DE9311065U1 - Schaltungsanordnung zur Flammerkennung - Google Patents
Schaltungsanordnung zur FlammerkennungInfo
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Description
WILHELMS · KILIAN & PARTNER
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EUROPEAN PATENT ATTORNEYS MANDATAIREP F.fiJ BBEVETS EL1POPEENS
EUROPEAN PATENT ATTORNEYS MANDATAIREP F.fiJ BBEVETS EL1POPEENS
DR. RER. NAT. ROLF E. WILHELMS DR. RER. NAT. HELMUT KILIAN DIPL.-PHYS. ECKART POHLMANN
DIPL. ING. LEONHARD HAIN
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D-8000 München 90 Telefon (0 89) 65 20 91 Telex 523 467 (wilp-d) Telefax (0 89) 6 51 62 06
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PG/GP 7374-DE
BERU Ruprecht GmbH & Co. KG
D-71636 Ludwigsburg
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Schaltungsanordnung zur Flammerkennung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Flammerkennung für eine Transistorspulenzündung eines Brenners,
die eine Ansteuerstufe aufweist, die einen im Stromkreis der Primärwicklung einer Zündspule liegenden Leistungstransistor
ansteuert.
Eine Transistorspulenzündung, deren Aufbau und Arbeitsweise
an sich bekannt sind, wird als Zündvorrichtung bei mit Gas, Dieselkraftstoff, Benzin oder anderen Brennstoffen betriebenen
Brennern vorgesehen. Es ist dabei erwünscht, die Brennerflamme zu überwachen, d.h. eine Flammerkennung und Zünddiagnose
vorzusehen.
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Aus der DE-OS 3706555 ist es bekannt, zur Flammüberwachung einer Zündeinrichtung in Form einer Glühkerze mit einem
Glühkerzenkörper eine Ionisationselektrode vorzusehen, die in die Glühkerze integriert ist. Bei dieser bekannten Flammüberwachung
ist ein zusätzlicher Schaltungsaufwand zur Ansteuerung notwendig, wobei weiterhin die Zünddiagnose schwierig ist und sich die
Signalauswertung als störanfällig erweist. Von der fertigungstechnischen Sicht ergibt sich darüberhinaus ein
zusätzlicher konstruktiver Aufwand.
Aus der DE-OS 4107335 sind darüberhinaus ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zündüberwachung einer Zündanlage bekannt,
mit denen die Zündanlage auf Nebenschluß und Unterbrechung auf der sekundären Hochspannungsseite überprüft werden kann. Dazu
wird in der Zündungsphase eine Zünddiagnose durchgeführt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht demgegenüber darin die Schaltungsanordnung der eingangs genannten
Art so auszubilden, daß eine sichere Erkennung der Flamme bei geringerem 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 kompletten
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 Zündphase und zwar zusätzlich zu der Flammerkennung in der
Flammerkennungsphase.
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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 Schaltungsanordnung
auftretenden Signalen und
Fig. 5 ein schematisches Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeisp'iels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
In Fig. 1 ist in einem Blockschaltbild eine herkömliche 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 ZDl zur
Spannungsbegrenzung sowie einem Stromsensor R2 zur Stromerfassung. Die Ansteuerstufe der Transistorspulenzündung ist bei
dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Komparator Kl gebildet, an dessen einem Eingang einer von zwei
Stromsollwerten Isolll 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 ZGl
bestimmt, das einen Schalter Sl mit zwei Kontakten für die beiden Stromsollwerte schaltet, so daß je nach Schalterstellung ein
entsprechender Stromsollwert am Eingang des Komparators Kl liegt. Aufgrund dieser Ausbildung ist ein gleichzeitiges Zünden und
Flammerkennen nicht möglich.
Am zweiten Eingang des Komparators Kl 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
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Der Komparator Kl steuert ein Flip-Flop FFl mit einem Takteingang CP an, dessen nichtinvertierender Ausgang Q an einer
Treiberstufe, im vorliegenden Fall aus in Gegentakt geschalteten Transistoren TrIa und TrIb liegt. Der Leistungstransistor Tr2
wird über die Treiberstufe angesteuert, um die Primärwicklung der Zündspule ZS zu laden.
Arbeitsweise und Aufbau einer derartigen Transistorspulenzündung im einzelnen sind an sich bekannt und werden
deshalb nicht naher erläutert.
Während in der Zündphase am Komparator Kl der Stromsollwert Isolll 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 Kl,
der unter dem Stromsollwert Isolll 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
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Elektrodenabstandes gegenüber den Verhältnissen bei ruhendem Gasgemisch entspricht. Diese Einstellung kann über eine
entsprechende Wahl der Höhe des Wertes IS0112 am Komparator Kl erfolgen, was beispielsweise mittels eines eine variable Spannung
liefernden Generators, beispielsweise eines Rampengenerators statt des Schalters Sl möglich ist.
Ein Funkenüberschlag wird über eine Flammenerkennungseinrichtung überwacht, die gemäß Fig. 1 aus einem Gleichrichter
Girl, einem Speicherglied in Form eines RC Gliedes R3, C2 sowie
einem Komparator K2 besteht, 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 Dl 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 zuverlässige Aussage über die Funktion der Zündung zu erhalten,
kann zusätzlich eine Zünddiagnoseeinrichtung ZuDl vorgesehen
sein, die in der Zündphase die Zündanlage auf Nebenschluß und Unterbrechung 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 Al angezeigt
und zur Kenntnis gebracht, an der die Ausgangssignale des Komparators K2 für die Flammerkennung sowie der Zünddiagnoseeinrichtung
ZüDl liegen.
Im folgenden wird anhand der Figuren 2 bis 4 die Arbeitsweise des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung im einzelnen erläutert.
Bei Anschalten der Batteriespannung +Ub liegt am Komparator Kl der Referenzwert Isolll. Das bedeutet, daß sich die Zündung
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in der Zündphase befindet, deren Dauer durch das Zeitglied ZGl bestimmt ist. In dieser Zündphase erfolgt neben der Zündung eine
gleichzeitige Zünddiagnose über die Zünddiagnoseeinrichtung ZuDl so daß die Funkenstrecke FS auf Unterbrechungen und Nebenschluß
der Elektroden untersucht wird.
Nach Ablauf der Zündphase schaltet das Zeitglied ZGl über den Schalter Sl den Referenzwert Isoll2 an den Komparator Kl.
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 Dl 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
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verrichtenden Ionisierungsarbeit erklären, so daß der Energiebedarf für den Funkenüberschlag wesentlich geringer als
bei nicht ionisierten 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 Dl an, wie es in Figur 4
dargestellt ist.
Das am Punkt A anliegende Signal mit oder ohne Impulsspitzen (Fig. 3, Fig. 4) wird über den Gleichrichter Girl 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 Al 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 unterscheidet,
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 Schaltungs-einrichtung aus einem Zeitglied ZG und einem durch das
Zeitglied ZG betätigten Schalter Sl bestand, wird bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel diese Schaltungseinrichtung
von einem Rampengenerator RGl gebildet, dessen Ausgangsspannung in Form eines Wertes Irp am Komparator Kl liegt.
Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel der
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erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung unterscheidet sich weiterhin von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
dadurch, daß der Wert list d.h. der Stromistwert des über die Primärwicklung der Zündspule ZS bei durchgeschaltetem Leistungstransistor Tr2 fließenden Stromes nicht nur am Eingang des
Komparators Kl sondern auch an einer als Signalauswerteeinrichtung ausgebildeten Anzeigeeinrichtung Al liegt.
Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel ist insbesondere dazu geeignet, über die Amplitude der Flammerkennungsimpulse
eine Aussage über die Strömungsgeschwindigkeit der Flamme oder des Gasgemisches im Brennraum zu treffen. Dazu werden an die
Funkenstrecke FS Impulse mit steigender Spannungsamplitude geschaltet. Das wird über den Rampengenerator RGl erreicht, dessen
Ausgangsspannung mit der Zeit linear ansteigt. Durch die dementsprechende kontinuierliche Erhöhung des Primärladestroms list,
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 Girl, dem Integrationsglied R3, C2 über den Komparator K2 das
Signal Uout, das an der Anzeigeeinrichtung Al liegt. Der Wert des
Primärladestromes list, der zu diesem Zeitpunkt d. h. zu dem Zeitpunkt, an dem das Signal Uout am Komparator K2 auftritt,
liegt gleichfalls an der Anzeigeeinrichtung Al. Die Anzeigeeinrichtung
Al ist als Signalverarbeitungseinrichtung so ausgebildet, daß die Eingangswerte gespeichert und als Maß für
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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 Transistorspulenzündung eines Brenners, die eine Ansteuerstufe
aufweist, die einen im Stromkreis der Primärwicklung einer Zündspule liegenden Leistungstransistor ansteuert, gekennzeichnet
durch
- eine Schaltungseinrichtung (ZGl, Sl; RGl), die in einer Flammerkennungsphase den über die Primärwicklung der Zündspule
(ZS) fließenden Ladestrom auf eine Stärke begrenzt, die unter der für die Erzeugung eines Zündfunkens in der Zündphase notwendigen
Ladestromstärke liegt, und
- eine Auswerteschaltung (Girl, R3, C2, K2), die das nach
Unterbrechung des über die Primärwicklung der Zündspule (ZS) fließenden Ladestromes auftretende Signal von der Primärwicklung
der Zündspule (ZS) in ein Anzeigesignal für das Vorliegen oder Fehlen einer Flamme im Brenner verarbeitet.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtung (ZGl, Sl) aus einem
Zeitglied (ZGl) und einem durch das Zeitglied (ZGl) betätigten Schalter (Sl) besteht, der je nach Schalterstellung den
Stromstärkewert für die Flammerkennung oder für die Zündung an einen Eingang eines !Comparators (Kl) 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 (RGl), aus einem Rampengenerator besteht, der eine linear ansteigende
Ausgangsspannung liefert, die am Eingang eines Komparators (Kl) in der Ansteuerstufe der Transistorspulenzündung liegt, an dessen
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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 (Girl, R3, C2, K2) an einer
Signalverarbeitungsschaltung (Al) liegt, die eine dem Anzeigesignal entsprechende Anzeige liefert und die Eingangssignale in
ein Maß für die Geschwindigkeit der Flamme und/oder der Geschwindigkeit des Brenngasgemisches verarbeitet.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3 , dadurch
gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (Girl, R3, C2, K2)
einen weiteren Komparator (K2) aufweist, der das über einen Gleichrichter (Girl) und ein Integrationsglied (R3, C2) integrierte
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 (Al) liegt.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Zünddiagnoseeinrichtung (ZüDl), deren Ausgangssignal an der
Anzeigeeinrichtung (Al) liegt.
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