DE69128079T2 - Induktionsentladungsprinzip-Zündeinrichtung für eine innere Brennkraftmaschine - Google Patents

Induktionsentladungsprinzip-Zündeinrichtung für eine innere Brennkraftmaschine

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DE69128079T2
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02PIGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P3/00Other installations
    • F02P3/02Other installations having inductive energy storage, e.g. arrangements of induction coils
    • F02P3/04Layout of circuits
    • F02P3/055Layout of circuits with protective means to prevent damage to the circuit, e.g. semiconductor devices or the ignition coil
    • F02P3/0552Opening or closing the primary coil circuit with semiconductor devices

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Description

    Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, und insbesondere eine sogenannte Zündvorrichtung mit Induktivitätsentladung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, die einen Funken an einer Zündkerze aufgrund einer hohen Spannung in einer Sekundärwicklung einer Zündspule bewirkt, wenn ein durch die Primärwicklung der Zündspule fließender Strom durch eine Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtung unterbrochen wird.
  • 2. Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
  • Die Erfindung der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 112630/1975 legt dar, daß bei Zündvorrichtungen mit Induktivitätsentladung das Verhältnis der Primärwicklung zur Sekundärwicklung der Zündspule klein gemacht werden muß, und daß der Induktanzwert auf der Seite der Primärwicklung hinreichend groß gemacht werden muß, um den Anstieg der Spannung an der Zündkerze sehr steil zu gestalten, und um darüber hinaus die Funkenentladung über einen langen Zeitraum aufrechtzuerhalten.
  • Die Spannung der V&sub2;' der Sekundärwicklung zum Zeitpunkt der Aufladung ist proportional zu Vz (Durchbruchspannung der Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtung) multipliziert mit dem Windungsverhältnis a der Spule. Typischerweise liegt V&sub2;' bei 28 kV für eine saubere Zündkerze, wobei das Windungsverhältnis a normalerweise 85 bis 100 beträgt. Darin liegt jedoch ein Konflikt, denn da V&sub2;' hoch und das Windungsverhältnis a so niedrig wie möglich sein muß, muß die Durchbruchspannung Vz des Halbleiters erhöht werden, wobei aber, wie dem Fachmann bekannt ist, die Hardware eine Grenze für die Höhe der Durchbruchspannung setzt. Derzeit liegt die Obergrenze für die Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtung, normalerweise eine Zenerdiode, bei 400 V.
  • Eine weitere Schwierigkeit liegt darin, daß bei einem schwelenden Zustand der Zündkerze, d.h. wenn der Isolator der Zündkerze mit Kohlenstoff und Benzin beschlagen ist, der Durchbruch zwischen der äußeren gebogenen Elektrode und dem Isolator stattfindet. Der Ableitungsstrompfad zwischen dem Isolator und der gebogenen Außenelektrode sollte bei einer sauberen Zündkerze theoretisch unendlich sein, liegt typischerweise aber bei 10 MΩ. Befindet sich eine schwelende Zündkerze jedoch bei niedrigen Temperaturen von etwa -30ºC, fällt der Ableitungswiderstand auf ungefähr 100 kΩ ab, was bedeutet, daß der Durchbruch zwischen der gebogenen Außenelektrode und dem Isolator bei einer wesentlich niedrigeren Spannung als den normalerweise angelegten 28 kV erfolgen kann. Eine grundlegende Erkenntnis der Anmelder der vorliegenden Erfindung wird darin gesehen, daß der Ableitungswiderstand der Zündkerze im Bereich zwischen 100 kΩ und 10 MΩ (praktisch unendlich) liegt.
  • Ein weiteres Problem, das beim Stand der Technik auftritt, besteht darin, daß bei einem mit hoher Drehzahl laufenden Motor der zwischen der gebogenen Außenelektrode und der Mittelelektrode der Zündkerze aufgebaute Funke ausgeblasen wird, d.h. durch den Strom des in den Zylinder eingesaugten Luft/Kraftstoffgemischs kurzzeitig erlischt. Damit wird bei hohen Drehzahlen des Motors keine normale Zündung bewirkt. Die vorliegende Erfindung versucht die vorerwähnten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.
  • Die US-A-3,824,977, die den Oberbegriff des vorliegenden Anspruchs 1 bildet, beschreibt ein induktives Zündsystem, das einen schnellen Anstieg der Funkenspannung mit einem lang anhaltenden Funken bereitstellt, und legt dabei eine Zündspule mit einem Verhältnis der Sekundär- zur Primärwicklung in der Größenordnung von 60:1 zugrunde. Diese Annahme ist jedoch ohne jede Bedeutung für die Funktion der Zündkerze, wenn sich die Kerze bereits im Schwelzustand befindet.
  • Die Veröffentlichung in "Ingenieurs de l'automobile, Nr. 7, Oktober 1984, Boulogne, Frankreich, Seiten 53 - 60, Golvan M.J.: 'electronique automobile, realites et promesses (1-ère partie)', beschreibt ein elektronisches Zündsystem, macht jedoch keine weiteren Angaben hinsichtlich der Funktion der Zündkerze, wenn sich die Zündkerze in einem Schwelzustand befindet.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Zündvorrichtung mit Induktivitätsentladung für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt, die eine Einrichtung zum Erzeugen einer an die Primärwicklung einer Spule anzulegenden Spannung und eine Einrichtung zum Anlegen des Ausgangs dieser Spule an eine Kraftstoff-Zündeinrichtung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen einer Spannung ein Windungsverhältnis der Sekundärwicklung zur Primärwicklung der Spule von mehr als 60, aber höchstens 70 oder weniger aufweist, wobei die Spannungserzeugungseinrichtung eine Spannung von mindestens 350 V über der Primärwicklung bereitstellt, und die Spannungserzeugungseinrichtung und die Spule eine Spannung von mindestens 6,0 kV über den Elektroden der Zündeinrichtungen erzeugen, wenn die Zündeinrichtung einen Ableitungswiderstand von 100 kΩ hat.
  • Die Anmelder haben die folgenden grundlegenden Erkenntnisse gewonnen:
  • 1. Der Ableitungswiderstand einer Zündkerze von der gebogenen Außenelektrode zum Isolator liegt im Bereich von 100 kΩ bis 10 MΩ, und beim Stand der Technik beträgt die Spannung V&sub2;', die zum Zeitpunkt der Aufladung bei einem Ableitungswiderstand von 100 kΩ an die Elektroden der Zündkerze angelegt wird (im folgenden als Zündkerzen-Elektrodenspannung bezeichnet), ungefähr 5 kV.
  • 2. Für eine hohe Zündleistung muß V&sub2;' über dem Widerstand von 100 kΩ größer als 6 kV sein.
  • Demzufolge erzeugt die vorliegende Erfindung die Zündkerzen- Elektrodenspannung V&sub2;' von mindestens 6,0 kV zum Zeitpunkt der Aufladung auch dann, wenn der Ableitungswiderstand 100 kΩ beträgt, und um diesen Anforderungen zu genügen, hat die Halbleiter-Schaltvorrichtung eine Einschaltspannung von mindestens 350 V, z.B. als Zenerspannung, und die Spule hat ein Windungsverhältnis a derart, daß eine Spannung V&sub2;' von 6,0 kV an einen Lastwiderstand von 100 kΩ angelegt wird.
  • Wenn das Windungsverhältnis 70 beträgt und die Spannungserzeugungseinrichtung eine Spannung von mindestens 350 V über der Primärwicklung der Spule erzeugt, wird die Sekundärspannung auf einen minimal erforderlichen Pegel reduziert, der erforderlich ist, um den Sekundärstrom zu maximieren, der einen starken Einfluß auf das Startverhalten bei niedrigen Temperaturen und auf das vorerwähnte Ausblasen des Zündfunken ausübt.
  • In einer bevorzugten Ausfühtungsform entspricht das Windungsverhältnis der Zündspule der Quadratwurzel aus der Induktanz der Sekundärwicklung dividiert durch die Induktanz der Primärwicklung.
  • Unter Verwendung des oben beschriebenen Aufbaus wird die Wahrscheinlichkeit der Bildung eines normalen Zündfunkens sogar dann höher, wenn sich eine Zündkerze aufgrund von Verschmutzung oder Niederschlag im Schwelzustand befindet, da die niedrigste Zündkerzen-Elektrodenspannung V&sub2;' aufgrund der Annahme eines solchen Schwelzustandes eingestellt wird. Ein derartiger Aufbau sorgt auch dafür, daß der Spitzenwert des Sekundärstromes bezogen auf den Maximalwert des Primärstroms groß wird, und daß die Möglichkeit eines Ausblasens des Funkens durch die Strömung des Gasgemisches auch dann niedriger wird, wenn der Motor im hohen Drehzahlbereich arbeitet.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindulig wird nun anhand eines Beispiels mit Bezug auf die beigefügten zeichnungen beschrieben; es zeigen:
  • Fig. 1 eine graphische Darstellung, die zeigt, daß der Prozentsatz der Zündung von der an eine Zündkerze im Schwelzustand bei einer niedrigen Temperatur von etwa -30ºC angelegten Spannung V&sub2;' abhängt,
  • Fig. 2 den Zusammenhang von Sekundärspannung und Primärstrom der Induktionsspule;
  • Fig. 3 den Zusammenhang von Sekundärspannung und Windungsverhältnis der Induktionsspule;
  • Fig. 4 den Zusammenhang von Sekundärspannung und Windungsverhältnis der Induktionsspule bei einer Zündkerze unter Schwelbedingungen;
  • Fig. 5 ein Schaltbild einer Zündvorrichtung mit Induktivitätsentladung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem die Vorrichtung detailliert für eine Zündkerze und ein System dargestellt ist;
  • Fig. 6 ein äquivalentes Schaltbild der Zündvorrichtung gemäß Fig. 5;
  • Fig. 7 einen Zusammenhang zwischen Sekundärspannung und Lastwiderstand;
  • Fig. 8 einen Zusammenhang zwischen Sekundärspannung und Primärstrom für verschiedene Windungsverhältnisse der Induktionsspule;
  • Fig. 9(a) und 9(b) eine Serie graphischer Darstellungen der Änderung des Zusammenhangs zwischen Sekundärspannung und Sekundärstrom in Abhängigkeit von der Motordrehzahl bei einer Ausführung gemäß dem Stand der Technik bzw. gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 10 das Ergebnis einer Analyse von abnormalen Motorbedingungen aufgrund von Schwelen der Zündkerze; und
  • Fig. 11 eine graphische Darstellung der vorteilhaften Auswirkungen der vorliegenden Erfindung.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Teile.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Vor der Beschreibung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zunächst die grundlegenden Erkenntnisse der Anmelder dargelegt.
  • Die graphische Darstellung der Fig. 1 zeigt den Prozentsatz von Funkbildungen an der Zündkerze, der sich mit steigender an die Zündkerze angelegter Zündkerzen-Elektrodenspannung V&sub2;' einstellt, wobei daraus hervorgeht, daß zur Erreichung einer Wahrscheinlichkeit der Funkenbildung für etwa 90% der Fälle des Anlegens einer induzierten Spannung an die Zündkerze eine Zündkerzen-Elektrodenspannung V&sub2;' von 10 kV oder mehr erforderlich ist. Für die Erzeugung eines Funkens in mehr als 60% der Fälle, was von den Anmeldern als minimal erforderliche Ausbeute angesehen wird, ist eine Sekundärspannung von 6 kV notwendig.
  • Der in Fig. 2 graphisch dargestellte Zusammenhang zwischen Sekundärspannung und Primärstrom macht deutlich, daß mit einer sauberen Zündkerze der Verlauf der maximalen Sekundärspannung für den Motor (bestimmt durch den Elektrodenabstand, den Zündverzug und ein mageres Luft/Kraftstoffverhältnis) für eine Sekundärspannung von 28 kV einen Primärstrom von ungefähr 6 A erforderlich macht. Um somit der maximalen Sekundärspannungsanforderung des Motors zu genügen, muß ein minimaler Strom von 6 A durch die Primärwicklung bewirkt werden.
  • Um das Windungsverhältnis der Induktionsspule unter normalen Betriebsbedingungen zu bestimmen, d.h. bei einer sauberen Zündkerze, haben die Anmelder die graphische Darstellung gemäß Fig. 3 hergeleitet, in der die Sekundärspannung in Abhängigkeit vom Windungsverhältnis der Induktionsspule aufgetragen ist. Die Kurvenverläufe repräsentieren unterschiedliche Zenerspannungen Vz für verschiedene Lastkoeffizienten α, wobei der Lastkoeffizient für einen guten Wirkungsgrad der Spule so nahe wie möglich bei Eins liegen muß, d.h. daß die Wärmefreisetzung in der Spule bei der Wandlung der Primärspannung in die Sekundärspannung (d.h. von V&sub1; nach V&sub2;) gering ist. Die Kurvenverläufe der Fig. 3 zeigen, daß bei einer Sekundärspannung von etwa 28 kV die Spannung Vz im Bereich von 350 V - 400 V liegen sollte und der niedrigste praktisch zu verwirklichende Lastkoeffizient 1,1 beträgt, so daß das Windungsverhältnis 70 beträgt.
  • In Fig. 4 ist der Zusammenhang zwischen dem Windungsverhältnis und der Zündkerzen-Elektrodenspannung V&sub2;' unter Schwelbedingungen der Zündkerze wiedergegeben, die sich an einer Last von 100 kΩ bei 25 pF für verschiedene Werte des Primärstroms einstellt. Aus Fig. 1 geht hervor, daß bei Vorliegen von Schwelen eine Zündkerzen-Elektrodenspannung V&sub2;' von mindestens 6 kV erforderlich war, und aus Fig. 2 geht hervor, daß ein Primärstrom von 6 A wünschenswert war. Demzufolge ist für einen Primärstrom von 6 A ein Windungsverhältnis von 70 erforderlich, das auch in etwa dem Windungsverhältnis unter normalen Bedingungen gemäß Fig. 3 entspricht.
  • Anhand der vorangehenden Erkenntnisse der Anmelder wurden Daten für die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung hergeleitet.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die auf ein sogenanntes "Direktzündsystem" (DIS für Direct Ignition System) angewandt wird, bei dem die Energie für die Zündung ohne Verwendung eines Verteilers direkt aus einer Mehrzahl von Zündspulen an jeden einer gleich großen Anzahl von Zylindern geliefert wird, wird anhand von Fig. 5 beschrieben. Für die beispielhafte Ausführungsform wird ein Sechszylindermotor angenommen.
  • Jede der Zündspulen 11 - 16 hat eine Primärwicklung 21 - 26 und eine entsprechende Sekundärwicklung 31 - 36, die Hochspannung an eine jeweilige Zündkerze P&sub1; - P&sub6; liefert. Ein Ende einer jeden Primärwicklung 21 - 26 ist mit einer Batterie BT verbunden, während das andere Ende einer jeden Primärwicklung mit einem Darlington-Transistorpaar 41 - 46 verbunden ist, das bereitgestellt ist), um die Zündspule zu schalten.
  • Jedes Darlington-Transistorpaar 41 - 46 besteht aus zwei Transistoren T&sub1;, T&sub2; in Darlington-Schaltungsanordnung mit zwei Widerständen R&sub1;, R&sub2; zwischen jeweils der Transistorbasis und den Emitterelektroden. Ein Zündsignal von einer Ansteuerschaltung DC wird über einen der Anschlüsse a&sub3; - f&sub3; und einen Widerstand R&sub3; an die Basis des Transistors T&sub1; angelegt. Eine Zenerdiode ZD ist zwischen Kollektor und Basis des Transistors T&sub1; eines jeden Darlington-Transistorpaares 41 - 46 gelegt. Eine in Sperrichtung betriebene Diode D ist zwischen Kollektor und Emitter des Transistors T&sub2; gelegt. Eine Strombegrenzungsschaltung IL&sub1; - IL&sub6; ist zwischen den Emitter des Transistors T&sub2; und den Kollektor des Transistors T&sub1; geschaltet, so daß ein durch den Kollektor-Emitterkreis eines jeden Darlington-Transistorpaares 41 - 46 fließender Strom auf einen vorbestimmten Wert innerhalb des Bereiches eingestellt werden kann, in dem das Darlington-Transistorpaar 41 - 46 nicht thermisch zerstört wird (im vorliegenden Beispiel auf 8 A bei einem Windungsverhältnis von 65). Die durch strichpunktierte Linien umrandeten Vorrichtungen sind auf einer Halbleiterschicht ausgebildet und bilden Ein-Chip- Leistungsschalter PSW1 - PSW6 Diese Leistungsschalter PSW1 -Psw6 sind auf einem Substrat PL angeordnet und bondiert, wodurch sich ein Leistungsmodul PSW ergibt.
  • Auf dem Leistungsinodul PSW sind die Anschlüsse a&sub2; - f&sub2; ausgebildet, um die Kollektoren eines jeden Darlington- Transistorpaares 41 - 46 der Leistungsschalter PSW1 - PSW6 mit den Primärwicklungen 21 - 26 der jeweiligen Zündspulen 11 -16 zu verbinden, die Anschlüsse a&sub3; - f&sub3; zum Anschluß der Ansteuerschaltung DC, die das Zündsignal an die Basis des Transistors T&sub1; der ersten Stufe eines jeden Darlington- Transistorpaares 41 - 46 liefert, und ein Masseanschluß GR für die Erdung der Leistungsschalter PSW1 - PSW6. Die Bezugszeichen a&sub1; - f&sub1; repräsentieren die Verbindungen zwischen der Stromversorgungsleitung und den Zündspulen 11 - 16.
  • Eine Mikroprozessor-Motorsteuereinheit (ECU) für den Empfang und die Auswertung der Betriebsparameter des Motors ist mit der Ansteuerschaltung DC verbunden, und eine Sicherung F und ein Zündschloßschalter KSW sind seriell zwischen die Batterie BT und die Spulen 11 - 16 eingeschaltet.
  • Im Betrieb wird der Rotationswinkel θ der Kurbelwelle des Motors (nicht dargestellt) durch einen Kurbelwinkelsensor erfaßt und sequentiell in die Motorsteuereinheit ECU eingegeben.
  • Die vom Motor angesaugte Luftmenge Qa wird beispielsweise durch einen herkömmlichen mit Wärmestrahlung arbeitenden Luftmengenmesser (in Fig. 1 nicht dargestellt) erfaßt und in die ECU eingegeben.
  • Die Warmlaufphase des Motors wird über die Kühlwassertemperatur Tw ermittelt und durch einen Wassertemperaturfühler erfaßt und ebenfalls in die ECU eingegeben.
  • Ob sich der Motor im Leerlauf befindet oder nicht wird durch einen Leerlaufschalter ISW an einem Drosselklappenventil (nicht dargestellt) erfaßt und ebenfalls in die ECU eingegeben, um den Zündzeitpunkt des Motors auf die optimale Frühzündung einzustellen, das Klopfverhalten des Motors wird durch einen Klopfsensor KNO erfaßt und in die ECU eingegeben. Des weiteren wird das Mischungsverhältnis von Luftund Kraftstoff, das die Verbrennung des Motors bestimmt, anhand der Sauerstoffkonzentration (O&sub2;) im Abgas bestimmt, die durch einen Sauerstoffkonzentrationssensor im Auspuffkrümmer (in Fig. 1 nicht dargestellt) erfaßt und ebenfalls in die ECU eingegeben wird.
  • Aus den eingegebenen Informationen berechnet die ECU die Menge des zugeführten Kraftstoffs, den Zündzeitpunkt und den Zeitraum für das Einschalten der Primärwicklungen, die für den Betrieb des Motors optimal sind, und steuert dementsprechend die Kraftstoffeinspritzventile (nicht dargestellt) und die Zündeinrichtung gemäß Fig. 5.
  • Der Zündzeitpunkt und das zeitliche Einschaltsignal für die Primärwicklungen werden für jeden Zylinder berechnet.
  • Der Basiszündzeitpunkt wird anhand der Drehzahl des Motors bestimmt, und diese Drehzahl wird aus der Anzahl der gezählten Kurbelwinkelsignale 0 je Zeiteinheit bestimmt. Der Kurbelwinkelsensor gibt ein Referenzzylindersignal und ein Zylinderunterscheidungssignal ab, wobei entsprechend diesen ein Frühzündwinkelreferenzpunkt für jeden Zylinder festgelegt wird.
  • Der Basiszündzeitpunkt wird anhand mindestens einer der folgenden Größen korrigiert: der Menge der Ansaugluft θ, der Wassertemperatur Tw, dem Signal Isw, das den Zustand des Leerlaufschalters repräsentiert, dem Signal KNO, das das Klopfverhalten des Motors repräsentiert, und der Sauerstoffkonzentration O&sub2;. Diese Korrektur wird durch die Hinzunahme des Korrekturwertes beeinflußt, der für jedes Signal aus einem Zündzeitpunkt-Korrekturfeld zum Basiszündzeitpunkt entnommen wird, das für jedes Signal bereitgestellt ist.
  • In ähnlicher Weise wird die Einschaltzeit für jeden Zylinder berechnet und korrigiert und durch das Zündzeitpunktsignal von der Ansteuerschaltung DC an die Zündvorrichtung übermittelt.
  • Wenn die Einschaltzeit der Zündvorrichtung des ersten Zylinders wie oben beschrieben bestimmt wird, geht der Ausgang der Ansteuerschaltung DC, der mit dem Anschluß a&sub3; verbunden ist, nach "High", bevor das Zündzeitpunktsignal eintrifft. Dadurch fließt über den Widerstand R&sub3; ein Strom durch die Basis des Transistors T&sub1; der ersten Stufe des Darlington- Transistorpaares 41. Dieser Strom wird entsprechend dem Verstärkungsfaktor hfe des Transistors T&sub1; verstärkt und über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T&sub1; an die Basis des Transistors T&sub2; geliefert. Der um den Verstärkungsfaktor hfe des Transistors T&sub2; verstärkte Strom fließt anschließend durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T&sub2;.
  • Da dieser Strom über die Sicherung F und den Zündschloßschalter KSW durch die Primärwicklung 21 der Zündspule 11 fließt, wird er als "Primärstrom" bezeichnet. Dieser Primärstrom wächst entsprechend der nachstehend beschriebenen Anstiegscharakteristik auf einen vorbestimmten Wert an, der im vorbeschriebenen Beispiel 8 A beträgt.
  • Der Wert dieses Primärstromes ist nicht grundsätzlich 8 A. Die Primärwicklung der Zündspule hat einen Widerstandswert, der von ihrer Umgebungstemperatur abhängt. Wenn daher eine Zündvorrichtung konzipiert wird, ist üblicherweise zuvor zu überprüfen, wie weit der Widerstandswert der Spule bei den Temperaturbedingungen anwächst, unter denen die Zündvorrichtung am Motor angeordnet ist, und es ist der Strom zu bestimmen, der an die jeweilige Basis des Darlington- Transistorpaares der Transistoren 41 - 46 zu liefern ist, oder es ist der Verstärkungsfaktor des Darlington- Transistorpaares auf der Basis des zum betreffenden Zeitpunkt vorliegenden Widerstandswertes zu bestimmen.
  • Der Grund liegt darin, daß bei einer Bestimmung des Primärstromes auf Basis eines niedrigen Widerstandswertes der Spule bei Umgebungstemperatur der Widerstandswert der Zündspule hoch wird, wenn die Temperatur der Zündspule mit Erreichen des normalen Betriebszustands des Motors ansteigt, so daß nicht der gewünschte Strom durch die Primärwicklung fließt.
  • Wenn der Primärstrom nicht hinreichend hoch ist, ist die Zündenergie nicht ausreichend und es ist keine Zündung mehr möglich.
  • Wie oben beschrieben, ist die Auslegung so getroffen, daß der Primärstrom von 8 A fließt, wenn der Motor seine normale Betriebstemperatur erreicht hat und der Widerstandswert der Zündspule relativ hoch ist. Demzufolge kann bei einem kleinen Widerstandswert der Zündspule, d.h. bei nicht ausreichend hoher Motortemperatur und kalter Zündspule, die Situation eintreten, daß der Primärstrom 8 A überschreitet. In einem solchen Fall kann das Darlington-Transistorpaar aufgrund des Überstroms abnormal viel Wärme freisetzen, was zu einer Zerstörung führt.
  • Daher sind Strombegrenzungsschaltungen IL&sub1; - IL&sub6; bereitgestellt. Die Strombegrenzungsschaltungen erfassen den Primärstrom und sprechen an, wenn ein Primärstrom oberhalb 8 A fließt, um den Eingangsstrom der Darlington-Transistorpaare zu verringern und ein Ansteigen des Primärstroms zu verhindem.
  • Wenn der Primärstrom in der oben beschriebenen Weise durch die Zündspule fließt, wird Energie für die Zündung in der Primärwicklung gespeichert. Nach Ablauf der berechneten Einschaltzeit wird das Zündsignal ausgegeben. Das Zündsignal wird von der Ansteuerschaltung als ein Signal ausgegeben, das das Potential des Anschlusses a&sub3; nach "Low" bringt.
  • Wenn der Eingangsstrom des Darlington-Transistorpaares 41 durch das Zündsignal unterbrochen wird, wird der Primärstrom plötzlich unterbrochen, und aufgrund der elektromagnetischen Induktion tritt eine Hochspannung mit einem steilen Anstieg an der Sekundärwicklung 31 der Zündspule 11 auf.
  • Die zu diesem Zeitpunkt in den Primär- und Sekundärwicklungen induzierten Spannungen werden als "Primärspannung" bzw. "Sekundärspannung" bezeichnet, wobei zwischen diesen der nachstehend beschriebene Zusämmenhang besteht.
  • Das Prinzip der vorliegenden Erfindung wird des weiteren anhand von Fig. 6 beschrieben, die eine äquivalente Schaltung der Zündvorrichtung für einen Zylinder des Motors zeigt.
  • Die in Fig. 6 verwendeten Bezeichnungen haben die folgende Bedeutung:
  • V&sub1;: Primärspannung
  • V&sub2;: Sekundärspannung
  • I&sub1;: Primärstrom
  • I&sub2;: Sekundärstrom
  • Vz: Zenerspannung
  • R&sub1;: Primärwiderstand
  • L&sub1;: Primärinduktanz
  • R&sub2;: Sekundärwiderstand
  • L&sub2;: Sekundärinduktanz
  • k: Kopplungsfaktor zwischen Primär- und Sekundärwicklung
  • C&sub2;: interne Streukapazität
  • R&sub1;: Lastwiderstand
  • C&sub1;: Lastkapazität
  • VB: Batteriespannung
  • VIN: Impulssignal
  • N&sub1;: Primärwindungszahl
  • N&sub2;: Sekundärwindungszahl
  • a: Windungsverhältnis Sekundärwicklung: Primärwicklung
  • Wenn die Eisen- und Kupferverluste vernachlässigt werden, kann der Zusammenhang zwischen der Ausgangscharakteristik der Zündspule und der Leistungsschaltercharakteristik näherungsweise durch die folgenden Gleichungen (1) - (5) ausgedrückt werden.
  • (a) Erzeugte Sekundärspannung:
  • (i) Ohne Begrenzung durch die Zenerspannung gilt:
  • (ii) Mit Begrenzung durch die Zenerspannung gilt:
  • V&sub2; α Vzmin . a ... (2)
  • α: Lastkoeffizient 1,1 bis 1,3
  • (b) Sekundärstrom:
  • (c) Sekundärenergie:
  • (d)Anstiegscharakteristik des Primärstroms der Zündspule:
  • wobei VCE: Kollektor-Emitterspannung am Leistungstransistor
  • Hierbei kann die Zündkerzen-Elektrodenspannung V&sub2;' der Zündspule bei einem Schwelzustand der Zündkerze (zum Zeitpunkt der Aufladung) unter Bezug auf die sekundäre Ausgangsspannung V&sub2; während der Nichtaufladung näherungsweise durch die folgende Gleichung (6) anhand der aquivalenten Schaltung gemäß Fig. 6 ausgedrückt werden.
  • Wenn die Frequenz der Sekundärspannung V&sub2; bei f = 10 kHz liegt, ist 1/ω C&sub1; ungefähr 500 kΩ, und der Lastwiderstand R&sub2; bei Schwelen beträgt etwa 100 kΩ. Wird daher 1/ω C&sub1; vernachlässigt, ist die Zündkerzen-Elektrodenspannung V&sub2;' zum Zeitpunkt der Aufladung wie folgt gegeben:
  • wobei ω die Winkelfrequenz bezeichnet.
  • Für L&sub2; = 15 H ist die Impedanz von L&sub2; gegeben durch cx) L&sub2; 2π × 10 kHz × 15 H 900 kΩ. Die Zündkerzen- Elektrodenspannung V&sub2;' fällt stark ab, wenn der Lastwiderstand R&sub1; während des Schwelens bei etwa 100 kΩ liegt. Der Kurvenverlauf in Fig. 7 zeigt, daß bei einer Spannung Vz von 350 V und einem sich ändernden Lastwiderstand die Zündkerzen- Elektrodenspannung V&sub2;' im Bereich des Schwelens, d.h. von 100 kΩ bis 1 MΩ, stark abfällt, wobei der durchgezogene Verlauf der Darstellung die Charakteristik für den Stand der Technik mit I&sub1; = 6 A bei einem Windungsverhältnis von a = 85 wiedergibt, während die vorliegende Erfindung durch die strichpunktierte Linie mit I&sub1; = 8 A und a = 65 gekennzeichnet ist. Aus der Darstellung geht demzufolge hervor, daß für eine wirksame Funktion der Vorrichtung bei 100 kΩ V&sub2; oberhalb 6 kV liegen muß.
  • Die Erfinder haben umfangreiche Experimente angestellt, bei denen ein Widerstand von 100 kΩ unter verschiedenen Bedingungen parallel zu einer normalen Zündkerze (C&sub2;: 25 pF) geschaltet wurde, um die Funkenbildung zu untersuchen, wobei festgestellt wurde, daß die Wahrscheinlichkeit des Auftretens des für die Zündung notwendigen Funkens stark abnahm, wenn die Zündkerzen-Elektrodenspannung V&sub2;' unterhalb 6,0 kV lag (wie in Fig. 1 gezeigt). Dies ist in anderer Form in Fig. 8 dargestellt, in der für unterschiedliche Windungsverhältnisse die Sekundärspannung über dem Primärstrom aufgetragen ist. Bei der vorliegenden Erfindung ist das Windungsverhältnis a gleich 65, während das Windungsverhältnis beim Stand der Technik typischerweise bei 85 liegt. Wenn das Windungsverhältnis 70 oder weniger beträgt, wird die Zündkerzen- Elektrodenspannung V&sub2;' über 6 kV gehalten, wodurch eine ausreichende Funkenbildung an der Zündkerze sichergestellt ist.
  • Demzufolge muß die Sekundärwicklung eine Sekundärinduktanz L&sub2; und einen Widerstand R&sub2; derart haben, daß zum Zeitpunkt der Aufladung die niedrigste Zündkerzen-Elektrodenspannung V&sub2;' = 6,0 kV eingehalten wird.
  • Wie durch Gleichung (2) für V&sub2; weiter oben ausgedrückt, wird die Primärspannung durch die Zenerspannung begrenzt, so daß demzufolge das Windungsverhältnis der Zündspule erhöht werden muß, um die Sekundärspannung zu erhöhen.
  • Es existiert jedoch eine Grenze für die Erhöhung des Windungsverhältnisses durch Verringerung der Windungszahl der Primärwicklung Der Grund hierfür ist, daß bei einer zu weitgehenden Verringerung der Windungszahl der Primärwicklung die Primärinduktanz klein wird, so daß der Sekundärstrom klein wird, wie dies durch Gleichung (3) ausgedrückt wird, außerdem wird auch die Sekundärenergie kleiner, wie Gleichung (4) verdeutlicht; die Dauer der Funkenentladung wird kurz, so daß eine Verschlechterung des Kaltstartverhaltens und das Verlöschen des Funkens durch Blaswirkung zu erwarten sind.
  • Demgemäß wird bei dieser Ausführungsform die Sekundärinduktanz L&sub2; bestimmt, bei der der Sekundärstrom ein Maximum annimmt, wohingegen die notwendige und hinreichende Zündkerzen- Elektrodenspannung V&sub2;' aus den Gleichungen (3) und (6) bestimmt und das Windungsverhältnis der Primärwicklung und der Sekundärwicklung auf Basis der Induktanz L&sub2; gefunden wird.
  • Die Anstiegscharakteristik des Primärstroms der Spule wird durch Gleichung (5) festgelegt. Für die vorliegende Ausführungsform sind die Primärinduktanz zu 2,1 inh und der Primärwiderstand R&sub1; zu 0,5 Ω gewählt, so daß der Primärstrom innerhalb von 2,2 ms auf 8 A ansteigen kann.
  • Folglich werden das Darlington-Transistorpaar 41 für einen Kollektorstrom von wenigstens 8 A und die Zenerdiode mit einer Durchbruchspannung von wenigstens 350 V gewählt.
  • Im Ergebnis liegt das Windungsverhältnis a der Zündspule, das wenigstens die erforderliche Spannung von 28 kV für den Motor bereitstellen kann, bei 70. Wie nachstehend gezeigt ergibt sich aus Gleichung (3), daß ein Sekundärstrom von 100 mA verwirklicht werden kann:
  • I&sub2; 1/70 × 8[A] = 100 mA
  • Die Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, die vorwiegend auf die Sekundärspannung abzielen, ziehen dabei allgemein das windungsverhältnis heran. Für den Stand der Technik ergibt sich damit nach Gleichung (3) (unter Weglassung von k):
  • I&sub2; 1/85 × 6[A] = 70 mA
  • wobei das Windungsverhältnis a bei 85 liegt und der Primärstrom I&sub1; 6 A beträgt. Folglich wird bei der vorliegenden Erfindung eine Verbesserung beim Sekundärstrom von 57% erzielt.
  • Des weiteren wird für die vorliegende Erfindung bei einer Wahl der Durchbruchspannung der Zenerdiode 5 von wenigstens 400 V nach Gleichung (2) ein Windungsverhältnis a von 64 erhalten:
  • Somit ergibt sich nach Gleichung (3) der folgende Sekundärstrom I&sub2;:
  • I&sub2; 1/64 × 8[A] = 125 mA
  • Damit wird ersichtlich, daß beim Sekundärstrom eine Verbesserung von etwa 80% gegenüber den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik erreicht werden kann.
  • Nach den obigen Ergebnissen kann die Leistung gegenüber den herkömmlichen Vorrichtungen deutlich gesteigert werden, wenn die Durchbruchspannung der Zenerdiode mit wenigstens 350 V, das Windungsverhältnis zwischen 60 und 70 und der Primärstrom zu wenigstens 6 A gewählt werden.
  • Bei Verwendung von Leistungs-Feldeffekttransistoren (Power- FETs) oder bipolaren Isolierschichttransistoren (IGBTS) anstelle des Darlington-Leistungstransistorpaares ist der erzielte Effekt der gleiche. Die Verwendung solcher Halbleiterbauelemente hat den Vorteil, daß der Leistungsbedarf der Ansteuerung verringert wird, da der Ansteuerstrom deutlich herabgesetzt werden kann. Des weiteren können Leistungstreiber mit hoher Durchbruchfestigkeit verwendet werden.
  • Die Sekundärinduktanz kann durch Wahl des Windungsverhältnisses zwischen 60 und 70 und durch Reduktion der Primärinduktanz verringert werden, außerdem kann die Anstiegsgeschwindigkeit des Sekundärstromes ebenfalls erhöht werden. Dementsprechend kann eine Vorrichtung mit verbessertem Startverhalten und hoher Unempfindlichkeit gegen ein Ausblasen des Funkens in Verbindung mit einer Verbesserung beim Sekundärstrom erhalten werden. Zu den Darstellungen der Fig. 9(a), die die Sekundärspannung und den Sekundärstrom einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik zeigen, ist anzumerken, daß bei 2000 U/min beim Zünden der Zündkerze die Sekundärspannung momentan abfällt, danach aber bei einer Motordrehzahl von 2000 U/min und einem Luft/Kraftstoffverhältnis von 13 relativ konstant bleibt. Steigt die Motordrehzahl jedoch auf 3000 U/min und sinkt das Luft/Kraftstoffverhältnis auf einen Wert etwas magerer als 12,6 ab, so erfährt die Sekundärspannung etwa 500 µs nach der Zündung eine Störung, die die Induktionseffekte im Zylinder markiert. Bei 4000 U/min und einem Luft/Kraftstoffverhältnis von 12 ist zu erkennen, daß etwa 400 µs nach der Zündung der Funke ausgeblasen wird. Wenn die Drehzahl auf 6000 U/min erhöht wird und das Kraftstoff/Luftverhältnis 10,8 beträgt, erfolgt das Ausblasen unmittelbar nach der Funkenbildung, so daß keine Verbrennung zustandekommint. Die vergleichbaren Charakteristiken für die vorliegende Erfindung sind in Fig. 9(b) gezeigt, aus der zu erkennen ist, daß bei 6000 U/min, obwohl ebenfalls ein Ausblasen auftritt, dieses um 300 µs verzögert ist, so daß vor dem Ausblasen Gelegenheit zur Entzündung und Verbrennung von Gas gegeben ist. Folglich ist die vorliegende Erfindung in der Lage, ein reineres Abgas zu erzeugen.
  • Die Sekundärinduktanz L&sub2; ist durch die folgende Gleichung (7) gegeben:
  • = a L&sub1; ... (7)
  • L&sub2;: Sekundärinduktanz
  • L&sub1;: primärinduktanz
  • a: Windungsverhältnis
  • Allgemein liegt L&sub1; zwischen 6 und 9 inh, wobei jedoch für DIS- Systeme (Systeme mit Direkteinspritzung) mit einer geringen Anzahl von Verteilungsausgängen P&sub1; bis P&sub6; auch Werte von 2 bis 5 mH verwendet und dadurch erhebliche Verbesserungen erzielt werden können.
  • Einige der gefundenen Werte sind nachstehend zusammengestellt.
  • Im folgenden wird eine detaillierte Untersuchung anhand der Tabellenwerte angestellt.
  • Die Anstiegszeit der in der Sekundärwicklung der Zündspule induzierten Zündfunkenspannung V&sub2; (im folgenden als Anstiegszeit bezeichnet) wird durch die Frequenz f der in der Sekundärwicklung durch die Unterbrechung des Erregerkreises der Primärwicklung der Zündspule induzierten Zündfunkenspannung V&sub2; bestimmt. Je höher die Frequenz ist, desto kürzer wird die Anstiegszeit.
  • Die in der Sekundärwicklung induzierte Zündfunkenspannung V&sub2; ändert sich im wesentlichen sinusförmig, so daß ihre Frequenz demzufolge gleich dem Kehrwert des Produkts aus 2π und der Quadratwurzel des Produkts aus der Sekundärinduktanz L&sub2; und der Sekundärkapazität C&sub2; ist, wie dies die folgende Gleichung ausdrückt:
  • Die Sekundärinduktanz L&sub2; setzt sich aus der Induktanz der Sekundärwicklung der Zündspule und einer vernachlässigbaren, extrem kleinen Induktanz des Zündkerzenkabels zusammen. Demzufolge kann der Induktanzwert der Sekundärwicklung als Sekundärinduktanz L&sub2; betrachtet werden. Die Sekundärkapazität C&sub2; besteht aus der Kapazität der Windungszwischenschicht der Sekundärwicklung der Zündspule, der Kapazität des Zündkerzenkabels, der Zündkerzenkapazität und anderen Streukapazitäten Demzufolge ist der Wert der Sekundärkapazität C&sub2; für jede Zündvorrichtung im wesentlichen konstant und liegt im Fall der DIS bei 25 pF (25 x 10&supmin;¹² Farad). Aus diesem Grund muß für eine Erhöhung der Frequenz der in der Sekundärwicklung der Zündspule induzierten Zündkerzenspannung V&sub2; die Induktanz L&sub2; der Sekundärwicklung der Zündpule verringert werden. Die Zeitdauer des Zündfunkens&sub1; die nachstehend als "Funkendauer" bezeichnet wird, wird durch die in der Primärwicklung der Zündspule gespeicherte Energie Wp bestimmt. Je größer die gespeicherte Energie ist, desto länger wird die Funkendauer. Die in der Primärwicklung der Zündspule gespeicherte Energie Wp ist gleich der Hälfte des Produkts aus der Induktanz L&sub1; der Primärwicklung und dem Quadrat des Primärstroms I&sub1;, wie dies durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird:
  • Wp = L&sub1;(I&sub1;)²/2 Joule ... (9)
  • Der maximal fließende Primärstrom I&sub1; wird durch das Vermögen der Primärwicklung für Aufnahme und Unterbrechung des Stromes bestimmt. Demzufolge muß die Induktanz L&sub1; der Primärwicklung so gewählt werden, daß die zur Erzeugung des maximalen Pnmärwicklungs-Erregerstroms I&sub1; für eine vorbestimmte Funkendauer benotigte gespeicherte Energie Wp erreicht wird. Die Induktanz L&sub2; der Sekundärwicklung der Zündspule ist, wie durch Gleichung (7) weiter oben ausgedrückt, gleich dem Produkt aus der Induktanz L&sub1; der Primärwicklung der Zündspule und dem Quadrat des Windungsverhältnisses N&sub2;/N&sub1; der Primärwicklung und der Sekundärwicklung, das hierin als "Windungsverhältnis" bezeichnet wird.
  • Aus Gleichung (7) ist ersichtlich, daß sich mit kleinerem Windungsverhältnis ein kleinerer Wert der Induktanz L&sub2; der Sekundärwicklung ergibt, und aus Gleichung (8) geht hervor, daß die Frequenz der in der Sekundärwicklung der Zündspule induzierten Zündfunkenspannung V&sub2; umso kleiner ist, je kleiner die Induktanz L&sub2; der Sekundärwicklung ist. Anders gesagt, die für die Zündvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwendende Zündspule muß eine Primärwicklung mit einem entsprechend hohen Induktanzwert haben, um die Energie Wp zu speichern, die ausreichend ist, eine gewünschte Funkendauer bereitzustellen, die durch einen maximalen Speisestrom bewirkt wird, der durch das Stromleit- und -unterbrechungsvermögen der Schalteinrichtung für den Erregerkreis bestimmt ist, und muß ein hinreichend kleines Windungsverhältnis haben, um eine gewünschte Anstiegszeit sicherzustellen.
  • Konstante Parameter für jede Zündvorrichtung sind (a) der maximale primärstrom der Zündspule, der durch das Stromleitund -unterbrechungsvermögen der Erregerkreis- Schaltvorrichtung für die Primärwicklung der Zündspule bestimmt ist, und (b) die maximale Primärspannung V&sub1;, die durch die höchste auftretende Spannung bestimmt ist, die bei der unterbrechungsfunktion der Schaltvorrichtung zum Unterbrechen des Primärstromes auftritt. Um die Schritte zur Herstellung der als Teil für die Zündvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung geeigneten Zündspule zu erläutern, wird angenommen, daß das Stromleit- und -unterbrechungsvermögen der Darlington-Leistungstransistorpaare 41 - 46 bei einer größten Strombelastung von 8 A liegt, und daß die maximale Primärspannung V&sub1;, die zum Zeitpunkt der Unterbrechung als höchste Spannung an der Kollektor-Emitterstrecke anliegt, 350 V beträgt. Des weiteren wird angenommen, daß eine gewünschte Anstiegszeit der in der Sekundärwicklung induzierten Zündfunkenspannung V&sub2; von 0 V auf 28 kV bei 40 µs liegt, und daß die Funkendauer 700 µs beträgt. Die bei der Unterbrechung des Erregerkreises der Primärwicklung der Zündspule in der Sekundärwicklung induzierte Zündfunkenspannung V&sub2; ist nach der obigen Gleichung (2) proportional zum Produkt aus der Primärspannung und dem Windungsverhältnis.
  • Die maximale Primärspannung V&sub1; , die das Darlington- Transistorpaar ohne Beschädigung oder Durchbruch ertragen kann, liegt bei wenigstens 350 V. Wird daher das Windungsverhältnis N&sub2;/N&sub1; mittels Gleichung (2) für V&sub2; gleich 28 kV und VZ gleich 400 V bestimmt, so resultiert für das Windungsverhältnis der Zündspule 11 ein Wert von etwa 64:1, wobei der Lastfaktor α zu ungefähr 1,1 angenommen wird.
  • Die Primärwicklung hat den Induktanzwert L&sub1;. Wenn der maxima le Primärstrom der Zündspule 8 A beträgt und eine ausreichende Speicherenergie Wp gegeben ist, kann die lonisationsenergie wi berechnet werden, die zur Ionisation der Funkenstrecke der Zündkerze, über der der Zündfunke auftritt, notwendig ist, ebenso die Lichtbogen-Brennenergie wa, die erforderlich ist, um diesen Funken für 700 µs aufrechtzuerhalten, und die Verlustenergie we der Zündspule (bei Ionisation), die notwendig ist, um die Energieverluste der Zündspule zu kompensieren. Die Ionisationsenergie wi und die Lichtbogen- Brennenergie wa sind durch die folgenden Gleichungen bestimmt:
  • wobei
  • Ei: erforderliche Spannung für die lonisierung der Funkenstrecke jeder Zündkerze und zur Erzeugung des Funkens
  • C&sub2;: Sekundärkapazität
  • Ea: notwendige Brennspannung zur Aufrechterhaltung des Funkens
  • I&sub2;: Sekundärstrom in Ampere (A)
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Sekundärkapazität 25 pF (25 x 10&supmin;¹² Farad), die Spannung Ei für die 10nisierung der Funkenstrecke jeder Zündkerze und zur Erzeugung des Funkens 15 kV, die Brennspannung Ea für die Aufrechterhaltung des Funkens 1,2 kV, und die Verlustenergie wi der Zündspule beträgt etwa das 0,4fache der Energie der Sekundärwicklung ws.
  • Nach Gleichung (3) kann der Sekundärstrom I&sub2; durch Division des Primärstroms I&sub1; durch das Windungsverhältnis und Multiplikation des Resultats mit einem Kopplungsfaktor von ungefähr 0,9 erhalten werden.
  • Mit I&sub1; gleich 8 A und a gleich 64 liefert Gleichung (3) einen Sekundärstrom 12 von ungefähr 110 mA.
  • Die vorausberechnete Ionisationsenergie wi wird mit Ei gleich 28 kV und C&sub2; gleich 25 pF mittels Gleichung (10) bestimmt. Dabei ergibt sich für die zur Ionisation der Funkenstrecke einer jeden Zündkerze und zur Erzeugung des Funkens notwendige Ionisationsenergie wi ein Wert von 10,125 Millijoule.
  • Um die vorausberechnete Lichtbogen-Brennenergie wa für den Funken zu bestimmen, werden in Gleichung (11) 110 mA für I&sub2; und 700 µs für die Funkendauer eingesetzt. Die Berechnung der Lichtbogen-Brennenergie wa für eine Aufrechterhaltung des Funkens über 700 µs liefert einen Wert wa von 46,2 Millijoules. Die vorausberechnete sekundärseitige Gesamtenergie w&sub5; ist nach Gleichung (12) die Summe aus der Ionisationsenergie wi, der Lichtbogen-Brennenergie wa und der Verlustenergie wl.
  • ws = wi + wa + w&sub1; Millijoule ... (12)
  • Mit 10,125 Millijoule, 46 Millijoule und w&sub1; = (0,4 ws) für wi, wa und w&sub1; in Gleichung (12) ergibt sich die Verlustenergie ws zu 93,54 Millijoule.
  • Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Energiekonversionsrate von der Primärwicklung zur Sekundärwicklung etwa 70%. Demzufolge ist die vorausberechnete Primärenergie wp, die in der Primärwicklung gespeichert wird, durch die folgende Gleichung gegeben:
  • wp = ws/0,7 Millijoule ... (13)
  • Wenn die Energie wp der Primärwicklung aus 93,54 Millijoule für die sekundärseitige Energie ws bestimmt wird, erhält man die vorausberechnete Wicklungsenergie wp zu 133,6 Millijoule.
  • Die Induktanz L&sub1; der Primärwicklung kann durch Division der Primarwicklungsenergie wp durch das Quadrat des Primärstromes I&sub1; und Verdopplung des betreffenden Ergebnisses erhalten werden:
  • Die Bestimmung der Induktanz L&sub1; der Primärwicklung anhand Gleichung (14) mit 133,6 Millijoule für die Primärwicklungsenergie wp und 8 A für den Primärstrom I&sub1; liefert eine Primärinduktanz L&sub1; von 4,175 mH, d.h. ungef ihr 4 mH, die notwendig ist, um beim maximalen Erregerstrom von 8 A die Energie wp in der Primärwicklung zu speichern, die für eine Brenndauer des Funkens von 700 µs benötigt wird.
  • Wie aus Gleichung (7) hervorgeht, ist die Sekundärinduktanz L&sub2; gleich dem Produkt aus der Primärinduktanz L&sub1; und dem Quadrat des Windungsverhältnisses.
  • Die Bestimmung der Sekundärinduktanz mit dem aus Gleichung (14) erhaltenen Wert von 4 mH für die Primärinduktanz L&sub1; und einem Windungsverhältnis von 65 liefert anhand von Gleichung (7) eine Sekundärinduktanz L&sub2; von 16,9 mH.
  • Die Lösung von Gleichung (8) mit 16,9 inh für L&sub2; aus Gleichung (7) und 25 pF (25 × 10¹² Farad) für C&sub2; zur Berechnung der Frequenz f der in der Sekundärwicklung der Zündspule durch die Unterbrechung des Primärstromes induzierten Zündkerzenspannung V&sub2; liefert für diese in der Sekundärwicklung induzierte Frequenz 7752 Hz, so daß die Periode (1/f) einer jeden Schwingung 129 µs beträgt. Da die in der Sekundärwicklung der Zündspule induzierte Spannung bei 90º einer jeden Periode ihren Maximalwert erreicht, erreicht die in der Sekundärwicklung induzierte Spalinung den Spitzenwert nach 32 µs entsprechend 129/4 µs.
  • Die an der Sekundärwicklung der Zündspule auftretende Maximalspannung Ea kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
  • E = 2ws/C&sub2; kV ... (15)
  • Die Ermittlung einer effektiven Spannung Ea aus 93,54 für ws und 25 pF (25 × 10 Farad) für C&sub2; liefert eine effektive Spannung oder Spitzenspannung an der Sekundärwicklung von etwa 28 kV. Da die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung im wesentlichen einen sinusförmigen Verlauf hat, können die Werte für 30º, 45º und 60º dieser induzierten Spannung durch Multiplikation der maximalen Effektivspannung Ea mit dem Sinus von 30º, 45º bzw. 60º berechnet werden.
  • Die Auswirkungen von Schwelen, d.h. einer stark verrußten Zündkerze, sind in Fig. 10 dargestellt, in der bei konstanter Motordrehzahl, konstantem Luft/Kraftstoffverhältnis und gleichbleibender Wassertemperatur das Drehmoment deutlich zurückgeht, wenn die Zündkerze schwelt. Fig. 11 zeigt anhand jeweils zweier beispielhafter Ergebnisse für den Stand der Technik bzw. für die vorliegende Erfindung, daß bei Vorhandensein einer schwelenden Kerze in einem Motor die Zeit bis zum Einstellen eines schlechten Motorzustandes, bei dem das Drehmoment stark abfällt, durch die vorliegende Erfindung gegenüber dem Stand der Technik verdoppelt wird.
  • Da die vorliegende Erfindung den Sekundärstrom der Zündspule deutlich erhöhen kann, ist sie außerdem geeignet, das Kaltstartverhalten zu verbessern, und um eine bestmögliche Verbrennung durch Verringerung des Ausblasens des Zündfunkens bei hohen Drehzahlen oder starker Verwirbelung zu bewirken.

Claims (3)

1. Zündvorrichtung mit Induktivitätsentladung für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Einrichtung (PSW) zum Erzeugen einer an eine Primärwicklung (21) einer Spule (11) anzulegenden Spannung und eine Einrichtung zum Anlegen des Ausgangs dieser Spule an eine Kraftstoff-Zündeinrichtung (P&sub1; - P&sub6;), dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (PSW) zum Erzeugen einer Spannung ein Windungsverhältnis der Sekundärwicklung (31) zur Primärwicklung (21) der Spule (11) von mehr als 60, aber höchstens 70 oder weniger aufweist, wobei die Spannungserzeugungseinrichtung (PSW) eine Spannung von mindestens 350 V über der Primärwicklung (21) bereitstellt, und die Spannungserzeugungseinrichtung (PSW) und die Spule (11) eine Spannung von mindestens 6,0 kV über den Elektroden der Zündeinrichtungen (P&sub1; - P&sub6;) erzeugen, wenn die Zündeinrichtung einen Ableitungswiderstand von 100 kΩ hat.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Windungsverhältnis der Quadratwurzel aus der Induktivität (L&sub2;) der Sekundärwicklung dividiert durch die Induktivität (L&sub1;) der Primärwicklung entspricht
3. Verwendung einer Zündvorrichtung mit Induktivitätsentladung gemäß Anspruch 1 oder 2 für einen Verbrennungsmotor.
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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0663526B1 (de) * 1994-01-12 2010-03-31 Denso Corporation Zündsystem einer inneren Brennkraftmaschine
GB9515272D0 (en) * 1994-12-23 1995-09-20 Philips Electronics Uk Ltd An ignition control circuit, and engine system
DE69626863T2 (de) * 1995-12-13 2003-12-24 Michael A V Ward Induktives hochenergiezündsystem mit niedriger eigeninduktivität
JP4969512B2 (ja) * 1996-03-21 2012-07-04 日立オートモティブシステムズ株式会社 内燃機関用点火装置
JP3893429B2 (ja) * 1997-04-25 2007-03-14 株式会社ルネサステクノロジ イグニッションシステム
US6186130B1 (en) * 1999-07-22 2001-02-13 Delphi Technologies, Inc. Multicharge implementation to maximize rate of energy delivery to a spark plug gap
JP3482161B2 (ja) 1999-08-03 2003-12-22 株式会社日立製作所 内燃機関の点火システム
US6820602B1 (en) 2003-11-26 2004-11-23 Autotronic Controls Corporation High energy ignition method and system
US7165542B2 (en) * 2003-11-26 2007-01-23 Autotronic Controls Corporation High energy ignition method and system using pre-dwell control
JP4416602B2 (ja) * 2004-08-20 2010-02-17 ダイハツ工業株式会社 内燃機関のくすぶり判定方法
EP2018473B1 (de) * 2006-05-18 2015-01-07 North-West University Zündsystem
JP2013160216A (ja) 2012-02-09 2013-08-19 Mitsubishi Electric Corp 点火装置
JP6269271B2 (ja) * 2014-04-10 2018-01-31 株式会社デンソー 内燃機関用点火装置

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3824977A (en) * 1973-11-23 1974-07-23 Gen Motors Corp Internal combustion engine ignition system
JPS5392049A (en) * 1977-01-25 1978-08-12 Ngk Spark Plug Co Ltd Ignition circuit for spark plug of internal combustion engine
US4677960A (en) * 1984-12-31 1987-07-07 Combustion Electromagnetics, Inc. High efficiency voltage doubling ignition coil for CD system producing pulsed plasma type ignition
US4774914A (en) * 1985-09-24 1988-10-04 Combustion Electromagnetics, Inc. Electromagnetic ignition--an ignition system producing a large size and intense capacitive and inductive spark with an intense electromagnetic field feeding the spark
US4662343A (en) * 1986-04-28 1987-05-05 Smith Kenneth H Method and apparatus for generating high voltage pulses
US4903674A (en) * 1989-03-13 1990-02-27 General Motors Corporation Spark developing apparatus for internal combustion engines

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Publication number Publication date
JPH05180134A (ja) 1993-07-20
DE69128079D1 (de) 1997-12-04
US5193514A (en) 1993-03-16
JP2948023B2 (ja) 1999-09-13
EP0521207A1 (de) 1993-01-07
EP0521207B1 (de) 1997-10-29

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