NL1019448C2 - Verbrandingsmotor en ontstekingscircuit voor een verbrandingsmotor. - Google Patents

Description

Titel: Verbrandingsmotor en ontstekingscircuit voor een verbrandingsmotor

De uitvinding heeft betrekking op een verbrandingsmotor en ontsteking voor een verbrandingsmotor. De uitvinding heeft met name betrekking op een verbrandingsmotor omvattend een cilinder met een bougie, een electrische gelijkspanningsvoeding en een ontstekingscircuit, 5 welk ontstekingscircuit is voorzien van een schakelende inrichting en een transformator met een primaire wikkeling, die via de schakelende inrichting aan de voeding gekoppeld is, en een secundaire wikkeling die aan de bougie gekoppeld is.

Verbrandingsmotoren voorzien van bougies voor het onsteken van 10 een gasmengsel in een cilinder zijn algemeen bekend. Dergelijke motoren zijn voorzien van een bobine, die in wezen een transformator is met een schakelaar tussen een primaire wikkeling van de transformator en een electrische voeding zoals een accu en een koppeling van de secundaire wikkeling naar de bougie. De bobine zorgt voor een hoge spanning over de 15 electrodes van de bougie, die leidt tot een vonkoverslag waardoor het gasmengsel ontstoken wordt.

US octrooischrift No. 5,456,214 beschrijft een ontstekingscircuit voor een verbrandingsmotor. Dit ontstekingscircuit bevat een condensator die een resonantiekring vormt met een serieschakeling van de primaire 20 wikkeling en een aanvullende spoel. Om hoge spanningen te genereren wordt eerst de condensator opgeladen, terwijl een schakelaar het stroompad door de primaire wikkeling en de aanvullende spoel onderbroken houdt. Vervolgens wordt de schakelaar geleidend gemaakt. Dit leidt tot een gedempte oscillatie met spanningspieken die via de transformator tot de 25 gewenste hoge spanningen over de electrodes van de bougie leiden. Bij de eerste spanningspiek ontstaat een electrische doorslag door het gasmengsel waardoor een doorslagbaan door het gasmengsel tussen de electrodes 2 geleidend wordt. Vervolgens leidt de rest van de oscillaties tot een oscillerende stroom door de doorslagbaan. Zodoende wordt het gasmengsel verhit tot een temperatuur waarop ontbranding optreedt.

Een belangrijke parameter van een dergelijke ontsteking is de 5 energie die ermee op de bougie wordt overbracht. Verder is erosie van de bougies tengevolge van de ontlading een belangrijke parameter.US octrooischrift No. 5,456,214 beschrijft hoe de schakelaar voor dezelfde ontbranding meerdere keren geleidend en niet geleidend gemaakt wordt. Zodoende kan de condensator meerdere malen opgeladen worden en wordt 10 meer energie op de bougie overgebracht dan met een enkele keer schakelen met de schakelaar. De frequentie van de oscillatie van schakelen wordt verhoogd, wat de erosie van de bougie vermindert.

US octrooischrift No. 5,456,214 beschrijft ook hoe de hoeveelheid energie die van de voeding aan het gasmengsel kan worden overgebracht 15 afneemt, naarmate het toerental van de motor toeneemt. Dit effect wordt weliswaar tegengegaan door de frequentie waarmee de schakelaar aan- en uitgeschakeld wordt te verhogen bij hogere toerentallen, maar desalniettemin neemt de hoeveelheid energie bij hogere toerentallen af. Dit komt omdat bij hoge toerentallen de tijd tussen opeenvolgende 20 ontbrandingen van het gasmengsel steeds meer in de buurt komt van de oplaadtijd die nodig is om de resonantiekring op te laden. Deze oplaadtijd is vrij groot, omdat voor de opslag van voldoende energie voor het onsteken van het gasmengsel een vrij grote zelfinductie van de primaire wikkeling nodig is.

25

Het is, onder meer, een doel van de uitvinding om te voorzien in een verbrandingsmotor en een ontstekingscircuit voor een dergelijke verbrandingsmotor die deze problemen verminderen.

De verbrandingsmotor volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat 30 de schakelende inrichting een schakelaar tussen de gelijkspanningsvoeding 3 en de primaire wikkeling omvat en ingericht is om tenminste twee maal per ontbranding in de cilinder een stroom die nagenoeg geheel vanuit de gelijkspanningsvoeding door de primaire wikkeling loopt aan en uit te schakelen. Zodoende wordt de primaire wikkeling tijdens de ontbranding 5 herhaald vanuit de gelijkspanningsvoeding van energie voorzien zonder gebruik te maken van energie die in een resonantiekring is opgeslagen.

Door dit met een voldoende hoge frequentie te doen kan voldoende energie voor de ontbranding aangevoerd worden zonder dat energie uit een resonantiekring nodig is. Zodoende kan volstaan worden met een primaire 10 wikkeling met een lage zelfinductie, die sneller weer opgeladen kan worden, zodat er minder problemen ontstaan bij hoge toerentallen. Een resonant circuit is nu niet meer nodig om voldoende energie voor de ontbranding op te wekken. Verder is ook de erosie van de electrode van de bougie minder omdat de hoeveelheid lading kleiner is die bij de initiële doorslag met een 15 hoog electrisch veld in het dan nog isolerende gasmengsel op de electrode slaat.

In een uitvoeringsvorm van de verbrandingsmotor volgens de uitvinding is de duty cycle en/of de frequentie waarmee de schakelinrichting de voeding met de primaire wikkeling verbindt moduleerbaar. Zodoende kan 20 de hoeveelheid energie die aan de bougie toegevoerd wordt ingesteld worden, bijvoorbeeld afhankelijk van de toestand van de motor, een gemeten ontbrandingsgraad van eerdere gasmengsels, de beschikbare voedingsspanning enzovoort. Ook kan de hoeveelheid energie van opeenvolgende periodes waarin de verbinding geleidend gemaakt wordt bij 25 een enkele ontbranding variabel gemaakt worden, bijvoorbeeld door meer energie per tijdseenheid toe te voeren met latere pulsen om zo vonkerosie te verminderen.

De frequentie waarmee stroompulsen uit de voeding door de primaire wikkeling geleid worden ligt bijvoorkeur hoog boven het toerental 30 van de motor bijvoorkeur zo hoog als praktisch mogelijk is, bijvoorbeeld 4 boven de tien kiloherz, of in een bereik van 10-100 kHz. Dit is met een hoogfrequent generator eenvoudig te realiseren. Zodoende kan met een kleine transformator worden volstaan en treedt bij hoge toerentallen van de motor geen afname van de energie op die aan de bougie wordt geleverd.

5

Deze en andere doelstellingen en voordelen van de verbrandingsmotor en ontsteking volgens de uitvinding zullen nader worden besproken aan de hand van de volgende figuren.

10 Figuur 1 toont een ontstekingscircuit

Figuur 2 toont een schakelpatroon

Figuur 3 toont een hoogfrequentgenerator

Figuur 1 toont een ontstekingscircuit. Het ontstekingscircuit bevat 15 een motor management systeem 10, een voeding 12, een aantal hoogfrequent generatoren 14a-d, een aantal transformatoren 16a-d, een aantal bougies 18a-d in cilinders 19a-d. Elke hoogfrequent generator 14a-d heeft een uitgang die aan een primaire wikkeling van een respectievelijke transformator 16a-d gekoppeld is. De secundaire wikkelingen van de 20 transformatoren 16a-d zijn aan electrodes van de bougies 18a-d gekoppeld.

In bedrijf worden periodiek gasmengsels in de cilinders 19a-d tot ontbranding gebracht door vonkontlading door de bougies 18a-d. Het motor management systeem 10 bepaalt wanneer welke bougie 18a-d een gasmengsel tot ontbranding moet brengen. Wanneer dit het geval is stuurt 25 het motor management systeem 10 een stuursignaal naar de hoogfrequent generator 16a-d die aan de betrokken bougie 18a-d gekoppeld is. De desbetreffende hoogfrequent generator 16a-d genereert daarop een reeks pulsen waarin de primaire wikkeling met de voeding 12 verbonden wordt.

Figuur 2 toont een schakelpatroon van de ontsteking van figuur 1. 30 Een eerste aantal signalen 20a-d toont stuurpulsen 21 van het

10 t r J V

5 motormanagement systeem 10 voor respectievelijke hoogfrequent generatoren 12a-d in verschillende signalen. Het motor management systeem 10 stuurt een puls 21 telkens wanneer een gasmengsel in de betrokken cilinder 19 tot ontbranding gebracht moet worden. Een tweede 5 aantal signalen 22a-d toont pulsen 23 die elk een tijdsinterval aangeven waarin hoogfrequent generatoren 14a-d de primaire wikkelingen van de verschillende transformatoren 16a-d met de voeding 12 verbindt. Voor elke puls 21 van het motor management systeem 10 genereert een hoogfrequent generator 14a-d een groot aantal van dergelijke pulsen 23. Daardoor wordt 10 telkens energie van de voeding in de primaire wikkeling van de transformator 16a-d geleid en via de secundaire wikkeling naar de bougie 18a-d.

Zoals getoond is er geen condensator parallel met de primaire wikkeling van de transformatoren 16a-d opgenomen. Dit is niet nodig omdat 15 het circuit niet berust op oscillerende uitwisseling van energie tussen de primaire wikkelingen en een condensator. De stroom door de primaire wikkelingen wordt volledig bepaald door de hoogfrequent generatoren 14a-d. Voor zover er als sprake is van een resonant circuit aan de uitgang van de hoogfrequent generatoren 14a-d waarvan een primaire wikkeling deel 20 uitmaakt (bijvoorbeeld als gevolg van parasitaire capaciteiten) ligt de resonantie frequentie veel hoger dan de frequentie waarmee de hoogfrequent generatoren 14a-d de pulsen 23 afgeven.

Doordat de volle energie zodoende niet op een enkel tijdstip in de primaire wikkeling hoeft te worden opgeslagen kan volstaan worden met 25 een betrekkelijke kleine zelfinductie van bijvoorbeeld rond de 10 milliHenry voor deze wikkelingen (of in het bereik van 3-30 milliHenry). Voor dergelijke betrekkelijk kleine zelfinducties is het eenvoudig transformatoren te maken die tot vrij hoge frequenties tot boven 100kHz weinig verliezen hebben. Zodoende kan worden gewerkt met frequenties voor de pulsen 23 die uit de 6 hoogfrequent generatoren 14a-d komen in een bereik van 10 tot minstens 100 Kilohertz.

Figuur 3 toont een voorbeeld van een hoogfrequent generator voor gebruik in een ontsteking zoals die in figuur 1 getoond is. Figuur 3 toont de 5 transformator 30, met de primaire wikkeling 31 en de secundaire wikkeling 32. De primaire wikkeling 31 heeft aansluitingen 33a,b aan de uiteinden en een aansluiting 34 in het midden.

De schakeling omvat verder een spanningsbron 36, transistoren 35a,b en een stuurcircuit 37. De spanningsbron 36, bijvoorbeeld een accu, is 10 tussen de midden aansluiting 34 en aan een gemeenschappelijke verbinding 38 gekoppeld. Het stuurcircuit 37 heeft stuuruitgangen gekoppeld aan de stuurelectrodes van de transistoren 35a,b. Elke transistor 35a,b heeft een hoofdstroomkanaal dat tussen één van de eindaansluitingen 33a,b en de gemeenschappelijke verbinding 38 gekoppeld is.

15 In bedrijf ontvangt het stuurcircuit 37 een synchronisatiesignaal dat aangeeft wanneer het gasmengsel in een cilinder tot ontbranding moet worden gebracht. Het stuurcircuit 37 genereert daarop een reeks pulsen op de stuurelectrodes van de uitgangstransistoren 35a,b, telkens eerst een puls op de stuurelectrode van een eerste uitgangstransistor 35a vrijwel direct 20 gevolgd door een puls op de stuurelectrode van een tweede uitgangstransistor 35b. De pulsen maken het hoofdstroomkanaal van de betrokken uitgangstransistoren 35a,b gedurende de puls geleidend. Zodoende stromen er afwisselend pulsvormige stromen in onderling tegengestelde richtingen door een deel van de primaire wikkeling 31. Deze 25 stromen wekken magneetvelden op die in de secundaire wikkeling 32 spanning opwekken die over de electroden van een bougie (niet getoond) gezet worden.

Door gebruik te maken van een tweetal uitgangstransistoren 35a,b die afwisselend tegengestelde velden opwekken wordt de energie dissipatie 30 in de uitgangstransistoren 35a,b beperkt. Bijvoorkeur bevat de 7 transformator 30 een magneetkern, bijvoorbeeld van ferriet, om de primaire wikkeling 31 en de secundaire wikkeling 32 te koppelen. Door het afwisselend gebruik van de uitgangstransistoren 35a,b wordt er bovendien voor gezorgd dat het veld in de magneetkern gemiddeld nul is, zodat de 5 magneetkern optimaal kan worden uitgestuurd. Zonder van de uitvinding af te wijken kan echter ook worden volstaan met een enkele uitgangstransistor waarbij deze uitgangstransistor en de spanningsbron 36 aan tegenovergestelde uiteinden 31 van de primaire wikkeling gekoppeld worden.

10 Het zal duidelijk zijn dat de uitgangstransistor of transistoren van de hoogfrequent generator bijvoorkeur schakelt tussen een toestand waarin deze transistor zoveel mogelijk geleidt en een toestand waarin deze zo min mogelijk geleidt. Zodoende wordt een minimum aan energie in de hoogfrequent generator gedissipeerd. Zonder van de uitvinding af te wijken 15 kan echter ook meer geleidelijk geschakeld worden, waarbij de spanningsval over de uitgangstransistor meer geleidelijk gestuurd wordt door het stuursignaal op de stuurelectrode.

Het stuurcircuit 37 stuurt de hoeveelheid vermogen die aan de bougie wordt toegevoerd door instelling de breedte van de pulsen op de 20 stuurelectroden van de transistoren 35a,b. In beginsel kan het stuurcircuit 37 daarbij de herhalingsfrequentie waarmee het de pulsen afgeeft constant houden, of onafhankelijk van de pulsbreedte variëren. Ook kan de afstand tussen de pulsen op de stuurelectrodes van verschillende transistoren 35a,b vrij ingesteld worden, waarbij echter bijvoorkeur overlap tussen de pulsen 25 vermeden wordt, daar deze niet tot energieoverdracht leidt.

Meer algemeen is de duty cycle, dat wil zeggen de fractie van de tijd dat de hoogfrequent generator 16a-d de primaire wikkeling met de voeding 12 verbindt moduleerbaar. Zodoende kan de hoeveelheid energie die aan de bougie 18a-d wordt toegevoerd geregeld worden. Ook kan de 8 hoeveelheid energie geregeld worden door regeling van de frequentie van de pulsen 23 bij vaste pulsbreedte.

Deze regeling of regelingen staan bijvoorkeur onder besturing van een signaal van het motor management systeem 10, die de duty cycle 5 bijvoorbeeld afhankelijk van de toestand van de motor (temperatuur, toerental etc.) stuurt om voor een optimale ontbranding van het gasmengsel te zorgen met een minimaal energie gebruik uit de voeding.

Claims (5)

1. Verbrandingsmotor omvattend een cilinder met een bougie, een electrische gelijkspanningsvoeding en een ontstekingscircuit, welk ontstekingscircuit is voorzien van een schakelende inrichting en een transformator met een primaire wikkeling, die via de schakelende inrichting 5 aan de voeding gekoppeld is, en een secundaire wikkeling die aan de bougie gekoppeld is, met het kenmerk dat de schakelende inrichting een schakelaar tussen de gelijkspanningsvoeding en de primaire wikkeling omvat en ingericht is om tenminste twee maal per ontbranding in de cilinder een stroom die nagenoeg geheel vanuit de gelijkspanningsvoeding door de 10 primaire wikkeling loopt aan en uit te schakelen.

2. Verbrandingsmotor volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de schakelende inrichting ingericht is om een duty cycle van het maken van de electrische verbinding te moduleren.

3. Verbrandingsmotor volgens conclusie 2, met het kenmerk deze 15 voorzien is van een besturingsinrichting voor het sturen van het moduleren afhankelijk van een motortoestand.

4. Verbrandingsmotor volgens conclusie 2, met het kenmerk dat de schakelende inrichting ingericht is om met een frequentie van tenminste tien kilohertz de electrische verbinding tussen de voeding en de primaire 20 wikkeling geleidend te maken en te onderbreken.

5. Ontstekingscircuit voor gebruik in een verbrandingsmotor volgens één der voorafgaande conclusies.