weiterhin in der Flammerkennungsphase eine hochspannungsseitige Unterbrechung auf, so wird auch das erkannt und zur Anzeige gebracht. D.h., daß die Funkenstrecke FS in der Flammerkennungsphase auch auf Unterbrechung der hochspannungsseitigen Anschlüsse untersucht wird, was ebenso wie bei der Flammerkennung über die entweder belastete oder unbelastete Zündspule ZS möglich ist.

Aufgrund des geringen Schaltungsaufwandes läßt sich die oben beschriebene Schaltungsanordnung kostengünstig herstellen, sie bietet dennoch die Möglichkeit einer sicheren Flammerkennung sowie einer zusätzlichen Zünddiagnose um Fehlerkennungen auszuschließen.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Flammerkennung für eine Transi­ storspulenzündung eines Brenners, die eine Ansteuerstufe aufweist, die einen im Stromkreis der Primärwicklung einer Zündspule liegenden Leistungstransistor bei Erreichen einer bestimmten Stromstärke im Stromkreis der Primärwicklung sperrt, wobei die Sekundärwicklung über einer Funkenstrecke liegt und die bestimmte Stromstärke so gewählt ist, daß die beim Sperren des Leistungstransistors in der Sekundärwicklung induzierte Spannung einen Zündfunken über der Funkenstrecke auslöst, gekennzeichnet durch

• - eine Schalteinrichtung (S1, ZG1; RG1) in der Ansteuerstufe (K1, FF1, Tr1a, Tr1b), die in der Flammerkennungsphase die Stromstärke im Stromkreis der Primärwicklung der Zündspule (ZS), bei der der Leistungstransistor (Tr2) gesperrt wird, auf einen Wert herabsetzt, bei dem die dann in der Sekundärwicklung der Zündspule (ZS) induzierte Spannung nur dann zu einem Funken­ überschlag an der Funkenstrecke (FS) führt, wenn eine Flamme vorhanden ist, und
• - eine Auswerteschaltung (Glr1, R3, C2, K2), an der das nach dem Sperren des Leistungstransistors (Tr2) über der Primärwick­ lung der Zündspule (ZS) auftretende Signal liegt und die dieses Signal auf das Vorhandensein oder Fehlen einer Flamme im Brenner auswertet und in ein entsprechendes Ausgangssignal umwandelt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtung (ZG1, S1) aus einem Zeitglied (ZG1) und einem durch das Zeitglied (ZG1) betätigten Schalter (S1) besteht, der je nach Schalterstellung den Stromstärkewert für die Flammerkennung oder für die Zündung an einen Eingang eines Komparators (K1) in der Ansteuerstufe der Transistorspulenzündung legt, an dessen anderem Eingang der Stromstärkewert eines Stromsensors (R2) im Stromkreis der Primärwicklung der Zündspule (ZS) liegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtung (RG1), aus einem Rampengenerator besteht, der eine linear ansteigende Ausgangsspannung liefert, die am Eingang eines Komparators (K1) in der Ansteuerstufe der Transistorspulenzündung liegt, an dessen anderem Eingang der Stromstärkewert eines Stromsensors (R2) im Stromkreis der Primärwicklung der Zündspule (ZS) liegt, wobei dieser Stromstärkewert des Stromsensors (R2) zusammen mit dem Anzeigesignal der Auswerteschaltung (Glr1, R3, C2, K2) an einer Signalverarbeitungseinrichtung ausgebildete Anzeigeeinrichtung (A1) liegt, die eine dem Anzeige­ signal entsprechende Anzeige liefert und die Eingangssignale in ein Maß für die Geschwindigkeit der Flamme oder der Geschwindigkeit des Brenngasgemisches verarbeitet.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (Glr1, R3, C2, K2) einen weiteren Komparator (K2) aufweist, der das über einen Gleichrichter (Glr1) und ein Integrationsglied (R3, C2) inte­ grierte Signal von der Primärwicklung der Zündspule (ZS) mit einem Bezugswert vergleicht und ein dem Vergleich entsprechendes Signal ausgibt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des weiteren Komparators (K2) an einer Anzeigeeinrichtung (A1) liegt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Zünddiagnoseeinrichtung (ZüD1), deren Ausgangssignal an der Anzeigeeinrichtung (A1) liegt.