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Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündanlage für Brennkraftmaschinen,
die außer wenigstens einer mit ihrer Sekundärwicklung auf die Zündkerzen der Brennkraftmaschine
arbeitenden Zündspule, deren Primärwicklung über einen steuerbaren elektronischen
Schalter an eine Betriebsstromquelle angeschlossen ist, noch eine monostabile elektrische
Kippeinrichtung enthält, die zur Steuerung des elektronischen Schalters dient und
zur Auslösung der Zündstromstöße aus ihrem stabilen Ruhezustand in ihren labilen
Arbeitszustand umgesteuert wird mit Hilfe einer starke Oberwellen enthaltenden Wechselspannung,
die von einem mit der Brennkraftmaschine gekuppelten Generator geliefert und dem
Eingang der Kippeinrichtung zur Erzielung einer drehzahlabhängigen Zündzeitpunktverstellung
über einen elektrischen Phasenschieber zugeführt wird.
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Bei derartigen Zündanlagen muß der jeweilige Zündzeitpunkt in bezug
auf die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bei hohen Drehzahlen so stark vorverlegt
werden, daß der im Zylinder entstehende jeweilige Zündverzug ausgeglichen wird.
Die üb-
lichen Batteriezündanlagen enthalten in ihrem Verteilergehäuse außer
einem nockenbetätigten Unterbrecher, der in den Primärstromkreis der Zündspule eingeschaltet
ist, noch eine mechanische Verstelleinrichtung, die den Nocken im Antriebsdrehsinne
mit zunehmender Drehzahl verstellt. Mit derartigen mechanischen Verstelleinrichtungen
lassen sich je-
doch bevorzugte Verstellkurven des Zündzeitpunktes, die einen
treppenfönnigen Charakter haben, nur schlecht verwirklichen. Die hierfür erforderlichen
mechanischen Verstelleinrichtungen sind zudem teuer in der Herstellung, da sie eine
Reihe von genau eingestellten übersetzungshebeln erforderlich machen.
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Es wurden bereits Zündanlagen der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen,
bei denen der zwischen dem Eingang der elektrischen Kippeinrichtung und dem Generator
vorgesehene Phasenschieber ohmsche und kapazitive Widerstandselemente aufweist (deutsche
Patentschrift 1099 268). Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei diesen Zündanlagen
nur eine, unbefriedigende Phasenverschiebung der Steuerspannung gegenüber der Generatorspannung
im Bereich zwischen Leerlauf und Höchstdrehzahl der Brennkraftmaschine erreichbar
ist, was sich insbesondere bei Viertaktbrennkraftmaschinen mit mehr als vier Zylindern
störend bemerkbar macht.
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Eine in vorerwähnter Hinsicht befriedigend arbeitende Zündanlage,
bei der außerdem noch die bevorzugte treppenförmige Charakteristik der von der Drehzahl
der Brennkraftmaschine abhängigen Zündzeitpunktverstellung leicht erreichbar ist,
wird gemäß der Erfindung dadurch geschaffen, daß der Phasenschieber au seiner die
Ausgangsklemmen des Wechselstromgenerators überbrückenden Serienschaltung einer
Drosselspule mit einem zu einem Kondensator parallel geschalteten ohmschen Widerstand
besteht, wobei die Steuerspannung für die monostabile Kippeinrichtung an der Drosselspule
abgegriffen wird.
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Es ist zwar (nach der USA.-Patentschrift 2 490 960) auch schon
eine Zündanlage bekannt, bei der aber - im Gegensatz zur eingangs erwähnten
Zündanlage - keine Kippeinrichtung vorhanden und zwischen dem Generator sowie
dem Phasenschieber ein zusätzlicher Impulsformer vorgesehen ist. Der Phasenschieber
besteht aber auch hier nur aus einem ohmschen Widerstand und einem Kondensator.
Der zum Abgriff der Steuerspannung dienende Widerstand liegt im Nebenschluß der
Gitter-Kathoden-Strecke einer Entladungsröhre, mittels deren Anoden-Kathoden-Strecke
im Zündzeitpunkt der über die Primärwicklung einer Zündspule geführte Entladungskreis
eines Speicherkondensators eingeschaltet wird. Der zum Phasenschieber gehörende
Kondensator liegt in einer zwischen dem Gitter der Entladungsröhre und dem Impulsformer
vorgesehenen Verbindung.
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Es ergibt sich bei dieser Ausführung eine Zündzeitpunktverzögerung,
die sich mit steigender Drehzahl zunehmend vermindert, wodurch der Zündzeitpunkt
nicht über den gesamten Drehzahlbereich einer optimalen Leistung der Brennkraftmaschine
angepaßt werden kann. Demgegenüber gelingt es durch Anwendung der Maßnahme nach
der Erfindung, sowohl eine für jeden Fall geeignete Phasenverschiebung zwischen
Generator- und Steuerspannung zu erreichen als auch bei der jeweiligen Drehzahl
den Zündzeitpunkt an die optimale Leistung der Brennkraftmaschine anzupassen.
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Einzelheiten und weitere Merkmale der Erfindung sind an Hand der Zeichnung
in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert und beschrieben. Es zeigt F i
g. 1 die Zündanlage in ihrem elektrischen Schaltbild, F i g. 2 das
elektrische Schaltschema des zur Anlage nach F i g. 1 gehörenden Phasenschiebers,
F ig. 3 den in der Anlage nach F i g. 1 verwendeten Generator im Schnitt,
. F i g. 4 ein Schaubild zur Erklärung der Wirkungsweise der Zündanlage
und F i g. 5 ein Schaubild zur Darstellung der mit der Zündanlage nach F
i g. 1 erreichbaren Zündzeitpunktverstellung.
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Die Zündanlage nach F i g. 1 ist zum Betrieb einer Vierzylinderbrennkraftmaschine
10 bestimmt und enthält außer einer Zündspule 12 und einem Verteiler
13 einen in Reihe mit der Primärwicklung 15 der Zündspule geschalteten
Leistungstransistor 11 sowie eine elektrische monostabile Kippeinrichtung
20 und einen bei 21 schematisch angedeuteten Wechselstromgenerator, dessen Ausgangsspannung
über einen Phasenschieber 22 dem Eingang der Kippeinrichtung 20 zugeführt ist.
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Die Kippeinrichtung 20 enthält zwei Transistoren 30 und
31, von denen der Eingangstransistor 30 mit seinem Emitter über einen
Widerstand 32 von etwa 25 Ohm an eine durchgehende Plusleitung
33 angeschlossen ist. Die Plusleitung liegt am Pluspol einer bei
35 angedeuteten Batterie, deren Minuspol an Masse angeschlossen ist. Mit
einer ebenfalls an Masse liegenden Minusleitung 34 ist der Emitter des Transistors
30 über einen Widerstand 29 von 2000 Ohm verbunden. In der Verbindungsleitung
vom Kollektor des Transistors 30 zur Minusleitung liegt ein Widerstand
36 von 200 Ohm und in Reihe mit diesem ein Widerstand 37 von
600 Ohm. Zwischen beiden Widerständen zweigt ein Widerstand 38 von
10 Kiloohm ab, der zur Basis des zweiten, am Ausgang der Kippeinrichtung
liegenden Transistors 31 führt und mit einem Kondensator 39 von 2
#X überbrückt ist. In der Emitterzuleitung dieses Ausgangstransistors liegt ein
Widerstand 41 von etwa 60 Ohm, während 300 Ohm mit der Minusleitung
34 verbunden ist. Von der Basis des Transistors 30 zum Kollektor des Transistors
31 führt ein Rückkopplungswiderstand
43. Mit dem Emitter
des Transistors 31 ist die Basis des der Primärwicklung 15 der Zündspule
12 voraeschalteten Transistors 11 verbunden. Die Sekundärwicklung der Zündspule
12 ist an die zum Verteiler 13 gehörende, mit der Nockenwelle 16 der
Brennkraftmaschine gekuppelte Verteilerelektrode 17 angeschlossen, die mit
vier feststehenden Verteilerelektroden 18 zusammenarbeitet. Jede dieser Elektroden
steht über ein Zündkabel 19 mit einer der vier Zündkerzen 25 der Brennkraftmaschine
in Verbindung.
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Mit der Nockenwelle 16 ist der umlaufende Anker 50 des
in F i g. 1 bei 21 angedeuteten Wechselstromgenerators gekuppelt. Wie F i
g. 3 besser erkennen läßt, ist der Generator im Gehäuse 51 des in
F i g. 1
bei 13 angedeuteten Verteilers untergebracht. Sein aus gepreßtem
Magnetwerkstoff hergestellter Anker 50 sitzt auf der Antriebswelle
52 des Verteilers. An ihrem über den Befestigungshals 53 des Verteilergehäuses
vorstehenden Ende trägt die Antriebswelle 52 eine Kupplungsmuffe 54, die
beim Einsetzen des Verteilerhalses 53 in eine passende Bohrung im Motorgehäuse
mit einem dort untergebrachten, nicht dargestellten, mit der Nockenwelle
16 gekuppelten Antriebsstutzen in Eingriff kommt. Die Wicklung
55
des Generators ist inzwischen zwei schalenförmigen, aus Weicheisen hergestellten
Kappen 56 und 57
untergebracht. Die Kappen haben an ihrer die Bohrung
für die Aufnahme des Ankers bildenden Innenseite jeweils vier angeschnittene Lappen
58 und 59,
die sich in Achsrichtung des Ankers erstrecken und zwischeneinander
so viel Abstand frei lassen, daß jeweils zwischen zwei von oben nach unten sich
erstreckenden Lappen 59 der oberen Kappe 57 einer der Lappen
58 der unteren Kappe 56 hineinstechen kann und umgekehrt. Entlang
seinem Umfang weist der Anker 50 abwechslungsweise vier Nordpole und vier
Südpole auf, die einen von den Lappen 59 über die Kappe 57 zu der
unteren Kappe 56 und von dort über die Lappen 58 zum Anker zurückkehrenden
Magnetfluß erzeugen. Die Flußrichtung kehrt sich bei jeder über 45" erstreckenden
Drehung des Ankers um, so daß bei einer vollen Drehung der Antriebswelle
52 und des mit ihr gekuppelten Verteilerarms 17 vier positive und
vier negative Halbwellen der an den Klemmen 60 abgenommenen und im folgenden
näher beschriebenen Steuerspannung U erzeugt werden.
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In F i g. 4 ist eine positive Halbwelle der in der Wicklung
55 erzeugten Wechselspannung U in Ab-
hängigkeit vom jeweiligen
Drehwinkel oc des Ankers 50 dargestellt. Sie hat erhebliche Oberwellen, die
zur Zündzeitpunktverstellung ausgenutzt werden. Der bierfür zwischen den Ausgangsklemmen
60 des Generators und der Basis des Eingangstransistors 30 der Kippeinrichtung
20 vorgesehene Phasenschieber 22 enthält, wie F i g# 2 erkennen läßt, eine Drossel
65
von 0,5 Henry und einen mit dieser in Reihe liegenden Widerstand
66 von 800 Ohin. Diese beiden Schaltelemente liegen zusammen mit einer
Ausgangsklemme des Generators an der Plusleitung 33, während die andere Klemme
des Generators über eine Leitung 67 mit einem Widerstand 68 von
7 Kiloohm verbunden ist, zu dem ein Kondensator 69 von 0,2 itF parallel
liegt.
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Im folgenden wird zunächst auf die Wirkungsweise der Kippeinrichtung
20 und dann auf die Wirkungsweise des Phasenschiebers eingegangen. Bei stillstehender
Brennkraftmaschine fließt über die als Spannungsteiler wirkenden Widerstände
32
und 29 ein Querstrom von der Plusleitung 33 zur Minusleitung
34, der am Widerstand 32 einen als Vorspannung für den Transistor
30 dienenden Spannungsabfall UO erzeugt. Während der Ausgangstransistor
31 in dieser Ruhelage stromleitend ist und den Leistungstransistor
11 ebenfalls in seinem stromleitenden Zustand hält, wird der Eingangstransistor
30 dadurch im Sperrzustand gehalten, daß seiner Basis durch den über die
Widerstände 66, 43 und 42 fließenden geringen Strom eine niedrige Steuerspannung
U, erteilt wird, die kleiner als die am Emitter des Transistors
30 wirksame Vorspannung U" ist.
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Sobald die Brennkraftmaschine 10 angeworfen wird und dabei
mit ihrer Nockenwelle 16 den Anker 50
des Wechselstromgenerators 21
antreibt, entsteht an den Klemmen 60 des Generators eine Wechselspannung
U, die auch bei niedriger Drehzahl eine Teilspannung U ergibt, die
sich der in F i g. 4 vernachlässigten Gleichspannung U, überlagert. In F
i g. 4 ist dieser an der Emitter-Basis-Strecke des Transistors
30 wirksame Teil der induzierten Wechselspannung U
mit der Kurve
U, angedeutet, die für eine Drehzahl der Brennkraftmaschine von etwa 1200
U/min gilt. Sobald die Wechselspannung U, in dem in F i 4 bei t. angedeuteten
Augenblick die Höhe der Emittervorspannung U, überschreitet, wird der Transistor
30
stromleitend und steuert den Ausgangstransistor 31
aus seinem seither
stromleitenden Zustand in seinen Sperrzustand, da sich der Kondensator
39 bei gesperrtem Eingangstransistor auf eine Spannung aufladen kann, die
nur wenig unter dem Wert der Spannung der Batterie 35 liegt. Der beim übergang
vom Sperrzustand in den stromteitenden Zustand einsetzende Kollektorstrom des Eingangstransistors
30 erzeugt nämlich am Widerstand 37 ein starken Spannungsabfall, so
daß das Potential der Basis des Ausgangstransistors 31 auf einen Wert angehoben
wird, der höher liegt als das Potential der Plusleitung 33. Der Ausgangstransistor
31 vermag daher vom Zeitpunkt t" ab keinen Strom mehr zu führen. Zusammen
mit ihm wird auch der Leistungstransistor 11
gesperrt, und der seither vom
Leistungstransistor gelieferte Magnetisierungsstrom J" in der Primärwicklung
15 der Zündspule 12 wird unterbrochen. Durch den dann eintretenden Zusammenbruch
des Magnetfeldes in dem nicht näher bezeichneten Eisenkern der Zündspule 12 wird
in der Sekundärwicklung der Zündspule ein Zündspannungsstoß induziert, der über
die umlaufende Elektrode 17 einer der Zündkerzen 25 zugeführt wird
und dort einen Zündfunken erzeugt.
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Bei zunehmender Drehzahl wird nicht nur die absolute Höhe der vom
Generator 21 gelieferten Wechselspannung U größer, vielmehr steigt auch die
Frequenz dieser Wechselspannung. Dies hat zur Folge, daß die an der Drossel
65 und dem Widerstand 66 abgenommene Teilspannung der Generatorspannung
nicht nur als Ganzes eine Phasenvoreilung infolge des im Phasenschieber 22 vorhandenen
Kondensators 69 erfährt, sondern darüber hinaus sowohl die Phase als auch
die Amplituden der Oberwellen der abgegriffenen Spannung stark verändert werden.
Dadurch wird die Kurvenform der am Transistor 30
wirksamen Wechselspannung
stark zerklüftet und bekommt vor allem in der Nähe ihrer jeweiligen Nulldurchgänge
einen steilen Anstieg, wie die dritte im
mit U, bezeichnete
Linie zeigt, die eine Halbwelle der Steuerspannung für den Fall wiedergibt, daß
die Brennkraftmaschine mit einer Drehzahl von etwa 3200 U/min läuft.
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Die vom Generator 21 gelieferte Wechselspannung U liegt in
einer Phase gegenüber der jeweiligen Stellung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine
fest, da der umlaufende Anker 50 fest mit der Nockenwelle der Brennkraftmaschine
und daher auch mit der Kurbelwelle gekuppelt ist. Die am Eingang der Kippeinrichtung
20 wirksame, an der Drossel 65 und dem Widerstand 66 abgenommene Steuerspannung
Ug bzw. U, eilt der vom Generator erzeugten Wechselspannung um so stärker
voraus, je höher die Drehzahl der Brennkraftmaschine und damit
je höher die Frequenz der Generatorspannung wird. Wie Fig. 4 deutlich erkennen
läßt, hat die Steuerspannung Ug nur schwache, durch Oberwellen verursachte Höcker,
die jedoch infolge des im Phasenschieber 22 vorhandenen Kondensators 69 und
der Drossel 65 um so stärker hervortreten und ihre Phasenlage gegenüber der
Grundwelle um so stärker ändern, je höher die Antriebsdrehzahl des Generators
wird. Während die Steuerspannung Ug im Zeitpunkt t. den Wert der Emittervorspannung
U, überschreitet, erreicht bei höheren Drehzahlen die Spannung
U.,
schon wesentlich früher, nämlich in einem um den Zeitunterschied
A t vor dem Zeitpunkt t. liegenden Zeitpunkt tj, den Wert der
Emittervorspannung U, des Eingangstransistors 30 und macht daher diesen Transistor
früher stromleitend, als dies bei der für die Steuerspannung Ug geltenden Drehzahlen
von 1200 U/min eintritt. Die jeweiligen Zündimpulse an den Zündkerzen
25 der Brennkraftmaschine setzen daher um einen Drehwinkel qg vor dem oberen
Totpunkt liegenden Drehwinkel der Kurbelwelle ein.
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Der ZündversteRwinkel (p ist in F i g. 5 in Ab-
hängigkeit
von der Drehzahl n dargestellt. Aus dieser Darstellung ist zu entnehmen, daß der
Zündverstellwinkel bei einem Drehzahlbereich unterhalb von 100 U/min sehr
rasch auf etwa 15<1 ansteigt, dann bis etwa 2400 U/min auf diesem Wert verbleibt,
zwischen dieser Drehzahl und 3100 U/min ungefähr geradlinig auf etwa 241
ansteigt und von dort ab wieder annähernd konstant bleibt. Die Abschnitte gleichbleibender
Zündverstellung kommen dabei dadurch zustande, daß die Frequenz der Oberwellen in
diesen Drehzahlbereichen die Resonanzfrequenz, die sich fär den Kondensator
69 und die Drossel 65
ergibt, durchwandert Diese Resonanzfrequenzen
erreichen die Oberwellen bei Drehzahlen der Brennkraftmaschine von etwa 2000 und
4000 U/min.
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Der besondere Vorteil der beiden Anordnungen besteht darin, daß zur
Zündverstellung keinerlei mechanisch bewegbare Teile notwendig sind, die Zündverstellung
vielmehr ausschließlich durch in ihrer Größe unveränderliche elektrische Schalteleniente
bestimmt werden kann. Dadurch ergibt sich eine hohe Betriebssicherheit und darüber
hinaus durch geeignete Bemessung der Schaltelemente des-Phasenschiebers auch eine
gute Anpassung dei-Verstellkurven -an den jeweiligen Typ der Brennkraftmaschine.