DE69315322T2 - Freilaufendes kapazitives entladungszündsystem mit zündfunkenfrequenzsteuerung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft allgemein Zündsysteme für Turbinenmotoren und betrifft im besonderen ein Zündsystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 8.
• Ein Zündsystem und ein entsprechendes Verfahren dieser Art sind aus der US-A-4 983 886 bekannt geworden, in der bereits ein Zündsystem beschrieben wird, welches durch Kurzschluß-Mittel gekennzeichnet ist, die mindestens ein Halbleiter-Schaltelement aufweisen, welches durch eine Komparator-Einrichtung gesteuert wird, welche die Spannung an den Anschlüssen des Speicherkondensators mit einer Referenzspannung vergleicht.
• Ferner offenbart die US-A-3 569 727 Steuer-Mittel zum automatischen Sperren einer einen elektrischen Impuls oder Funken erzeugenden Vorrichtung im Anschluß an eine vorbestimmte Betriebszeit Zu diesem Zweck beinhaltet das bekannte System eine Schaltung, welche einen Induktionstransformator, einen Brückengleichrichter, einen Funkenstrecken-Schalter und ein Solenoid mit zwei Wicklungen umfaßt.
• Allgemein verwenden herkommliche Funkenzündsysteme für Luftfahrzeugturbinen eine Funkenstrecken-Einrichtung zum Steuern des Flusses von Energie an Zündkerzen mittels Lade/Entladezyklen, welche Funken an einer oder mehreren der Zündkerzen entstehen lassen, um Brennstoff im Brennraum des Turbinenmotors zu entzünden. In solchen Systemen lädt eine Hochspannungsenergiequelle einen Speicherkondensator mit einer vorbestimmten Rate. Wenn der Kondensator geladen wird, steigt die Gleichspannung am Anschluß des Kondensators; die Funkenstrecken- Einrichtung hält ihn jedoch von der Zündkerze getrennt, indem sie wie ein offener Schalter wirkt. Die Funkenstrecken-Einrichtung hat eine voreingestellte Durchschlagspannung. Wenn die Spannung des Kondensators auf diesen voreingestellten Wert ansteigt, zündet die Funkenstrecken-Einrichtung (d.h. sie wird zum geschlossenen Schalter) und entlädt den Kondensator durch eine Ausgangsschaltung auf die eine oder mehreren Zündkerzen.
• Das Entlade-Ereignis erfolgt gegenüber der zum Laden des Speicherkondensators erforderlichen Zeit relativ schnell. Wenn das Entlade-Ereignis eintritt, beginnt der Speicherkondensator einen neuen Zyklus, indem er sich mit der gleichen vorbestimmten Rate wie im vorangegangen Zyklus nachlädt. Diese Rate ist durch die Gestaltung der Hochspannungsenergiequelle bestimmt. Der Lade/Entladezyklus ist somit ein sich wiederholender Vorgang, der sich mit einer Rate wiederholt, die in umgekehrter Relation zu der Zeit steht, die erforderlich ist, um den Speicherkondensator auf die Durchschlagspannung der Funkenstrecken- Einrichtung zu laden. Diese Betriebsart ist kontinuierlich und freilaufend, d.h. nicht durch eine Takt- oder Zeitgebereinrichtung gesteuert.
• Funkenstrecken-Einrichtungen eignen sich sehr gut zum Schalten der hohen Spannungen und Ströme eines Zündsystems von einer Speichereinrichtung zu einer Ausgangszündkerze. Darüber hinaus sind Funkenstrecken-Einrichtungen robust und anpaßbar auf die harten, extremen Umgebungsbedingungen, die Turbinenmotoren in manchen ihrer gebräuchlichen Anwendungen (Z.B. in einem Luftfahrzeug) erfahren. Außerdem sind Funkenstrecken-Einrichtungen hinreichend bekannte zweipolige "passive" Vorrichtungen, was bedeutet, daß sie nicht mit externen Steuer- und/oder Leistungssignalen beauf schlagt werden müssen, um korrekt zu funktionieren. Folglich sind sie relativ einfach und preiswert in die Gestaltung eines Zündsystems zu integrieren, weil sie keine speziellen Schaltungsanordnungen verlangen.
• Bis vor kurzem verwendete das typische Gleichspannungs-Zündsystem einen Niederfrequenz-Sperrschwinger als Hochspannungs- DC-DC-(Gleichstrom-)Umsetzer. Dieser Umsetzer war abhängig vom Betafaktor des Leistungstransistors, um die gesteuerte Leistung zu regulieren, und bietet keine Möglichkeit, die Funkenrate über einen breiten Eingangsspannungsbereich zu steuern. Typisch wird bei diesem Umsetzer der Tankkondensator in 500 bis 1000 ms geladen, unter Erhalt eines Ausgangs von ein (1) bis zwei (2) Funken in der Sekunde. Der in diesem DC-DC-Umsetzer verwendete Leistungstransformator war typischerweise ein Transformator mit einem lamellierten Eisenkern, der schwer und groß war. Der in Fig. B auf Seite 229 von A.H. Lefebvres "Gas Turbine Combustion", Hemisphere Fublishing Corporation (1983), gezeigte Umsetzer ist ein Beispiel für einen Niederfrequenz-Sperrschwinger, der als Hochspannungs-DC-DC-Umsetzer verwendet wird.
• Neuere Ausführungen von Funkenzündsystemen verwenden verbesserte Hochspannungsumsetzer als Energiequelle zum Laden von Speicherkondensatoren. Diese Umsetzer sind in der Lage, Speicherkondensatoren von Zündsystemen um ein Vielfaches schneller zu laden als bisherige Umsetzer, indem sie sich die bei magnetischen Werkstoffen und integrierten Schaltungen erzielten Verbesserungen zunutze machen, wodurch mehr Leistung pro Volumeneinheit des Transformators gesteuert werden kann, was eine Verringerung des Gewichts und Steigerung des Systemwirkungsgrads zur Folge hat. Um diese neuen Werkstoffe zu nutzen, schwingen diese verbesserten Hochspannungsumsetzer mit einer viel höheren Frequenz als traditionelle Umsetzer, wie der in der vorstehend angeführten Literaturstelle von Lefebvre dargestellte. Anwendungen dieser neueren Umsetzer sind in der Vergangenheit typisch begrenzt gewesen auf die Verwendung in Verbindung mit Entladeschaltungen, die eine kontrollierte Entladerate aufweisen. Beispielsweise offenbart die US-A-5 065 073 einen schnelladenden Hochspannungsumsetzer in Verbindung mit einer Festkörper-Entladeschaltung, die von einem externen Triggerimpuls abhängig ist, um ein Entlade-Ereignis in Gang zu setzen. Indem für einen externen Triggerimpuls gesorgt wird, wird die Funkenrate gesteuert. Bei Verwendung dieser neuen Umsetzer in freilaufenden Zündsystemen sind allerdings die Funkenwiederholraten viel höher als notwendig, um die Turbinen zu zünden, wodurch die Zündkerzen schneller verschleißen. Bedauerlicherweise sind diese Festkörper-Entladeschaltungen nicht so robust und unempfindlich wie die herkömmlicheren freilaufenden Entladeschaltungen mit Funkenstrecken-Einrichtungen.
• Die Hauptaufgabe der Erfindung liegt darin, die neuen schnelladenden Umsetzer mit einem passiven zweipoligen Schalter in Entladeschaltungen zu kombinieren, ohne dabei jedoch eine übermäßige Entladerate zu erhalten.
• Diese Aufgabe wird, was das Zündsystem anbelangt, mit Hilfe des Zündsystems erfüllt, welches die Merkmale von Anspruch 1 aufweist.
• Hinsichtlich des Verfahrens wird die obengenannten Aufgabe durch das Verfahren erfüllt, welches die Merkmale von Anspruch 8 aufweist.
• Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß sie für eine geregelte Funkenrate eines Zündsystems sorgt, wobei ein passiver zweipoliger Schalter zur Anwendung kommt, so daß die Entladeschaltung nicht freilaufend ist. Ein mit der Erfindung verbundener Vorteil ist der, daß sie eine genaue Einstellung der Funkenrate ermöglicht, so daß diese im wesentlichen unabhängig ist von externen Veränderungen, wie Eingangsspannungspegel und Betriebstemperatur.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß sie passive zweipolige Mehrfachschalter bereitstellt, die von dem Hochenergie-Schnellade-Umsetzer gespeist werden, derart, daß die jedem Schalter zugeordnete Funkenrate gesteuert wird.
• Ein gesonderter und weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie es gestattet, Diagnoseinformationen aus einem die Funkenrate steuernden Signal zu entnehmen, die mittels einer Schaltungsanordnung verarbeitet werden können, um den Zustand des Systems anzuzeigen, im besonderen den der Zündkerzen, die einen endlichen Lebenszyklus haben und regelmäßig ausgetauscht werden müssen.
• Zusammenfassend schafft die Erfindung ein Rückkopplungsnetzwerk in dem Zündsystem, welches anzeigt, daß der passive zweipolige Schalter geschlossen wurde, und eine Logikschaltung zurücksetzt, welche die Einleitung aufeinanderfolgender Ladezyklen steuert, die durch einen Hochenergie-DC-DC-Umsetzer ausgeführt werden, der Energie in einen Speicherkondensator pumpt. In einer Ausführungsform ist der passive zweipolige Schalter eine herkömmliche Funkenstrecken-Einrichtung. In einer alternativen Ausführungsform tritt ein passives Netzwerk von Halbleiterbauelementen an die Stelle der Funkenstrecken-Einrichtung. So wie die Funkenstrecken-Einrichtung, ist jedoch auch das passive Netzwerk von Halbleiterbauelementen eine passive zweipolige Einrichtung, die keiner externen Steuer- und/oder Leistungs- Schaltungsanordnung bedarf.
• Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung sind aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
• Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Zündsystem für einen Turbinenmotor, wobei ein Festkörper-DC-DC- Umrichter und eine herkömmliche Funkenstrecken- Entladeeinrichtung Anwendung finden, um für eine kontrollierte Funkenrate an der Zündkerze oder den Zündkerzen des Systems zu sorgen;
• Fig. 2 ist ein beispielhaftes passives Netzwerk von Halbleiter-Bauelementen, die eine passive zweipolige Vorrichtung bilden, welche an Stelle der Funkenstrecken-Entladeeinrichtung von Fig. 1 Anwendung finden kann;
• Fig. 3 zeigt eine Reihe von beispielhaften Wellenformen (a) bis (e) für das Zündsystem von Fig. 1;
• Fig. 4a und Fig. 4b sind beispielhafte Kurvenformen der Entlade- spannungen für Zündkerzen in störungsfreiem bzw. nicht störungsfreiem Zustand; und
• Fig. 5 zeigt eine Reihe von beispielhaften Wellenfor men (a) bis (d) für den DC-DC-Umsetzer des Zündsystems von Fig. 1.
• Zwar wird die Erfindung in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben; selbstverständlich ist es jedoch nicht beabsichtigt, die Erfindung auf diese spezielle Ausführungsform zu beschränken. Vielmehr ist es beabsichtigt, alle Alternativen und Aquivalente abzudecken, die in den Rahmen der beigefügten Ansprüche fallen.
Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführungsform
• Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen; und zwar zunächst auf Fig. 1, gemäß welcher ein Zündsystem 11 eine Entladeschaltung 13 und eine Umrichterschaltung 15 umfaßt. Die Umrichterschaltung 15 pumpt Energie aus einer Gleichstromquelle 17 in einen Speicherkondensator 19 der Entladeschaltung 13, unter Verwendung eines Leistungstransformators 21 und einer Diode D1. Wenn die in dem Speicherkondensator 19 gespeicherte Energie einen bestimmten Wert erreicht, beginnt das Gas in einer herkömmlichen Funkenstrecken-Einrichtung 23 ein Plasma zu bilden, welches einen niederohmigen Pfad von dem Speicherkondensator zu einer Zündkerze 25 schafft, wodurch an der Zündkerze ein Funkenereignis in Gang gesetzt wird. Mit kleiner werdender Energiedifferenz zwischen dem Kondensator 19 und der Zündkerze 25 als Folge des Funkenereignisses löst sich das Plasma auf, und die Funkenstrecken-Einrichtung 23 stellt wieder eine hochohmige Verbindung zwischen dem Kondensator und der Zündkerze her. Praktisch trennt die hochohmige Verbindung der Funkenstrecken-Einrichtung 23 den Kondensator 19 von der Zündkerze 25, wodurch der Kondensator eine Ladung aufbauen und den Zyklus des Aufladens und Entladens wiederholen kann.
• Zum Zwecke der Definition wird alles, was dem Speicherkondensator 19 nachgeschaltet ist, als Teil einer "Ausgangsschaltung" betrachtet. In der Hauptsache umfaßt die Ausgangsschaltung die Funkenstrecken-Einrichtung 23, einen Induktor 35, die Zündkerze 25 und ein Schutzwiderstandsnetzwerk 33.
• Maßgebender Faktor beim Bestimmen der Häufigkeit des Funkenereignisses ist normalerweise die Ladezeit des Speicherkondensators 19. In diesem Zusammenhang ist die dargestellte Umrichterschaltung 15 ein Festkörperbauteil der Art, welches relativ schnelle Laderaten liefert, wie am Beispiel des Umrichters in der bereits genannten US-A 5 065 073 aufgezeigt. Sobald der Speicherkondensator 19 die Schwellenspannung erreicht hat, bei der Durchschlag der Funkenstrecke der Funkenstrecken-Einrichtung 23 erfolgt, entlädt sich der Speicherkondensator durch den Ausgangsinduktor 35, wobei an der Funkenstrecke der Zündkerze 25 ein Funke gebildet wird. Das Vorhandensein einer Diode D2 parallel zur Zündkerze 25 in der Ausgangsschaltung sorgt für eine unipolare Entladung aus der Entladeschaltung 13.
• Erfindungsgemäß wird die Rate der Funkenereignisse für ein Zündsystem, welches eine Triggervorrichtung in Form eines passiven zweipoligen Bauelements in seiner Entladeschaltung verwendet, dadurch gesteuert&sub1; daß der DC-DC-Umsetzer selektiv freigegeben und gesperrt wird. Durch selektives Freigeben und Sperren des Umsetzers wird die Einleitung eines Ladezyklus gesteuert, wodurch die Funkenrate der Entladeschaltung wirksam kontrolliert wirdf deren Schaltungsanordnung im übrigen freilaufend ist. Obgleich die Rate, mit der der Speicherkondensator der Entladeschaltung geladen wird, von Zyklus zu Zyklus variieren kann, wird die mittlere Rate der Entlade-Ereignisse konstant gehalten, indem das Ingangsetzen des Ladens des Kondensators gesteuert wird.
• In bezug auf die dargestellte Ausführungsform spricht zum Steuern der Funkenrate an der Zündkerze 25 eine Schaltung 27 zur Steuerung der Funkenrate auf das Auftreten eines Funkenereignisses an, welches durch eine Entladungsdetektierschaltung 59 erkannt wird, um den Umrichter 15 selektiv freizugeben und zu sperren. Im besonderen wird in der dargestellten Ausführungsform von Fig. 1 eine astabile Pump-Lade-Schaltung 31 der Umrichterschaltung 15 durch die Schaltung zur Steuerung der Funkenrate selektiv freigegeben und gesperrt. Ein Beispiel für eine geeignete Vorrichtung als astabile Schaltung 31 ist ein SE555JG-Zeitgeber der Firma Texas Instruments. Diese Vorrichtung weist technische Daten auf, die geeignet sind für einen Betrieb in einer Umgebung, die durch große Temperaturbereiche gekennzeichnet ist. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die Entladeschaltung 13 des Zündsystems gemäß der Erfindung in herkömmlicher Art gestaltet, bis auf ein Schutzwiderstandsnetzwerk 33, welches jedes Entlade-Ereignis erfaßt. Im allgemeinen kann jede schwingende oder unipolare Entladeschaltung, die eine Funkenstrecken-Einrichtung verwendet, in die Erfindung eingefügt werden.
• Am Schutzwiderstandsnetzwerk 33 wird jedes Entlade-Ereignis erfaßt. In der gezeigten Ausführungsform umfaßt das Netzwerk 33 in Reihe geschaltete Widerstände R&sub1; und R&sub2;, die einen Spannungsteiler bilden, der das Entladungssignal durch Dämpfen seiner Amplitude aufbereitet. Dieses Signal wird durch die Entladungsdetektierschaltung 59 noch weiter aufbereitet und zur Schaltung 27 zur Steuerung der Funkenrate zurückgeführt, womit der Schaltung das Auftreten eines Entlade-Ereignisses angezeigt wird.
• Bei der dargestellten Entladeschaltung 13 steuert eine einzelne Funkenstrecken-Einrichtung 23 das Entladen des Speicherkondensators 19, der mit der Zündkerze 25 über einen Induktor 35 in Reihe geschaltet ist. Für den Fachmann wird erkennbar sein, daß auch passive zweipolige Vorrichtungen, die von Funkenstrecken- Einrichtungen verschieden sind, in den Rahmen der Ansprüche fallen. Beispielsweise kann die Funkenstrecken-Einrichtung 23 von Fig. 1 durch ein passives Netzwerk 40 von Halbleiterelementen ersetzt sein, die einen Thyristor (SCR) 52 umfassen, welcher durch eine Kippdiode (BOD) 34 getriggert wird, wie in Fig. 2 gezeigt. Die Funktionsweise eines solchen passiven Netzwerkes in einem Zündsystem ist ausführlich in der parallel anhängigen und derselben Anmelderin übertragenen US-Anmeldung Nr. (Anwaltsaktenzeichen 38645) erläutert. Allgemein jedoch definieren eine Anode 36 und Kathode 38 des SCR 52 die Eingangsund Ausgangsanschlüsse der passiven Vorrichtung. Der Trigger- Eingang 42 des SCR ist mit der Anode 36 des SCR 52 über die BOD 34 verbunden. Obgleich nur ein SCR 52/BOD 34-Paar (im folgenden "Stufe" genannt) dargestellt ist, kann das Netzwerk 40 selbstverständlich mehrere Stufen in Reihenschaltung umfassen, um auf einen gewünschten Gesamtspannungswert zu kommen, der ausreichend ist, den Durchbruch des Netzwerks 40 solange aufzuschieben, bis eine vorbestimmte Energiemenge im Speicherkondensator 19 gespeichert ist. Diesbezüglich ist der Wert der Durchbruchspannung (VB) der BOD 34 der Spannung über dem Netzwerk (ΔV) proportional, bei der das Netzwerk von einem Zustand hoher Impedanz in einen Zustand niederer Impedanz übergeht.
• Weil über die BOD 34 durchweg nur eine geringe Leistung geführt wird, kann sie wiederholt dazu benutzt werden, den SCR 52 zu zünden, ohne daß ihre Zuverlässigkeit beeinträchtigt wird.
• Pro Stufe des passiven Netzwerks 40 kann die BOD 34 eine in Reihe geschaltete herkömmliche Diode 44 erforderlich machen, um die BOD vor möglichen Rückströmen zu schützen&sub1; die eventuell aus dem Gate des SCR 52 während der Entladung des Kondensators 19 herausgetrieben werden. Ein mit der BOD 34 und der Diode 44 in Reihe geschalteter Widerstand 46 kann ebenfalls erforderlich sein, um den Strom durch diesen Pfad und in das Gate des SCR 52 zu begrenzen. Ein zweiter Widerstand 48 parallel zum SCR 52 sorgt für Spannungskompensation, indem er bestrebt ist, die Gesamtspannung über dem passiven Netzwerk 40 gleichmäßig zwischen den Stufen aufgeteilt zu halten. Wenn natürlich nur eine einzige Stufe verwendet wird, um das passive Netzwerk 40 zu realisieren, wird der Widerstand 48 möglicherweise nicht benötigt.
• Während des Betriebs des Zündsystems sorgt ein freilaufender Funkenrate-Taktgeber 49 der Schaltung 27 zur Steuerung der Funkenrate für eine Zeitbasis zum Setzen einer mittleren Funkenrate für das System. Eine beispielhafte Kurvenform der Zeitbasis ist die Wellenform nach (a) in Fig. 3. Die Zeitbasis- Signale werden einem Funkenratesteuerungs-Latch 51 zugeführt, welches einen bistabilen Ausgang aufweist, dessen Zustand durch die Taktpulse des Funkenrate-Taktgebers 49 und die Funkendetektionsimpulse von der Entladungsdetektierschaltung 59 gesteuert wird. Eine beispielhafte Form der Funkendetektionsimpulse zeigt die Wellenform nach (e) von Fig. 3. In seiner Funktionsweise ist das Latch 51 ein flankengetriggertes Flipflop und weist einen Rücksetz-(R-)Eingang zum Empfang der Funkendetektionsimpulse von der Entladungsdetektierschaltung 59 und einen Takt- (CK-)Eingang zum Empfang der Taktsignale vom Funkenrate-Taktgeber 49 auf.
• Um den Betrieb des Umsetzers 15 zu steuern, steuert der bistabile Ausgang (Q) des Funkenratesteuerungs-Latch 51, als Wellenform (b) in Fig. 3 gezeigt, ein Freigabe/Sperr-(ENABLE/DISABLE- (E/D-))Gatter 50 mit der astabilen Pump-Lade-Schaltung 31 in dem Umsetzer.
• Durch Rücksetzen des Ausgangs des Funkenratesteuerungs-Latch 51 wird die astabile Pump-Lade-Schaltung 31 gesperrt. Dies bewirkt, daß das Zündsystem 11 in einen Standby-Zustand geht, bis der nächste Taktimpuls durch den Funkenrate-Taktgeber 49 erzeugt wird. Bei Eintreffen des nächsten Funkenrate-Taktsignals wiederholt sich der komplette Zyklus, wobei die mittlere Funkenrate über dem Umgebungstemperatur- und Eingangsspannungsbereich konstant gehalten wird. Diesbezüglich kann die Laderate des Kondensators 19 in Abhängigkeit von An derungen in der Umgebungstemperatur, der Eingangsspannung und anderen Faktoren schwanken, was Schwankungen der augenblicklichen Funkenrate zur Folge hat. Weil aber jeder Lade/Entlade-Zyklus eines Funken- Ereignisses durch die Impulse des Latch 51 angestoßen wird, die auf den Taktgeber 49 synchronisiert sind, bleibt die mittlere Funkenrate konstant und proportional der konstanten Frequenz der Signale vom Taktgeber 49.
• Durch Verwendung eines Transformators an jeder der Schnittstellen zwischen dem Umrichter 15 und der Entladeschaltung 13 und der Entladungsdetektierschaltung 59 und der Schaltung 27 zur Steuerung der Funkenrate beinhaltet das Zündsystem 11 ein Mittel, um die Entladeschaltung 13 von der Gleichstromquelle 17 zu trennen. Bei der dargestellten Ausführungsform umfaßt die Entladungsdetektierschaltung 59 einen Trenntransformator 71 zum Trennen des Signals vom Schutzwiderstandsnetzwerk 33. Ferner ist die Masse 74 der Entladeschaltung 13 und die Primärwicklung des Transformators 71 von der Masse 75 des Umrichters 15 und der Schaltung 27 zur Steuerung der Funkenrate getrennt.
• In Einklang mit der Erfindung erzeugt die Entladungsdetektierschaltung 59 ein geeignetes Rücksetzsignal, und zwar unabhängig von der genauen Beschaffenheit des Entlade-Ereignisses, wodurch ein normaler Betrieb der Elektronik des Zündsystems in jedem Zeitpunkt gewährleistet ist. In dem Fall, daß sich die Zündkerze 25 in einem offenen Stromkreis befindet, erscheint die durch die Entladungsdetektierschaltung 59 detektierte Wellenform als eine exponentiell abklingende unipolare Wellenform in der sekundären Wicklung des Trenntransformators 711 weil der Kondensator 19 durch die Schutzwiderstände 33 entladen wird.
• Eine an der Sekundärwicklung des Transformators 71 erfaßte störungsfreie Wellenform der Entladung ist durch die Wellenform (a) von Fig. 4 dargestellt. Das Entlade-Ereignis an der störungsfreien Zündkerze hat eine Dauer in der Größenordnung von einigen Mikrosekunden, wie durch den Zeitmaßstab der Wellenform (a) in Fig. 4 gezeigt. Im Gegensatz zu der schnellen Entladung des Kondensators 19 durch die Zündkerze 25 hat eine Störung der Zündkerze in Form eines offenen Stromkreises eine langsame exponentielle Entladung des Kondensators durch das Schutzwiderstandsnetzwerk 33 zur Folge, wie durch die Wellenform nach (b) von Fig. 4 gezeigt. Das Auftreten einer Störung in Form eines offenen Stromkreises bewirkt, daß die Entladung des Kondensators 19 durch das Netzwerk 33 erfolgt, was zur Folge hat, daß die Energie nach der RC-Konstante des Kondensators und des Netzwerks entladen wird. Somit hat das Entlade- Ereignis einen relativ langsamen Verlauf, wie durch die beispielhafte Wellenform (b) von Fig. 4 gezeigt. Die Wellenform (a) oder die Wellenform (b) von Fig. 4 gelangen an einen Eingang eines Pufferspeichers 83, der seinerseits an seinem Ausgang einen Impuls zum Ansteuern des Rücksetzeingangs (R) des Funkenratesteuerungs-Latch 51 bereitstellt. Eine beispielhafte Wellenform des Ausgangs des Pufferspeichers 83 ist die Wellenform (E) von Fig. 3. Das positive Puffer-Rechtecksignal vom Transformator 71, wie durch die Wellenform (E) in Fig. 3 gezeigt, wird erzeugt, um scharfe übergänge und gleichbleibende Amplituden der zum Latch 51 geführten Impulse sicherzustellen.
• In Einklang mit der Erfindung liefert die Entladungsdetektierschaltung 59 Signale, die von Natur aus geeignet sind für eine diagnostische Verarbeitung. Die typische Ausfallart der Entladeschaltung 13 ist ein offener Stromkreis an der Zündkerze 25, wie bereits erläutert. Wenn eine solche Störung auftritt, ist die Form der Spannungswelle eine exponentiell entladende Wellenforn, wie durch die beispielhafte Wellenform (b) von Fig. 4 gezeigt. Um den Zustand der Entladeschaltung 13 zu überwachen und einen Ausgang zu schaffen, der für diesen bezeichnend ist, umfaßt ein Diagnosedetektor 99 einen Diagnosedetektor 99, der einen Pulsbreitendiskriminator und Fehlimpulsdetektor herkömmlicher Ausführungsform zum Empfang eines jeden Rückführsignals von der Entladungsdetektierschaltung 59 umfassen kann.
• Die Ausgangssignale von der Entladungsdetektierschaltung 59 triggern Eingänge auf ein Paar monostabiler Multivibratoren (nicht gezeigt), welche den Diagnosedetektor 99 bilden. Durch geeignete Wahl der Zeitsteuerkomponenten ist die mittlere Rate der Entlade-Ereignisse annähernd gleich den zeitlichen Perioden des monostabilen Multivibrators des Diagnosedetektors 99, so daß das Auftreten eines nicht störungsfreien Entlade-Ereignisses dazu führt, daß der monostabile Multivibrator ausgelöst wird und sein Ausgang von einem Niveau in das andere übergeht.
• Im besonderen ist ein nicht störungsfreies Entlade-Ereignis nicht in der Lage, eine Spannung von angemessener Dauer zu erzeugen, was dann wiederum zur Folge hat, daß keine Triggerspannung zum Diagnosedetektor 99 gelangt. Dem Diagnosedetektor 99 nachgeschaltet kann eine (nicht gezeigte) Schaltungsanordnung vorgesehen sein, um Wartungs- oder Betriebspersonal auf ein mißlungenes Entlade-Ereignis aufmerksam zu machen. Beispiele für solche Schaltungsanordnungen sind in der US-Patentanmeldung Nr. 557 973 (Frus) beschrieben. Die Schaltungsanordnung könnte ein einfaches Latch sein oder eine komplexere Schaltungsanordnung in Abhängigkeit statistischen Auftretens von Zündaussetzern - z.B. wird, durch Einfügen eines Zählers zwischen dem Ausgang und dem Latch, nur ein wiederholter Aussetzer erfaßt.
• Es wird nun auf den Betrieb der Umrichterschaltung 15 Bezug genommen, wobei ein MOSFET-Schalter 27 auf einen Treiber 30 anspricht, um alternativ ein Ende einer Primärwicklung P des Leistungstransformators 21 mit Masse 75 zu verbinden. Das andere Ende der primären Wicklung P ist mit dem Plusanschluß (+) der Gleichstromquelle 17 festverdrahtet. Durch das abwechselnde Ein- und Ausschalten des MOSFET-Schalters 27 wird eine gepulste Gleichspannung am Transformator 21 bereitgestellt und dadurch an die Entladeschaltung 13 mittels einer sekundären Wicklung S gekoppelt. Eine Diode D1 gewährleistet, daß die dem Kondensator 19 zugeführte Energie nicht durch den Transformator 21 und den MOSFET-Schalter 27 an Masse zurückfließt.
• Zur Steuerung des MOSFET-Schalters 27 und seines Treibers 30 wirkt ein Stromsensor-Rückkopplungsnetzwerk 29 mit einem flankengetriggerten Flipflop 32 und einem freilaufenden Taktgeber 31 zusammen. Der Ein-Aus-Zyklus des MOSFET-Schalters 27 ist durch das Zusammenwirken des Stromsensor-Rückkopplungsnetzwerks 29, Flipflop 32 und Taktgebers 31 pulsweitenmoduliert.
• Wie beispielhaft durch die Wellenform hach (a) in Fig. 5 gezeigt, steuern Taktpulse vorbestimmter Frequenz (z.B. 25 kHz) des freilaufenden Taktgebers 31 den Takteingang des Flipflop 32 an. Die Rückkopplungsimpulse des Rückkopplungsnetzwerks 29, durch die Wellenform (d) in Fig. 5 dargestellt, steuern einen Rücksetz-(R-)Eingang des Flipflop 32 an, was ein pulsbreitengesteuertes Q-Ausgangssignal des Flipflop zur Folge hat, welches durch die Wellenform (b) in Fig. 5 dargestellt ist. Die ansteigende Flanke des Q-Ausgangssignals des Flipflop 32 ist mit den ansteigenden Flanken der Taktsignale des Taktgebers 31 synchronisiert, und die abfallenden Flanken der Ausgangssignale sind mit den ansteigenden Flanken der Rückkopplungsimpulse (Wellenform (d) von Fig. 3) des Rückkopplungsnetzwerks 29 synchronisiert. In der dargestellten Ausführungsform ist der Wert der Gleichspannung 17 als statisch angenommen. Deshalb sind die Längen der Impulse in Wellenform (b) gleichmäßig. In der Praxis variiert der Wert der Gleichspannung 17 jedoch über einen signifikanten Bereich. Zur Kompensation dieser veränderlichen Gleichspannung 17 werden die Pulslängen der Ausgangssignale des Flipflop 32 so moduliert, daß ihre Längen mit zunehmendem Wert der Spannung an der Gleichsspannungsquelle 17 immer kürzer werden.
• Wie aus den Wellenformen von Fig. 5 zu erkennen ist, steuern die von dem Rückkopplungsnetzwerk 29 kommenden Rückkopplungsimpulse der Wellenform (d) die Pulsbreite der Ausgangssignale des Flipflop 32. Das Rückkopplungsnetzwerk 29 umfaßt einen Spannungskomparator 45, der an seinem positiven Eingang ein Spannungssignal von einem Widerstands-Stromsensor 37 empfängt, der zwischen MOSFET-Schalter 27 und Masse geschaltet ist. Der negative Eingang des Spannungskomparators 45 ist auf eine Spannungsquelle 39 eines vorbestimmten Werts VREF bezogen. Die Leistung für die Komponenten des Umrichters 15 wird durch eine Logik-Leistungsversorgung 43 geliefert.
• Wenn er eingeschaltet ist, ermöglicht es der MOSFET-Schalter 27 dem Leistungstransformator 21, Energie zu speichern. Diese Energie wird in Form eines magnetischen Flusses gespeichert, der durch einen zeitvariablen Strom entwickelt wird. Dieser Strom wird aus einem Eingangsspeicherkondensator 41 durch den Leistungstransformator 21, den MOSFET-Schalter 27 und den Widerstands-Stromsensor 37 geführt. Der Strom steigt linear auf einen Wert, der durch das Rückkopplungsnetzwerk 29 bestimmt wird. Dieser lineare Strom erzeugt eine Spannung über dem Widerstands-Stromsensor 371 die durch die Wellenform (c) von Fig. 5 dargestellt ist. Wenn diese Spannung die durch die Spannungsreferenz VREF hergestellte Schwellenspannung erreicht, geht der Ausgang des Komparators 45 (der normalerweise auf Low- Pegel liegt) auf "logisch High". Dieser übergang auflogisch High bewirkt, daß das Flipflop 32 rückgesetzt wird. Das Flipflop 32 bleibt "Low", wodurch der MOSFET-Schalter 27 im AUS- Zustand gehalten wird, bis die nächste ansteigende Flanke von dem freilaufenden Taktgeber 31 an einen Takteingang des Flipflop gelangt.
• Während der Zeit, in der der MOSFET-Schalter 27 im ausgeschalteten Zustand ist, wird die Energie, die im Kern des Transformators 21 während der Zeit, in der der Schalter im eingeschalteten Zustand war, gespeichert wurde, über die Sperrdiode D1 auf den Speicherkondensator 19 übertragen. Der Umrichter 15 wiederholt diese Zyklen, bis der Speicherkondensator 19 auf die erforderliche Spannung geladen ist, die zum Durchschlag der Funkenstrecke in der Funkenstrecken-Einrichtung 23 führt. Jeder der wiederholten Ein/Aus-Zyklen des Schalters 27, die zur Volladung des Kondensators 19 führen, wird im allgemeinen als "Rücklaufzyklus" bezeichnet. Ein typischer Zeitabschnitt zum Laden des Kondensators 19 ist 100 ms, was durch die Wellenform (e) in Fig. 5 dargestellt ist. Innerhalb dieses 100-ms- Ladezeitabschnitts kann jeder der Rücklaufzyklen typisch 40 µs betragen.
• Für eine typische Gleichstromquelle von 12 bis 30 V speichert der Transformator 21 circa 800 µJ pro Rücklaufzyklus gemäß der folgenden Gleichung 1/2 Lpri Ipk², wobei Lpri für die Induktivität in Henry der primären Wicklung P des Transformators steht und Ipk für den Scheitelstrom I in Ampere, der durch die primäre Wicklung fließt. Die Entladeschaltung 13 speichert Energie nach der folgenden Gleichung 1/2 Ctank Vgap² wobei Ctank die Kapazität des Speicherkondensators 19 und Vgap die Spannung über dem Kondensator und der Funkenstrecken-Einrichtung 23 ist. Bei Betrieb des DC-DC-Umrichters 15 mit einer Frequenz von 25 kHz lädt sich der Speicherkondensator 19 auf einen Wert der Spannung Vgap, der zum Durchschlag der Funkenstrecke der Funkenstrecken-Einrichtung 23 in 100 ms führt. Beispielhafte Werte für die Kapazität Ctank und die Spannung Vgap sind 0,66 µF bzw. 2500 V. In einem normalen Entladezyklus speichert der Kondensator 19 annähernd zwei (2) Joules Energie.
• Aus dem Vorangegangenen wird erkennbar, daß das Zündsystem 11 ein kontrolliertes Entlade-Ereignis schafft, unter Verwendung einer freilauf enden Entladeschaltung 13, die einen zweipoligen passiven Schalter enthält, welcher entweder von der Funkenstrecken-Einrichtung 23 oder dem Netzwerk 40 umfaßt ist. Indem Mittel zum Steuern der Rate von Entlade-Ereignissen vorgesehen werden, verknüpft das Zündsystem 11 den verbesserten Hochspannungsumrichter 15 mit der freilaufenden Entladeschaltung 13, welche einen passiven Schalter enthält, der entweder von der Funkenstrecken-Einrichtung 23 oder dem passiven Halbleiternetzwerk 40 umfaßt ist. Bei beiden Ausführüngsformen beinhalten die Mittel zum Steuern der Entlade-Ereignisse die Entladungsdetektierschaltung 59 und die Schaltung 27 zur Steuerung der Funkenrate. Diesbezüglich detektieren diese Schaltungen 27 und 59 ein Entlade-Ereignis an den Schutzwiderständen 33 zu dem Zweck, die Umrichterschaltung 15 im Gleichlauf mit dem Funkenrate-Taktgeber 49 der Schaltung 27 zur Steuerung der Funkenrate selektiv freizugeben und zu sperren.

Claims (9)

1. Zündsystem zum Zünden von Brennstoff in einem Turbinenmotor, wobei das System auf eine Energiequelle anspricht und folgendes umfaßt:

eine Energiespeichereinrichtung (19);

eine Vorrichtung (31) zum Pumpen von Energie von der Energiequelle (17) in die Energiespeichereinrichtung (19);

eine Ausgangsschaltung (23, 25, 331 35)1 welche eine Zündkerze (25) umfaßt;

eine Leitervorrichtung (23) zum Leiten von Energie von der Energiespeichereinrichtung (19) in die Ausgangsschaltung, um ein Funkenereignis herbeizuführen, wenn die in der Energiespeichereinrichtung (19) gespeicherte Energie einen vorbestimmten Wert erreicht,

und wobei das System gekennzeichnet ist durch

einen Sensor (331 59) zum Erfassen des Auftretens eines Funkenereignisses und Erzeugen eines Signals, welches dieses anzeigt;

eine auf das Signal des Sensors (33, 59) ansprechende Vorrichtung (27), um die Pumpvorrichtung (31) selektiv freizugeben und zu sperren, um so die Rate, mit der aufeinanderfolgende Funkenereignisse auftreten, zu steuern; und

eine als passive Durchbruchsvorrichtung (19) ausgebildete Leitervorrichtung, die nach Erreichen des vorbestimmten Werts von einem Zustand hoher Impedanz, der ansonsten den Fluß von Energie von der Energiespeichervorrichtung (19) zur Ausgangsschaltung verhindert, in einen Zustand niederer Impedanz übergeht.

2. Zündsystem nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung zum selektiven Freigeben und Sperren der Pumpvorrichtung (31) eine bistabile Ausgangsspannung (Q) zum Freigeben und Sperren der Pumpvorrichtung (31) umfaßt.

3. Zündsystem nach Anspruch 1, wobei die Triggereinrichtung (23) eine Funkenstreckeneinrichtung (23) ist.

4. Zündsystem nach Anspruch 1, wobei die Triggereinrichtung (23) ein von Halbleiterelernenten (34, 52) gebildetes Netzwerk (40) ist.

5. Zündsystem nach Anspruch 1, wobei der Sensor (33, 59) ein Spannungsteiler-Netzwerk (33) und einen Trenntransformator (71) umfaßt.

6. Zündsystem nach Anspruch 2, wobei die Vorrichtung zum selektiven Freigeben und Sperren der Pumpvorrichtung (31) aufweist: einen Funkenrate-Taktgeber (49) und eine Vorrichtung (51) zum Synchronisieren von Taktpulsen des Funkenrate-Taktgebers (49) auf Übergänge der bistabilen Ausgangsspannung (Q), wobei die Übergänge in Abhängigkeit von dem Signal des Sensors (33, 59) erfolgen;

wodurch eine mittlere Funkenrate geschaffen wird, die der Frequenz der Taktpulse proportional ist.

7. Zündsystem nach Anspruch 1, welches eine Diagnose-Vorrichtung (99) aufweist, die auf das Signal des Sensors anspricht, um ein nicht störungsfreies Funkenereignis zu detektieren.

8. Verfahren zum Erzeugen von aufeinanderfolgenden Funkenereignissen an einer Funkenstrecke der Zündkerze (25) eines auf eine Energiequelle (17) ansprechenden Zündsystems zum Zünden von Brennstoff in einem Turbinenmotor, wobei das System eine Energiespeichereinrichtung (19) und eine Triggereinrichtung (23) umfaßt, welche die Energiespeichereinrichtung (19) an die Zündkerze (25) koppelt,

wobei das Verfahren die folgenden, nacheinander ablaufenden Schritte umfaßt:

(a) Freigeben des Vorgangs, Energie in die Speichereinrichtung (19) zu pumpen;

(b) Ansteuern der Triggereinrichtung (23), um eine Verbindung zwischen der Energiespeichereinrichtung (19) und der Zündkerze (25) herzustellen;

(c) Übertragen der in der Energiespeichereinrichtung (19) gespeicherten Energie über die Triggereinrichtung (23) auf die Zündkerze (25), unter Herbeiführen eines Funken-Ereignisses an der Funkenstrecke der Zündkerze (25);

wobei das Verfahren durch die folgenden, nacheinander ablaufenden Schritte gekennzeichnet ist:

(d) Erfassen des Auftretens des Funkenereignisses;

(e) Sperren des Vorgangs, Energie in die Energiespeichereinrichtung zu pumpen, in Abhängigkeit davon, daß das Auftreten des Funkenereignisses erkannt wurde; und

(f) Wiederholen der vorangegangenen Schritte (a) bis (e), um so eine kontrollierte Rate aufeinanderfolgender Funkenereignisse an der Funkenstrecke herzustellen; und

wobei das Verfahren ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß die Energiespeichereinrichtung (19) und die Zündkerze (25) mittels eines Niedrigimpedanzpfades verbunden werden, der durch die Triggereinrichtung (23) hergestellt wird, dadurch, daß eine Hochimpedanzsperre derselben durchbrochen wird, um die Sperre in einen Niedrigimpedanzpfad Pfad umzuwandeln, der die Energiespeichereinrichtung (19) mit der Zündkerze (25) verbindet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Einleitung eines jeden wiederholten Schrittes (a) synchron ist mit einer Vergleichsfrequenz, wodurch das Zündsystem mit einer konstanten mittleren Funkenrate versorgt wird, selbst wenn sich die Zeit zwischen den Schritten (a) bis (e) bei der Wiederholung der Schritte verändert.