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Elektronische Zündsystem für Verbrennungsmotoren Die Erfindung betrifft
ein elektronisches Zündsystem für Verbrennungsmotoren mit elektronischer Zündzeipunktverstellung
und Batteriespeisung sowie mit kapazitiver Entladung, welches einen eine Brücke
eines Gleichstromumformes enthaltenden Hochspannungs-Kommutierumformer aufweist.
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Die bekannten Zündsysteme, die in Verbrennungsmotoren zur Brzeugung
des Fünkens im erforderlichen Zeitpunkt in jeder der Kerzen bei verschiedenen Drehzahlen
heute noah Uberwiegend
verwendet werden, bestehen aus dem charakteristischen
Zündverteiler, dessen Unterbrecher einen elektrischen Stromkreis unterbricht oder
schliesst, wobei in der Sekundärwicklung einer Zündspule die für den Fünkenüberschlag
in der Kerze notwendige Hochspannung erzeugt wird. Der Zeitpunkt der Öffnung des
Unterbreehers hängt von der reiativen Stellung der Welle und des Nockens ab, die
sich mit der Drehzahl des Motors unter der Wirkung von Schwungmassen und deren Haltefedern
verändert, welohe eine Gleiohgewichtsstellung als Punktion der Drehzahl einnehmen.
Die Nachteile der bekannten Anordnung liegen klar auf der Hand. Es sind beim Unterbrecher
die Instabilität des Zündzeitpunktes infolge von Rückstössen, der Verschleiss, Kontaktfehler,
Spiel usw. Bei der Zündverstellung sind die Instabilität und die Hysterese, die
Reaktionen auf plötzliche Geschwindigkeitsänderungen, der Verschleiss, Spiel usw.
nachteilig. Bei der eigentlichen Hochspannungsverteilung treten die bekannten Durchschlagprobleme,
Kriechetröme usw. auf.
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Die Erfindung befasst sich nun mit einem elektronischen Zündsystem,
bei dem insbesondere auch die Verstellung des Zündzeitpunktes elektronisch erfolgt,
so dass die vorerwähnten Schwierigkeiten nicht zu befürchten sind.
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Bei der erfindungsgemässen, batteriegespeisten Zündanlage zur Verwendung
in Kraftfahrzeugen handelt es eich um eine Zündanlage
mit kapazitiver
Entladung, deren Hauptbestandteile im Blockschaltbild der Figur 1 dargestellt sind.
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Der Hochapannungs-Kommutierumformer enthält einen Gleichstromumformer,
welcher die Batteriespannung in die zur Ladung der Kondensatoren erforderliche Spannung
verwandelt.
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Die Hochspannungstransformatoren sind an den Umformer über eine-vom
Synchrongenerator gesteuerte Umschaltvorriohtung angeschlossen, welche ein von der
Kurbelwelle des Motors aus gesteuertes Signal abgibt. Die Steuerung kann direkt
oder über eine Nebenwelle erfolgen, die sich mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle
dreht.
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Durch die zur gegebenen Zeit erfolgende Erregung der Umsohaltvorrichtung
entlädt sich der entsprechende Kondensator auf den Hochspannungstransformator, welcher
an zwei Ausgängen den für die Zündung erforderlichen Hochspannungsimppls liefert.
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Die Hochapannungsausgänge sind direkt mit den Kerzen verbunden, wobei
die beiden Ausgänge eines Transformators mit den Zylindern gemäss den mechanischen
Takten verbunden sind. Befindet sich der eine Zylinder im oberen Totpunkt im Verdichtungstakt,
8o befindet sioh der andere ebenfalls im oberen Totpunkt, aber im Auslasstakt.
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Der Synchrongenerator ist für die automatische Zünzeitpunktverstellung,
wie sie für Viertaktmotoren erforderlich ist, eingerichtet, wobei die Verstellung
mi-ttels einer elektromagneti sohen Vorrichtung erreicht wird, die ohne jegliche
fliehkraftbewegte oder federnde Teile arbeitet.
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Im einzelnen wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass in den Ausgang
der Brücke des Umformers ein Filterkondensator und eine Induktanz eingefügt sind,
wodurch die Aufledundes Leistungekondensatore in Resonanz zu einem höheren Wert
als dem Ausgangswert des Umformers möglich ist. Weiter soll erfindungsgemäss die
Entladung über die Spulenprimärwicklung erfolgen, die mit einer Dämpfungsdiode geshuntet
ist, über welche zur Vergrösserung der Liohtbogendauer der zuvor in der Primärwicklung
vorhandene Strom fliesst. Es. hat sich als zweckmässig erwiesen, wenn zur Aufladung
Jedes der vorhandenen Kondensatoren eine doppelte Gleichrichtung stattfindet, wobei
Jeder Kondensator einen unabhängigen Stromkreis speist.
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Weiter wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass vom Synchrongenerator
eine Spannungswelle bestimmter Form entsprechend der erforderlichen Zündverstellkurve
durch Veränderung des magnetisohlen Widerstandes in einem elektromagnetischen Generator
mittels eines entsprephenden Verhältnisses zwischen dem Profil des Rotors und dem
Stator erzeugbar ist, wobei die zuerst von einer
Schwellenschaltung
gleiohgerichtete Generator-Spannung das Aua-.
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lösen einer steuerbaren Siliziumdiode bewirkt, welche die Entladung
eines Kondensators auf die PrimCrwicklung einer Hochspannungsspule steuert, in deren
Sekundärwicklung die für den Funkenüberschlag erforderliche Spannung auftritt, so
dass sich die Winkellage des Zündfunkens mit der Drehzahl entsprechend der für den
Motor erforderlichen Zündverstellkurve verändert.
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Schliesslich liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Schaltungsanordnung
zusätzliche Bauelemente zur Erzeugung einer von der Drehzahl der Kurbelwelle des
Motors abhängigen Spannung aufweist. In diesem Falle kann an die Schaltungsanordnung
direkt ein Messinstrument angeschlossen werden, welches sich in Einheiten der Drehzahl
eiohen lässt.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beachreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele an Hand der
Zeichnung. Es zeigen: Pig. 1 die Hauptbestandteile des Systems in einem Blookschaltbild;
Fig. 2 das Schaltbild eines Hochspannungs-Kommutierumformers;
Big.
3 das Schaltbild eines Synchrongenerators; Fig. 4 den Spannungaverlauf in Abhängigkeit
von der Zeit; Yig. 5 eine Variante eines Hochspannungs-Kommuntierumformers und eines
Synchrongenerators; Fig. 6 teilweise im Schnitt den Aufbau eines Synohrongeneratora;
Fig. 7 das Schaltbild einer weiteren Variante des Zünd-Systems und Pig. 8 das Schaltbild
einer letzten Ausführungsform des Zündsystems nach der Erfindung.
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In dem Blockschaltbild der Figur 1 sind der Synchrongenerator 1, der
Gleichstromumformer 2, die Umschaltvorrichtung 3, die Hochspannungstransformatoren
4 und die Hochspannungsausgänge 5 gezeigt. Mit gestrichelten Linien ist der Hochspannungs-Kommutierungaumformer
6 gekennzeichnet.
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In Figur 2 sind mit gestrichelten Linien der Gleiohstroinumformer
7,
die Umschaltvorrichtungen 8 und die Hochspannungstransformatoren 9 angedeutet.
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Der Gleichstromumformer 7 besteht aus einem sättigungsfähigen Kern,
welcher in beiden Richtungen wechselseitig von zwei Wicklungen 10 und 11 gesättigt
wird, deren-Strom von den Transistoren 12 und 13 und von der Rückkopplungswicklung
14 gesteuert wird. Er arbeitst wie folgt: Beim Schliessen des Schalters 15 der Batterie
beginnt ein Strom über den Widerstand 16 durch die Basis des Transistors 13 zu fliessen.
Diese kleine Anfangspolarisation dient dazu> in der Wicklung 11 einen geringen
Strom entstehen zu lassen, welcher infolge der lnduktanz der Wicklung 11 linear
ansteigt und in der Rückkopplungswicklung 14 eine konstante Spannung erzeugt, die
durch den Widerstand 17 und die Diode 18 die Basis des Transistors 12 noch stärker
polarisiert, welcher den Durchfluss des ansteigenden Stromes aus der Wicklung 11
weiterhin zulässt. Wenn die Sättigung des Kerns erreicht ist, beginnt die in der
RUckkopplungswicklung 14 induzierte Spannung zu sinken, was zu einer Verringerung
der Polarisierung der Basis des Transistors 13 und damit zu einer Verringerung seines
Kollektorstromes und sohlieeslioh zur Abschaltung des Transistors 13 führt.
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Der Transistor 12 ist während der ganzen Durohlaaszeit des Transistors
13 von dem durch die Diode 18 fliessenden Strom
umgekehrt polarisiert
gewesen Wenn jedoch der Strom in der-Wicklung 11 sich zu verringern beginnt, hat
sich die Polarität der in der Rückkopplungswicklung 14 induzierten Spannung geändert,
was einen Stromfluss durch den Transistor 12, die Diode 19 und den Widerstand 17
bewirkt und zur Sättigung des Transistors 12 führt.
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Dieser Vorgang wiederholt sich und es ergeben sich in der Folge in
den Wicklungen 10 und 11 abwechselnd mehrere Stromwechsel, die in der Sekundärwicklung
zur Induktion einer Spannung führen, welche nach Gleichrichtung und bei Vorwahl
des Übersetzungsverhältnisses die Kondensatoren 20 und 21 bis zur erforderlichen
Spannung laden kann.
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Der Hochspannungstransformator ist in Figur 2 mit 9 bezeichnet. Es
ist ein Transformator mit Kern aus magnetischem Blech und mit Sekundärwicklungen
auf der Primärwicklung.
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Bei der Entladung des Kondensators 20 oder 21 auf die entsprechende
Primärwicklung werden in den beiden Sekundärwioklungen Spannungen induziert, die
den Funkenüberschlag in den damit verbundenen Zündkerzen bewirken.
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Die Umschaltvorrichtungen 8 sind ebenfalls in Figur 2 dargestellt.
Sie bestehen aus zwei steuerbaren Siliziumgleichriohtern
23 und
24, Wenn diese von den Signalen aus dem Synchrongenerator erregt werden, werden
sie leitend, wodurch sie eine Entladung der Kondensatoren 20 oder 21 auf den entsprechenden
Hochspannungstransformator ermöglichen. Die Entladung erfolgt oszillierend mit Rücklauf
durch die Dioden 25 oder 26.
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Die Dioden 27 und 28 schützen die Verbindung zwischen Steuerelektrode
und Kathode der steuerbaren Dioden 23 und 24 vor Negativapannungen, die im Stromkreis
entstehen können.
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Der wSynchrongenerator gemäss Figur 3 besteht im wesentliohen aus
drei Blöcken: Erreger 29, erstem buslöseverstärker 30 und zweitem Auslöseverstärker
31.
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Die aufgabe des Erregers 29 besteht darin, im Induktorkreis durch
die zerhackende Wirkung der Zener-Diode 32 ein konstantes magnetisches Feld zu erzeugen.
Dieses magnetische Feld erzeugt bei bestimmten Drehzahlen einen Spannungsimpuls
von bestimmter Form als direkte Funktion der Geometrie der Polstücke des Induktor8
und des Ankers, und zwar den Impuls V1 (siehe Figur 4).
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Die Auslöseverstärker 30, 31 bestehen aus einem Sperrkreis mit der
Schwelle V0 .Das heisst, dass bei fehlendem Signal der Transistor 34 leitend und
der Transistor 33 nichtleitend ist, wobei seine Basis mit V0 Volt negativ polarisiert
ist. Wenn unter diesen Umatänden die Spannung des Impulses Vi den Wert V0 erreicht
hat, erfolgt im System ein Wechsel, bei dem der Transistor 33 leitend und der Transistor
34 nichtleitend wird. Der im Kollektorkreis des Transistors 34 erscheinende Spannungsimpuls
wird mittels des Kondensators 35 und des Widerstandes 36 differenziert und an der
Auslöseklemme des entsprechenden steuerbaren Siliziumgleichrichters angelegt. Bei
einer Erhöhung der Drehzahl des Rotors steigt die bei n1 (siehe Figur 4) erzeugte
Spannung, die nun V'1 beträgt. Da der Schwellwert der Erregung V0 weiterhin aufrechterhalten
wird, wird ein bestimmter Winkel eher als bei der ursprünglichen Drehzahl erreicht.
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Dies bewirkt, dass der Auslöseimpuls zu einem Zeitpunkt tot erzeugt
wird, der einer Zündverstellung von α Grad entsprioht.
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Eine Variante des Hochßpannungs-Kommutierungaumformers sowie des Synchrcngenerators
ist in dem Schaltbild der Figur 5 dargestellt, wo der Gleichatromumformer mit 37,
die Umsohaltvorrichtungen mit 38, die Hochspannungstransformatoren 39 und der Synohrongenerator
mit 40 bezeichnet sind. Die Ausführungsform nach Figur 5 arbeitet wie folgt: * mit
Die
Ausgangsspannung der Brücke des Gleichstromumformem 37 wird von dem zum Widerstand
42 parallel geschalteten Kondensator 41 gefiltert und lädt (bei Ruhestellung des
Synchrongenerators, welcher von der Welle des Verteilers 43 in einer bestimmten
Phase mit der Kurbelwelle des Motors betätigt wird) den Kondensator 44 über die
Dioden 45 und 46 oder 47 und 48 und die Induktanz 49 auf.
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Der Aufbau des Synchrongenerators ist aus Figur 6 ersiohtlicht wo
zur besseren Veranschaulichung eine Hälfte im Schnitt dargestellt ist. Hier sind
mit 50 der Körper, mit 51 der komplette Stator und mit 52 die komplette Welle bezeichnet.
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Die Arbeitsweise des Synehrongenerators nach Figur 6 ist wie folgt:
Mit der Welle 52 drehen sich die mit ihr kraftschlüssig verbundene Schale 53 und
die Polerweiterung 57'. Im kompletten Stator 51 ist die Induktionswicklung 55 angeordnet,
die ein magnetisches Feld erzeugt, das Welle 52, Schale 53, Kern 56 und Erweiterung
57 erfasst. Die Schale 53 hat im einzelnen die mit 54 gekennzeichnete Form. Am Kern
56 und an dessen Zähnen 58 sind Auffangspulen 59 angebracht.
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Mit der Drehung des Rotors wird in den Auffangspulen, die in
Figur
6 mit 59 und in Figur 5 mit 60 und -61 bezeichnet sind, eine Spannungswelle einer
bestimmten von der Geometrie des Teiles 54 der Schale 53 (siehe Figur 6) abhängigen
Form erzeugt. Es handelt sich um den in Figur 4 dargestellten Impuls V1.
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Die in Figur 5 gezeigten Auslöseverstärker bestehen aus einem Sperrkreis
mit Schwellwert V0. Das heisst, dass bei fehlendem Signal der Transistor 62 oder
63 leitend und der Transistor 64 oder 65 nichtleitend ist, wobei die Basis des letzteren
mit Vo Volt negativ polarisiert ist. Wenn unter diesen Umständen die Impulsspannung
V1 den Wert V0 erreicht hat, erfolgt im System ein Wechsel, bei dem der Transistor
64 oder 65 leitend und der Transistor 62 oder 63 nichtleitend wird.
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Der im Kollektorkreis des Transistors 62 oder 63 erscheinende Impuls
wird vom Kondensator 66 oder 67 und vom Widerstand 68 oder 69 differenziert und
an der Auslöseklemme des entsprechenden steuerbaren Siliziumgleichrichters 70 oder
71 angelegt. Bei einer Erhöhung der Drehzahl des Rotors steigt die in den Spulen
60 oder 61 erzeugte Spannung, die nun V11 beträgt (siehe Figur 4). Da der Schwellwert
der Erregung Vo weiterhin aufrechterhalten wird, wird der Auslöseimpuls zu einem
Zeitpunkt ts erzeugt, welcher einer Zündverstellung von oDGrad entspricht.
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Die Spulen oder der Spulensatz 60 und 61 sind rechtwinklig angeordnet,
wenn
die Mitnahme bei der halben Drehzahl der Kurbelwelle für einen Vierzylinder-Viertaktmctor
erfplgt. Das Auslösen der steuerbaren Diode 70 oder 71 bewirkt die Entladung des
Kondensators 44 auf die Primärwicklung der Spule 72 oder- 73, wobei in den Sekundärwicklungen
74 und 75 oder 76 und 77 ein Hochapannungsimpuls erzeugt wird. Angelegt an die Zündkerzen
78 und 79 oder 80 und 81 bewirken die Hochspannungsimpulse die Zündung der Gase
im Zylinder, welcher sich in diesem Zeitpunkt im Verdichtungstakt befindet. Die
Dämpfungsdiode 82 oder 83 iässt eine Exponentialdämpfung des in der primärwioklung
der Spule 72 oder 73 fliessenden Stromes zu, so dass der Lichtbogen der Kerzen während
einer bestimmten Zeit aufrechterhalten wird. Sobald der Funken erlosohen ist, beginnt
erneut die Aufladung des Kondensators 44, sofern sich der Rotor in Resonanz mit
der Induktanz 49 dreht.
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Die Speisespannung des Synohrongenerators wird durch die Induktanz
84 und den Kondensator 85 gefilterte Eine weitere Variante des Systems ist in Figur
7 dargestellt, wo der Transformator des Gletohstromumformers 37 zwei Sekundärwioklungen
86 und 87 aufweist und die darin erzeugte Spannung von den Dioden 88 und 89 gletohgerichtqt
wird und die Kondensatoren 90 und 91 in Resonanz mit der Induktanz 92 auflädt.
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Der Entladungsvorgang ist dem unter Bezugnahme auf Figur 5 beschriebenen
Vorgang
ähnlich.
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Bei einer letzten Ausführungsform wird in den Synchrongenerator der
Stromkreis eines Tachometers (Drehzahlmessers) eingegliedert. In Figur 8 ist - von
einer gestrichelten Linie umgeben - ein Teil des Stromkreises des Synchrongenerators
der Figur 5 dargestellt. Im einzelnen wird vom Kollektor des Transistors 62 des
Synchrongenerators die Basis des Transistors 93 gespeist, in dessen Emitter bzw.
dem Widerstand 94 die Spannung zwischen Null'(Transistor 62 gesättigt) und einem
bestimmten Wert (Transistor 62 nichtleitend) schwankt. Diese Spannung lädt den Kondensator
95 über den Widerstand 96, die Diode 97 und das parallel zum Widerstand 99 geschaltete
Messgerät 98 bis zum Zener-Wert der Diode 100 auf. Beim Fehlen eines Signals im
Ermitter bzw. Widerstand 94 entlädt sich der Kondensator 95 über den Widerstand
101 und die Diode 102 sowie über die Widerstände 94 und 96. Infolgedessen durchlaufen
nun die Ladeimpulse des Kondensators 95 das Gerät, so oft der Transistor 62 vom
Zustand der Sättigung in den Zustand der Niohtleitfähigkeit übergeht, das heisst,
mit einer der Zahl der Umdrehungen der Kurbelwelle des Motors gleichen Häufigkeit,
so dass der Mesßwert proportional ist zur Drehzahl des Motors.