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Zündverfahren für Verbrennungskraftmaschinen und Vorrichtung zu seiner Durch- führung.
Bekanntlich beruht das Versagen der Zündung in Verbrennungskraftmaschinen sehr häufig darauf, dass sieh auf der Oberfläche des Kerzenisolators oder zwischen den Polen der Funkenstrecke in der Zündkerze Niederschläge von Russ, Öl oder Feuchtigkeit bilden, die einen Nebenschluss zu der Funkenstrecke
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den die Zündkerzenfunkenstr ecke darstellt, so fliesst nur sehr wenig Strom über den Nebenschluss weg. Wird der Widerstand des Nebenschlussweges jedoch allmählich kleiner, so steigt der prozentuelle Anteil, der von dem ganzen verfügbaren Strom über den Nebenschlussweg geht, allmählich an.
Bei einem gewissen Wert des Ohm'schen Widerstandes des Nebenschlussweges wird daher ein so grosser Prozentteil des ganzen verfügbaren Stromes über den Nebenschlussweg fliessen, dass die Potentialdifferenz, welche zur Bildung des Funkens erforderlich ist, nicht entstehen kann.
Als Grundlage der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass der Stromanteil, der durch den Nebenschlussweg fliesst, die Wirkung hat, den Ohm'sehen Widerstand des Nebenschlussweges herab-
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Widerstand der dünnen leitenden Schicht, welche sieh als Nebenschluss zur Zündkerzenfunkenstrecke befindet, mit der Zeit sehr stark vermindert, so dass der Anteil des Stromes, der den Nebenschlussweg durchfliesst, ständig wächst.
Grundlegend für vorliegende Erfindung wurde ausserdem festgestellt, dass die Dauer jedes Ziindstromimpulses verhältnismässig lang ist. Der Grund hiefür ist der folgende : Der Strom wird bei den Hochspannungszündvorrichtungen - mögen sie als Zündspulen bei Batteriezündung oder als Magnetzündvorrichtung ausgebildet sein-durch das elektromagnetische Kraftfeld eines Eisenkernes erzeugt.
Die sekundäre Wicklung auf dem Eisenkern hat eine sehr hohe Selbstinduktion, damit die hohe Spannung erzeugt werden kann, die erforderlich ist, um den Anfangswiderstand der Funkenstrecke der Kerze zu durchbrechen. Sobald der Funke entsteht, sinkt aber sofort der hohe Anfangswiderstand der Funkenstrecke auf einen relativ kleinen Wert. Es bildet sich daher ein Lichtbogen aus, der für die sekundären Windungen der Spule einen Kurzschluss bedeutet. Durch die also praktisch kurzgeschlossene sekundäre Spule wird das magnetische Kraftfeld im Eisen sehr lange aufrechterhalten, so dass es seine Energie nur sehr langsam und in Form eines langdauernden schwachen Stromes abgibt, wie dies später an Hand der Fig. 1 erläutert wird.
In der Praxis ist die Zeit, während der der Zündstrom fliesst, viel länger, als es für die Zündung nützlich ist.
Bei Verwendung der bekannten Lösehfunkenstreeken können bei entsprechend grosser Zündleistung elektrische Partialentladungen an den Zündkerzen erreicht werden, nur erfolgen die Unterbrechungen und Schliessungen des Kreises zu langsam, so dass kurze schnell folgende Stromstoss, wie solche erfindungsgemäss auftreten, nicht erzielbar sind.
Die Fig. 1 stellt schematisch den Verlauf der Spannungskurve 1 an einer in gutem Zustand befindlichen Zündkerze unter normalen Verhältnissen während eines Zündimpulses dar. Es ist daraus zu sehen, dass die Spannung während des ersten Augenblickes mit einer gewissen Geschwindigkeit zu dem Werte ansteigt, der zum Durchbrechen der Funkenstrecke nötig ist. Da während dieser Zeit die kleine Eigen-
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kapazität der Zündanlage wie ein Kondensator wirkt und aufgeladen wird, so entsteht bei Beginn des Funkens eine kurze starke oszillatorische Entladung über die Funkenstrecke, die Kurve der Spannung geht daher unter die Nullabszisse. Diese Entladung ist gedämpft und je nach dem Grade ihrer Dämpfung oszilliert die Spannung einmal oder mehrmals durch Null.
Durch den Strom entsteht eine sehr starke Ionisierung, welche den Widerstand des Gasweges sehr stark vermindert, so dass sich ein Lichtbogen bei verhältnismässig niedriger Spannung zwischen den Kerzenpolen bildet. Die Spannungslinie 1 des Diagrammes Nr. 1 verläuft daher nach der Oszillation für eine lange Zeit fast parallel der Abszisse.
Während dieser ganzen Zeit durchfliesst ein Teil des Stromes den Nebenschlussweg an der Kerze, wenn ein solcher sich gebildet hat und daher wirkt der Strom während dieser ganzen Zeit vermindernd auf den Widerstand des Nebenschlussweges.
Gemäss vorliegender Erfindung wird ein neues Verfahren gegeben, welches folgendes ermöglicht :
1. den Stromanteil, der durch-den Nebenschlussweg fliesst und daher für die Zündung verloren geht, sehr beträchtlich zu vermindern ;
2. die Zeit, während der das elektromagnetische Feld seine ganze Energie hergibt, sehr beträchtlich abzukürzen, so dass der Zündstrom nicht länger fliesst, als es für die Zündung nötig ist, dass der Strom dafür aber während dieser kürzeren Zeit sehr viel stärker ist.
Das neue Verfahren beruht darauf, dass der lange Dauerstrom, der normalerweise die Zündkerze, wie beschrieben, durchfliesst, unterdrückt wird, indem mit dem Hochspannungskreis eine Einrichtung verbunden wird, die den Stromfluss jedesmal sofort nach seiner Entstehung unterbricht und die gleich nach der Unterbrechung den Stromfluss wieder herstellt. Wenn dieses abwechselnde Unterbrechen und Wiederherstellen des Stromflusses geschieht, so kann der Strom der Sekundärspule des Zündapparates nicht als Dauerstrom fliessen, sondern er wird in eine Reihe schnell aufeinanderfolgender kurzer Impulse zerlegt. Hiezu kann im Prinzip jeder genügend schnel wirkende Stromunterbrecher benutzt werden.
Bei jeder Unterbrechung wird dabei die Kapazität der Zündanlage aufgeladen. Die Fig. 2 stellt schematisch den Verlauf der Spannung an der Kerze während eines Zündstromimpulses der Zündvorrichtung nach dem neuen Verfahren dar. Aus Fig. 2 ist zu sehen, dass bei dem ersten Schliessen des Stromkreises die Spannung sehr viel steiler als normal zu dem für die Durchbrechung der Funkenstrecke der Kerze erforderlichen Wert ansteigt, weil durch die Ladung der in dem Drahte vorhandenen Kapazität relativ viel Strom sofort verfügbar ist.
Dann beginnt der Strom oszillatorisch über die Funkenstrecke der Kerze zu fliessen, weil der durch die Drahtkapazität gebildete kleine Kondensator sich entlädt. Sobald der Lichtbogen, der dann normaer- weise auftreten würde, sich bilden will, wird der Stromfluss durch die Wirkung des Unterbrechers verhindert.
Die Spannung an der Kerze ist also nun für eine kurze Zeit gleich Null.
Gleich darauf wird der Stromkreis durch den Unterbrecher wieder geschlossen und derselbe Vorgang wiederholt sich, solange die Zündvorrichtung Strom liefert.
Aus dem schematischen Spannungsdiagramm Fig. 2 ersieht man an der Form der Spannungskurve 2, dass der Zündstrom, der bei jeder Unterbrechung die vorhandene Kapazität der Zündanlage auflädt, in Form von starken kurzen oszillatorischen Stromstössen auftritt, deren Periodenzahl durch die vorhandene Kapazität und die Selbstinduktion der Leitungen gegeben ist und dass zwischen diesen Stromstössen Zeiten liegen, in welchen keine Spannung an der Kerze vorhanden ist.
Daher fliesst ein sehr viel kleinerer Anteil des ganzen Zündstromes durch den etwa vorhandenen Nebenschlussweg, als es normal der Fall sein würde. Dieser Anteil ist besonders klein auch deswegen, weil die starken Stromstoss durch sehr starke Ionisierung den Widerstand der Kerzenfunkenstrecke besonders stark vermindern. Der kleine Anteil des oszillatorischen Hochfrequenzstromstosses, der den Nebenschlussweg trotzdem durchfliesst, hat nicht nur keine schädliche, verkohlende Wirkung auf die den Nebenschluss bildende Schicht, sondern er beseitigt diese Schicht sehr schnell, wie die Erfahrung gezeigt hat.
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Feld nicht behindert wird, augenblicklich seine ganze elektrische Energie zu liefern.
Wenn man die Fig. 1 und 2 vergleicht, so sieht man, dass die ganze Zeit des Entladevorganges abgekürzt ist.
In Wirklichkeit ist die Verkürzung sehr viel stärker als es in den Zeichnungen zu erkennen ist, denn bei genügend schnell erfolgenden Unterbrechungen und Schliessungen des Stromkreises kann die ganze Entladungszeit auf weniger als den zehnten Teil der normalen Zeit herabgesetzt werden.
Da diese Eigenschaft des neuen Verfahrens eine sehr bedeutende Energiekonzentrierung darstellt und dadurch eine ebenso bedeutende Erhöhung der Zündstromstärke verursacht, so ist sie noch wichtiger als die Verhütung des Kurzschlusses der Zündkerzen. Denn dieses Argument macht die Anwendung des neuen Zündverfahrens auch für solche Motore vorteilhaft, welche nicht unter Öl oder Russ an den Kerzen leiden.
Zur Ausführung des neuen Verfahrens ist jede Unterbrechereinrichtung geeignet, welche genügend oft den Stromkreis zu öffnen und zu schliessen erlaubt. Die Unterbrechereinrichtung könnte im Prinzip auch als mechanisch betriebener Unterbrecher ausgebildet sein.
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Es ist selbstverständlich, dass wie bei jedem Unterbrecher ein geniigend grosser Kondensator der Stromquelle parallel liegen muss, um während der Zeit der Öffnung des Kreises die während dieser Zeit gelieferte Energie aufzuspeichern.
Es ist klar, dass die Kapazität des Kondensators um so kleiner sein kann, je kürzer die Zeit der Unterbrechung ist.
Da man nicht beliebig grosse Kondensatoren bei Zündapparaten verwenden kann, weil die Energie, die von Zündvorrichtungen geliefert wird, von der Anzahl der in der Zeiteinheit erforderlichen Zündungen abhängt und da ausserdem grosse Kondensatoren für so hohe Spannung teuer sind, so besteht ein Interesse, den Kondensator möglichst klein zu machen. Ausserdem soll aber nicht nur die Öffnungszeit, sondern
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diesen Gründen ist derjenige Stromunterbrecher der beste für das neue Verfahren, der die grösste Anzahl von Öffnungen und Schliessungen des Stromkreises in der Zeiteinheit erlaubt.
Die Funktion eines für das vorliegende Verfahren geeigneten Unterbreehers besteht darin, dass er periodisch den Widerstand des Zündstromkreises zwischen den Werten "nahezu Null und praktisch unendlich"verändert. Es ist nicht erforderlich, dass der Unterbrecher selbst seinen Widerstand absolut von Null bis unendlich verändert, wie dies bei normalen mechanischen Unterbrechen meistens der Fall ist.
Da also sehr starke und plötzliche Veränderungen des Widerstandes für den vorliegenden Zweck genügen, so ist es möglich, eine Gasstrecke als veränderlichen Widerstand, also als Unterbrecher für diesen Zweck auszubilden, wenn sie die Eigenschaft hat, bei grosser Stromstärke ihren Widerstand auf nahezu Null zu reduzieren und sehr schnell bei abnehmendem Strom ihren hohen Anfangswiderstand wieder zu erlangen.
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dicht vor jede Zündkerze. Da die Anordnung wenig Raum beansprucht, kann sie auch in die Kerze eingebaut werden. Es genügt aber auch, eine solche Serie von Funkenstrecken vor dem Verteiler einzuschalten, vorausgesetzt : dass dann die Kapazität der Zündanlage vor der Funkenstreckenserie gross genug ist, um den Strom während der Unterbrechungen aufzuspeichern.
Es genügt bei einer Serie von solchen sehr kurzen Funkenstrecken dafür eine Kapazität von etwa 30 cm oder 30-50 Mikromikrofarad. Bei Anbringung der Anordnung dicht an der Kerze ist diese kleine Kapazität immer als natürliche Kapazität der Leitungen vorhanden. Die erforderliche Kapazität kann deswegen so klein sein, weil der so konstruierte automatische Stromunterbrecher mehr als 100000 Unterbrechungen und Schliessungen des Stromkreises in einer Sekunde auszuführen vermag.
Fig. 3 stellt eine Ausführungsform des neuen Apparates in natürlicher Grösse im Schnitt dar.
Die isolierende Röhre 3 ist mit den Anschlüssen 4 für die Zündkerze und 5 für das Zündkabel versehen.
In Kontakt mit diesen Anschlüssen befinden sich die kleinen Elektroden 6, zwischen denen die Entladungen auftreten. Fig. 3a zeigt den gleichen Apparat in Ansicht. In dieser Figur sind bei 7 kleine Schaulöcher angedeutet, die man zur Beobachtung der Entladung anbringen kann. Selbstverständlich lässt sich die Ausführung dieser Vorrichtung beliebig variieren.
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Fig. 4 zeigt, wie die Vorrichtung in die Zündleitung eingeschaltet wird, unter der Voraussetzung eines Motors mit zwei Zylindern. In dieser Figur bedeutet 8 die Hochspannungsstromquelle, 9 den Verteiler, 10 je einen der neuen Stromunterbreeher, 17 je eine Zündkerze.
Die Anzahl der bei jeder Serie zu verwendenden Funkenstrecken hängt von der Leistung der Zündvorrichtung ab. Bei normalen Zündvorrichtungen genügt es, vier solche Strecken in Serie zu benutzen, wenn jede dieser Strecken etwa fünf Hundertstel Millimeter lang ist, oder einige Strecken mehr, wenn sie mit kleinerem Abstand eingestellt sind.
Nur für sehr starke Zündenergie nimmt man besser noch mehr Strecken in Serie und für sehr schwache Zündapparate genügen auch weniger.
Um eine kurze Bezeichnung für diese neue Anordnung zu geben, wird sie im folgenden als Stromwandler bezeichnet, diese Bezeichnung entspricht ihrer Funktion, denn sie verwandelt den schwachen Stromimpuls des Magnetes in eine Reihe starker, kurzer oszil1atorischer Stromstoss.
Die Anforderungen, welche ein solcher Stromwandler zu erfüllen hat, sind ganz andern Grades, als diejenigen, welche bei der normalen Verwendung in der Funkentelegraphie die Löschfunkenstrecken zu erfüllen haben. Die Lösehfunkenstrecken brauchen nur unter ganz besonderen und durch die Kopplung mit der Antenne geregelten Bedingungen zu wirken und versagen bekanntlich, wenn sie ohne Antennenkreis arbeiten sollen, weil dann die ganze elektrische Energie in ihnen selbst vernichtet werden muss.
Ausserdem brauchen sie bei jeder halben Periode des speisenden Wechselstromes nur einmal durchschlagen zu werden und haben dann Zeit, ihre Entionisierung bis zur nächsten halben Periode zu einer Zeit zu vollziehen, während welcher die Spannung des Wechselstromes gleich Nullist. Bei einem speisenden Wechselstrom von 500 Perioden pro Sekunde brauchen sie also nur 1000 mal in der Sekunde zu zünden und zu löschen, während der Stromwandler in der Lage sein muss, unter sehr wechselnden Bedingungen, z. B. bei verschiedener Kompression des Gases an der Kerze, bis etwa 100000 Unterbrechungen und Schliessungen in der Sekunde auszuführen, obgleich die hohe Spannung des Zündapparates nicht bei jeder Unterbrechung durch Null geht.
Ausserdem verbraucht bei der sonstigen Verwendung eine Serie von Löschfunkenstrecken die ganze Spannung der Stromquelle, während der Stromwandler nur einen sehr geringen Teil der vorhandenen Spannung verbrauchen darf. Bei jeder Schliessung des Stromwandlers folgt eine partielle Entladung des magnetischen Feldes, während bei den Löschfunkenstrecken in der Funkentelegraphie jedesmal das ganze Magnetfeld entladen wird. Es ist klar, dass auch beim Stromwandler jede einzelne Teilentladung des Feldes um so stärker wird, je grösser die Kapazität ist, die die Ladungwährend der Unter. brechung aufnimmt.
Daher wird die ganze Zeit, während der das magnetische Feld verbraucht werden kann, um so kürzer, je grösser die Kapazität gemacht wird, und um so weniger Teilentladungen sind dafür erforderlich.
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mehr Funkenstrecken in Serie angewendet werden.
Die Zahl der in Serie verwendbaren Funkenstrecken ist jedoch dadurch begrenzt, dass man am Stromwandler selbst so wenig Spannung wie möglich verlieren will.
Es ist ein Vorteil des neuen Stromwandler, dass er die ganze Zündenergie steuert und dabei nur so wenig Spannung verbraucht, wie eine normale Funkenstrecke von etwa 0'2-0'4 : mm Länge unter gewöhnlichem Luftdruck.