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ANORDNUNG ZUM ERHÖHEN VON ZÜNDFUNKENSGARKE.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erhöhen von Zündfunkenstärke
im Bereich hoher Motorenumdrehungszahlen in Spulenzündanlagen für Verbrennungsmotore,
welche im wesentlichen aus einer an eine elektrische Stromquelle über einen Stromunterbrecher
angeschlossenen Zündspule bestehen und zum Erzeugen von elektrischen Zündfunken
in Zündkerzen von Verbrennungsmotoren dienen.
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Für die Funktion von Verbrennungsmotoren ist es erforderlich, ein
Brenngemisch in den Zylindern von Motoren in jeweils in Bezug auf Funktionszyklusablauf
von Motoren genau definierten Zeitpunkten zu entzünden. Zu diesem Zweck wird üblicherweise
ein elektrischer Zündfunke in einer Zündkerze mittels einer Zündanlage erzeugt,
der genügend stark sein muß, um das Brenngemisch schnell zu entzünden.
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Die meistverbreiteten Zündanlagen sind Spulenzündanlagen, welche im
wesentlichen aus einer an eine elektrische Batterie über einen Stromunterbrecher
angeschlossenen Zündspule bestehen. Solange der Unterbrecher geschlossen ist, fließt
durch die Zündspule ein elektrischer Strom. Beim Öffnen des Unterbrechers wird dieser
elektrische Strom unterbrochen und die in der Induktivität der Zündspule durch den
Stromfluß aufgespeicherte elektrische Energie verursacht einen Spannungsanstieg,
der in einer Zündkerze einen elektrischen Zündfunken erzeugt, über den die aufgespeicherte
Energie abfließt0
Spulenzündanlagen sind einfach und robust. Ihnen
sind jedoch schwerwiegende Nachteile eigen. Der wichtigste Nachteil besteht darin,
daß die Zündfunkenstärke mit steigender Motorendrehzahl sinkt. Dies ist durch die
Wirkungsweise der Spulenzündanlage bedingt. Um eine bestimmte Energie in der Induktivität
aufzuspeichern, ist in ihr eine bestimmte Stromstärke erforderlich. Die mögliche
Spitzenstromstärke hängt unter anderem von der Zeit ab, in welcher eine entladene
Induktivität an die elektrische Spannungsquelle angeschlossen bleibt. Bei niedrigen
Motorendrehzahlen bleibt der Unterbrecher lange genug geschlossen, und der Strom
kann genügend hoch ansteigen, Mit Erhöhung von Motorendrehzahl wird die Stromflußzeit
kürzer und der erreichbare Spitzenstrom sinkt, wodurch der Zündfunke schwächer wird0
Es ist bekannt, Spulenzündanlagen durch Einfügen eines Transistors zwischen die
Zündspule und den Unterbrecher in sogenannte Transistor-Spulenzündanlagen umzuwandeln.
Dadurch werden vor allem zwei andere Nachteile von Spulenzündanlagen eliminiert,
nämlich der Abbrand von Unterbrecherkontakten und die Ungenauigkeiten in jeweiligem
Zündzeitpunkt, die ansonsten durch eine Lichtbogenbildung zwischen den Uterbrecherkontakten
entstehen. Jedoch sinkt auch in dieser Zündanlagenart die Funkenstärke mit Erhöhung
von Motorendrehzahl im gleichen Maß ab, wie bei normalen Spulenzündanlagen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gleichmässige, unverminderte
Zündfunkenstärke von Spulenzündanlagen bei verschiedenen Motorendrehzahlen zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch Einschränken von Zündfunkenbrenndauer
gelöst, mittels geeignetem Schalten des Stromflusses in der Zündspule, wodurch ein
Teil der in der Induktivität der Zündspule durch den Stromfluß aufgespeicherten
Energie nicht in den Zündfunken abgeführt wird, sondern in der Zündspule bleibt
und einen schnellen Anstieg des Stromflusses in ihr bewirkt.
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Bei einer Spulenzündanlage beginnt ein Zündfunke in einer Zündkerze
mit einer gewissen Anfangsstromstärke, die davon abhängig ist, welcher Ladestrom
im Augenblick der Unterbrechung durch die Zündspule fließt. Im Verlauf der Brennzeit
vom Zündfunken sinkt die anfängliche Funkenstromstärke ungefähr linear mit der Zeit
bis auf Null ab, wobei die in der Zündspule aufgespeicherte Energie erschöpft und
die Induktivität der Zündspule entladen wird0 Die Brenndauer eines Zündfunkens,
und somit auch die Entladezeit der Induktivität, liegen bei Spulenzündanlagen bei
voller Stromflußhöhe in der Grössenordnung einer Millisekunde. Zum Entzünden von
Brenngemisch in einem Motorenzylinder ist die anfängliche Stromstärke im Zündfunken
wichtig. Bei genügender Stromstärke wird das Brenngemisch innerhalb von höchstens
0,2 ms voll entzündet.
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Falls das Brenngemisch nach Ablauf dieser Zeit noch nicht brennt,
kann es von dem auslaufenden restlichen "Schwanz" des Zündfunkens mit niedrigerer
Stromstärke aflch nicht mehr entzündet werden. Dieser "5chwanz" ist überflüssig
und kann abgeschafft werden, ohne das Nachteile dadurch entstehen, Wenn der Unterbrecher
nach Ablauf von 0,2 - 0,25 ms nach dem Öffnen wieder geschlossen wird, wird dadurch
der noch brennende und nicht mehr benötigte Zündfunke abgebrochene Die in der Induktivität
der Zündspule aufgespeicherte und nur zum Teil für den kürzeren Zündfunken verbrauchte
elektrische Energie bewirkt einen sehr schnellen Wiederanstieg vom Ladestrom, so
daß bis zum nächsten Zündfunken wieder ein hoher Strom in der Zündspule fließt und
der nächste Funke wieder in voller Stärke erzeugt wird, auch wenn die Stromflußzeit
nur kurz war.
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Obwohl ein so gestalteter Unterbrechungsschalter auch mit mechanischen
Mitteln nicht unmöglich ist, erscheint es zweckmässiger, ihn elektronisch auszuführen,
weil dann gleichzeitig auch der störende Lichtbogen bei Unterbrechen beseitigt wird.
Die Art und Konstruktion der Unterbrechungsschalter ist nicht Gegenstand der Erfindung.
Im Ausführungsbeispiel wird eine der möglichen praktischen Ausführungen eines elektronischen
Schalters lediglich zum Zweck der Demonstration gezeigt.
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Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß die Zündfunkenstärke
einer erfindungsgemäss ausgestalteter Spulenzündanlage in Gegensatz zu den üblichen
Spulenzündanlagen auch in den hohen Drehzahlbereichen von Verbrennungsmotoren unvermindert
bleibt. Dadurch wird ein besseres Verbrennen von Brenngemisch in den Motorenzylindern,
Herabsetzen von schädlichen Abgasen und Kraftstoffersparnis durch besseres Ausnützen
erreicht.
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Im folgenden werden die Erfindung und ihre Vorteile anhand von Zeichnungen
anschaulich erklärt.
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Fig. 1 zeigt den tadestromverlauf in einer Zündspule einer bisher
üblichen Spulenzündanlage (ohne erfindungsmässiger Ausgestaltung) bei niedrigen
Motorendrehzahlen. Im Zeitpunkt 2 wird der Unterbrecherkontakt geöffnet, im Zeitpunkt
3 geschlossen, und bleibt geschlossen bis zum nächsten Zeitpunkt 2o In der Zeitspanne
zwischen 3 und 2 kann der elektrische Strom in der Zündspule bei gegebenen Speisebatteriespannung,
Zündspuleninduktivität und Zündspulenwiderstand eine Stromstärke 6 erreichen. Der
Stromverlauf ist mit 5 bezeichnet.
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Fig. 2 zeigt dasselbe wie Fig. 1, im gleichen Maßstab, bei einer höheren
Motorendrehzahl. Die Zeitspanne von S bis 2 ist jetzt kürzer, und der Strom 5 kann
die Stromstärke 6 nicht mehr erreichen. Wenn die Motorendrehzahl weiter erhöht wird,
sinkt der Strom 5 noch mehr ab, auf einen kleinen Bruchteil von Stromstärke 6.
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Fig. 3 zeigt dasselbe wie Fig. 2, im gleichen Maßstab, bei gleicher
Motorenumdrehungszahl wie in der Fig. 2, jedoch mit Verwendung einer erfindungsmässigen
Anordnung. Die Zeitspanne von 2 bis 3 ist so weit verkürzt, daß nur ein Teil der
in der Zündspule aufgespeicherten Energie in den Zündfunken abfließt.
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Die in der Spule verbleibende Energie bewirkt einen steilen Wiederanstieg
von Ladestrom 5. Der Strom 5 kann wieder die volle Stromstärke 6 erreichen, und
wird sie auch dann noch erreichen, wenn die Motorendrehzahl nochmals verdoppelt
wird0
Fig. 4 zeigt im Zeitlupenmaßstab den Zündfunkenstrom 7, der
den Bedingungen von Fig. 1 entspricht und eine Stromstärke 8 erreicht. Punkt 3 von
Fig. 1 liegt bei diesem Maßstab außerhalb der Zeichnung.
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Fig. 5 zeigt dasselbe wie Fig. 4 bei Bedingungen von Figo 2, im gleichen
Zeitlupenmaßstab wie Fig. 4. Der Zeitpunkt 3 von Figo 2 liegt hier innerhalb der
Zeichnung. Der Zündfunkenstrom erreicht nicht mehr die Stromstärke 8 und sinkt bei
weiterer Erhöhung von Motorendrehzahl noch weiter herab unter gleichzeitiger weiterer
Verkürzung auch von ZündfunkenbrenndauerO Ein sicheres Entzünden von Brenngemisch
ist fraglich.
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Fig. 6 zeigt dasselbe wie Fig. 5, im gleichen Zeitlupenmaßstab, bei
Bedingungen von Fig. 3, also'mit Verwendung erfindungsmässiger Anordnung. Der Zündfunkenstromfluß
umfasst zwar eine kürzere Zeitspanne, das Brenngemisch wird aber mit Sicherheit
gut entzündet, weil der Zündfunkenstrom die volle, hohe Stromstärke 8 hat. Auch
bei einer weiteren Verdopplung von Motorendrehzahl bleibt der Zündfunkenstromverlauf
genau gleich, mit gleicher Stromstärke und gleicher Zeitdauer.
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Fig. 7 zeigt als ein Beispiel eine der möglichen Ausführungen einer
erfindungsmässigen Anordnung. Mit 10 ist die Zündspule, mit 11 der Stromunterbrecher
einer üblichen Spulenzündanlage, mit 12 der in jeder Spulenzündanlage vorhandene
Kondensator bezeichnet. Bei einer üblichen Spulenzündanlage , ohne Verwendung der
Erfindung, wäre der Unterbrecher 11 direkt an den Anschluß 1 der Zündspule 10 angeschlossen.
Am Punkt 15 liegt die Speise stromquelle, sowohl bei einer üblichen, als auch bei
der erfindungsmässigen Ausführung. Der Anschluß 4 der Zündspule 10 liefert die Spannung
für die Zündkerzen. Erfindungsgeläss wird der Unterbrecher am Anschluß 1 der Zündspule
10 durch eine erfindungsmässige Anordnung 13 ersetzt. Der Unterbrecher 11 wird in
diesem Beispiel als Impulsgeber für die Anordnung 13 mitverwendet, jedoch kann stattdessen
auch eine andere Steuereinrichtung benutzt werden. Der Transistor 14 übernimmt die
Schalterfunktion. Im Ruhezustand ist er
stromleitendO Sobald an
den Anschluß 16 ein Steuerimpuls von dem Unterbrecher 11 oder von einem anderen
Geber ankommt, wird der Schalttransistor 14 gesperrt, der Stromfluß in dar Zündspule
10 unterbrochen, und die Zündspule erzeugt die Zündfunkenspannung am Anschluß 4.
Erfindungsgemäss wird der Schalttransistor 14 wieder stromleitend noch bevor die
gesamte in der Induktivität von Zündspule 10 aufgespeicherte Energie verbraucht
wird0 Dadurch wird der Zündfunke abgebrochen und die verbliebene Energie bewirkt
einen raschen Stromwiederanstieg in der Zündspule 10. Die Dauer der Stromunterbrechung
kann in weiten Grenzen durch entsprechende Wahl des Wertes von Kondensator 17 eingestellt
werden. Sie ist von der Höhe der Speisespannung fast unabhängig. Bei unterschiedlichen
Motorendrehzahlen ändert sich die Dauer der Stromunterbrechung nicht.
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Da diese Schaltung einer der möglichen erfindungsmässigen Anordnungen
13 für sich nicht Gegenstand der Erfindung ist, wird ihre Funktionsweise im einzelnen
nicht näher besch rieben.