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Vorrichtung zur Funkentstörung der Zündanlage von Brennkraftmaschinen
Die Zündanlage von Brennkraftmaschinen besteht im allgemeinen aus einem Unterbrecher,
einer Zündspule, einem Zündverteiler, einer oder mehreren Zündkerzen sowie diese
Bauteile verbindenden Kabeln. Eine solche Zündanlage stellt einen Generator für
gedämpfte elektrische Schwingungen dar, deren Frequenzen sich wegen der vielen Einflußgrößen
schwer vorherbestimmen lassen und die auch als elektromagnetische Wellen abgestrahlt
werden.
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Ein bis zu einigen Megahertz reichendes Störfrequenzspektrum wird
durch den eine negative Widerstandscharakteristik aufweisenden Überschlag an der
Elektrodenstrecke der Zündkerze in Verbindung mit den verteilten Kapazitäten und
Selbstinduktivitäten der Bauteile erzeugt, während ein weiteres Störfrequenzspektrum,
das sich von wenigen Megahertz bis zu mehreren tausend Megahertz erstrecken kann,
durch die Schwingungsanregung der Zündleitungen, insbesondere zwischen Zündkerzen
und Verteilerkopf und letzterem und der Zündspule mittels steil ansteigender Stoßwellen
hervorgerufen wird, welche beim Einsatz und bei Beendigung des Überschlages an der
Kerzenelektrode entstehen.
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Um die Erzeugung derartiger elektrischer Störschwingungen und/oder
ihrer Weiterleitung und Abstrahlung als elektromagnetische Wellen zu verhindern,
ist eine Reihe von Maßnahmen bekanntgeworden. Hiervon sieht eine erste Kategorie
eine teilweise oder völlige Abschirmung der gesamten Zündanlage und gegebenenfalls
zusätzlich noch die Anordnung von Störschutzfiltern in den Niederspannungszuleitungen
der Zündanlage vor. Solche Abschirmungen ergeben jedoch nur dann eine ausreichende
Entstörwirkung, wenn sie die gesamte Zündanlage lückenlos umfassen, und sind aber
dann sehr aufwendig und neigen bei ungenügender Wartung oder unter Umgebungseinflüssen
dazu, daß durch Überschläge zwischen den hochspannungsführenden Teilen und den geerdeten
Abschirmelementen die Zündanlage außer Funktion gesetzt wird.
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Zu einer zweiten Kategorie von Entstörmaßnahmen gehören Dämpfungsglieder,
welche im einfachsten Fall aus möglichst nahe an den Zündkerzen bzw. dem Zündverteiler
in den Leitungszug eingeschalteten Ohmschen Widerständen oder auch induktiven Blindwiderständen
bestehen. Die Wirksamkeit derartiger Entstörvorrichtungen ist aber grundsätzlich
begrenzt, da für die Erzielung eines ausreichend kräftigen Zündfunkens, der insbesondere
für den Kaltstart der Brennkraftmaschine erforderlich ist, der Serienwiderstand
nicht beliebig groß gemacht werden kann.
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Unter Fortentwicklung dieses Prinzips ist weiter eine Funkentstörvorrichtung
bekannt, bei der ein mit dem Zündleiter in Reihe geschalteter induktiver Scheinwiderstand,
realisiert durch einen mit Widerstandsdraht bewickelten Ferritkörper, eine Parallelkapazität
zur Masse aufweist, welche durch die verteilte Kapazität des Widerstandsdrahtes
gegenüber einem an Masse liegenden metallischen Schirm gebildet ist.
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Andere bekannte Entstörvorrichtungen enthalten einen zwischen der
Zündleitung und der Zündkerze angeordneten, kapazitätsarmen Widerstand, auf dem
die Wicklung einer hierzu parallel geschalteten Induktivität in zwei in Reihe liegenden
Teilspulen aufgebracht ist, dergestalt, daß sich eine Teilspule innerhalb einer
den Zündkerzenisolator umgebenden, an Masse liegenden Abschirmkappe befindet und
die w andere Teilspule außerhalb dieser Abschirmkappe.
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Es hat sich gezeigt, daß es mit den vorgenannten Funkentstörvorrichtungen
nicht in ausreichendem Maß möglich ist, die Entstehung und Ausbreitung des sehr
breiten Störfrequenzspektrums, insbesondere bei den hohen Frequenzbereichen, zu
unterdrücken, ohne die Intensität des Zündfunkens unzulässig stark zu reduzieren.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Funkentstörung
der Zündanlage von Brennkraftmaschinen, die unmittelbar zwischen dem eine bestimmte
Kapazität
C4 gegen Masse aufweisenden Zündleiter und der ebenfalls eine bestimmte Kapazität
Cl gegen Masse aufweisenden Zündkerze geschaltet ist und als T- Filter aufgebaut
ist, mit je einem Widerstand R, bzw. R2 in Reihe mit je einer Selbstinduktivität
L1 bzw. L2 sowie einer Kapazität C3, die zwischen R,-L, und R,-L, einerseits und
Masse andererseits angeordnet ist. Der Erfindung ist die Aufgabe gestellt, ohne
merklichen zusätzlichen Aufwand eine über einen sehr weiten Frequenzbereich wirksame
Funkentstörung zu erzielen und gleichzeitig günstige Zündvoraussetzungen zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß unter Verwertung der
gegebenen Kapazitäten Cl und C4 das zwischengeschaltete T-Filter zwei n-Filter mit
gemeinsamer Kapazität C3 bildet, wobei C3 im wesentlichen Cl entspricht und die
Dimensionierung der übrigen Filterelemente durch die folgenden vier Beziehungen
gegeben ist:
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß übliche Zündkerzen zwischen ihrer
Hochspannungsklemme und Masse eine im wesentlichen konstante Kapazität Cl in der
Größenordnung von 15 pF aufweisen und daß auch der die Zündkerze speisende Zündleiter
eine zwar von der jeweiligen Anordnung des Zündsystems abhängige aber definierte
Kapazität -C4 gegen Masse besitzt. Gemäß der Erfindung werden die Zündkerzen und
ihre Zündleiter mit ihren ohnehin vorhandenen Kapazitäten als wirksamer Bestandteil
der Entstörvorrichtung verwertet, statt sie als unerwünschte Störstrahlungsquellen
anzusehen, wie dies bisher bei Zündanlagen der Fall war.
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Erfindungsgemäß werden besonders günstige Ergebnisse erzielt, wenn
die Dimensionierung der Filterelemente noch den folgenden Bedingungen genügt:
Ein hinsichtlich seiner Wirkung und seines Gestehungspreises günstiger Aufbau der
erfindungsgemäßen Entstörvorrichtung ergibt sich dadurch, daß die Filterelemente
R,-L, sowie R2-L2 aus zwei auf einem Kern aus isolierendem Material gewickelten
Spulen bestehen und daß zwischen den Spulen ein mit diesen verbundener metallischer
Ring gelagert oder ein metallischer Überzug vorgesehen ist, der die eine Elektrode
der Kapazität C3 bildet, während die andere Elektrode in Form eines äußeren metallischen
Überzugs auf den aus Isoliermaterial gebildeten Entstörstecker besteht, in dessen
Innerem der Kern mit den Spulen angeordnet ist.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung kann die T- Filteranordnung
in der Zündkerze eingebaut sein. ' Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen
aus der folgenden beispielsweisen Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung und den Zeichnungen hervor. In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 ein
Schaltschema der erfindungsgemäßen Funkentstörvorrichtung und F i g. 2 bis 4 verschiedene
Ausführungsformen der Erfindung.
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In F i g. 1 sind die Elektroden 1 der Zündkerze schematisch durch
Pfeile dargestellt, wobei die Kapazität dieser Zündkerze gegen Masse mit dem Kondensator
Cl veranschaulicht ist. Die erfindungsgemäße Funkentstörvorrichtung, die in der
Zeichnung durch einen Rahmen aus unterbrochenen Linien hervorgehoben wird, ist unmittelbar
zwischen der Zündkerze und dem Zündleiter angeordnet. Sie besteht aus einem als
Tiefpaß wirkenden T-Filter, bei dem zwei Reihenschaltungen aus einem WiderstandRl
und einer Selbstinduktivität L1 bzw. einem Widerstand R2 und einer Selbstinduktivität
L2 im Serienzweig des Filters hintereinandergeschaltet sind, wobei von der Verbindungsstelle
ein Parallelzweig, bestehend aus einer Kapazität C3, zur gemeinsamen Masse führt.
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Der Zündleiter ist durch seinen Ersatzstromkreis mit der Kapazität
C4 und dem Widerstand R4 wiedergegeben. Die Kapazität C4 entspricht der Leiterkapazität
gegenüber Masse, während der WiderstandR4 die Sprühverluste und den Ohmschen Widerstand
des Leiters berücksichtigt.
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Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist folgende: Wenn der Funke an
den Elektroden 1 der Zündkerze überspringt, läuft die von diesen Elektroden
ausgehende Stoßwelle zunächst über die FilterelementeRl, L, und C3 und erreicht
dann über die Filterelemente R2 und L2 die Eingangsseite des Zündleiters. Wegen
der vorhandenen Kapazität C4 erfahren die hochfrequenten Anteile der an der Zündkerze
auftretenden Impuls-oder Stoßwelle beim ersten Durchgang durch die Elemente R1,
L, und Cl eine starke Abschwächung ihrer höherfrequenten Anteile, während für die
niederfrequenten Anteile ein kapazitives Glied an dei Eingangsseite des Zündleiters
vorhanden ist. Die höherfrequenten Anteile des Frequenzspektrums werden, obwohl
sie abgeschwächt sind, am anderen Ende des Leiters reflektiert und laufen zurück.
Die reflektierte Welle muß somit den ersten Zweig L2, R2 und C3 und dann den zweiten
Zweig L1, - R1 und Cl durchlaufen. Eine mathematische Untersuchung zeigt, daß die
verschiedenen Elemente solche Werte aufweisen müssen, daß drei als Filter betrachtete,
angrenzende R-L-C-Glieder eine Spannungsüberböhung zwischen 0,7 (einem Wert, bei
dem die Amplituden-Frequenzkurve der R-L-C-Glieder ständig abnimmt) und 0,5
liegt,
welcher Wert einer kritischen Dämpfung entspricht.
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Folglich ergeben sich die folgenden Beziehungen: 1. Da Cl ein vorgegebener
Wert, der im Mittel 15 pF beträgt, ist:
wobei sich diese letztere Beziehung automatisch einstellt, wenn man berücksichtigt,
daß sich C4 im allgemeinen wenig von Cl unterscheidet.
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3. Eine andere Gruppe von Bedingungen, die sicherstellt, daß auch
bei paarweise in Serie betrachteten Kapazitäten keine Resonanz auftritt, d. h.,
daß sich die Eigenresonanzfrequenz des Filters von der jeweiligen Eigenresonanz
der Zündkerze und des Zündleiters unterscheidet, ergibt:
Aus den vorstehenden mathematischen Ansätzen können die Werte jedes Filterelementes
bestimmt werden.
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In erster Linie stellen die Filter Tiefpaßfilter dar, deren Spannungsdämpfung
in Abhängigkeit von der Frequenz rechnungsmäßig 12 Dezibel je Oktave und je Filter
beträgt. Wenn daher wie im vorliegenden Falle eine Stoßwelle mit einem sehr ausgedehnten
Frequenzspektrum in die Filter einläuft, deren Ausgangsseite als offen zu betrachten
ist, so durchläuft diese Welle wegen der erfolgenden Reflexion beim Hin- und Rücklauf
insgesamt vier Filter, wodurch eine Dämpfung von 48 Dezibel je Oktave über der Grenzfrequenz
der einzelnen Filter auftritt. In zweiter Linie bewirken diese Filter, welche auf
eine kritische Dämpfung ausgelegt sind, daß die an der Klemme der Zündkerze auftretende
Stoßwelle an ihren beiden Flanken abgerundet wird, wobei die Anstiegszeit durch
die Werte der Filterelemente bestimmt wird. Dieses an der Ausgangsseite des Filters
auftretende und von der Zündkerze kommende Signal an dem offenen Ende reflektiert
und läuft wieder in die Filter ein, wo es vernichtet wird. Durch die Verformung
des Stoßsignals wird -sein Frequenzspektrum in erwünschter Weise stark eingeengt,
im Vergleich zu dem an der Zündkerze vorhandenen Spektrum des Stoßsignals. Von dem
Augenblick des Überschlags an wird der Zündfunkenstrom an der Zündkerze exponentiell
und ohne Überschwingungen und ohne daß ein Nulldurchgang und eine Umkehrung der
Stromrichtung einträte, schwächer. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß die der
Zündkerze zugeführte Energie vom Augenblick des Überschlags an gleichmäßig abnimmt,
bis der Zündfunke ganz abbricht. Nach Unterbrechung des Funkens erscheint ein neues
Stoßsignal, dessen Spannung jedoch wesentlich geringer als das erste ist und das
beim Hin- und Rücklauf durch die Filter so weit vernichtet wird, daß ein neuer Überschlag
zwischen den Elektroden der Zündkerze nicht auftreten kann.
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Bei den in den F i g. 2 und 3 veranschaulichten beispielsweisen Ausführungsformen
werden die Filterzweige Rl-L1 und R,-L, durch eine auf einem Kern 7 aus geeignetem
isolierendem Material aufgebrachte Wicklung aus Widerstandsdraht gebildet, mit der
zugleich die vorgesehenen Werte für R und L jedes Filterzweiges erhalten werden,
d. h. eine Selbstinduktivität und einen Ohmschen Widerstand.
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In der Mitte des Kernes befindet sich eine Schulter 2, die einen metallischen
Überzug oder einen Metallring 3 trägt, der eine der Elektroden der Kapazität C3
bildet. Der Ring 3 erfüllt gleichzeitig die Funktion einer verlustlosen Abschirmung
zwischen den beiden Spulen, die somit nicht gekoppelt sind.
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Die Spulen sind in dem Gehäuse eines Steckers 4 aus einem Material
mit geeigneten dielektrischen Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit und Beständigkeit
angeordnet, dessen Außenseite 6 entweder durch ein bekanntes Verfahren metallisch
überzogen oder mit einer metallischen Umhüllung versehen ist, wodurch die zweite
Elektrode der Kapazität C3 gebildet wird. Dieser leitende Teil ergibt zusammen mit
einer Hülse 5 eine induktionsfreie Verbindung zum Körper der Zündkerze und stellt
die gemeinsame elektrische Masseverbindung des Filters dar.
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Die anderen Teile dieser Ausführungsform, wie die Ausbildung für die
Befestigung an dem Elektrodenanschluß der Zündkerze, für den Anschluß des Zündleiters
u. dgl. sind in allgemein üblicher Weise ausgeführt.
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Bei einer anderen Ausführungsform gemäß F i g. 4 ist die gesamte erfindungsgemäße
Funkentstörungsvorrichtung unmittelbar in den Körper der Zündkerze eingebaut. Die
in dieser Figur enthaltenen Teile tragen die gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden
Teile in den F i g. 2 und 3.