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Elektronische Einrichtung zum Steuern des Zündzeitpunktes einer Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine elektronische Einrichtung zum Steuern des Zündzeitpunktes
einer Verbrennungskraftmaschine mit' einem abfragbaren Speicher für die den verschiedenen
Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine entsprechenden Zündzeitpunkte, der
auf einen den Zündzeitpunkt einstellenden Informationsempfänger einwirkt.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 949 725 ist ein abfragbarer,
eine Kennfeldsteuernng bewirkender Speicher für eine derartige elektronische Einrichtung
bekannt, der eine unterschiedlich lichtdurchlässige Scheibe aufweist, die auf einer
zu den beiden Hauptseiten der Scheibe senkrechten Welle sitzt und um diese Welle
drehbar zwischen einer Lichtschranke angeordnet ist, die aus einer punktförmigen
Lichtquelle definierter 3eleuchtungsstärke und einem lichtempfindlichen Element
besteht.
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Zum Antrieb der die unterschiedlich lichtdurchlässige Scheibe tragenden
Welle ist ein Drehmomentgeber vorgesehen, der nach dem Prinzip des Drehspulinstrumentes
arbeitet. Die Größe der Verdrehung der Welle und damit der Ausschlag der Scheibe
werden von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine bestimmt, indem die von einem
elektronischen Drehzahlgeber erzeugte elektrische Spannung in den Drehmomentengeber
eingegeben wird.
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Die Lichtschranke ist ferner in Abhängigkeit vom Saugrohrdruck und
damit von der Gaspedalstellung senkrecht zur Welle verschiebbar. Der zu jedem Betriebszustand
der Verbrennungskraftmaschine zugehörige Zündzeitpunkt steht als Schwärzungsgrad
der Scheibe zur Verfügung und wird vom lichtempfindlichen Element in eine diesem
Schwärzungsgrad proportionale Spannung umgewandelt,
die im den Zündzeitpunkt
einstellenden Informationsempfänger weiter verarbeitet werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen den Zündzeitpunkt
einstellenden Informationsempfänger zu schaffen, der sich besonders schnell der
Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine anpaßt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine elektronische Einrichtung der eingangs
erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Informationsempfänger
einen Integrator für die Ausgangs spannung des abfragbaren Speichers und einen Festspannungsintegrator
aufweist, daß der Integrator und der Festspannungsintegrator in Steuerabhängigkeit
von einem logischen Auswerter stehen, dem ein Frequenzteiler mit vorgeschaltetem,
durch die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine beeinflußbarem Impulsgeber zugeordnet
ist, daß der Informationeempfänger. ferner einen SpanmQngsvergleicher aufweist,
dessen einer Eingang am Ausgang des Integrators und dessen anderer Eingang am Ausgang
des Festspannungsintegrators liegt, und daß der Ausgang des Spannungsvergleichers
an dem einen Eingang eines Undgatters liegt, dessen anderer Eingang in Steuerabhängigkeit
von dem logischen Auswerter steht und das zum Beeinflussen einer Zündeinrichtung
dient.
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Die Erfindung und ihre Vorteile seien anhand der Zeichnung an einem
Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen elektronischen
Einrichtung.
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Fig. la zeigt ein Schaltbild für zwei Glieder des Blockschaltbildes
nach Fig. 1.
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Fig. 2a zeigt schematisch einen von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine
gesteuerten Impulsgeber.
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Fig. 2b zeigt diesen Impulsgeber von der Seite.
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Fig. 3 zeigt schematisch den abfragbaren Speicher für die Zündzeitpunkte.
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Fig. 4 zeigt verschiedene Impuls folgen in der erfindungsgemäßen elektronischen
Einrichtung.
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Wie Fig. 1 zeigt, weist die erfindungsgemäße elektronische Einrichtung
einen Impulsgebers 2 auf, der von der Drehzahl n der Verbrennungskraftmaschine beeinflußt
ist. Der Ausgang dieses Impulsgebers 2 liegt am Eingang eines Prequenzteilers 3,
der durch die die Frequenz f aufweisende Impulsfolge des Impulsgebers 2 beeinflußt
wird. Dieser Frequenzteiler 3 weist zwei in Serie geschaltete bistabile Kippstufen
F1 und F2 auf. Am Ausgang der Kippstufe F1 liegt die halbe Eingangsfrequenz f/2,
am Ausgang der Kippstufe F2 ein Viertel der Eingangsfrequenz, also f/4. Die Ausgänge
der beiden Kippstufen F1 und P2 sind auf einen logischen Auswerter 11 geschaltet.
Zwei Ausgange Al und A2 des logischen Auswerter 11 liegen an den Steuereingängen
eines Integratore 4, ein anderer Ausgang A3 dieses logischen Auswerters 11 liegt
am eingang eines Festspannungsintegratore 8. Der Eingang des Integrators 4 für die
zu integrierende Spannung liegt an einem abfragbaren Speicher 5 für die den verschiedenen
Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine entsprechenden Zündzeitpunkte, dessen
ibusgangsspannung Ui ist. Der Ausgang dieses Integrators 4 liegt über einen Analogspeicher
6 an dem einen Eingang eines Spannungsvergleichers 7 (z.B. Schmitt-Trigger mit Differenzverstärker
71). Der andere Eingang des Spannungsvergleichers 7 liegt am Ausgang des Festspannungsintegrators
8, dessen Steuereingang auf den Ausgang AD des logischen Auswerters 11 geschaltet
ist. Der Ausgang des Spannungsvergleichers 7 ist auf den einen Eingang eines Undgatters
9 geschaltet, dessen anderer Eingang ebenfalls an einem weiteren Ausgang A4 des
logischen Auswerters 11 liegt und dessen Ausgang mit der Zündeinrichtung 10 verbunden
ist.
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Der drehzahlgesteuerte Impulsgeber 2 kann insbesondere für einen 4-Zylinder-Otto-Motor,
beispielsweise aus auf der *Steuer-
Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine
angebrachten Markierungsstiften I - VIIIund einem ortsfesten induktiven Aufnehmer
22 bestehen. In Fig. 2a sind der Querschnitt der Kurbelwelle 21 und der induktive
Aufnehmer 22 schematisch dargestellt. An der Mantelfläche der Kurbelwelle 21 sind
in ein und derselben Querschnittsebene mit jeweils gleichem Winkelabstand voneinander
die acht Markierungsstifte I bis VIII gne aus ferromW ischem Werkstoff angeordnet.
Der induktive Aufnehmer 22, der eine Induktionsspule mit Eisenkern aufweist, liegt
in derselben Ebene wie die Markierungsstifte I bis VIII, so daß diese Markierungsstifte
beim Drehen der Kurbelwelle 21 entgegen dem Uhrzeigersinn um ihre zur Zeichenebene
der Fig. 2 senkrechte Längsachse nacheinander am induktiven Aufnehmer 22 vorbeistreichen.
Befindet sich der Markierungestift VI genau gegenüber dem induktiven Aufnehmer 22,
so befindet sich der Kolben des gezündeten Zylinders der Verbrennungskraftmaschine
in seinem oberen Totpunkt. Befindet sich hingegen der Markierungsstift II, der vom
Markierungsstlft VI einen Winkelabstand von 180° hat, genau gegenüber dem induktiven
Aufnehmer 22, 80 befindet sich der Kolben des als nechsten gezündeteten Zylinders
in seinem oberen Totpunkt. Die Zündung soll bei Vorzündung jeweils zu einem Zündzeitpunkt
erfolgen, in dem der Kolben des betreffenden Zylinders seinen oberen Totpunkt noch
nicht erreicht hat. Der Zündzeitpunkt ist abhängig von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine
und der Gaspedalstellung. Geometrisch drückt sich dieser Zündzeitpunkt in Fig. 2
durch den Zündwinkel z aus. Dieser Zundwinkeldcz ist der Winkelabstand desjenigen
Punktes 23 auf der Mantelfläche der Kurbelwelle 21, der sich im Zündzeitpunkt des
betreffenden Zylinders genau gegenüber dem induktiven Aufnehmer 22 befindet, vom
Markierungsstift VI.
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Der abfragbare Speicher 5 für die Zündzeitpunkte kann beispielsweise,
wie Fig. 3 zeigt, der Kennfeldspeicher nach der deutschen Offenlegungsschrift 1
949 724 sein. Die an verschiedenen Stellen verschiedene Lichtdurchlässigkeit besitzende
Scheibe 31 sitzt
auf der Welle 32, die vom nach dem Prinzip eines
Drehspulinstrumentes arbeitenden Drehmomentengeber 33 angetrieben wird.
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Die aus der Lichtquelle 34 definierter Beleuchtungsstärke und einer
Fotodiode 35 als lichtempfindliches Element-bestehende Lichtschranke 36 ist, wie
der Pfeil 37 andeutet, in Abhängigkeit von der Gaspedalstellung senkrecht zur Welle
32 hin und her verschiebbar. Die Scheibe 31 befindet sich zwischen der Lichtquelle
54 und der Fotodiode 35. Der Ausschlag der Scheibe 31 um die Längsachse der Welle
32 wird durch die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine bestimmt. An der Fotodiode
35 kann eine Spannung Ui abgegriffen werden, die der Schwärzung der genau zwischen
der Lichtquelle 34 und der Fotodiode 35 befindlichen Stelle der Scheibe 71 und damit
der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und der Gaspedalstellung entspricht und
die daher zur Einstellnng des Zündzeitpunktes herangezogen werden kann.
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In Fig. 4 sind die Impulsfolgen über t als Abzisse aufgetragen, wobei
G3 die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle 21 in Fig. 2 und t die Zeit sind.
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Fig. 4a zeigt die Impulsfolge am Impulsgeber 2 nach Fig. 1, der entsprechend
Fig. 2 ausgebildet ist. In der bistabilen Kippstufe F1 des Frequenzteilers 3 wird
die Frequenz der Impulsfolge nach Fig. 4a halbiert. Die Impulsfolge am Ausgang der
bistabilen Kippstufe F1 ist in Fig. 4b dargestellt.
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Die bistabile Kippstufe F2 des Frequenzteilers 3 halbiert die Frequenz
der Impulsfolge am Ausgang der bistabilen Kippstufe F1. Die Impulsfolge am Ausgang
der bistabilen Kippstufe F2 ist in Fig. 4c dargestellt.
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Sind beide bistabilen Kippstufen des Frequenzteilers 3 auf O gesetzt,
so steuert der logische Auswerter 11 den Integrator 4 an, der die Ausgangs spannung
Ui des abfragbaren Speichers 5 integriert. Für diese Ausgangsspannung U. gilt z.B.
die lineare Beziehung Ui = UO - z, wobei, der Zündwinkel und UO sowie 0 Konstante
sind. Der Verlauf des Integralwertes
ist durch die Geraden 41 in
Fig. 4d symbolisiert.
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Der logische Auswerter 11 bricht die Integration der Ausgangsspannung
Ui durch den Integrator 4 ab, wenn beide bistabilen Kippstufen F1 und F2 auf L gesetzt
sind, d.h. die Integrationszeit für den Integrator 4 ist gleich dem Zeitabstand
T zwischen den Anstiegsflanken zweier benachbarter Impulse der Impuls folge nach
Fig. 4a. Die Ausgangsspannung des Integrators 4 beträgt in dem Moment, in dem beide
bistabilen Kippstufen F1 und F2 auf L gesetzt sind,
wobei Ao eine Konstante ist. 'wenn beide bistabilen Kippstufen p1 und F2 auf L gesetzt
sind, gibt der Analogspeicher 6 den Integrationsendwert des Integrators 4 als Ausgangsspannung
Ua ab. Die vom Analogspeicher 6 gespeicherte Spannung Ua ist durch die Geraden 42
in Fig. 4d symbolisiert.
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Ist die bistabile Kippstufe F2 auf L gesetzt, so startet der logische
Auswerter 11 den Festspannungsintegrator 8.
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Für seine Ausgangs spannung gilt die Beziehung
wobei t die Zeitvariable und Bo sowie Ufest Konstante sind.
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Der Verlauf der Ausgangsspannung des Pestspannungsintegrators 8 ist
durch den Geradenzug 43 in Fig. 4d symbolisiert.
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* Ist die Ausgangs spannung Ua des Festspannungsintegrators 8 gleich
oder größer als die Ausgangsspannung U, a des Analogspeichers 6, d.h. ab-dem Zeitpunkt,
in dem sich die Linienzüge 42 und 43 in Fig. 4d schneiden, so gibt der Spannungsvergleicher
7 Signal auf den einen Eingang des Undgatters 9.
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Der andere Eingang des Undgatters 9 erhält vom logischen Auswerter
11 als Signal die Impulsfolge am Ausgang der bistabilen Kippstufe F2, so daß der
Ausgang des Undgatters 9 die Zündeinrichtung 10 genau zu dem aus dem Speicher 5
abgefragten Zündzeitpunkt ansteuert.
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Die Zündeinrichtung 10 kann s.B. einen Transistorschalter aufweisen,
an dessen Eingang die in Fig. 4e dargestellen Ausgangsimpulse des Undgatters 9 liegen.
Der Transistorschalter ist solange geöffnet, bis die bistabile Kippstufe F2 auf
0 gesetzt ist. Damit werden auch gleichzeitig die Integratoren 4 und 8 sowie der
Speicher 6 zurückgesetzt.
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Während der Hochlaufzeit des Festspannungsintegrators 8 bis zu dem
Zeitpunkt, in dem seine Ausgangespannung Ua gleich der Ausgangsspannung Ua des Speichers
6 ist, hat sich der Markierungestift V genau um den Winkel Au - oCz (Au = Winkelabstand
zwischen den Markierungsstiften V und VI) aus seiner Position gegenüber dem Aufnehmer
22 gedreht, so daß sich der Punkt 23 genau gegenüber dem Aufnehmer 22 befindet,
wenn die Ausgangsspannungen TJa und Ua einander gleich sind.
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Die Hochlaufzeit des Festspannungsintegrators 8 bis zu dem Zeitpunkt,in
Åem die Ausgangs spannung dieses Festspannumgsintegrators Ua genau gleich der Ausgangsspannung
Ua des Speichers 6 ist, beträgt t* = K . T(Uo - ßα) mit K = Ao und T = 1 ,
Bo.Ufest a.n wobei a die Anzahl der vom Aufnehmer 22 bei einer Umdrehung der Kurbelwelle
21 abgegebenen Impulse bzw. die Anzahl der Markierungsstifte auf der Kurbelwelle
21 und n die Zshl der Umdrehungen der Kurbelwelle 21 pro Zeiteinheit ist.
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Diese Hochlaufzeit t ist gleich dem Zeitraum A -nach dem sich der
Punkt 23 anstelle des Markierungestiftes V genau gegenüber dem Aufnehmer 22 befindet.
Die Konstanten Au K, a und ß sind unabhängig von der Drehzahl der Verbrennungs--kraftmaschine,
und die erfindungsgemäße Einrichtung hat deshalb den Vorteil, daß die Dimensionierung
der einzelnen Elemente des den Zündzeitpunkt einstellenden Informationsempfängers
unabhängig vom Drehzahlbereich der Verbrennungskraftmaschine erfolgen kann.
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Anstelle des Speichers nach Fig. 3 können für den abfragbaren Speicher
5 in Fig. 1 noch andere Kennfeldspeicher oder auch ein Kennlinienspeicher verwendet
werden.
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Vorteilhafterweise ist dem Frequenzteiler eine Synchronisierungseinrichtung
12 zum Synchronisieren seiner Ausgangssignale zugeordnet, Diese Synchronisiereinrichtung
kann günstigerweise aus zwei auf der Mantelfläche der Kurbelwelle 21 angecrdnetenweiteren
Markierungsstiften 25 und 26 aus ferromagnetischem Werkstoff und einem weiteren,
eine Induktionsepule mit Eisenkern aufweisenden induktiven Aufnehmer 24 bestehen.
Wie die Fig. 2b zeigt, die eine Seitenansicht der Kurbelwelle 21 in Richtung des
Pfeiles 27 von Fig. 2a dargestellt, sind die Markierungsstifte 25 und 26 sowie der
induktive Aufnehmer 24 in einer zur Querschnittsebene mit den Markierungsstiften
I bis VIII und dem induktiven Aufnehmer 22 parallelen Querschnittsebene der Kurbelwelle
21 angeordnet. Der induktive Aufnehmer 24 befindet sich in Längsrichtung der Kurbelwelle
21 genau neben dem induktiven Aufnehmer 22, während die Markierungsstifte 25 und
26 auf der Kurbelwelle 21 einen Winkelabstand von 1800 haben. Die Mantellinie der
Kurbelwelle 21, auf der der Markierungsstift 25 sitzt, befindet sich günstigerweise
zwischen den Markierungsstiften VII und VIII, die Mantellinie, auf der der Markierungsstift
26 sitzt, zwischen den Markierungsstiften III und IV.
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Diese Markierungsstifte 25 und 26 erzeugen bei Rotation der Kurbelwelle
21 am induktiven Aufnehmer 24 Impulse B und A, die in Fig. 4a gestrichelt in ihrem
Winkelabstand bezüglich der im induktiven Aufnehmer 22 erzeugten Impulse I bis VIII
dargestellt sind. Diese Impulse B und A liegen an gesonderten Eingängen der bistabilen
Kippstufen F1 und F2 und setzen die bistabile Kippstufe F1 des Spannungsteilers
3 im Zeitraum zwischen den Impulsen III und IV sowie VII und VIII auf L, falls diese
bistabile Kippstufe F1 in diesem Zeitraum nicht schon auf L gesetzt ist. Ferner
setzen sie in demselben
Zeitraum die bistabile Kippstufe F2 auf
0, falls diese Kippstufe zu diesem Zeitraum noch nicht auf 0 gesetzt sein sollte.
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Dem drehzahlgesteuerten Impulsgeber 2 und der Synchronisiereinrichtung
12 ist vorteilhafterweise zur Erzielung von Rechteckimpulsen jeweils ein in Fig.
1 nicht dargestellter Impulsformer nachgeschaltet. Der logische Auswerter 11 besteht
vorteilhafterweise aus einem Undgatter 111 und einer Umkehrstufe (NAND-oder NOR-Gatter)
112. Ein Eingang des Undgatters 111 liegt am Ausgang (A1 bzw. A3) der Umkehrstufe
112, während der andere Eingang am Ausgang der bistabilen Kippstufe F1 des Frequenzteilers
3 liegt. Der Eingang der Umkehrstufe 112 ist auf den Ausgang der bistabilen Kippstufe
F2 des Frequenzteilers 3 geschaltet.
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Der Integrator 4 und der Analogspeicher 6 sind günstigerweise zusammengefaßt.
Sie sind entsprechend Fig. 1a aus einem mittels eines Kondensators 41 rückgekoppelten
Operationsverstärker 42 gebildet. Zwischen dem Eingang für die zu integrierende
Spannung Ui und dem mit dem Rückkopplungskondensator 42 versehenen Operationsverstärker
42 liegt ein Schließerrelais 43, dessen Erregerwicklung am Ausgang Al -- des logischen
Auswerters 11 und damit am Ausgang der Umkehrstufe 112 angeschlossen ist. Parallel
zum Rückkopplungskondensator 42 liegt ferner ein weiteres Schließerrelais 44 mit
am Ausgang A2 des logischen Auswerters 11 und damit am Ausgang des Undgatters 111
angeschlossener Erregerwicklung.
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Der Festspannungsintegrator 8 ist ebenfalls aus einem mittels eines
Kondensators 81 rückgekoppelten Operationsverstärker 82 gebildet, an dessen Eingang
eine nicht dargestellte Festspannungsquelle mit der Spannung Ufest liegt. Parallel
zum Rückkopplungskondensator 81 ist ein Schließerrelais 83 geschaltet, dessen Erregerwicklung
vom Ausgang A3 des logischen Auswerters 11 und damit vom Ausgang der Umkehrstufe
112 gespeist wird.
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Der Ausgang A4 des logischen Auswerters 11, der an dem einen Eingang
des Undgatters 9 liegt, ist am Eingang der Umkehrstufe 112 angeschlossen. Die Schließerrelais
43, 44 und 83 schließen, wenn ihre Erregerwicklungen mit Spannung beaufschlagt sind.
Man kann diese Schließerrelais 43, 44 und 83 günstigerweise durch elektronische
Schaltelemente, insbesondere durch Feldeffekttransistoren ersetzen.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung hat gegenüber mechanischen Unterbrechern
mit bewegten Teilen insbesondere den Vorteil, daß das Schließverhältnis gerade bei
sehr hohen Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine fast 50 beträgt, so daß ein
großer Zeitraum zum Aufladen der Zündspule zur Verfügung steht.- Ferner ist diese
Einrichtung nicht nur für Vorzündung, sondern auch für Nachzündung geeignet.
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Günstigerweise kann noch ein in Fig. 1 nicht dargestellter Drehzahlschalter
vorgesehen sein, der auf den Frequenzteiler 3 und den Integrator 4 einwirkt, und
der dafür sorgt, daß der ZündwinkelOC z während der Startphase der Verbrennungskraftmaschine
bis zum Erreichen der Leerlaufdrehzahl genau Null ist, so daß die Zündung im oberen
Totpunkt des Kolbens erfolgt Im Ausführungsbeispiel verschiebt der Drehzahlschalter
die Impulsfolge der Fig. 4c um eine halbe Impulsbreite nach rechts oder links. Dadurch
werden während der Startphase die Impulse der Fig. 4e verbreitert, so daß auch während
dieser Startphase eine genügend große Funkenstandzeit zur Verfügung steht.
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3 Patentansprüche 4 Figuren