DE19652267A1

DE19652267A1 - Induktives Spulenzündsystem für einen Motor

Info

Publication number: DE19652267A1
Application number: DE19652267A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Bentel; Helmut Schmied; Thomas Capouschek
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-12-16
Filing date: 1996-12-16
Publication date: 1998-06-18
Also published as: EP0848161B1; EP0848161A3; US5970965A; DE59710262D1; EP0848161A2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein induktives Spulenzündsy stem für einen Motor, mit zumindest einer Zünd spule, die eine von einer Spannungsquelle gespei ste, zwei Anschlüsse aufweisende Primärwicklung und eine ebenfalls zwei Anschlüsse aufweisende Sekun därwicklung umfaßt.

Induktive Spulenzündsysteme für Motoren, insbeson dere Kfz-Motoren sind allgemein bekannt. Die in solchen Systemen eingesetzte Zündspule weist eine Primärwicklung auf, die periodisch mit einem Pri märstrom beaufschlagt wird. Dieser Strom dient zum Aufbau eines Magnetfelds in der Spule, das als En ergiespeicher dienen soll. Zum gewünschten Zünd zeitpunkt wird der Primärstrom unterbrochen. Die im Magnetfeld gespeicherte Energie sorgt dann für einen steilen Anstieg der Spannung an der Sekundär wicklung mit dem Ergebnis eines Funkenüberschlags in der Zündkerze und einem entsprechend steilen An stieg des Sekundärstroms. Die in der Spule gespei cherte magnetische Energie fließt stetig als elek trische Energie in den Funken ab.

Bei modernen Zündsystemen besteht heutzutage die Forderung, möglichst genau verbrennungsspezifische Parameter zu messen und anhand dessen die Zündung zu optimieren. Ein aus dem Stand der Technik be kanntes Verfahren zur Ermittlung solcher Verbren nungsparameter ist in dem Ionenstrom-Meßverfahren zu sehen.

Da das Ionenstrom-Meßverfahren einen erloschenen Zündfunken erfordert, ist es bei den bekannten Zündsystemen, bei denen der Sekundärstrom langsam abklingt, nicht einsetzbar. Zur Erfassung bei spielsweise der Klopfneigung eines Motors sind vielmehr andere aufwendigere Meßsysteme notwendig.

Vorteile der Erfindung

Das induktive Spulenzündsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß es den Einsatz eines Ionenstrom-Meßverfahrens er möglicht, so daß eine kostengünstige Gesamtlösung erreichbar ist. Dadurch, daß eine parallel zur Pri märwicklung angeordnete Schaltvorrichtung zu einem vorbestimmbaren Zeitpunkt die beiden Anschlüsse der Primärwicklung elektrisch verbindet, wird die ma gnetische Energie in der Spule über die Primärwick lung abgebaut, so daß der Sekundärstrom abrupt ab fällt. Bedingt durch diesen Stromabfall erlischt der Zündfunke, so daß unmittelbar danach eine Io nenstrom-Messung möglich ist. Das parallel zur Pri märwicklung angeordnete Schaltelement wird über einen Steuereingang von einem in einer speziellen Ansteuerschaltung erzeugten Steuersignal angesteu ert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbei spielen mit Bezug auf die Zeichnungen näher be schrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines induktiven Spulen zündsystems mit einer Ionenstrom-Meßvor richtung;

Fig. 2 ein Diagramm der Spannungs- und Stromver läufe, und

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines in duktiven Spulenzündsystems.

Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein induktives Spulenzündsystem 1, das zur Ansteuerung einer Zündkerze 3 dient, die beispielsweise einem Zylinder eines Kfz-Motors zu geordnet ist. Wesentlicher Bestandteil eines sol chen Spulenzündsystems ist eine Spule 5, die eine Primärwicklung 7 und eine Sekundärwicklung 9 auf weist. Eine Anschlußseite 11 der Primärwicklung 7 ist an den Pluspol einer Gleichspannungsquelle, vorzugsweise einer Batterie angeschlossen, der an dere Anschluß 13 an den Kollektor eines Transistors T2, dessen Emitter an Masse liegt. Bei dem Transi stor T2 handelt es sich vorzugsweise um einen 3-fach-Dar lington-Transistor. Die Basis des Transi stors T2 wird mit einem Zündsignal A beaufschlagt.

Auf der Sekundärseite der Spule 5 ist ein erster Anschluß 15 der Sekundärwicklung 9 mit einem Pol der Zündkerze verbunden, deren anderer Pol an Masse liegt.

An den zweiten Anschluß 17 der Sekundärwicklung 9 ist eine Kathode einer Diode D1 angeschlossen, de ren Anode mit Masse verbunden ist.

Parallel zu der Primärwicklung 7 ist ein Schaltele ment 19, beispielsweise ein Thyristor vorgesehen, dessen einer Anschluß 21 mit dem Anschluß 13 und dessen zweiter Anschluß 23 mit dem ersten Anschluß 11 der Primärwicklung verbunden ist. Einem Steuereingang 25 des Schaltelements 19 wird ein An steuersignal zugeführt, das von einer Ansteuer schaltung 27 erzeugt wird.

Die Steuerung der Ansteuerschaltung 27 erfolgt über ein Steuersignal B.

Der Sekundärseite der Spule 5 ist eine Ionenstrom-Meß vorrichtung 31 zugeordnet, die einen über die Kerze fließenden Ionenstrom nach Erlöschen des Zündfunkens mißt. Anhand dieses Meßwerts ist es möglich, Rückschlüsse auf den Ablauf der Verbren nung zu ziehen. Die Ionenstrom-Meßvorrichtung um faßt eine Reihenschaltung aus einem Meßwiderstand R_M und einer Diode D2, wobei die Anode dieser Diode mit dem Widerstand verbunden ist. Der andere An schluß des Meßwiderstands R_M ist an eine Meßspan nung U_M angeschlossen, während die Kathode der Di ode D2 mit dem zweiten Anschluß 17 der Sekundär wicklung 9 in elektrischer Verbindung steht. Die an dem Meßwiderstand R_M abfallende Spannung wird einem Meßverstärker, vorzugsweise einem Operationsver stärker zugeführt, der ein Differenzsignal S er zeugt und einer Auswerteeinrichtung zuführt. Für den Einsatz der Ionenstrom-Meßvorrichtung ist es wichtig, daß der durch das Magnetfeld der Spule er zeugte Sekundärstrom auf Null abgesunken und damit der Zündfunken erloschen ist. Solange ein Zünd funken existiert, ist eine Ionenstrom-Messung nicht möglich.

Anhand der Spannungs- und Stromdiagramme in Fig. 2 soll nun die Funktion des induktiven Spulenzündsy stems 1 erläutert werden.

Wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten in duktiven Spulenzündsystemen wird das Zündsignal A zu einem Zeitpunkt t1 auf einen Spannungspegel "1" (beispielsweise 5 V) gesetzt, mit der Folge, daß der Transistor T2 leitend wird. Damit fließt ein Primärstrom I_prim von der Batteriespannung U_bat über die Primärwicklung 7 und die Kollektor-Emit ter-Verbindung des Transistors 2 zur Masse. Auf grund der Induktivität der Spule 5 steigt der Strom I_prim exponentiell an. Dieser Primärstrom I_prim dient dazu, ein magnetisches Feld in der Spule 5 aufzubauen, das die für die Zündung notwendige En ergie liefern soll. Zu einem gewünschten Zündzeit punkt t_Z wird das Zündsignal A auf das Potential "0" (beispielsweise 0 V) gesetzt. Der Transistor T2 fällt zurück in den sperrenden Zustand mit der Folge, daß der Primärstrom nicht mehr zur Masse ab fließen kann. Wie aus dem Diagramm deutlich zu er kennen, fällt er auf den Wert 0 zurück.

Dieser Stromabfall in der Primärwicklung führt zu einer Induktion einer sehr großen Spannung in der Sekundärwicklung 9. Sobald die Spannung ausreichend groß ist, entsteht ein Zündfunke in der Zündkerze 3 bei gleichzeitigem steilen Anstieg des Sekundär stroms I_sek, wie in Fig. 2 zu erkennen. Die in der Spule gespeicherte magnetische Energie wird nun in elektrische Energie umgewandelt, so daß weiter hin ein Sekundärstrom über die Kerze zur Masse fließt, wobei der Stromwert über der Zeit abnimmt.

Nach einer definierbaren Zeitdauer t_Funke wird zu einem Zeitpunkt t2 das einen "1" Pegel aufweisende Steuersignal B auf einen "0" Pegel gesetzt. Damit wird von der Ansteuerschaltung 27 das Schaltelement - 19 über den Steuereingang 25 in den leitenden Zu stand geschaltet. Damit wird eine elektrische Ver bindung zwischen den beiden Anschlüssen 11, 13 der Primärwicklung 7 geschaffen, so daß ein weiterer Abbau der in der Spule gespeicherten magnetischen Energie über den Primärstrom I_prim erfolgt. Im Diagramm gemäß Fig. 2 ist zu erkennen, daß der Primärstrom I_prim zum Zeitpunkt t2 deutlich angestiegen ist und langsam über die Zeit abklingt, bis die gespeicherte magnetische Energie auf den Wert 0 abgesunken ist.

Gleichzeitig mit dem Fließen eines Primärstroms I_prim zum Zeitpunkt t2 fällt der Sekundärstrom I_sek auf den Wert 0 ab.

Es ergibt sich also, daß bereits nach einer kurzen Zeitdauer t_funke der Sekundärstrom auf 0 abgesunken und damit eine Ionenstrom-Messung möglich ist. Hierzu wird kurz nach dem Zeitpunkt t2 eine Meß spannung U_M in der Ionenstrom-Meßvorrichtung einge schaltet, die einen über den Meßwiderstand R_M, die Diode D2, die Sekundärwicklung 9 und die Kerze 3 fließenden Strom erzeugt. Die Höhe dieses Ionen stroms hängt insbesondere von den Verbrennungsver hältnissen innerhalb des der Kerze 3 zugeordneten Zylinders ab. Der Stromwert selbst läßt sich durch Abgreifen des an dem Meßwiderstand R_M entstehenden Spannungsabfalls bestimmen.

Anhand des gemessenen Ionenstroms läßt sich bei spielsweise beurteilen, ob die Verbrennung zu früh stattgefunden hat mit der sich daraus ergebenden Gefahr des Klopfens. Ebenfalls ist es möglich, festzustellen, ob überhaupt eine Verbrennung statt gefunden hat. Die gemessenen Werte fließen dann beispielsweise in die Neubestimmung der Zündwinkel und die Diagnose des Zündsystems ein.

Fig. 3 läßt ein Zündsystem erkennen, das aus meh reren Zündspulen aufgebaut ist. Derartige Systeme werden in mehrzylindrigen Motoren eingesetzt, wobei beispielsweise jedem Zylinder eine Zündspule zuge ordnet ist.

Die gestrichelt umrandeten Einzelsysteme 1.1, 1.2 und 1.3 entsprechen in ihrem Aufbau und ihrer Funk tionsweise dem Zündsystem gemäß Fig. 1, weshalb auf eine nochmalige Beschreibung der mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichneten Teile verzichtet wird.

Von Bedeutung ist jedoch, daß für die in Fig. 3 gezeigten drei Zündspulensysteme 1.1 bis 1.3 ledig lich eine Ansteuerschaltung 27 mit einem Schaltele ment 19 und eine Ionenstrom-Meßvorrichtung 31 vor gesehen sind. Die Anschlüsse 13 der drei Spulen 5 sind über jeweils eine Diode 35 mit dem Anschluß 21 des Schaltelements verbunden, wobei jeweils die An ode einer Diode 35 am Anschluß 13 liegt. Diese Ver schaltung ermöglicht eine sehr kostengünstige Re alisierung eines induktiven Spulenzündsystems auch bei mehrzylindrigen Motoren, da nur ein Schaltele ment und eine Ansteuerschaltung 27 notwendig sind.

Die Ionenstrom-Meßvorrichtung 31 ist jeweils mit allen Anschlüssen 17 der Sekundärwicklungen 9 der Spulenzündsysteme 1.1 bis 1.3 verbunden, so daß auch hier bauliche Einsparungen realisiert sind.

Selbstverständlich lassen sich Spulenzündsysteme aufbauen, die mehr als die in Fig. 3 gezeigten drei Einzelspulen aufweisen. Die Spulen selbst kön nen als Einzelfunken- oder als Doppelfunkenspulen ausgebildet sein.

Bei der schaltungstechnischen Realisierung ist es möglich, als Schaltelement einen IGBT (insulated gate bipolar transistor) oder einen Thyristor zu verwenden, dessen Emitter beziehungsweise Kathode an einer mit einer positiven Spannung beaufschlag ten Anschlußseite der Primärwicklung und der Kol lektor beziehungsweise die Anode an der anderen An schlußseite der Primärwicklung angeschlossen ist. Der Steuereingang des IGBT's beziehungsweise des Thyristors wird mit einem Ansteuersignal beauf schlagt, das von einer Ansteuerschaltung geliefert wird. Die Verwendung eines Thyristors als Schalt element ermöglicht einen einfachen und kostengün stigen Aufbau. Bei einer solchen schaltungstechni schen Realisierung umfaßt die Ansteuerschaltung 27 einen Transistor T1, dessen Emitter mit Masse ver bunden ist. Der Kollektor des Transistors T1 ist über eine Parallelschaltung aus einem Widerstand R1 und einem RC-Glied mit der Batteriespannung U_bat verbunden. Das RC-Glied besteht aus einem Wider stand R2 und einem Kondensator C1, wobei ein An schluß des Kondensators mit dem Kollektor verbunden ist. Das dem Steueranschluß 25 zuzuführende Steuer signal wird an einem Knoten 29 zwischen Widerstand R2 und Kondensator C1 abgegriffen.

Letztendlich ist es möglich, in der Ansteuerschal tung für das Schaltelement einen Transistor vor zu sehen, dessen Basis ein Steuersignal zugeführt wird. Der Emitter des Transistors ist an Masse ge legt, während der Kollektor über eine Parallel schaltung aus einem Widerstand und einem RC-Glied an die positive Spannung gelegt ist. Das Ansteuer signal für das Schaltelement wird dann am Verbin dungsknoten von Widerstand und Kondensator des RC-Glieds abgegriffen.

Claims

1. Induktives Spulenzündsystem für einen Motor, mit zumindest einer Zündspule, die eine von einer Span nungsquelle gespeiste, zwei Anschlüsse aufweisende Primärwicklung und eine ebenfalls zwei Anschlüsse aufweisende Sekundärwicklung umfaßt, gekennzeichnet durch eine Schaltvorrichtung (19), die parallel zur Primärwicklung (7) angeordnet ist und abhängig von einem Steuersignal die beiden Anschlüsse (11, 13) der Primärwicklung (7) verbindet, und eine Ansteu erschaltung (27) zur Erzeugung des Steuersignals.

2. Induktives Spulenzündsystem nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung (27) das für die Schaltvorrichtung (19) erforderli che Ansteuersignal erzeugt und einen Steuereingang (B) aufweist, über den die Ansteuerschaltung (27) getriggert wird.

3. Induktives Spulenzündsystem nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (7) über einen Darlingten-Tran sistor (T2) mit der Spannungsquelle (U_bat) verbind bar ist.

4. Induktives Spulenzündsystem nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (9) mit einem Anschluß über die Zündkerze (3) an Masse und mit einem zweiten Anschluß (17) über eine Diode (D1) an Masse liegt.

5. Induktives Spulenzündsystem nach Anspruch 5, da durch gekennzeichnet, daß an den zweiten Anschluß (17) der Sekundärwicklung (9) eine Ionenstrom-Meß vorrichtung (31) angeschlossen ist.

6. Induktives Spulenzündsystem nach Anspruch 5, da durch gekennzeichnet, daß die Ionenstrom-Meßvor richtung (31) eine Reihenschaltung aus einer Diode (D2) und einem Strommeßwiderstand (R_M) aufweist, deren eines Ende an der Sekundärwicklung und dessen anderes Ende an einer Meßspannung (U_M) angeschlos sen ist.

7. Induktives Spulenzündsystem nach Anspruch 6, da durch gekennzeichnet, daß eine am Meßwiderstand (R_M) abfallende Spannung von einem Meßverstärker abgreifbar ist.

8. Induktives Spulenzündsystem nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem mehrzylindrigen Motor entsprechend meh rere Zündspulen (5) vorgesehen sind, und daß die Schaltvorrichtung (19) allen Zündspulen (5) zuge ordnet ist.

9. Induktives Spulenzündsystem nach Anspruch 8, da durch gekennzeichnet, daß der zweite Anschluß (13) jeder Primärwicklung (7) über eine Diode (35) mit der Anschluß (21) des Schaltelements (19) verbunden ist.

10. Induktives Spulenzündsystem nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündspule (5) als Einzelfunken- oder als Dop pelfunkenspule ausgebildet ist.