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Elektrische Zündanordnung für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft
eine elektrische Zündanordnung für Brennkraftmaschinen, bei der die Speisung der
Zündanordnung aus einer Niederspannungs-Gleichstromquelle erfolgt.
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Es sind Zündanordnungen der vorstehend gekennzeichneten Art bekannt,
die die Anwendung eines an die Gleichstromquelle angeschlossenen Ladekondensators
vorsehen, durch welchen eine in Reihe mit einer Vorfunkenstrecke liegende Nutzfunkenstrecke
gespeist wird, wobei die Durchschlagsspannung der Vorfunkenstrecke höher ist als
die maximale Ladespannung des Ladekondensators und die Vorfunkenstrecke eine Auslösefunkenstrecke
besitzt, und mit Mitteln zum Erzeugen einer den Durchschlag der Vorfunkenstrecke
bewirkenden Hilfsspannung an der Auslösefunkenstrecke für jeden Zündvorgang. Bei
einer solchen, von einem gleichen Spannungsdynamo gespeisten Zündanordnung hat man
dabei zur Steuerung der Auslösefunkenstrecke der Vorfunkenstrecke einen besonderen,
parallel an den Generator der Anlage angeschlossenen, von einer Dreielektrodenröhre
impulsmäßig gesteuerten Stromkreis vorgesehen; dabei wurde der Auslösefunkenstrecke
die Spannung über einen Transformator zugeführt. Bei einer anderen vorbekannten,
von einem Magnetinduktor gespeisten Anordnung wurde die der Auslösefunkenstrecke
der Vorfunkenstrecke zugeführte Spannung transformatorisch von einem zweiten Magnetinduktor
abgenommen, welcher synchron mit dem den Ladekondensator aufladenden Magnetinduktor
betrieben wurde. Bei beiden vorgenannten bekannten Anordnungen wurde durch das Zünden
der Auslösefunkenstrecke die Vorfunkenstrecke gezündet und über dieselbe der Ladekondensator
über die Nutzfunkenstrecke entladen.
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Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß parallel zu dem Ladekondensator
eine Reihenschaltung aus einem Hilfskondensator mit einer wesentlich kleineren Kapazität
als der Ladekondensator, der Primärwicklung eines Aufwärtstransformators und entweder
einer Steuerfunkenstrecke oder einer periodisch betätigten Kontaktanordnung vorgesehen
ist und daß an die Sekundärwicklung des Transformators die Auslösefunkenstrecke
der Vorfunkenstrecke angeschlossen ist.
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Bei der vorliegenden Anordnung wird die Steuerung der Auslösefunkenstrecke
durch die im Ladekondensator zur Speicherung gelangende Ladung bewirkt, indem an
den Ladekondensator ein zusätzlicher, die Auslösefunkenstrecke steuernder Stromzweig
angeschlossen ist. Es wird auf diese Weise ein geringerer Aufwand an Schaltelementen
und eine Vereinfachung der die Auslösefunkenstrecke der Vorfunkenstrecke steuernden
Schaltmittel erreicht.
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Die Erfindung ist in zwei Ausführungsformen in zwei Figuren dargestellt.
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In Fig. 1 ist eine elektrische Energiequelle 10 vorgesehen,
welche mit den übrigen Teilen der Anordnung über einen Schalter 11 und einen Massseanschluß
12 verbunden ist. Die Batterie 10 kann eine Akkumulatorenbatterie von 24 Volt sein
und bis zu 30 Volt liefern, wenn sie beispielsweise an einen Ladegenerator angeschaltet
und voll aufgeladen ist. Falls erforderlich, können Filtermittel 14 vorgesehen sein,
welche verhindern, daß Hochfrequenzströme in die von der Stromquelle ausgehenden
Kreise hineingeliefert werden. In dem Ausführungsbeispiel bestehen die Filtermittel
aus drei Nebenschlußkondensatoren, die zwischen Masse und der spannungführenden
Leitung 15 geschaltet sind, wobei in letzterer eine Induktivität 9 liegt.
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Die Batteriespannung wird auf eine höhere Spannung durch Anwendung
eines Zerhackers transformiert, der den Batteriestrom unterbricht. Wie dargestellt,
umfaßt der 7perhackerkreis einen Transformator, der aus einer Primärwicklung 16
und einer Sekundärwicklung 17 besteht. Die Primärwicklung ist an dem einen Ende
an die spannungsführende Leitung 15 angeschlossen und mit ihrem anderen Ende über
die Unterbrecherkontakte 18,19 an Masse. Der Kontakt 18 ist ein fest angeordneter
Kontakt,
während der Kontakt 19 drehbar ist oder an einem schwingfähigen
Anker 20, der unter dem Zug einer Feder 21 steht, befestigt ist, dergestalt, daß
normalerweise die Kontakte geschlossen sind. Wenn. der-Kreis durch die Kontakte
18, 19 geschlossen ist, fließt Strom durch die Primärwindung 16 und ruft ein magnetisches
Feld hervor, welches den Anker 20 gegen die Kraft der Feder 21 zieht, die Kontakte
öffnet und den Primärstromkreis unterbricht. Das magnetische Feld bricht dann zusammen
und die Feder tritt in Wirksamkeit, schließt die Kontakte 18, 19 wieder und stellt
damit den Stromkreis über Batterie und Primärwicklung her. Zwecks Funkenlöschung
ist parallel in den Kontakten ein Kondensator gelegt. Dieser Arbeitszyklus wiederholt
sich schnell, und der unterbrochene Strom der Batterie 10 der Spule 16 induziert
eine höhere Spannung in der Sekundärspule 17.
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In der dargestellten Ausführungsform sind die Niederspannungsenden
der Wicklungen 16, 17 miteinander verbunden, jedoch brauchen die Wicklungen überhaupt
nicht anders als nur magnetisch miteinander gekoppelt zu sein. Ein Ladekondensator
22 liegt in Serie mit einem oder mehreren Gleichrichtern 23 parallel zu der Sekundärspule
17. Die Kapazität des Kondensators 22 kann innerhalb weiter Grenzen verschieden
sein, richtet sich nach der im Zündfunken benötigten Energie. Für Verbrennungsmaschinen
hat es sich als wichtig erwiesen, Kondensatoren zu verwenden, die Kapazitäten zwischen
0,25 und 5 [F verwenden. Der Kondensatorladekreis wird z. B. über die Erdverbindung
geschlossen. Die Gleichrichter können gasgefüllte Röhren oder auch Trockengleichrichter
sein und führen elektrische Energie vorgegebener Polarität dem Ladekondensator 22
zu und sperren denselben in bezug auf Rückfluß der Energie vom Transformator ab.
Der Kondensator wird so schrittweise bis zu einer Spannung aufgeladen, die durch
die Dimensionierung des Transformators und durch die Spannung der elektrischen Energiequelle
bestimmt ist. Der Kondensator kann auch ohne Zwischenschaltung von Gleichrichtern
an die elektrische Energiequelle angeschaltet sein, wenn dieselbe den Ladekondensator
22 auf eine hohe Spannung in einem Impuls aufzuladen imstande ist und der Kondensator
sich nicht wieder rückwärts durch den Ladestromkreis entladen kann.
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Zweckmäßigerweise wird ein Ableitwiderstand 22' parallel zum Kondensator
22 angeordnet, um Restladungen des Kondensators abzuleiten, wenn die Anordnung sich
nicht im Betrieb befindet. Dadurch wird vermieden, daß Personal, welches an der
Anordnung für die Zwecke der Reparatur arbeitet, nicht der Gefahr elektrischer Schläge
ausgesetzt wird. Ein Widerstand von 10 Megohm Größe ist hierfür hinreichend und
beeinträchtigt nicht die gewünschte Betriebsweise.
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Um den Entladevorgang des Kondensators 22 zu steuern, und in dem Verbraucherkreis
einen Entladungsvorgang sicherzustellen, ist parallel zum Kondensator ein erster
Nebenkreis angeordnet, welcher die Spannung bestimmt, bei welcher der Kondensator
entladen wird. Dieser Steuerkreis ist mit seinem einen Ende an die spannungführende
Klemme des Kondensators geschaltet und weist, in Serie geschaltet, eine Funkenstrecke
24, die Primänvicklung 25 eines Transformators und einen Kondensator 26 auf. Die
Rückleitung kann zur Masse erfolgen, und zweckmäßig ist ein Widerstand 27 parallel
zum Kondensator 26 vorgesehen. Die Funkenstrecke 24 besitzt eine definierte Durchschlagspannung
und ist zweckmäßig in ein Schutzgefäß eingeschlossen, so daß die Überschlagspannung
wesentlich konstant und unabhängig von dem umgebenden Luftdruck und anderen atmosphärischen
Bedingungen ist. Die Kapazität des Kondensators 26 ist klein, verglichen mit der
Kapazität des Kondensators 22, so daß nur eine verhältnismäßig kleine Energiemenge
des Ladekondensators 22 erforderlich ist, um den Kondensator 26 voll zu laden. Daher
ist auch die strommäßige Belastung auf die steuernde Funkenstrecke 24 gering und
die Lebensdauer derselben hoch. Der schwächste Punkt früherer bekannter ähnlicher
elektrischer Anordnungen ist auf diese Weise wesentlich verbessert, indem verhältnismäßig
empfindliche Niederspannungssteuerfunkenstrecken verwendet werden und gleichzeitig
Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Systems als Ganzes betrachtet, verbessert ist.
Der Widerstand 27 ist vorgesehen, um die Restladungen des Kondensators 26 nach jedem
Arbeitszyklus abzuleiten. Der Widerstand leitet auch die Energie ab, welche über
die steuernde Funkenstrecke 24 in Form eines Kriechstromes während des Ladevorganges
des Kondensators bis zur Durchbruchsspannung der Funkenstrecke zu letzterem gelangen
kann, wodurch ein konstanter, vorbestimmter Energiefluß vom Kondensator 22 zum Kondensator
26 während jeder Arbeitsphase der Anordnung sichergestellt wird.
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Der größte Teil der Ladung, die sich am Kondensator 22 ausbildet,
wird entladen und nutzbar gemacht in einem zweiten parallel geschalteten Funkenstreckenkreis,
welcher ebenfalls parallel zum Ladekondensator geschaltet ist. Dieser zweite Kreis
umfaßt die Energie verbrauchende Nutzfunkenstrecke 28, die aus zwei im Abstand angeordneten
Elektroden 29 und 30 besteht und beispielsweise eine Zündkerze einer Verbrennungsmaschine
sein kann. Wie in Fig.1 dargestellt, ist die Zündstrecke 28 von einem hohen Widerstand
oder Halbleiter 31 überbrückt und besitzt die Eigenschaft, daß sich leicht Funken
bzw. Bogen von hoher Energie zwischen den Elektroden bei verhältnismäßig niedrigen
Spannungen ausbilden. Die Funkenstrecke 28 wird im nachfolgenden als überbrückte
Funkenstrecke bezeichnet.
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In Serie mit der Nutzfunkenstrecke 28 befindet sich eine Vorfunkenstrecke
32 mit Eingangs- und Ausgangselektroden 33 und 34. Diese Vorfunkenstrecke 32, welche
auch zweckmäßig als eine in einem geschlossenen Gefäß angeordnete Funkenstrecke
ausgebildet ist, trennt die Nutzfunkenstrecke 28 von dem Ladekondensator, während
letzterer geladen wird. Die normale überschlagsspannung der Vorfunkenstrecke 32
ist etwas größer als die wirksame überschlagsspannung der steuernden Funkenstrecke
24
und daher größer als die maximale Spannung, bis zu der der Kondensator
22 normalerweise geladen wird. Die Vorfunkenstrecke wird durch die Ladung am Ladekondensator
wirksam gemacht; es ist eine dritte Zündelektrode 35 vorgesehen, welche zweckmäßig
nahe der Eingangselektrode 33 in dem Entladungsgefäß der Vorfunkenstrecke 32 vorgesehen
ist und über die Transformatorwicklung 36 mit einer Zuleitung zu der genannten Elektrode
33 verbunden ist. Die Kopplung mit der Primärwicklung 25 des Transformators ist
so gewählt, daß in dem Sekundärkreis sich eine Spannung ausbildet, die oberhalb
der
Durchbruchspannung der Auslösefunkenstrecke 33, 35 liegt, wenn
der Kondensator 22 über die steuernde Funkenstrecke 24 und die Primärwindung 25
sich entlädt und die Aufladung des Kondensators 26 bewirkt. Indem eine solche Spannung
an der Funkenstrecke 33, 35 zur Auswirkung gebracht wird, wird das Gasmedium zwischen
den Elektroden 33, 34 ionisiert, und dadurch wird die Durchbruchspannung zwischen
den Elektroden 33, 34 der Vorfunkenstrecke 32 auf einen Wert herabgesetzt, der niedriger
ist als die Spannung am Kondensator 22.
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Besteht die Energiequelle 10 aus einer z. B. 24 Volt Akkumulatorenbatterie,
so fließt, wenn der Zündschalter 11 geschlossen wird, ein Gleichstrom durch die
Primärspule 16 und die normalerweise geschlossenen Zerhackerkontakte 18, 19. Der
Vibrator bewirkt, daß der Stromfluß durch die Primärspule 16 unterbrochen wird,
was eine hohe Spannung an der Sekundärspule 17 verursacht. Für das Zündsystem einer
jetzt üblichen Düsenantriebsmaschine ist es zweckmäßig, daß eine Sekundärspannung
von ungefähr 2500 bis 3500 Volt sich ausbildet. Es fließt daher durch die Gleichrichter
23 ein Impulsstrom, welcher den Ladekondensator 22 in Schritten auf eine Spannung
von etwa 2500 bis 3500 Volt auflädt. Jeder der Gleichrichter hat eine bestimmte
Sperrspannung und die Summe dieser Spannungen muß größer sein als die maximale Ladespannung,
die an dem Kondensator erzielt werden soll, damit verhindert wird, daß letztere
sich über die Sekundärspule 17 entlädt. Transformator 25, 36 kann ein Aufwärtstransformator
sein von einem Verhältnis von 1: 3, und der Widerstand 27 kann einen Widerstand
von 0,1 Megohm besitzen.
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Die Funkenstrecke der Steuerfunkenstrecke 24 schlägt über, wenn der
Ladekondensator eine Spannung von beispielsweise 2500 Volt hat, und es wird dann
eine teilweise Entladung des Kondensators 22 in den Kondensator 26 hinein durch
die Primärspule 25 bewirkt. Der kleine Kondensator 26 nimmt seine volle Ladung schnell
an, ohne einen wesentlichen Teil der Ladung des Kondensators 22 aufzunehmen. Der
letztere hat, wie oben schon erwähnt, beispielsweise eine Kapazität von etwas unter
0,25 tuF bis etwas mehr als 5 RF, während die Kapazität des Kondensators 26 nur
etwa 0,01 bis 0,03 #tF betragen kann. Dementsprechend ist der Stromfluß über die
Steuerfunkenstrecke 24 nur von kurzer Dauer. Derselbe erreicht einen hohen Spitzenwert
und bewirkt Energieübertragung auf die Sekundärspule 36. Es bildet sich daher eine
Spannung an der Auslösestrecke 33, 35 der Vorfunkenstrecke 32 aus, welche eine lonisation
des Gases zwischen den Elektroden 33 und 34 sicherstellt. Diese Ionisation setzt
die Durchschlagspannung der Vorfunkenstrecke herab und macht dieselbe bereits für
die Spannung, welche an dem Ladekondensator 22 dann besteht, leitend. Letzterer
wird daher den größten Teil seiner Ladung über die Vorfunkenstrecke und den überbrückungswiderstand
31 der Nutzfunkenstrecke 28 entladen. Die normale Durchbruchspannung der Nutzfunkenstrecke
zwischen den Elektroden 29 und 30 ist wesentlich größer als die Spannung bis zu
der der Kondensator 22 aufgeladen wird. Es fließt aber zunächst ein kleiner Teil
der Energie des Kondensators über den LUberbrückungswiderstand 31, welcher parallel
zu den Elektroden 29, 30 angeordnet ist. Dieser Strom bewirkt, daß das Gasmedium
zwischen den Elektroden 29, 30 ionisiert wird und verringert dadurch den Widerstand
dieses Mediums, so daß der Kondensator 22 sich über die Nutzfunkenstrecke 29, 30
entladen kann und einen Bogen beträchtlicher Energie bei verhältnismäßig niedriger
Spannung, verglichen mit der Weite des Bogens, hervorrufen kann. Die Elektroden
der Nutzfunkenstrecke 28 können einen solchen Abstand haben, daß, wenn der Widerstand
31 nicht vorhanden wäre, eine Spannung von 4000 Volt oder mehr erforderlich wäre,
um die Elektroden zu überbrücken und einen Funken bei Atmosphärendruck hervorzurufen.
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Die Funkenfolge an der Nutzfunkenstrecke 28 kann hinreichend genau
durch geeignete Bemessung der verschiedenen Schaltelemente, nämlich des Zerhackers,
des Transformators, der Gleichrichter und Kondensatoren bemessen werden. Es ist
offensichtlich, daß die Funkenfolge bei Änderungen der Spannung der Batterie sich
ändert, aber diese Änderungen können nicht unerheblich durch geeignete Bemessung
des Zerhackertransformators 16, 17 verringert werden. Dies kann erfolgen, indem
der Transformator so bemessen wird, daß er bei den zur Anwendung gelangenden Spannungen
im Gebiet des Knickes der Magnetisierungskurve des Transformatorkemes arbeitet,
welcher einen Luftspalt haben kann.
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Während jedes Arbeitszyklus wird ein Teil der Ladung, die der Kondensator
26 erhalten hat, über die Vorfunkenstrecke 33, 34 und Nutzfunkenstrecke 28 entladen,
wenn diese beiden Funkenstrecken die Ladung des Kondensators 22 ableiten. Die Restladung,
die am Kondensator 26 am Ende eines Arbeitszyklus erhalten bleibt, und ebenso auch
die Energie, die während der Ladung des Ladekondensators 22 als Kriechstrom über
die Steuerfunkenstrecke 24 fließt, wird im Widerstand 27 vernichtet. Der Widerstandswert
desselben kann bei 0,1 Megohm liegen. Bei Beginn jeder Entladung des Kondensators
22 durch die Steuerfunkenstrecke 24 hat der Kondensator 26 wesentlich Nullpotential,
so daß zwischen den beiden Kondensatoren ein maximaler Spannungsunterschied herrscht;
es ergibt sich daher ein maximaler Anstieg des durch die Spulenwicklung 25 fließenden
Ladestromes, welcher die ionisierende Spannung an der Sekundärspule 36 liefert,
die sich zwischen den Elektroden 33 und 35 dann auswirkt. Die Steuerfunkenstrecke
braucht nur einen sehr kleinen Strom zu führen, so daß die Lebensdauer derselben
weit größer wird als die in den meisten bekannten Zündanordnungen, bei denen die
gesamte Energie bei jeder Entladung des Ladekondensators über die steuernde Funkenstrecke
fließen muß.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig.2 ist als Quelle elektrischer Energie
ein Magnetdynamo 40
vorgesehen, welcher Ladung dem Ladekondensator
22 über zwei Gleichrichterzweige 41, 42 zuführt. Die Sekundärspule
43 des Dynamos hat eine Mittelanzapfung, welche bei 44 geerdet ist, so daß Strom
einer Polarität durch die Gleichrichter 41 fließt und entsprechender Strom durch
die Gleichrichter 42 und in Stromstößen schrittweise der Ladekondensator 22 geladen
wird. Die Primärwicklung 45 der Magnetspule ist in üblicher Weise mit einem Unterbrecher
46 in Serie geschaltet, der durch eine Nockenanordnung gesteuert wird und parallel
zu dem ein Kondensator 47 geschaltet ist.
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Die im Kondensator 22 gespeicherte Energie wird in gleicher Weise,
wie oben beschrieben, in Abständen entladen; unter der Kontrolle einer Steuerfunkenstrecke,
die
in Serie mit der Primärwicklung 25 und einem Kondensator 26 liegt. Um zeitlich genau
geregelte Impulse zu erhalten, findet als Steuerfunkenstrecke eine Kontaktanordnung
48 Anwendung, die normalerweise durch eine Feder 49 geöffnet gehalten wird
und die in zeitlichen Abständen durch einen rotierenden angetriebenen Nocken 50
geschlossen wird. Wenn die Kontaktanordnung 48 geschlossen wird, entlädt sich der
Kondensator 22, und die Arbeitsweise des Systems ist im wesentlichen, wie
im Zusammenhang mit Fig. 1 erörtert wurde. Es kann ein Satz Gleichrichter 41 oder
42 in Fortfall kommen; in diesem Fall wird jedoch der Ladekondensator nur halb so
schnell aufgeladen.
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Wenngleich der Teil des Kreises, der an die Ausgangselektrode
34 der Vorfunkenstrecke 32 angeschlossen ist, der gleiche sein kann
wie der entsprechende Teil der Fig. 1, so ist jedoch hier eine abgeänderte Form
dargestellt. Es sind an die Ausgangselektrode 34 der Vorfunkenstrecke zwei parallele
Stromwege angeschlossen zur Erregung einer Nutzfunkenstrecke 51 gewöhnlichen Typs,
bei der die Elektroden vollständig voneinander isoliert sind. In modernen Verbrennungsmaschinen
werden Zündkerzen dieser Art mit einer Überschlagspannung von ungefähr 15 000 Volt
verwendet, d. h. mit einer Spannung, welche mehrfach größer sein kann als die maximale
Spannung am Kondensator 22. Infolgedessen muß die Zündstrecke 51 erst ionisiert
werden, um die niedrige gespeicherte Spannung von dem Ladekondensator über die Funkenstrecke
fließen zu lassen und dadurch einen Zündfunken hoher Leistung hervorzurufen. Dieses
wird dadurch erreicht, daß die Ausgangsseite der Vorfunkenstrecke 33, 34 an zwei
Zweige angeschlossen wird, von denen der eine einen Kondensator 52 von einer Kapazität
aufweist, die im Verhältnis zu der Kapazität des Ladekondensators 22 klein ist;
in Serie mit dem Kondensator 52 liegt die Primärwicklung 53 eines die Spannung herauftransformierenden
Transformators, wobei diese Primärwicklung mit ihrem einen Ende an Erde liegen kann.
Die Kapazität des Kondensators 52 ist vergleichbar mit der des früher erörterten
Kondensators 26. Der andere Zweig enthält die Sekundärspule 54 und die Nutzfunkenstrecke
51 in Serie. Um die Restladung am Kondensator 52 nach jeder Arbeitsphase
des Kreises abzuleiten, ist ein Widerstand 55 vorgesehen.
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Wenn die Vorfunkenstrecke 33, 34 zum Ansprechen gebracht wird, ist
die Spannung zunächst noch nicht ausreichend, um die Nutzfunkenstrecke 51 zu zünden,
und daher erfolgt zunächst ein Energietransport in den Kondensator 52 durch die
Primärwicklung 53. Der kleine Kondensator 52 wird sehr schnell aufgeladen, und der
Ladestrom durch die Primärspule 53 steigt sehr schnell zu einem relativ hohen Spitzenwert
an und induziert eine hinreichend hohe Spannung an der Sekundärspule 54, welche
einen Funken zwischen den Elektroden hervorruft und dadurch die Nutzfunkenstrecke
51 ionisiert. Die Durchschlagsspannung der Nutzfunkenstrecke 51 wird dadurch herabgesetzt,
so daß die restliche Ladung des Kondensators 22
einen Weg geringen Widerstandes
in Gestalt der ionisierten Nutzfunkenstrecke findet und einen Funken oder Bogen
hoher Energie hervorruft, der das brennbare Gas der Maschine zündet. Der wesentliche
Teil der Ladung im Kondensator 52 wird durch die Nutzfunkenstrecke 51 entladen,
zusammen mit dem wesentlichen Teil der Ladung des Ladekondensators 22. Restladungen
am Kondensator 52 nach beendigter Zündung der Nutzfunkenstrecke 51 werden im Widerstand
55 abgeleitet, so daß sich eine maximale Spannungsdifferenz zwischen den Kondensatoren
22 und 52 ergibt, wenn die Vorfunkenstrecke 33, 34 zündet.