DE69522319T2 - Zündvorrichtung für eine brennkraftmaschine - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine kompakte und leichte Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor.
- Die japanische Offenlegungsschrift Nr. Sho 63-314366 offenbart eine Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, bei der eine Hochspannung durch Ausüben eines mechanischen Druckes auf ein piezoelektrisches Element erzeugt wird. Die japanische Patentschrift Nr. Sho 58-34722 offenbart eine Zündvorrichtung, bei der ein solches piezoelektrisches Element in Reihe mit einer Zündverstärkerspule kombiniert ist.
- Die japanische Offenlegungsschrift Nr. Sho 62-33408 offenbart eine Zündvorrichtung, bei der eine Zündspule in eine Zündkerzenkappe integriert ist; und die japanische Offenlegungsschrift Nr. Hei 4-143461 offenbart eine ähnliche Zündvorrichtung, die in einem Motor vom Typ mit doppelter oben liegender Nockenwelle (Double Overhead Camshaft, DOHC) verwendet wird, umfassend ein Paar von Nockenwellen an einem Zylinderkopf, in dem eine Zündkerzenkappe in eine Kerzenbohrung eingesetzt ist, die schräg zwischen den Nockenwellen gebildet ist.
- Das US-Patent Nr. 2,461,098 offenbart eine Zündvorrichtung, bei der eine Zündspule in eine Zündkerze integriert ist.
- Die japanische Offenlegungsschrift Nr. Sho 60-190672 offenbart einen Zündkreis vom CDI-Typ zum Erzeugen einer Sekundärspannung unter Verwendung einer Entladung eines Zündkondensators.
- Die obige, das piezoelektrische Element verwendende Vorrichtung, weist jedoch einen Nachteil auf. Die Vorrichtung erfordert nämlich ein mechanisches Drückmittel sowie einen Verteiler und ein Hochspannungskabel zum Führen einer Hochspannung, und hierdurch wird die gesamte Vorrichtung hinsichtlich Abmessungen und Gewicht größer und auch strukturell kompliziert, was zu erhöhten Kosten führt.
- Die obige, die Zündspule verwendende Vorrichtung, wird auch unvermeidlicherweise größer hinsichtlich ihrer Abmessungen und ihres Gewichtes. Die Vorrichtung, bei der die Zündspule in die Zündkerzenkappe integriert ist, fällt ferner größer aus und geht mit Wärmeerzeugung einher, so dass die Gestaltung zum direkten Anbringen an einem kleinen Verbrennungsmotor für ein Motorrad schwierig ist.
- Insbesondere kann dann, wenn die Vorrichtung, bei der die Kerzenkappe und die Zündspule integriert sind, für einen DOHC-Motor verwendet wird, ein Zündspulenbereich zwischen den Nockenwellen angeordnet sein, und hierdurch kann die Kerzenkappe so angeordnet werden, dass sie nicht so weit über eine Nockenabdeckung übersteht, jedoch unter der beschränkenden Bedingung, dass ein zwischen den Ventilen enthaltener Winkel und ein Intervall zwischen den Nockenwellen groß ist; allerdings ist in diesem Fall die Zündspule der Hochtemperaturabwärme des Motors ausgesetzt.
- Andererseits ist in dem Fall, in dem der zwischen den Ventilen enthaltene Winkel klein und das Intervall zwischen den Nockenwellen eng ist, der Zündspulenbereich schwierig zwischen den Nockenwellen anzuordnen, und daher neigt die Kerzenkappe dazu, weit über die Nockenabdeckung nach außen vorzustehen, was zu Schwierigkeiten bei der Gestaltung des Motors führt.
- Das Dokument US-A 4,767,967 offenbart eine Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. In dieser Vorrichtung wird eine Wechselspannung, deren Frequenz mit einer Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Elements zusammenfällt, an das Element angelegt, so dass es stark gestreckt/zusammengedrückt wird und somit eine Hochspannung erzeugt.
- Diese Gestaltung führt zu dem Erfordernis, eine Frequenz eines in einer Primärspannungserzeugungseinrichtung verwendeten Schwingkreises stabil zu halten, um die Resonanzbedingung beizubehalten. Daher wird die Primärspannungserzeugungseinrichtung kompliziert und teuer.
- Als weiterer Stand der Technik wird Bezug genommen auf Dokument US-A 3,173,055, Dokument JP 62-186062 und auf die japanische Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 48296/1988 (Offenlegungsnummer 152072/ 1989).
- Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor auf Basis eines piezoelektrischen Elements bereitzustellen, bei der die Primärspannungserzeugungseinrichtung weniger kompliziert, kleiner und billiger als in der Zündvorrichtung gemäß dem Stand der Technik ist.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Zündvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Daher muss die erfindungsgemäße Primärspannungserzeugungseinrichtung keine periodische Primärspannung erzeugen, deren Frequenz stabil gehalten werden muss, sondern stattdessen erzeugt sie durch Entladen eines geladenen Kondensators eine Primärspannung mit einer Komponentenwellenform, die die natürliche Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements aufweist. Die Gestalt der Entladungskurve kann durch die elektronischen Elemente im Entladekreis genau eingestellt werden. Es ist daher nicht erforderlich, ständig eine Frequenz eines Schwingkreises zu steuern/regeln, der die Primärspannung für das piezoelektrische Element erzeugt.
- Merkmaie vorteilhafter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zündvorrichtung sind in den Unteransprüchen definiert.
- Bei dieser Vorrichtung umfasst der Zündverstärker den piezoelektrischen Wandler, der dazu ausgelegt ist, eine Sekundärhochspannung auf Grundlage einer Primärspannung auszugeben. Daher kann trotz der Verwendung des piezoelektrischen Elements sowohl eine elektrische Eingabe als auch eine elektrische Ausgabe erfolgen, um hierdurch die Notwendigkeit zu vermeiden, eine mechanische Drückvorrichtung als herkömmliches Eingabemittel und einen Verteilungsmechanismus bereitzustellen.
- Folglich kann die Vorrichtung insgesamt kleiner und leichter gemacht werden, und hierdurch kann sie in einer einfachen Gestaltung sogar an einem kleinen Verbrennungsmotor für ein Motorrad montiert werden; und ferner kann die Vorrichtung im Aufbau für eine elektronische Steuerung/Regelung optimiert werden, da eine elektrische Eingabe erfolgt.
- Bei der Vorrichtung kann der Zündverstärker integral in einer Zündkerzenkappe angeordnet sein. Mit dieser Gestaltung kann die Größe und das Gewicht der gesamten Vorrichtung bei einfachem Aufbau weiter verringert werden, und es wird kein herkömmliches Hochspannungskabel zum Führen einer Hochspannung von einem herkömmlichen Verteilungsmechanismus zur Zündkerze benötigt, was Kosten reduziert. Bei dieser Vorrichtung kann die Kerzenkappe aus einem Isoliermaterial gefertigt sein, das hinsichtlich Hitzebeständigkeit und Elastizität sehr gut ist. Selbst wenn die Kerzenkappe in der Kerzenbohrung der Hochtemperaturhitze und den Schwingungen des Motors ausgesetzt ist, kann bei dieser Gestaltung der Zündverstärker wirksam vor der Hochtemperaturhitze und den Schwingungen geschützt werden.
- Andererseits kann bei der Vorrichtung die Kerzenkappe in eine Kerzenbohrung eingesetzt werden, die zwischen einem Paar paralleler Nockenwellen bei einem Verbrennungsmotor vorn DOHC-Typ gebildet ist, und kann derart in der Kerzenbohrung angeordnet werden, dass sie nicht aus einer Nockenabdeckung nach außen vorsteht. Insbesondere kann die hinreichend kleine Kerzenkappe kompakt in der Nockenabdeckung derart enthalten sein, dass sie nicht nach außen vorsteht, sogar wenn die Vorrichtung an einem Motor vom DOHC-Typ montiert ist.
- In anderen Worten kann die kleine Kerzenkappe ohne eine Beschränkung bei der Gestaltung des Motors sogar in der Kerzenbohrung mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser wegen des kleinen Winkels zwischen den Ventilen und des engen Intervalls zwischen einem Paar von Nockenwellen ausreichend eingesetzt und montiert werden.
- Bei der Vorrichtung kann der Zündverstärker integral in der Zündkerze angeordnet sein. Bei dieser Gestaltung kann das Erfordernis der Bereitstellung der Zündkerzenkappe entfallen, und somit kann die Größe und das Gewicht der gesamten Vorrichtung bei einem einfachen Aufbau weiter verringert werden.
- Bei der Vorrichtung kann die Primärspannungserzeugungseinrichtung einen an eine Stromversorgung angeschlossenen Zündkondensator umfassen, einen parallel zum Zündkondensator angeschlossenen Zündverstärker, sowie ein Schaltelement, das in einem Entladekreis des Zündkondensators vorgesehen ist und durch einen Zündzeitpunktbestimmungskreis ein-/ausgeschaltet wird; und eine Zeitkonstante zur Bestimmung einer fallenden Wellenform einer Spannung bei Entladung im Entladekreis des Zündkondensators kann derart bestimmt sein, dass die fallende Wellenform einer Komponentenwellenform mit der natürlichen Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements entspricht. Mit dieser Gestaltung kann der Schwingkreis weggelassen werden und somit kann die Notwendigkeit beseitigt werden, eine Frequenz im Schwingkreis stabil zu halten. Ferner kann der Zündkondensator kleiner gemacht werden, da ein Zündverstärker als Kondensator verwendet werden kann. Da ein Thyristor als Schaltelement verwendet werden kann, kann außerdem ein Zündsignal in Form eines Pulssignals bereitgestellt werden, und hierdurch kann ein herkömmlicher Pulskreis als Zündzeitpunktbestimmungskreis verwendet werden, was zu geringeren Kosten führt.
- Bei der Vorrichtung kann die Primärspannungserzeugungseinrichtung einen an eine Stromversorgung angeschlossenen Zündkondensator enthalten, ein Schaltelement, welches einen Entladekreis des Zündkondensators bildet und durch einen Zündzeitpunktbestimmungskreis ein-/ausgeschaltet wird, sowie einen Zündverstärker, der in Reihe zwischen das Schaltelement und einen Erdungsabschnitt angeschlossen ist; und eine Zeitkonstante zum Bestimmen einer steigenden Wellenform einer Primärspannung, die an der Primärseite des Zündverstärkers bei Entladung des Zündkondensators erzeugt wird, kann derart bestimmt sein, dass die steigende Wellenform einer Komponentenwellenform mit der natürlichen Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements entspricht. Bei dieser Gestaltung kann die Verwendung mechanischer Schwingungen für das piezoelektrische Element im Vergleich zum Fall der Verwendung der obigen gedämpften Schwingung einfach gemacht werden.
- Fig. 1 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Gestaltung einer Ausführungsform;
- Fig. 2 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Gestaltung eines Zündverstärkers;
- Fig. 3 ist eine Schnittansicht zur Erläuterung eines konkreten Anwendungsbeispiels;
- Fig. 4 ist eine Ansicht, die die Gestaltung einer anderen Ausführungsform zeigt;
- Fig. 5A ist ein Schaltkreisdiagramm eines Typs einer Primärspannungserzeugungseinrichtung ähnlich Vorrichtungen des Standes der Technik, die nicht durch die Ansprüche gedeckt ist;
- Fig. 5B ist ein Schaltkreisdiagramm einer Abwandlung des ersten Typs, welche ebenfalls Vorrichtungen des Standes der Technik ähnlich und nicht durch die Ansprüche gedeckt ist;
- Fig. 6 ist ein Diagramm, das Wellenformen an jeweiligen Bereichen des in Fig. 5A gezeigten Schaltkreises zeigt;
- Fig. 7 ist ein Schaltkreisdiagramm einer weiteren Abwandlung des ersten Typs, die ebenfalls nicht durch die Ansprüche gedeckt ist;
- Fig. 8 ist ein Schaltkreisdiagramm eines erfindungsgemäßen Typs der Primärspannungserzeugungseinrichtung;
- Fig. 9 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Wellenformen bei dem in Fig. 8 gezeigten Schaltkreis;
- Fig. 10 ist ein Schaltkreisdiagramm eines anderen Typs der erfindungsgemäßen Primärspannungserzeugungseinrichtung;
- Fig. 11 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Wellenformen bei dem in Fig. 10 gezeigten Schaltkreis;
- Fig. 12 ist ein Schaltkreisdiagramm eines anderen Typs von Primärspannungserzeugungseinrichtung, der nicht durch die Ansprüche gedeckt ist; und
- Fig. 13 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Wellenformen bei dem in Fig. 12 gezeigten Schaltkreis.
- Mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3 wird eine grundlegende Gestaltung einer Kerzenkappe/Zündverstärker-Integraltyp-Zündvorrichtung sowohl für Vorrichtungen des Standes der, Technik als auch für erfindungsgemäße Vorrichtungen beschrieben werden. Fig. 1 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Gestaltung der Ausführungsform der Zündvorrichtung für ein Motorrad. Die Zündvorrichtung umfasst eine Primärspannungserzeugungseinrichtung 1, die an eine geeignete Stromversorgung angeschlossen ist, beispielsweise eine Fahrzeugbatterie B; ferner eine Kerzenkappe 3, die einen Zündverstärker 2 enthält; sowie eine bekannte Zündkerze 4, die durch die Kerzenkappe 3 bedeckt ist.
- Der Zündverstärker 2 ist ein piezoelektrischer Wandler, umfassend eine Kombination eines primärseitigen piezoelektrischen Elements 5 und eines sekundärseitigen piezoelektrischen Elements 6, die beide aus einem flachen piezoelektrischen Keramikmaterial gefertigt sind. Am primärseitigen piezoelektrischen Element 5 sind Eingangselektroden 7, 8 vorgesehen, und am sekundärseitigen piezoelektrischen Element 6 ist eine Ausgangselektrode 9 vorgesehen.
- Wenn die Zündkerze 4 mit der Kerzenkappe 3 bedeckt ist, steht die Ausgangselektrode 9 in leitender Verbindung mit der Zündkerze 4, so dass eine Zündentladung in einem Entladespalt der Zündkerze 4 durch eine Sekundärspannung von der Ausgangselektrode 9 erzeugt wird.
- Fig. 2 ist eine Ansicht zur schematischen Erläuterung einer Gestaltung des Zündverstärkers 2. Die Eingangselektroden 7, 8 sind an beiden Seiten des primärseitigen piezoelektrischen Elements 5 in der Dickenrichtung vorgesehen, und die Ausgangselektrode 9 ist an einem Ende (an der Seite, die nicht in Kontakt mit dem primärseitigen piezoelektrischen Element 5 steht) des sekundärseitigen piezoelektrischen Elements 6 in der Längsrichtung vorgesehen.
- Wenn eine Wechselspannung mit der durch die Längsrichtung des primärseitigen piezoelektrischen Elements 5 und des sekundärseitigen piezoelektrischen Elements 6 bestimmten natürlichen Resonanzfrequenz als Primärspannung an die Eingangselektroden 7, 8 angelegt wird, so wird im Zündverstärker 2 durch einen Elektrostriktionseffekt eine starke mechanische Schwingung in der Längsrichtung erzeugt, und an der Ausgangselektrode 9 wird eine Sekundärhochspannung ausgegeben, die aus der mechanischen Schwingung zurückverwandelt ist.
- Zu diesem Zeitpunkt kann die Sekundärspannung, die bestimmt ist in - Abhängigkeit von einem Impedanzverhältnis zwischen der Primärseite und der Sekundärseite, auf einen ausreichenden Wert für eine Zündentladung verstärkt werden. Beispielsweise kann die Sekundärseite auf einen Wert zwischen 10 und 12 KV eingestellt sein, wenn die Primärseite auf 12 V eingestellt ist.
- Die Primärspannungserzeugungseinrichtung 1 erzeugt solch eine Primärspannung, und insbesondere erzeugt sie einen Wechselstrom mit der natürlichen Resonanzfrequenz (Vorrichtungen des Standes der Technik) oder erfindungsgemäß erzeugt sie eine Primärspannung mit einer entsprechenden Komponentenwellenform (wie später beschrieben wird).
- Fig. 3 zeigt eine Gestaltung der Zündvorrichtung, die bei einem DOHC-Motor für ein Motorrad angewandt wird. Eine tiefe Kerzenbohrung 11 ist im Mittelbereich eines Zylinderkopfs 10 gebildet; ein Einlassventil 12 und ein Auslassventil 13 sind derart vorgesehen, dass die Kerzenbohrung 11 dazwischen liegt; und ein Paar Nockenwellen 14, 15 ist zum Antreiben der Ventile 12, 13 vorgesehen. Diese Teile sind durch eine Nockenabdeckung 1 6 bedeckt.
- Die Kerzenkappe 3 weist einen zylindrischen Hauptkörper 20 auf, der aus einem Isoliermaterial gefertigt ist, welches hinsichtlich Hitzebeständigkeit und Elastizität sehr gut ist. An einem Ende des Hauptkörpers 20 ist ein Flanschbereich 21 ausgebildet.
- Der Flanschbereich 21 ist derart positioniert, dass dann, wenn die Kerzenkappe 3 in die Kerzenbohrung 11 eingesetzt ist, ein im Flanschbereich 21 gebildeter Rillenbereich 22 auf einen Vorsprung 17 passt, der auf dem Rand der oberen Endöffnung der Kerzenbohrung 11 gebildet ist.
- Da insbesondere die obere Endöffnung der Kerzenbohrung 11l in einer in der Nockenabdeckung 16 gebildeten Ausnehmung 16a gebildet ist, steht der nahe der oberen Endöffnung der Kerzenbohrung 11 positionierte Flanschbereich 21 nicht über einen maximal vorstehenden Bereich 16b der Nockenabdeckung 16 über, mit dem Ergebnis, dass die gesamte Kerzenkappe 3 in der Nockenabdeckung 16 enthalten ist.
- Ferner ist ein hitzebeständiges Gummimaterial als Isoliermaterial des Hauptkörpers 20 geeignet.
- Ein Kerzenstecker 23 ist am Mittelbereich des Flanschbereichs 21 montiert, und ein elektrischer Draht 24 erstreckt sich vom Kerzenstecker 23 und ist an die Primärspannungserzeugungseinrichtung 1 angeschlossen. Der elektrische Draht unterscheidet sich nicht von einem herkömmlichen Hochspannungskabel und kann aus einem Material gefertigt sein, das eine niedrige Spannung aushält, beispielsweise etwa 100 bis 200 V.
- Der Zündverstärker 2 ist im Hauptkörper 20 mittels eines Kontakthalters 25 gehalten, der aus einem geeigneten hitzebeständigen/isolierenden Harz, wie z. B. Phenolharz, gefertigt ist, und die Ausgangselektrode 9 des sekundärseitigen piezoelektrischen Elements 6 ist an eine Kappenelektrode 27 angeschlossen, die am leitenden Ende des Kontakthalters 25 über ein federvorgespanntes Kontaktstück 26 vorgesehen ist.
- Die Kappenelektrode 27 ist leitend verbunden mit einem Verbindungsanschluss 4a der Zündkerze 4, und ein Isolierbereich 4b der Zündkerze 4 ist mit dem unteren Endbereich des Hauptkörpers 20 bedeckt.
- Die Zündkerze 4 erzeugt eine Zündentladung in einem Entladungsspalt, der zwischen einer in eine Brennkammer 18 vorstehende Mittelelektrode 4c und einer Erdungselektrode 4d gebildet ist, um einen Kraftstoff in der Brennkammer 18 zu verbrennen.
- Man beachte, dass in der Figur Bezugszeichen 19a eine Einlassleitung bezeichnet; 19b ist eine Auslassleitung; 19c bezeichnet einen Zylinderblock; und 19d ist ein Kolben.
- Der Zündverstärker 2 mit der obigen Gestaltung erlaubt sowohl eine elektrische Eingabe als auch eine elektrische Ausgabe, und folglich beseitigt er das Erfordernis, ein Drückmittel als das herkömmliche mechanische Eingabemittel und einen Verteiler als herkömmlicher Verteilmechanismus bei einigen Vorrichtungen des Standes der Technik bereitzustellen.
- Außerdem ist der aus den piezoelektrischen Elementen gebildete Zündverstärker 2 verhältnismäßig klein und leicht, und hierdurch kann er integral in der Kerzenkappe 3 enthalten sein und das Erfordernis der Bereitstellung des herkömmlichen Hochspannungskabels beseitigen. Dies ist wirksam, um die gesamte Vorrichtung mit einem einfachen Aufbau klein und leicht zu machen, was zu geringeren Kosten führt.
- Insbesondere steht die kleine Kerzenkappe 3 nicht über die Nockenabdeckung 16 nach außen vor und ist kompakt in der Nockenabdeckung 16 enthalten, selbst wenn die Vorrichtung, wie in Fig. 3 gezeigt, für einen DOHC-Motor verwendet wird.
- Folglich kann ohne eine Beschränkung bei der Gestaltung des Motors die kleine Kerzenkappe 3 größtenteils sogar in eine Kerzenbohrung 11 eingesetzt und montiert werden, die wegen des kleinen Winkels zwischen dem Einlassventil 12 und dem Auslassventil 13 einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser aufweist, d. h. wegen des kleinen zwischen den Ventilen enthaltenen Winkels und des kleinen Intervalls zwischen einem Paar Nockenwellen 14, 15.
- Obwohl die Kerzenkappe 3 in der Kerzenbohrung 11 der Hochtemperaturhitze und den Schwingungen des Motors ausgesetzt ist, kann außerdem der Zündverstärker 2 wirksam vor der Hochtemperaturhitze und den Schwingungen geschützt werden, da der Hauptkörper 20 aus einem Isoliermaterial gefertigt ist, das hinsichtlich Hitzebeständigkeit und Elastizität sehr gut ist.
- Selbst wenn die Vorrichtung an einem kleinen Verbrennungsmotor eines Motorrads angebracht ist, ist sie folglich in einer einfachen Gestaltung montiert und im Aufbau optimiert für eine Zündsteuerung/-regelung durch die Primärspannungserzeugungseinrichtung 1 nach Art einer elektronischen Steuerung/Regelung.
- Fig. 4 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Gestaltung einer anderen Ausführungsform der Zündvorrichtung für Vorrichtungen des Standes der Technik ebenso wie für erfindungsgemäße Vorrichtungen, wobei ein Zündverstärker in eine Zündkerze integriert ist. Eine Zündkerze 4 mit integriertem Zündverstärker umfasst in einem Isolierbereich 4b einen Zündverstärker 2 mit dem gleichen Aufbau wie in Fig. 1. Eingangselektroden 7, 8 des Zündverstärkers 2 sind mittels eines Kabels 24 an eine Primärspannungserzeugungseinrichtung 1 angeschlossen.
- Eine Ausgangselektrode 9 des Zündverstärkers 2 ist an eine Mittelelektrode 4c der Zündkerze 4 angeschlossen, um durch eine Sekundärspannung eine Zündentladung in einem Entladungsspalt 4e zu erzeugen, der zwischen der Mittelelektrode 4c und einer Erdungselektrode 4d gebildet ist.
- Auf diese Weise kann der Zündverstärker 2 in der Zündkerze 4 enthalten sein. Eine derartige Vorrichtung beseitigt das Erfordernis der Bereitstellung einer Kerzenkappe, und macht es hierdurch möglich, bei einem einfachen Aufbau die Größe und das Gewicht insgesamt weiter zu reduzieren.
- Die Gestaltung eines Kreises der Primärspannungserzeugungseinrichtung 1 wird unten beschrieben werden. Die Fig. 5a, 5b, 7 und 12 zeigen Typen von Kreisen der Primärspannungserzeugungseinrichtung 1, die nicht durch die Ansprüche gedeckt sind, da sie Vorrichtungen des Standes der Technik ähnlich sind, die jedoch nützlich sind, um die Verwendung und Eigenschaften elektronischer Komponenten zu erläutern, die auch bei erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendet werden. In Fig. 5A sind ein Schwingkreis 31 und ein Schaltelement 32 in Reihe zwischen einer geeigneten Gleichstromquelle 30, beispielsweise einer Batterie, und dem Zündverstärker 2 angeschlossen. Das Schaltelement 32 wird durch einen Zündzeitpunktbestimmungskreis 33 ein-/ ausgeschaltet.
- Der Schwingkreis 31 ist darauf eingestellt, die natürliche Resonanzfrequenz des Zündverstärkers 2 zu erzeugen, und der Zündzeitpunktbestimmungskreis 33 schaltet zu einem bestimmten Zeitpunkt das Schaltelement 32 ein. Man beachte, dass ein bekannter Pulskreis oder dergleichen als Zündzeitpunktbestimmungskreis 33 verwendet wird.
- Der obige Kreis kann durch den in Fig. 5b gezeigten ersetzt werden. In dieser Figur ist der Zündzeitpunktbestimmungskreis 33 an den Schwingkreis 31 angeschlossen, der darauf eingestellt ist, die natürliche Resonanzfrequenz der Zündverstärkers 2 zu erzeugen. Der Zündzeitpunktbestimmungskreis 33 gibt zu einem bestimmten Zeitpunkt für eine bestimmte Zeitdauer an den Schwingkreis 31 ein Schwingungssignal zum Erzeugen von Schwingungen aus. Solch ein Kreis ist ausreichend, um den gleichen Effekt mit einem einfacheren Aufbau zu erhalten.
- Fig. 6 zeigt ausgegebene Wellenformen an jeweiligen Bereichen in dem in Fig. 5A gezeigten Kreis. Der obige hochfrequente Wechselstrom mit einer bei "A" gezeigten Wellenform wird vom Schwingkreis ausgegeben; ein EIN-Signal mit einer "B" gezeigten Wellenform wird für eine bestimmte Zeitdauer vom Schaltelement 32 ausgegeben; eine Primärspannung mit einer in "C" gezeigten Wellenform ist durch die Ausgabe des Schwingkreises während der Ein-Zeit des Schaltelements gegeben; und eine verstärkte Sekundärausgabe mit einer in "D" gezeigten Wellenform wird erhalten.
- Auf diese Weise wird die Ausgabe des Schwingkreises 31 an den Zündverstärker 2 als Primärspannung während des Ein-Zustandes des Schaltelements 32 angelegt, und hierdurch kann eine Sekundärausgabe nur für die Anlegezeit erhalten werden. Folglich verlängert sich eine Entladungszeit bei der Zündkerze 4, was eine starke Funkenzündung ermöglicht.
- Fig. 7 zeigt eine weitere Abwandlung des obigen Kreistyps, die nicht durch die Ansprüche gedeckt ist, bei der ein Thyristor SCR als Schaltelement 32 verwendet wird. In diesem Fall ist ein kleiner Wandler 34 in Reihe zwischen dem Schwingkreis 31 und dem Zündverstärker 2 angeschlossen, und der Thyristor SCR ist in Vorwärtsrichtung zwischen der sekundärseitigen Spule des Wandlers 34 und Erde angeschlossen. Der Zündzeitpunktbestimmungskreis 33 ist an ein Gate des Thyristor SCR angeschlossen.
- Der Wandler 34 ist sehr klein und dazu ausgelegt, eine von der Stromversorgung gelieferte Spannung von 12 V auf einen Wert zwischen ungefähr 100 und 200 V zu verstärken. Ferner ist der Thyristor SCR nahe Erde angeordnet, um eine Gatespannung zu stabilisieren.
- Man beachte, dass der bestehende Schwingkreisbereich zum Erhalten einer bestimmten Primärspannung durch Verstärken einer Batteriestromversorgung unter Verwendung eines Gleichspannungswandlers in einer CDI-Vorrichtung (wird später beschrieben) für den Kreisbereich verwendet werden kann, der sich vom Thyristor SCR und der Stromversorgungsseite erstreckt,
- Fig. 8 zeigt einen Kreis der erfindungsgemäßen Primärspannungserzeugungseinrichtung 1. Dieser Kreis läßt den Schwingkreis vom ersten Kreistyp weg und ist mit einem herkömmlichen Kreis vom Kondensator-Lade-Entlade-Typ kombiniert. Insbesondere ist ein Widerstand R1 in Reihe an eine Diode D angeschlossen, die in Vorwärtsrichtung an die Stromversorgung angeschlossen ist. Ein Widerstand R2, ein Zündkondensator C und der Zündverstärker 2 sind parallel zwischen dem Widerstand R1 und Erde angeschlossen. Der Widerstand R2 ist an eine Anode des Thyristors SCR angeschlossen; der Zündzeitpunktbestimmungskreis 33 ist an ein Gate des Thyristors SCR angeschlossen; und eine Kathode des Thyristors SCR ist geerdet.
- Im Zündverstärker 2 ist die Eingangselektrode 7 an den Widerstand R1 und die Ausgangselektrode 9 an die Zündkerze 4 angeschlossen. Ein Ladekreis des Zündkondensators C umfasst die Diode D, den Widerstand R1 und den Zündkondensator C. Der Widerstand R1 wird eingesetzt, um ein sanftes Aufladen zu ermöglichen. Ein Entladekreis des Zündkondensators C umfasst den Zündkondensator C, den Thyristor SCR und den Widerstand R2. Der Ladekreis und der Entladekreis unterscheiden sich somit voneinander.
- Im Zündverstärker 2 ist sowohl das primärseitige piezoelektrische Element 5 als auch das sekundärseitige piezoelektrische Element 6 aus einem Dielektrikum gefertigt und wirkt somit als Kondensator, so dass der Zündverstärker 2 eine Aufladung - Entladung gemeinsam mit dem Zündkondensator C durchführt.
- Fig. 9 zeigt eine Lade-Entladecharakteristik des Zündkondensators C, wobei die Abszisse die Zeit angibt und die Ordinate die Spannung des Zündkondensators C angibt. Wie aus dieser Figur deutlich wird, erfolgt die Aufladung verhältnismäßig sanft. Wenn andererseits der Thyristor SCR durch den Zündzeitpunktbestimmungskreis 33 eingeschaltet und getriggert wird, erfolgt die Entladung ab dem Triggerpunkt (TO) schnell.
- Wenn man folglich eine Zeitkonstante im Entladekreis derart einstellt, dass die fallende Wellenform einer Spannung bei Entladung einer Komponentenwellenform mit der natürlichen Resonanzfrequenz des Zündverstärkers 2 entspricht, so ist es möglich, den gleichen Effekt wie jenen zu erhalten, der erzielt wird durch Anlegen eines Wechselstroms mit der Resonanzfrequenz an die Eingangselektroden 7, 8 des Zündverstärkers 2 bei einer Entladung. Außerdem ist die Zeitkonstante im Entladekreis durch den Zündkondensator C, den Zündverstärker 2 und den Widerstand R2 bestimmt.
- Wenn folglich die Aufladung in Fig. 8 gestartet wird, so wird der Zündverstärker 2 zusammen mit dem Zündkondensator C geladen, und häuft durch den Elektrostriktionseffekt eine Elektrostriktion an. Wenn danach der Thyristor SCR durch den Zündzeitpunktbestimmungskreis 33 eingeschaltet wird, so werden elektrische Ladungen, die im Zündkondensator C und im Zündverstärker 2 angehäuft sind, über den Widerstand R2 entladen.
- Zu diesem Zeitpunkt bewirkt die losgelassene Elektrostriktion im Zündverstärker 2 eine mechanische Schwingung, die durch Dämpfung abnimmt. Da außerdem die Zeitkonstante im Entladekreis derart bestimmt ist, dass die Entladewellenform einer Komponente mit der Resonanzfrequenz des Zündverstärkers 2 entspricht, wird die Amplitude zu Beginn der Schwingung beim Loslassen ausreichend groß. Nimmt man beispielsweise an, dass die Stärke der Elektrostriktion bei Aufladung + A beträgt, so wird die Elektrostriktion zu Beginn der Schwingung nahezu -A. Während der gedämpften Schwingung wird an der Ausgangselektrode 9 eine Hochspannung erzeugt, um ebne Zündentladung zu erzeugen.
- Die Richtung eines im Entladekreis fließenden Stroms ist während einer Periode vom Start der Entladung bis zur Zündung konstant. Selbst wenn der Thyristor SCR als Schaltelement verwendet wird, wird der Thyristor SCR folglich bis zur Zündung nicht kommutiert. Folglich kann ein verhältnismäßig preisgünstiger Thyristor als Schaltelement verwendet werden.
- Da bei diesem erfindungsgemäßen Kreistyp der Schwingkreis weggelassen ist, muss im Schwingkreis keine Frequenz stabil gehalten werden. Ferner erlaubt die Verwendung des Thyristors SCR die Verwendung eines Pulssignals als Zündsignal, und deswegen kann ein herkömmlicher Pulskreis als Zündzeitpunktbestimmungskreis 33 verwendet werden. Dies ist zur Kostensenkung wirksam.
- Da ferner der Zündverstärker 2 als Kondensator wirkt, entspricht die Entladungsmenge einer Summe der Ladungsmengen des Zündkondensators C und des Zündverstärkers 2. Dies ist wirksam, um die Größe des Zündkondensators C zu verringern.
- Fig. 10 zeigt einen weiteren Kreistyp der erfindungsgemäßen Primärspannungserzeugungseinrichtung 1, der sich von dem in Fig. 8 gezeigten Typ dadurch unterscheidet, dass die Anschlussposition des Thyristors SCR geändert ist. Insbesondere ist ein Widerstand R3 parallel zum Zündverstärker 2 anstelle des Widerstandes R2 angeschlossen. Der Thyristor SCR ist in Vorwärtsrichtung zwischen Erde und dem Anschlussbereich angeschlossen, der den Zündverstärker 2 an den Widerstand R3 anschließt. Der Zündzeitpunktbestimmungskreis 33 ist an das Gate des Thyristors SCR angeschlossen. Die Werte der Widerstände R1 und R3 sind in Abhängigkeit von der erforderlichen Zeitkonstante geeignet gewählt.
- Fig. 11 ist eine Darstellung, die eine zeitliche Veränderung einer Primärspannung des Zündverstärkers 2 bei Entladung des Zündkondensators C zeigt, wobei die Abszisse die Zeit und die Ordinate die Primärspannung anzeigt.
- Wie aus dieser Figur deutlich wird, wird der Zündkondensator C vorher im Aus-Zustand des Thyristors SCR geladen, und wenn der Thyristor SCR eingeschaltet wird, so steigt eine an die Eingangselektrode 7 des Zündverstärkers 2 angelegte Primärspannung durch die Entladung des Zündkondensators C ab dem Triggerpunkt (TO) schnell an.
- Indem man die steigende Wellenform der Primärspannung derart einstellt, dass sie einer Komponentenwellenform mit der natürlichen Resonanzfrequenz des Zündverstärkers 2 entspricht, ist es folglich möglich, an der Ausgangselektrode 9 des Zündverstärkers 2 eine für eine Zündung ausreichend hohe Sekundärspannung auszugeben.
- Da außerdem, wie oben beschrieben, der Zündverstärker 2 als Kondensator wirkt, wird nach der Zündung eine Schwingung des Stroms erzeugt, und der Thyristor SCR wird durch Kommutierung automatisch ausgeschaltet, um den Entladekreis zu unterbrechen. Gleichzeitig werden in den Eingangselektroden 7, 8 des Zündverstärkers 2 angehäufte elektrische Ladungen durch den Widerstand R3 verbraucht.
- Mit diesem Kreistyp kann der gleiche Effekt wie bei dem obigen erfindungsgemäßen Typ erzielt werden, und die Verwendung der mechanischen Schwingung des piezoelektrischen Elements wird im Vergleich mit dem Fall vereinfacht, bei dem die gedämpfte Schwingung des zweiten Typs verwendet wird.
- Fig. 12 ist ein nicht durch die Ansprüche gedeckter Kreis, der eine Batteriezündvorrichtung verwendet, wobei das Schaltelement (Transistor Tr) über eine Spule L an eine Batterie B angeschlossen ist, und der Zündverstärker 2 parallel zum Transistor Tr angeschlossen ist.
- Wenn bei diesem Kreis der Transistor Tr eingeschaltet wird, so wird eine Potentialdifferenz VEC zwischen einem Kollektor C und einem Emitter E null, und wenn der Transistor Tr ausgeschaltet wird, so steigt eine Spannung bis zur Batteriespannung VBT an. Eine solche Veränderung ist in Fig. 13 gezeigt, wobei die Abszisse die Zeit und die Ordinate die Potentialdifferenz VEC anzeigt.
- Wie aus dieser Figur deutlich wird, steigt die Potentialdifferenz VEC, wenn der Transistor Tr ausgeschaltet wird, an dem Punkt (TO) schnell an, und die Entladung zum Zündverstärker 2 beginnt. Zu diesem Zeitpunkt ist die steigende Wellenform auf eine Zeitkonstante zurückzuführen, die durch den Zündverstärker 2 sowie den die Spule L und die Batterie B enthaltenden Kreis bestimmt ist.
- Indem man folglich die Zeitkonstante des Ladekreises auf einen kleinen Wert vorbestimmt, um zu ermöglichen, dass die steigende Wellenform einer Komponentenwellenform mit der natürlichen Resonanzfrequenz des den Zündverstärker 2 bildenden piezoelektrischen Elements entspricht, wird eine Sekundärhochspannung an der Ausgangselektrode 9 ausgegeben, wenn die Potentialdifferenz VEC durch Ausschalten des Transistors Tr ansteigt.
- Wenn hiernach der Transistor Tr eingeschaltet wird, werden im Zündverstärker 2 angehäufte elektrische Ladungen durch den Transistor Tr ab diesem Punkt (T1) entladen, und die Potentialdifferenz VEC fällt ab. Die fallende Wellenform zu diesem Zeitpunkt ist ebenfalls durch die Zeitkonstante bestimmt, die durch die Frequenz des Transistors Tr und den Zündverstärker 2 und auch durch die Basis-Eingangswellenform des Transistors Tr bestimmt ist.
- Da folglich die fallende Wellenform verhältnismäßig abgebremst werden kann, indem man die Zeitkonstante des Entladekreises einstellt, kann eine Schwingung des Zündverstärkers 2 vermieden werden. Ferner kann auch die Entladung des Zündverstärkers 2 gebremst werden, indem man den Anstieg des Ein-Signals am Transistor Tr bremst.
- Mit diesem Kreis kann der gleiche Effekt wie bei den obigen Typen erzielt werden, und ferner kann die Grundkonfiguration bei einem üblichen Batteriezündkreis verwendet werden.
- Wie oben beschrieben, ist die erfindungsgemäße Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor klein und leicht, und folglich ist sie für einen Verbrennungsmotor bei einem Automobil oder einem Motorrad geeignet.
Claims (7)
1. Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, wobei eine Zündkerze
(4) durch eine Sekundärhochspannung gezündet wird, die auf
Grundlage einer an einen Zündverstärker (2) angelegten
Primärspannung ausgegeben wird, umfassend:
- den Zündverstärker (2), der einen piezoelektrischen Wandler zum
Erzeugen der Sekundärhochspannung durch einen
Elektrostriktionseffekt eines piezoelektrischen Elements (5, 6)
enthält, an welches die Primärspannung angelegt ist;
- eine Primärspannungserzeugungseinrichtung (1), die eine
Primärspannung erzeugt, um das piezoelektrische Element (5, 6)
bei seiner natürlichen Resonanzfrequenz in Schwingung zu
versetzen;
dadurch gekennzeichnet,
dass die Primärspannungserzeugungseinrichtung (1) durch Entladen
eines geladenen Zündkondensators (C) eine steigende oder fallende
Primärspannungswellenform mit einer Komponentenwellenform
erzeugt, die die natürliche Resonanzfrequenz des piezoelektrischen
Elements (5, 6) aufweist.
2. Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Zündkondensator (C) an eine Stromversorgung (30)
angeschlossen ist, dass der Zündverstärker (2) parallel zum
Zündkondensator (C) angeschlossen ist, und dass ein Schaltelement in
einem Entladekreis des Zündkondensators (C) vorgesehen und durch
einen Zündzeitpunktbestimmungskreis (33) ein-/ausgeschaltet wird,
und dass ferner eine Zeitkonstante zur Bestimmung einer fallenden
Wellenform einer Spannung bei Entladung im Entladekreis des
Zündkondensators (C) derart bestimmt ist, dass die fallende Wellenform
einer Komponentenwellenform mit der natürlichen Resonanzfrequenz
des piezoelektrischen Elements (5, 6) entspricht.
3. Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Primärspannungserzeugungseinrichtung (1) einen Ladekreis
enthält, bei dem eine Diode (D), ein erster Widerstand (R1) und der
Zündkondensator (C) in Reihe an die Stromversorgung (30)
angeschlossen sind, und
dass der Entladekreis einen in Reihe an das Schaltelement
angeschlossenen zweiten Widerstand (R2) enthält, wobei der zweite
Widerstand (R2) und das Schaltelement parallel zum Zündverstärker (2)
und zum Zündkondensator (C) angeschlossen sind.
4. Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 2 oder
3, dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaltelement einen siliciumgesteuerten Gleichrichter (SCR)
enthält, umfassend ein Gate, das an den
Zündzeitpunktbestimmungskreis (33) angeschlossen ist, eine Kathode,
die geerdet ist, sowie eine Anode, die an den zweiten Widerstand (R2)
angeschlossen ist.
5. Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Zündkondensator (C) an eine Stromversorgung (30)
angeschlossen ist, dass ein Schaltelement einen Entladekreis des
Zündkondensators (C) bildet und durch einen
Zündzeitpunktbestimmungskreis (33) ein-/ausgeschaltet wird, und dass
der Zündverstärker (2) in Reihe an das Schaltelement und einen
Erdungsabschnitt angeschlossen ist, und dass ferner eine Zeitkonstante
zum Bestimmen einer steigenden Wellenform einer Primärspannung, die
an der Primärseite des Zündverstärkers (2) bei Entladung des
Zündkondensators (C) erzeugt wird, derart bestimmt ist, dass die
steigende Wellenform einer Komponentenwellenform mit der
natürlichen Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements (5, 6)
entspricht.
6. Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Primärspannungserzeugungseinrichtung (1) einen Ladekreis
enthält, umfassend eine Diode (D), einen ersten Widerstand (R1) und
den Zündkondensator (C), die in Reihe an die Stromversorgung (30)
angeschlossen sind, und dass ferner der Entladekreis einen parallel zum
Zündverstärker (2) angeschlossenen zweiten Widerstand (R3) enthält,
wobei der zweite Widerstand (R3) und der Zündverstärker (2) in Reihe
an das Schaltelement angeschlossen sind,
7. Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaltelement einen siliciumgesteuerten Gleichrichter (SCR)
enthält, umfassend ein Gate, das an den
Zündzeitpunktbestimmungskreis (33) angeschlossen ist, eine Kathode,
die geerdet ist, sowie eine Anode, die an den Parallelanschluss des
zweiten Widerstandes (R3) und des Zündverstärkers (2) angeschlossen
ist.
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