DE2909540C2

DE2909540C2 - Zündschaltung für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2909540C2
Application number: DE2909540A
Authority: DE
Inventors: Jerome A. Milpitas Calif. Frazee
Original assignee: Fairchild Camera and Instrument Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 1978-03-22
Filing date: 1979-03-10
Publication date: 1983-11-10
Also published as: GB2017441B; ES477245A1; JPS54125328A; DE2909540A1; GB2017441A; US4163160A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündschaltung für Brennkraftmaschinen zur Kompensation von Abweichungen im Funktionszyklus eines an einem Eingangsschaltpunkt angelegten Eingangssignals eines Impulsgebers zur Erzeugung eines die Dauer des Stromflusses durch die Zündspule bestimmenden Ausgangssignals an einem Ausgangsschaltpunkt, entsprechend dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Der Zündfunke für die Zündung des KraftstciT-Luft-Gemisches in den Zylindern von Motoren mit innerer Verbrennung wurde bisher überwiegend auf elektromagnetischem Wege erzeugt, und zwar insbesondere dadurch, daß

ein Verteilerfinger und eine Nockenanordnung mechanisch elektrische Kontakte zur Steuerung einer Spule öffnen und schließen. Die Spule liefert Zündfunken zu den verschiedenen Zylindern, und zwar in der vorgegebenen Folge und über vorgegebene Zeiten. Es ist jedoch bekannt, daß die Ausführung dieser Funktion auf elektronischem Wege gegenüber der herkömmlichen mechanischen Technik wesentliche Vorteile bietet Allerdings liegt ein gewisser Nachteil darin, bei vielen der elektronischen Zündverfahren Energie dadurch verschwendet wird, daß die Spule für eine übermäßig lange Zeitdauer dem Ladevorgang ausgesetzt wird.

In DE-OS 24 18177 Ist eine elektronische Zündanlage für Verbrennungsmotoren beschrieben, bei der Ausgangsimpulse eines monostabilen Impulsgenerators einem Schaltkreis zugeführt werden, der Impulse oder eine Impulsfolge mit einem Tastverhältnis von 70% erzeugt, um einen Arbeitszyklus dieses Schaltkreises einzuleiten. Das so erzeugte Primärsignal wird für die Erzeugung des Ausgangssignals zu der Zündspule benutzt. Dieses Signal wird bei niedrigeren Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine verzögert, so daß die „Verweilzeit" bei solchen niedrigeren Drehzahlen nicht übermäßig hrzh ist. Der Wert von 70% für den Funktionszyklus bzw. das Tastverhältnis ist im Hinblick auf solche Zündsysteme gewählt, bei denen der „Verweilwinkel" für die Unterbrecherkontakte, wenn solche Kontakte verwendet wären, 30° betragen würde. Dabei ist der Funktionszyklus bzw. das Tastverhältnis der Schaltung durch die Auslegung der Schaltung fixiert.

Bei Festkörper-Zündsystemen werden durchweg Zahnscheiben mit entsprechenden Abfühleinrichtungen verwendet, wie beispielsweise in der DE-OS 24 54 505 dargestellt ist.

Die Toleranzen einer solchen Anordnung sind so groß, daß bis zu 5% und mehr Abweichungen zwischen den Funktionszyklen bzw. Tastverhältnissen verschiedener Verteiler zu erwarten sind. Wenn man nun einen festen Wert für den Funktionszyklus der Schaltung wählt, so wird für einige Verteiler die „Verweilzeit" zu lang sein, und die Folge ist einiinergieverlust und eine unnötige Aufheizung der Zündspule. Noch wesentlicher ist, daß die „Verweilzeit" für andere Verteiler zu kurz sein wird, und dies führt dazu, daß nur Funken mit niedriger Spannung zur Verfugung stehen. Nun ist es möglich, eine Schaltung darzustellen, welche eine manuelle Korrektur von Abweichungen dieser Art gestattet, jedoch erfcsdert dies ein kosten- und zeitaufwendiges Einstellen jeder einzelnen Schaltung nach dem Einbau in ein bestimmtes Fahrzeug. Außerdem ist zu berücksichtigen, daß eine solche Einstellung in einer gewissen Abhängigkeit Von den Betriebsbedingungen des Fahrzeugs steht, insbesondere bei schwerer Belastung der Maschine., so daß Fehler und Drifterscheinungen die Folge sind.

Die vorliegende Erfindung gestattet, diese Nachteile dadurch zu beheben, daß Mittel angegeben werden, welche eine automatische Kompensation dieser Abweichungen des Funktionszyklus unter verschiedenen Verteilern vornehmen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unerwünschte Abweichungen im Funktionszyklus einer Zündschaltung für Kraftmaschinen mit innerer Verbrennung und Fremdzündung zu kompensieren.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf Verbesserungen und weitere Ausbildungen.

Die vorliegende Erfindung gestattet, Nachteile der bisher bekannten Schaltungen und Anordnungen dadurch zu beheben, daß eine verbesserte Eingangsstufe für einen Fahrzeug-Zündsteuerschaltkreis geschaffen wird. Die Eingangsstufe gemäß der Erfindung erzeugt ein Signal der gewünschten Dauer zur Steuerung der Aufladung einer Spule auf den gewünschten Strom über die Mindestzeitdauer. Die Eingangsstufe ist vorzugsweise mit einem geeigneten Geber verbunden, welcher Signale liefert, die für die Winkelposition der Kurbelwelle repräsentativ sind. Eine solche Einrichtung kann eine integrierte Halleffektschaltung sein, welche so geschaltet ist, daß sie die Position der Verteilerwelle abfühlt und entsprechende Signale zu der Eingangsstufenschaltung liefert

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform einer Zündschaltung für Brennkraftmaschinen gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltung mehrere Diagramme der zeitlichen Steuerung.

Fig. 1 zeigt schematisch und vereinzeln die Zündschaltung gemäß der Erfindung. Die Aurg?.he der Zündschaltung ist, ein Ausgangssignal V₀ zu liefern, weiches verstärkt oder in anderer geeigneter Weise verarbeitet und zu einer Spule geliefert werden kann, welche zur Ladung und Entladung veranlaßt wird und dadurch den Zündfunken in den vorgesehenen Zeiten für die verschiedenen Zylinder eines Motors mit innerer Verbrennung erzeugt.

Zum Erzeugen einer Schwingungsform, welche auf Leitung N zu der Zündschaltung 10 geliefert wird, können geeignete bekannte Einrichtungen benutzt werden, beispielsweise der Ausgangstransistor H einer Halleffekt-Anordnung, vorzugsweise ein Offenkollektor-Ausgangsverstärker, wie in Fig. 2a dargestellt ist, sollte das Eingangssignal K_vauf Leitung YV zwischen den Zeiten I₀ und /, niedrig sein, und das Eingangssignal sollte offen sein, um zu erlauben, daß Leitung Nzwischen /, und /₂ flotiert. Zeit ij ist der Beginn des nächsten Zyklus, und der Funke aus der Spule soll in der Zeit t₂ auftreten. Bei Verwendung einer Halleffekt-Anordnung ist dieses Kriterium erfüllt, d:i der Spannungspegel auf Leitung N niedrig sein wird, wenn de^r Halleffekt einsetzt und hoch, wenn der Halleffekt aussetzt.

Das Schalten des Halleffekt-Ausgangstransistors H bewirkt, daß ein Strom in und aus Leitung JV fließt. Wenn der Halleffekt-Ausgangstransistor H im Zeitpunkt ^eingeschaltet wird, wird ein Strom /„„ aus Leitung N durch den Halleffekt-Transistor H zur Erde fließen. Die Stärke dieses Stromes /„„, ergibt sich aus der Gleichung:

L₁=IKr-(Kt₀I+ V_aQX)\l R 102.
Dabei ist V_CF die Spannung über Kondensator CF, V_Bcg:. und V_8EQi sind die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren Ql und Q 4, und R 102 ist der Widerstandswert des Wid'-rrtandes R 102. Die Transistoren Q1 und Ql haben die gleiche Geometrie, so daß der Strom /„„, sich zu gleichen Teilen auf diese Transistoren aufteilt. Dsr Strom J_a am Schaltungspunkt P ist daher gegeben durch die Beziehung:

Der durch Ql fließende Strom wird Kondensator CF entladen. Die andere Hälfte des Stromes wird durch Transistoren Q6A, QdB und Q6C gespiegelt. IiV bekannter Weise können Q6A, Q6B und QöCdrei Transistoren gleicher Abmessungen sein, so daß ein Strom einer bestimmten Stärke, welcher in Q6A hineinfließt, auch in Q6B und Q6C hineinfließt. Auf diese Weise werden auf Leitungen R und S gleiche Ströme geliefert.

Der Strom auf Leitung R bewirkt, daß Kondensator Cl während der Zeit, in der die I lalleffekt-Anordnung // sich im Ein-Zustand befindet, linear geladen wird, und das ist in Fig. 2c zwischen i„ und I₁ der Fall. Da der Kondensator CF wesentlich größer ist als der Kondensator Cl, wird sich ί die Spannung über Kondensator CFnicht so stark ändern wie die Spannung über Kondensator C/. In diesem Zusammenhang vergleiche man Fig. 2b mit Fig. 2c. Dabei kann bei den meisten Betrachtungen die Spannung über Kondensator CFaIs konstant angesehen werden.

Wenn die Halleffekt-Anordnung den Ausgangstransistor H abschaltet (im Zeitpunkt /, in Fig. 2c), nimmt der Kollektor des Transistors // einen hohen Wert an, und dadurch wird erreicht, daß ein Strom /„ von der positiven Speisespannung + Kdurch Widerstand R 101 zur Leitung \s N Hießt.

Dieser Strom /,„ ist gegeben durch folgende Beziehung:

Duiici sinii r^,_yiJ üiiii r'_elvl:&ti uaSiä-CrriiüCr-Spannüü- 2ii

gen der Transistoren QlA bzw. Q 12, R 101 ist der Widerstandswert des Widerstandes R 101, und R 102 ist der Widerstandswert des Widerstandes R 102. Da dieser Strom durch QlA und QlB geteilt wird, ergibt sich der Strom /, _f am Schaltungspunkt P durch folgende Glei- i=, chung:

Bei den meisten Ausführungsformen wird die Speisespannung + Vu\c Batteriespannung des Fahrzeugs abzuglieh irgendwelcher Spannungsabfälle sein, welche durch Filter oder andere zwischengeschaltete Einrichtungen bedingt sind.

Der Strom, welcher in die Zündschaltung 10 auf Leitung /Vgelangt, fließt durch QlA und QlB, und er teilt j5 sich hier in zwei gleiche Ströme auf, wobei eine Hälfte mit Ladung von Kondensator CF addiert wird. Die andere Hälfte des Eingangsstrnms von Transistor QIA wird durch Transistoren Ql und Q8 gespiegelt und bewirkt, daß die Spannung über Kondensator C/entsprechend der Darstellung in Fig. 2c in der Periode zwischen r, und i_; abnimmt.

Im stationären Betrieb kann sich Kondensator CF nur durch die Eingangsleitung ;V laden oder entladen. Nach mehreren Arbeitszyklen wird sich daher die Zündschaltung 10 selbst einstellen, so daß der hineinfließende Strom, multipliziert mit seinem Tastverhältnis, gleich dem herausfließenden Strom, multipliziert mit seinem Tastverhältnis, ist. Als Tastverhältnis wird dabei das Verhältnis der Ein-Zeit zur Aus-Zeit bezeichnet. Im Regelfall ist das Tastverhältnis mechanisch durch die Dimensionen von Komponenten innerhalb des Verteilers gegeben. Die mittlere Spannung afi; Kondensator CFwird daher stabil sein, wenn folgende Gleichung erfüllt ist:
U h

2CF

ί L dt

55

Wenn der Kondensator CF groß ist, so daß die Änderung von ^während eines Zyklus klein ist, so kann ^aIs Konstante angesehen werden, und /„ und /„„werden konstant sein.

Die Gleichwertigkeit der Strom-Tastverhältnis-Produkte führt zu einem wesentlichen Fortschritt gegenüber bekannten Schaltungen, bei denen dem Schaltungspunkt P eine feste Spannung zugeführt wird. Schaltungen bekannter Art waren extrem empfindlich gegenüber Dimensionsänderungen bei den Halleffektplatten, dem Verteiler und anderen mechanischen Geräten und Teilen. Im Gegensatz hierzu kann bei der Schaltung 10 gemäß der Erfindung der Schaltungspunkt /Miolieren und der Schallungspunkt P wird daher denjenigen Spannungspegel suchen, bei dem die Eingangsströme, welche in Leitung /V hineinfließen und aus Leitung /V herausflicßen, im gleichen Verhältnis stehen wie beim Tastverhältnis.

Zwischen den Zeilen f, und /. nimmt die Spannung über Kondensator Cl ab, bis sie den Wert einer Bezugsspannung V_KII erreicht, weiche durch Spannung V₁, über Widerstand R 103 erzeugt wird. Die Bezugsspannung V₁₁₁₁ wird durch den Strom aus Transistor Q6C ein- und ausgeschaltet. Das Schalten der Bezugsspannung V₁₁₁₁ ist in Fig. 2d dargestellt. Wenn sie nicht geschaltet wird, würde das Signal V_K das Signal V₁₁ im Punkt J-'(Fig. 2c) kreuzen, und das Signal V_n würde bis über /,, die entsprechend der Darstellung in Fig. 2a gewünschte Abschaltzeil, andauern. Spannungsvergleicher 741 erzeugt daher nur zwischen den Zeilen ι. und t, ein Ausgleichssignal V_n, und dies ist dann der Fall, wenn V_R ä V₁, ist. Der Vergleicher 741 vergleicht die Bezugsspannung V_R mit der Spannung J-;,, und wenn Spannung V₁₁ negativer wird und die Spannung V₁₁ kreuzt, wird der Ausgang des Vergleichers in den Ein-Zustand versetzt. Hierdurch wird der Strom zu der Spule eingeschaltet. Zwischen den Punkten /, und /, wird die Spule (nicht dargestellt) geladen, wobei der Funke im Zeitpunkt /. auftritt.

Wenn die Halleflekt-Anordnung //veranlaßt, daß Transistor QdA in den Ein-Zustand versetzt wird, wird Transistor Q17 durch den Strom von Transistor Q6Cin den Ein-ZustatTv'. versetzt. Hierdurch wird die Bezugsspannung V„ auf einen niedrigeren Wert gebracht, so daß sie unter den unteren Punkt der V_a -Schwingungsform abfällt und den Vergleicher in diesem Zeitpunkt (/,) wieder in den Aus-Zustand zurückversetzt. Die Wirkung der sich ändernden Beziehung zwischen Spannung V_K und Spannung V₁ ist, daß entsprechend der Darstellung in Fig. 2e ein Ausgangssignal V₁₁ erzeugt wird, welches in der erwähnten Weise verwendet wird, eine Spule zu laden und zu entladen, so daß ein Funke erzeugt wird.

Transistor Q10, welcher als Diode geschaltet ist, definiert eine Spannung, welche sich um einen geringen Wert über Erde als der am stärksten negativen Spannung, zu der die Spannung V₁₁ gelangen kann, befindet. Wenn der Vergleicher im Zeitpunkt r, den Ein-Zustand einnimmt, bewirkt ein Ausgangssignal aus Vergleicher 741 durch Widersstand Rl zum Transistor Q 9, daß Transistor Q 9 den Sättigungszustand einnimmt und die Spannung V_n auf diesen Pegel gezogen wird. Spannung V_n wird durch Transistor Q 9 entladen und bleibt während der Zeit von r, bis t, entladen. Im Zeitpunkt t, wird der Vergleicher in den Aus-Zustand versetzt, und dies bewirkt, daß Transistor Q 9 abschaltet und dadurch ermöglicht, daß der Arbeitszyklus erneut beginnen kann. Die Bezugsspannung V₁, wiro durch Transistor Q17 auf eine Sättigungsspannung über Erde herabgesetzt. Transistoren Q4, QS und Q12 sind so geschaltet, daß sie Basisstromfehler in den Stromspiegeln herabsetzen.

Die Form der in den F i g. 2a bis 2e dargestellten Kurven ändert sich entsprechend der Drehzahl, mit der die Verbrennungskraftmaschine und dementsprechend auch der Verteiler arbeiten. Allgemein kann gesagt werden, daß ein Ansteigen der Drehzahl die Folge hat, daß die dargestellten Schwingungsformen zusammengedrückt werden, also die Periode jedes Zyklus verkürzt und die Höhe der V_n- und ^-Signale herabgesetzt wird. Bei noch höheren Drehzahlen wird im Zeitpunkt /, V_a gleich oder niedriger als V,- und dann wird V^, im Zeitpunkt r, auf einen hohen Wert und im Zeitpunkt /₂ auf einen niedrigen Wert schalten. V₀ wird daher V_s folgen.

Bevorzugt sind die Transistoren Q 1 und Q2 so angepaßt, daß sie bei einem gegebenen Kolleklorstrom die gleiche Basis-Emitter-Spannung haben. Die Transistorpaare Q 3.4 und QlB sind ebenfalls angepaßt, und dies ist auch der Fall bei dem Paar Ql und QS, ebenso wie bei dem Satz QbA, QbB und Q6C. Die Komponenten der Zündschaltung können dabei die folgenden Werte haben bzw. die folgenden Typen sein:

Widerstände R 1
RlOl Λ 102 Λ 103

Speisespannung + F + K

Kondensatoren CF

2 000 Ohm 15 0000hm 5 000 0hm 2 000 0hm 12VoIt 2.5 Volt 4.7 Microfarad 0.47 Microfarad

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zündschaltung für Brennkraftmaschinen zur Kompensation von Abweichungen im Funktionszyklus eines an einen Eingangsschaltpunkt angelegten Eingangssignals eines Impulsgebers zur Erzeugung eines die Dauer des Stromflusses durch die Zündspule bestimmenden Ausgangssignals an einem Ausgangsschaltpunkt, mit ίο

— einer ersten, an dem Eingangsschaltpunkt anliegenden Spannungsquelle (K+),

— einem ersten Kondensator (CT), welcher von einem ersten Strom geladen und einem dritten Strom entladen wird, und is

— einem zweiten Kondensator (CI), welcher von einem zweiten Strom geladen und von einem vierten Strom entladen wird, wobei nach Entladung des zweiten Kondensators auf einen besiknmten Spannungswert das Ausgangssignal erzeugt wird, gekennzeichnet durch

— einen ersten Stromteiler (Q₁, Q₂) zur Aufteilung eines vom Eingangsschaltpunkt (/V) während eines Teils des Zündzyklus abfließenden Stromes in den zweiten und den dritten Strom,

— einen zweiten Stromteiler (Q,_s, Q_u) zur Aufteilung eines während des übrigen Teils des Zündzyklus zum Eingangsschaltpunkt (Λ0 fließenden Stromes in den ersten und den vierten Strom, und

— einen mit dem zweiten Kondensator (CT) und einer ten bestimmten Spannungswert vorgegebenen Bezugsspannungsquelle (V_x) gekoppelten Spannungsvergieicher-_X/41) zum Erzeugen des Ausgangssignals am Ausgangsschaltpunkt (V₀).

2. Zündschaltung nach An.pruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kondensator (CF) durch Ladung mit dem ersten Strom und Entladung mit dem dritten Strom auf einem mittleren Spannungspegel gebracht wird, welcher bewirkt, daß der Wert des mit seiner Dauer multiplizierten ersten Stromes dem Wert des mit seiner Dauer multiplizierten dritten Stromes ist, und daß der Wert des mit seiner Dauer multiplizierten zweiten Stromes gleich dem Wert des mit seiner Dauer multiplizierten vierten Stromes ist.

3. Zündschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Strom einen Schalter zur Entladung des zweiten Kondensators (CI) betätigt.

4. Zündschaltung nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stromteiler Transistoren (Q 1 und Q 2) enthält, deren Emitter mit dem Eingangsschaltpunkt (N) verbunden sind, und deren Basen miteinander verbunden sind,

wobei der Kollektor des einen Transistors (Q 2) mit seiner Basis und mit dem ersten Kondensator (CF) zur Lieferung des ersten Stromes verbunden ist, und der Kollektor des anderen Transistors (Q 1) mit dem zweiten Kondensator (CT) zur Lieferung des zweiten Stromes verbunden ist.

5. Zündschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (Q 17) mit der Bezugsspannungsquelle (V_K) so verbunden ist, daß er den Stromfluß zu dem Spannungsvergleicher (741) steuert, und ein erster Stromspiegel (Q 6/1, Q 65, Q 6C) mit dem Kollektor des anderen Transistors (Ql) so verbunden ist, daß er einen fünften Strom liefert, dessen Stärke gleich der des zweiten Stromes ist, um den Schalter (Q 17) für die Bezugsspannungsquelle (V,) zu betätigen.

6. Zündschaltung nach einem der Ansprüche 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Stromteiler Transistoren (Q ZA und Q 35) enthält, deren Emitter mit dem Eingangsschaltpunkt (N) und deren Basen miteinander verbunden sind

wobei der Kollektor des einen Transistors (Q 35) mit seiner Basis und mit dem ersten Kondensator (CF) so verbanden ist, daß er den dritten Strom liefert, und der Kollektor des anderen Transistors (Q Ζ/ΐ) mit dem zweiten Kondensator(CI) so verbunden ist, daß erden vierten Strom liefert.

7. Zündschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis eines weiteren Transistors (Q9) mit dem Ausgangsschaltpunkt (V₀) verbunden ist,

der Kollektor des Transistors (Q 9) mit dem zweiten Kondensator (CT) verbunden ist, und
der Emitter des Transistors (Q 9) mit der Erde verbunden ist

8. Zündschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einen zweiten Stromspiegel bildende Transistoren (Q 7 und Q 8) zwischen dem zweiten Kondensator (CT) und dem Kollektor des anderen Transistors (Q3A) des zweiten Stromteilers liegen,

die Basen der beiden Transistoren (Q 7 und Q 8) miteinander vertx.-nden sind,

der Kollektor des einen Transistors (Q 7) mit dem Kollektor des anderen Transistors (QZA) des zweiten Stromteilers verbunden ist,

der Kollektor des anderen Transistors (Q8) mit dem zweiten Kondensator (CT) verbunden ist, und
die Emitter der zwei Transistoren (Q 7, Q 8) des zweiten Stromspiegels und des weiteren Transistors (Q9) miteinander verbunden sind.

9. Zündschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den verbundenen Emittern der Transistoren (Q7, Q 8) des zweiten Stromspiegels und des weiteren Transistors (Q9) und Erde ein als Diode geschalteter Transistor (Q 10) liegt.

10. Zündschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor und die Basis des als Diode geschalteten Transistors (Q 10) miteinander und mit den verbundenen Emittern der zwei Transistoren (Q 7, Q 8) des zweiten Stromspiegels und des weiteren Transistors (Q9) verbunden sind, und

der Emitter des als Diode geschalteten Transistors (Q 10) mit Erde verbunden ist.

11. Zündschaltung nach einem der Ansprüche I bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Eingangsschaltpunkt (Λ0 zugeführte Eingangssignal von einer Halleffekt-Anordnung (H) geliefert wird.