DE3131844A1 - Kondensatorzuendanlage fuer verbrennungsmotore - Google Patents

Description

• Betr.: Anmeldung einer Kondensatorzündanlage für
• Verbrennungsmotoren.
• Diese Kondensatorzündanlage ermöglicht eine bessere Verbrennung und damit eine bessere Ausnutzung des Treibstoffs, was eine Senkung des Verbrauchs und eine Verringerung der giftigen Be= standteile der Abgase zur Folge hat.
• Sie ist anwendbar für Viertakt- Ottomotoren und Zweitaktmotoren.
• Außer Benzin als Treibstoff können auch Gase, Alkohole oder Feststoffe ( Kohlestaub, Holzstaub ) verwendet werden.
• Da diese Treibstoffe oft höhere Flammpunkte als Benzin haben ist bei Betrieb der Motoren mit der herkömmlichen Induktions= zündanlage sicher mit erheblichen Start- u. Laufschwierigkeiten zu rechnen, denn gerade in der Startphase und bei höheren Drehzahlen ist bei Induktionszündanlagen der Zündfunke, der Ja das Gemisch zünden soll, besonders schwach. Die Ursache ist die absinkende Batteriespannung infolge der hohen Belastung durch den Anlasser und bei den hohen Drehzahlen die Zeitkon= stante die aus der Spuleninduktivität L und dem Spulenwider= stand R gebildet wird. Sie verhindert, daß der Zündspule bei der immer kürzer werdenden Zeit zwischen den einzelnen Funken noch ein ausreichender Strom I eingeprägt werden kann.
• Die Lösung der genannten Probleme ist bei der Kondensator= zündanlage gegeben.
• Es ist der schnellere Aufbau des Funkens, die Umsetzung von mehr Energie an der Zündkerze, längere Brenndauer des Funkens und Stabilisierung der Zündenergie bei absinkender Batteriespannung.
• Diese Zündanlage besteht aus einem Gleichspannungswandler, dem Kondensator C5 als Energiespeicher, demThyristor Th als Schalter, einem Steuerteil,welches den Thyristor in den durch den Unterbrecherkontakt vorgegebenen Zündzeitpunkten ansteuert und einem Schwellwertschalter der dafür sorgt, daß der Gleichspannungswandler keine größere Spannung als 450 Volt abgeben kann.
• Zusätzlich ist eine Impulsformerschaltung vorhanden. Sie ermöglicht den Betrieb eines Drehzahlmessers.
• Ein weiteres Anwendungsgebiet für die Kondensatorzündanlage kann die einzelne- oder fortlaufende Zündung von Brennern, Düsen oder Triebwerken sein (z.B. Pulstriebwerke) Vor- und Nachteile dieser Kondensatorzündanlage ~ gegenüber der herkömmlichen Indukt ions zündanlage Man kann die Auslösung der Funkenfolge auch bei dieser Kondensat.rzündanlage elektronisch realisieren. In Trage kommen hauptsächlich drei Möglichkeiten dafür: a) Lichtquelle und Photodiode b) Magnet und Hallgenerator c) Magnet und Induktionsspule Da aber heute noch Jeder Ottemotor den Unterbrecherkontakt zur Auslösung der Funkenfolge hat, wollte ich ihn unverändert beibehalten. Auch mit dem parallel geschalteten Kondensator ck.
• Er bildete Ja bei der Induktionszündanlage einen Reihen= schwingkreis mit der Induktivität L der Zündspule.
• Der Nachteil dieser Kondensatorzündanlage ist der, daß sie ein zusätzlicher Aufwand ist,der etwas kostet und der womöglich insgesamt die Störanfälligkeit vergrößert. Allerdings wird die Störanfälligkeit des Unterbrecherkontakts kleiner und seine Lebensdauer vervielfacht sich.
• Durch die Umsetzung von mehr Energie an der Kerze, den schnelleren Aufbau des Funkens und einer längeren Brenndauer des Funkens verringert sich der Treibstoffverbrauch was der Hauptvorteil der Kondensatorzündanlage ist.
• Bei 26 Testfahrten mit Jeder Zündungsart und Je eine Tank= füllung wurde eine Ersparnis von 10,6% gemessen. Testfahr= zeug war ein Opel Rec BJ. 77 mit 100 PS! Während der Startphase geht die Batteriespannung infolge der hohen Belastung durch den Anlasser herunter. Bei der Induks tionszündanlage geht dadurch die Stärke des Zündfunkens herunter, obwohl gerade in der Startphase ein kräftiger Funke zur Entzündung des Gemisches nötig ist.
• Hier bemerkt man zuerst das mühelose starten, sogar mit Batterien die eigentlich schon auf den Bleischrott gehörten.
• Dann die leichte Annahme von Gas und den kräftigen Durchzug bis in hohe Drehzahlen.
• 4 Zyl. Viertakt- Ottomotoren bis 9000 U/min.
• Der Strom der Kondensatorzundanlage steigt mit zunehmender Drehzahl an, so wie es die Formel für den Leistungsbedarf auf Seite (&) auch aussagt. Der der Induktionszündanlage fällt mit steigender Drehzahl und damit fällt die Energie der Zündspule ab. Die Folge ist bei der Induktionszünd, anlage, daß bei höheren Drehzahlen der Zündfunke schwächer wird.
• Der Grund dafür ist dieZeitkonstante die die Induktivität L mit dem ohmschen Widerstand R der Zündspule plus eventuellei Vorwiderstand bildet.
• L T = R Bei hohen Drehzahlen wird die Zeit zwischen den einzelnen Zündungen so kurz, daß nicht mehr gelingt der Zündspule einen ausreichenden Strom einzuprägen.
• Man behilft sich heute mit Vorwiderständen. Damit werden zwar höhere Drehzahlen möglich, aber gleichzeitig schwächt man so den Zündfunken über den gesamten Bereich. Man sieht das Vorwiderstände genaugenommen ein fauler Kompromiß ist.
• Funktion der ICondensatorzündanlae für Verbrennungsmotoren Geht man davon aus, daß gerade eine Zündung stattfand, so geht bis zur nächsten Zündung folgendes vor: Der Gleichspannungswandler setzt wieder ein und läd Konden= sator C5 bis zur Spannungsbegrenzung 450 Volt auf.
• Kommt nun der nächste Zündimpuls, so wird der Thyristor Th angesteuert und gleichzeitlg durch einen Rechteckimpuls der Dauer lms der Gleichspannungswandler stillgelegt.
• Mit Beginn des Rechteckimpulses beginnt auch die Entladung von C5 Der Vorgang bei der Entladung und Schwingung über die Induktiven tät der Zündspule ist wie folgt: Kommt ein Steuerimpuls auf das Gate des Thyristors so wird dieser leitend und läßt die soeben in C5 eingespeicherte elektrische Energie auf die Induktivität L der Zündspule ( Primärwicklung ) Aus dieser Entladung entsteht übergehend eine volle Schwingung zwischen C5 und L der Zündspule. Man sieht C5u. L bilden einen gedämpften Schwingkreis bei dem am Anfang die Energie im Kondensator Cs steckte.
• Schwingungsdauer T - Nach dieser ersten Vellschwingung sperrt der Thyristor und mit dem noch verbliebenen Energierest schließt sich eine weitere gedämpfte Schwingung an. Sie findet zwischen L u. C6 statt.
• Der Widerstand R5 behindert zwar letztere Schwingung, ist aber zur Begrenzung des zulässigen Thyristorstromes nötig.
• Durch den parallel zur Zündspuleninduktivität L liegenden Kon= densator C6 wird also eine Nachschwingung ermöglicht die die Brenndauer des Funkens an der Kerze verlängert.
• G6 bildet ebenfalls in Verbindung mit dem Ausgangswiderstand des Gleichspannungswandlers die R C Beschaltung für den ThyrisX tor. Diese Beschaltung ist bekanntlich ein Schutz für den Thyrister gegen schnellen SpannungsanstiegaU¼t.
• Ein Viertakt- Ottomotor kann bis 9000 U/min betrieben werden wenn er 4 Zylinder hat. Bei Zweitaktmotoren gilt jeweils die halbe Drehzahl bei gleicher Zylinderzahl.
• Daraus ergibt sich eine Folgefrequenz von 300 Funken/sec, oder 3,33 ms müssen ausreichen C5 nach jeder Entladung wieder auf 450 Volt aufzuladen.
• Der Wert für C5 ist 2 uF und U ist 450 Volt.
• Somit ist die gespeicherte Energie: (mWs) C5.U² = 2.10-6 As . ( 450 V )² = 0,2 Ws = 200 mWs 2. 2 . V Da verlangt ist, daß C5 in 3,33 ms immer wieder 450 Volt erreicht hat muß der Gleichspannungswandler eine bestimmte Leistung (W) aufbringen: C5.U² 2.10-6 As . ( 450 V )² = 60,8 2 . t 2 . V.3,33.10-3s Beschreibung des Gloichspannungswandlerm Der Gleichspannungswandler hat die Aufgabe 12 Volt Gleichspannung in 450 Volt Gleichspannung umzuwandeln bei einer Leistung von rund 61 Watt.
• Sein Hauptbestandteil ist ein Multivibrator aus den Darlington5 transistoren T5 , T? deren Collektorwiderstände Jeweils durch die Wicklungshälften der Primärwicklung eines Ubertragers gebildet werden.
• Der Ubertrager ist ein E 30 Ferritkern ohne Luftspalt.
• Die Frequenz dieses Multivibrators wird durch die beiden Zeitglieder R3 , C2 u. R4 , 0 bestimmt. Sie beträgt etwa 6 kHz.
• Die beiden Darlingtontransistoren legen abwechselnd und periodisch mit 6 kHz die Wicklungshälften n1 oder n3 an die Betriebsspannung 12 Volt.
• In der gemeinsamen Sekundärwicklung n2 wird dabei Spannung induziert und mit einer Brückenschaltung aus vier Dioden gleichgerichtet.
• Steigt nun die Ausgangsspannung des Gleichrichters über die festgelegte obere Schaltschwelle des Schwellwertschalters an, (450 Volt) so steigt auch die Ausgangsspannung des Teilers aus den Widerständen R1 , R2 bis der aus den Transistoren T3 , T4 bestehende Schwellwertschalter anspricht.
• Dieser schaltet dann den Transistor T6 , der dann über die beiden Entkopplungsdioden D1 , D2 die Zeitglieder R3 , C2 u. R4 , C3 an Massepotential ( O Volt ) legt.
• In diesem Moment hört der Multivibrator auf zu arbeiten und die Spannung kann nicht größer als 450 Volt werden.
• Der Kondensator 0 erreicht nun durch Entladung über den Teiler R1 , R2 nach einer gewissen Zeit die untere Schalt schwelle die etwa bei 400 Volt liegt. Ist die erreicht beginnt die Schwingung wieder und damit die, Aufladung auf 450 Volt.
• Im unbelastetem Zustand pendelt die Ausgangsspannung also ständig zwischen zwei vorher bestimmbaren Werten.
• ( Zweipunktregelung ) Mit den Darlingtontransistoren im Schalterbetrieb und dem Ferritkern als übertrager ergibt sich ein kleiner Aufbau der gesamten Schaltung. Sie fand Platz auf einer Platine der Größe 85 x 62 mm.
• Der Gleichspannungswandler ist auch in anderen Bereichen der Elektronik anwendbar, denn er ist auf seine Leistung (60,8 Watt) bezogen klein und arbeitet mit gutem Wirkungsgrad.
• Beschreibung des Steuerteils Das Steuerteil ist eine monostabile Kippschaltung (Mono Flop) aus den Transistoren g , T2 . Er hat die Aufgabe aus den vom Unterbrecherkontakt kommenden Zündzeitpunkten Rechtecks impulse mit der Dauer 1 ms zur Stillegung des Gleichspannungs, wandlers zu erzeugen.
• Aus der ansteigenden Flanke dieses Impulses wird durch das Differenzierglied C4 , R6 der eigentliche Steuerimpuls für das Gate des Thyristors Th gewonnen.
• Die Gesamtschwingdauer t die sich aus den nacheinander folgenden Schwingungen zwischen C5 , L und der gedämpften Nachschwingung zwischen C6 , L (Zündspule) ergibt ist kleiner als 1 ms.
• Die Differenz zwischen beiden ist die Zeit in der der Thyristor seine von der vorhergehenden Entladung in seinen dotierten Schichten verbliebenen Elektronen abbauen kann. (Freiwerdezeit) Der Thyristor würde ohne diese Freiwerdezeit nicht mehr sperren. Und das muß er da sofort der neue Ladevorgang für den Kondensator C5 beginnt.
• Noch ven der herkömmlichen Induktionszündanlage stammt der dem Unterbrecherkontakt parallel geschaltete Kondensator Ck.
• Er ist zum Betrieb der Kondensatorzündanlage nicht mehr nötig.
• Ihn zu entfernen ist aber dennoch nicht nötig, denn die Zündverzögerung die aus der Zeitkonstante Rk s Ck entsteht ist so klein , daß sie auch bei den hohen Drehzahlen nicht von Belang ist.
• Im Eingang des Steuerteils liegt der Kgndensator Cl . Er hat die Aufgabe außer dem Zündimpuls beim erstmaligen öffnen des Unterbrecherkontakts keinen weiteren Impuls auf das Steuerteil kommen zu lassen.
• Solche Störimpulse würden den Thyristor mehrfach ansteuern was Fehlzündungen bedeuten würde.
• Die Lösung des Problems ist so, daß C1 schon mit dem ersten öffnen aufgeladen ist und danach für weitere Impulse wie eine Sperre wirkt.
• Es können also vom einen bis zum nächsten Zündimpuls, der Ja frühestens nach 3,33 ms entsprechend 9000 U/min bei Viertakt- Ottomotoren und 4 Zylindern kommen kann, keine anderen eventuellen Störimpulse den Thyristor ansteuern und zu Fehlzündungen führen.

Claims (1)

1. Patentansprüche 1.ie Stillegung des Gleichspannungswandlers während der Entlade- u. Schwingphase der Kondensatoren C5 bzw. C6 mit der Induktivität L der Zündspule.

   In der Entlade- u. Schwingphase zwischen C5 bzw. C6 mit der Zündspuleninduktivität L darf der Gleichspannungswandler keine Leistung ab'geben, weil der Thyristor eine Zeit in der er seine in den Sperrschichten verbliebenen Ladungsträger ( Elektronen ) abbauen kann benötigt.

   Die Zeit der Stillegung muß größer sein als die Gesamtzeit von Entladung und Schwingung zwischen C5 u. L plus C6 u. L.

   In diesem Fall beträgt die Stillegung 1 ms.

   Die Differenz beider Zeiten ist die Freiwerdezeit für den Thyristor.

   Mit Beginn eines durch den Unterbrecherkontakt ausgelösten Impulses beginnt auch die Stillegung.

   Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß durch den Steuerteil ( Mono Flep ) aus den Transistoren T1 , T2 ein Rechteckimw puls mit 1 ms Dauer erzeugt wird, welcher über den Schwellwertschalter aus den Transistoren T3 , ?4 und den Transistor T6 die Zeitglieder R3 , C2 und R4 , C3 auf Massepotential ( O Volt ) legt. Dies geschieht über die Entkeppelungsdioden D1 D2 .

   Der Gleichspannungswandler ist dann für 1 ms nicht mehr in der Lage Leistung abzugeben.

   Ist der Rechteckimpuls nach 1 ms vorüber so beginnt der Gleichspannungswandler wieder zu arbeiten und läd den Energiespeicher Kondensator C5 erneut auf 450 Velt auf.

   Patentansprüche 2.Die Verlängerung der Schwingungsdauer durch den Kondensator C6 die dadurch gekennzeichnet ist, daß nach der Entladung des Energiespeichers-C5 über den Thyristor und die Zündspuleninduktivität L sich bei inzwischoi gesperrtem Thyristor eine weitere Schwingung aus C6 u. L anschließt.

   Dies geschieht mit der Restenergie die nach Abzug der bereits an der Kerze umgesetzten Energie übrig bleibt.

   L.I² = mWs 2 I - Der im betrachteten Zeipunkt (Thyristorsperrung) in der Induktivität L fließende Strom.

   Mit dieser Rest energie entsteht zwischen Zündspule induktivität L und Kondensator C6 eine abklingende Nach.

   schwingung die zu einer Verlängerung der Funkenbrenndauer an der Zündkerze führt.

   3.Die R-C Beschaltung die Thyristoren benötigen um gegen schnellen Spannungsanstieg geschützt zu seinaU/at überschreitet die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung bestimmte Werte so wird der Thyristor leitend hne daß zuvor sein Gate angesteuert wurde. Der Grund ist die zwischen Anoden p- Schicht u. Gate p- Schicht stehende Eigenkapazität. Steile Flanken bringen da genügend Ladungs= träger hinein,sodaß es zum durchschalten kemmt.

   Hier ist die RC Beschaltung durch den Ausgangswiderstand des Gleichspannungswandlers und durch den Kondensator C6 gegeben. Ein besonderer Widerstand und Kondensator ist nicht mehr nötig,denn Ausgangwiderstand und C6 übernehmen die Funktion einer ReC Beschaltung mit. Dadurch ist diese gekennzeichnet. Gefahr für unken#trolliertes Durchschalten des Thyristors bestünde ohne RjC Beschaltung beim wieder= einsetzen des Gleichspannungswandlers,also bei Beginn der sich ständig wiederholenden Aufladung ven Kondensator C5.