DE2618222A1 - Schaltungsanordnung fuer elektronische zuendanlagen - Google Patents

Schaltungsanordnung fuer elektronische zuendanlagen

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DE2618222A1
DE2618222A1 DE19762618222 DE2618222A DE2618222A1 DE 2618222 A1 DE2618222 A1 DE 2618222A1 DE 19762618222 DE19762618222 DE 19762618222 DE 2618222 A DE2618222 A DE 2618222A DE 2618222 A1 DE2618222 A1 DE 2618222A1
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ignition coil
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voltage
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Hans Thorsten Henrik Carlsson
Leif Bertil Gustafsson
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Svenska Electromagneter AB
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02PIGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P1/00Installations having electric ignition energy generated by magneto- or dynamo- electric generators without subsequent storage
    • F02P1/08Layout of circuits
    • F02P1/086Layout of circuits for generating sparks by discharging a capacitor into a coil circuit

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Description

  • Schaltungsanordnung für elektronische Zündanlage ======================================= Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für elektronische Zündanlagen.
  • Abgesehen von dem Grunderfordernis, daß die Zundwirkung über den gesamten Drehbereich einer Kraftmaschine hinlänglich stark sein muß, ist bei kleinen Kraftmaschinen allgemein zu fordern, daß der Platzbedarf und das Gewicht gering und die Lebensdauer und Betriebszuverlässigkeit hoch seien. Darüber hinaus ergibt sich die zwingende Forderung, daß die nötigen Wartungsarbeiten rasch und einfach aurchzuführen sind, wobei auch die Möglichkeit des Auswechselns funktionsgestörter Teile gegeben sein muß. Als ein typisches Beispiel, bei dem Forderungen dieser Art besonders vordringlich sind, seien Motorsägen genannt, die heute für Forstarbeiter zur normalen Arbeitsausrüstung gehören und die allgemein unter schwierigen Arbeitsbedingungen sehr stark beansprucht werden.
  • Der Der heute übliche elektronische Schwungradmagne t wird im allgemeinen die sen Erfordernissen gerecht, sofern seine Durchbildung den Anforderungen der Praxis entspricht, wobei auch den Bedingungen Rechnung getragen ist, die für den Betrieb der elektronischen Bauteile gelten. Man ist jedoch ständig bestrebt, die Zündeinrichtungen zu verbessern, vor allem im Hinblick auf das Ziel, die Anlagen noch kompakter zu gestalten und die Wartungseignung zu vervollkommnen, während gleichzeitig auch die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit nach Möglichkeit gesteigert werden.
  • In dieser Entwicklungsarbeit zeichnen sich klare Tendenzen ab. An die Stelle von Zündmagneteinrichtungen mit innerhalb des Schwungrades vorgesehenen Spulensystemen, die einen dementsprechend großen Schwungraddurchme sser bedingten, sind inzwischen Einrichtungen mit kleinerem Schwungraddurchmesser getreten, bei denen die elektronischen Bausteine außerhalb des Schwungrades angeordnet sind, in Kombination mit einer gesonderten Zündspule. Bei einer solchen Aufgabenlösung erhält man zwei relativ leicht zugängliche äußere Bauelemente und bei der Wartung der Zündung und der dazugehörigen Teile kann das Schwungrad ganz unberührt bleiben. In den elektronischen Baustein ist ein zwei oder meistens dreischenkeliger Eisenkern einbegriffen, dessen Pole mit dem Umfang des Schwungrades und den daran angeordneten Magnetstücken in Wirkverbindung stehen. Von den Schenkeln des Eisenkerns trägt der eine eine Ladespule und der andere eine Triggerspule und der Eisenkern wie auch die Spulen sind zusammen mit den übrigen elektronischen Teilen wie etwa dem Kondensator, dem Thyristor, den nötigen Dioden und Widerständen in einem geeigneten Hartkunststoff zu einer Einheit vergossen, für gewöhnlich in einem Epoz;yharz, damit sie so gegen Feuchtigkeit geschützt sind und damit mechanische Festigkeit erzielt wird. Der gleichen Sinkapselungstechnik bedient man sich im allgemeinen auch für die gesondert vorgesehene Zündspule.
  • Me Erfindung hat zum Ziel, die Zahl der äußeren Bauteile weiter zu verringern, und dies bedeutet, daß die gesonderte Zündspule ersetzt wird durch eine auf dem Mittelschenkel eines dreischenkeligen Kerns angeordnete Zündspule, so daß man also nur eine äußere Einheit erhält. Auf den ersten Blick mag diese Lösung einfach und in verschiedener verschiedener Hinsicht selbstverständlich erscheinen. In der Praxis wirft dies jedoch etliche verwickelte Probleme auf, zu deren Lösung ganz bestimmte Maßnahmen erforderlich sind, wenn das System einwandfrei funktionieren und gleichzeitig auch das Erfordernis eines kleinstmöglichen Bausteinvolumens eingehalten werden soll.
  • Diese Probleme hängen mit den bei einer elektronischen Zündanlage stets zu erfüllenden Grundbedingungen zusammen, nämlich damit, daß der Kondensator bis zum vollen Spannungsbetrag aufgeladen sein muß, wenn die Zündung erfolgt, was wiederum bedeutet, daß sich der Thyristor nach dem voraufgegangenen Sperrzustand infolge eines von der Triggerspule herrührenden Impulses ohne Störung öffnen muß.
  • Es ist weiterhin unumgämglich notwendig, geeignete Maßnahmen zum Schutz der elektronischen Bauteile gegen riskante Einschwingvorgänge zu ergreifen. Bei einer gesonderten Zündspule mit eigens vorgesehenem Risenkern erfolgt die Kondensatorentladung ohne jede Rückwirkung auf die Spulen des elektronischen Bausteins und es treten keine unkontrollierbaren Spannungsspitzen auf. Ist die Zündspule mit der Primärwicklung und der Sekundärwicklung hingegen auf einen Schenkel de 9 Sisenkerns in dem Baustein aufgewickelt, so besteht eine magnetische Kopplung in den Sisenkreisen, was nun die unmittelbare Folge hat, daß ein durch die Kondensatorentladung hervorgerufener magnetischer Fluß durch die Primärwicklung der Zündspule Flußschwankungen auch in den benachbarten Polschenkeln und mithin induzierte Spannungen in den dazugehörigen Spulen verursacht. Da die Überschlagspannung in der Zündkerze einen Wert von 25 kV oder mehr erreichen kann, fallen die induzierten Spannungen in der Ladespule sehr hoch aus. Zur Aufgabenstellung der Erfindung gehört somit u.a. die Beherrschung dieser Sinschwingvorgänge in der Weise, daß sie einerseits für das Aufladen des Kondensators genutzt werden und zum andern für die elektronischen Bauteile ohne schädliche Folgen bleiben.
  • Ein weiteres Problem ergibt sich aus der Anordnung der Zündspule auf dem Mittelschenkel, nämlich insofern, als beim V rbeiführen des Magnetsystems des Schwungrades eine Spannungsfolge direkt in den Zündspulenvicklungen erzeugt wird. Bei einer nach der gängigen Praxis gestalteten Zündspule können die hierbei auftretenden Spannungsspitzen so hoch sein, daß sie zu einer zusätzlichen und unerwünschten erwünschten Funke nbil dung in der Zündkerze führen.
  • Diese allgemeine Erörterung der Problemlage ist noch dahingehend zu ergänzen, daß die Zündspulenwicklungen in der Praxis aufgrund einer langen Erfahrung stets so angeordnet sind, daß der Funken in der Zündkerze negativ ist. Dies bedeutet, daß der Funken von der IvIittelelektrode zur Seitenelektrode der Kerze überspringt. Das komprimierte Gas an der Zündkerze und in deren Umgebung wird dann negativ ionisiert und es findet ein Elektronenübergang von der Mittelelektrode zur Seitenelektrode statt. Der Grund dafür, diese Entladungsrichtung vorzusehen, liegt darin, daß die unvermeidbare Erosion dann an der Mittelelektrode ansetzt, die hierdurch langsam verbraucht wird, während die Seitenelektrode im wesentlichen unverändert bleibt und nachgeschnitten werden kann, falls der Elektrodenabstand zu groß wird. Diese Überlegung zur Überschlagsrichtung des Funkens in der Zündkerze beinhaltet auch im Rahmen der Erfindung ein Grunde rfo rde rni 5.
  • Durch die Erfindung werden alle im Zusammenhang mit der Anordnung der Zündspule auf dem I5ittelschenkel eines dreischenkeligen Kerns auftauchenden Probleme gelöst. Legt man die Drehrichtung des Schwungrades zugrunde, so ist die Triggerspule auf dem ersten Schenkel angeordnet und die Ladespule auf dem letzten Schenkel, während für den Kern kleine Abmessungen beibehalten werden, da die Primär- und Sekundärwicklung der Zündspule und die Wicklung der Ladespule sämtlich die gleiche Richtung haben; gelöst werden diese Probleme auch insofern, da die Windungsübersetzung für die Zündspule, doh. das Verhältnis der Windungszahl für die Primärspulwicklungen zu ihren Sekundärspulwicklungen so bemessen ist, daß die durch das umlaufende Dauermagnetfeld induzierten Spannungsspitzen hinlänglich niedrig und so gerichtet sind, daß sie keine zusätzliche Funkenbildung in der Zündkerze hervorrufen; und da schließlich die durch die Kondensatorentladung über die Zündspule bewirkten, in der Ladespule induzierten Einschwingvorgänge infolge der vorerwähnten gleichsinnigen Wicklung der Spulen so ausfallen, daß ein erster Einschwingvorgang mit einer sehr hohen Spannungsspitze einen positiven Verlauf hat und dem zeitweilig entladenen Kondensator zugeführt wird, während ein anschließender Einschwingvorgang mit einer etwas niedrigeren geren Spannungsspitze einen negativen Verlauf nimmt und durch einen parallelgekoppelten Varistor abgeleitet wird, so daß die elektronischen Bauteile wirksam geschützt werden.
  • Die kennzeichnenden I,Lerkmale der Erfindung sind aus den beigefügten Ansprüchen zu entnehmen.
  • Im folgenden soll nun eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigegebenen Zeichnungen beschrieben werden. Darin zeigen: Fig. 1 einen schematisierten senkrechten Schnitt durch einen dreischenkeligen Kern mit einer auf dem Mi ttel schenkel angeordneten Zündspule, wobei auf den Seitenschenkeln eine Triggerspule und eine Ladespule angeordnet sind und wobei der Kern in Verbindung mit einem Schwungrad dargestellt ist, an dessen Umfang ein zweipoliger Dauermagnet angeordnet ist; Fig. 2 ein Schaltschema für eine vollständige elektronische Zündanlage gemäß der 3Drfindung, wobei die elektronischen Bauelemente mit den üblichen Symbolen dargesteilt sind; Fig. 3 einen Schnitt durch den betriebswirksamen Teil einer Zündkerze unter Darstellung der Richtung des Funkenüberschlags und der ionisierten Gasanteile in der Umgebung der Kerze; Fig. 4 eine Übersicht in Diagrammform, in der die unterschiedlichen Potentialfolgen dargestellt sind, die sich in der Triggerspule, der Zündspule und der Lade spule im lastfreien Zustand der Spulen und auch bei der normalen Betriebsbelastung der Spulen ergeben; Fig. 5 ein in einem größeren Maßstab gehaltenes Diagramm über der Potentialfolge durch die Sekundärwicklung der Zündspule und die Funkenstrecke der Zündkerze für einen Funkenüberschlag und in Verbindung hiermit eine graphische Darstellung der Einschwingvorgänge, die sich in der Ladespule infolge der Induktion aus der Zündspule ergeben; Fig. 6 ein etwas vereinfachtes Schaltschema in Verbindung mit Fig. 2, in dem insbesondere für die Primär- und die Sekundärwicklung der Zündspule und für die Lade spulenwicklung die gleichsinnige Wickelrichtung gezeigt und die Stromrichtungen beim Laden und Entladen Entladen eines in das System eingegliederten Kondensators angedeutet sind; und Fig. 7 ein Diagramm der Funktionskennlinien für zwei unterschie dliche Varistortypen.
  • In Fig. 1 ist ein allgemein mit der Bezugszahl 1 bezeichneter dreischenkeliger Eisenkern gezeigt, der fest angeordnet ist und mit einem umlaufenden Schwungrad 2 zusammenwirkt, an dessen Umfang ein zweipoliger Dauermagnet 3 angeordnet ist, wobei der Polteilungsabstand im wesentlichen dem Abstand zwischen den Schenkeln des Kerns 1 entspricht. Auf einem lßttelschenkel 4 des Kerns 1 ist eine Zündspule 5 mit einer Primärwicklung 6 und einer Sekundärwicklung 7 angeordnet. Ein erster Außenschenkel 8 des Kerns 1 trägt eine Triggerspule 9, während auf einem zweiten außenschenkel 10 eine Ladespule 11 angeordnet ist. Das Schwungrad 2 wird von einer Motorwelle 12 getragen und seine Drehrichtung ist entsprechend dem Pfeil Pl zu denken, so daß durch den Kern 1 ein magnetisches Wechselfeld verläuft und in den betreffenden Spulen Potentiale erzeugt werden. Für die in Fig. 1 dargestellte Magnetstückstellung ergibt sich mithin ein Magnetfeld gemäß dem Pfeil P2 durch die Schenkel 4 und 8. Die in die elektronische Zündanlage einbezogenen elektronischen Bauelemente sind in der Praxis auf Stromkreiskarten o.dgl. angeordnet und in unmittelbarer Verbindung mit dem Kern 1 mit den dazugehörigen Spulen vorgesehen, wobei sie zusammen mit diesen Teilen in eine vollständig feuchtigkeitssichere und mechanisch feste Ummantelung aus einem verpreßten Hartkunststoff eingebettet sind, vorzugsweise in ein Epoxyharz. Es wird so ein vereinheitlichter, kompakter Baustein geschaffen, der leicht einzubauen und leicht auszuwechseln ist.
  • In dem Schaltschema nach Fig. 2 ist der Kern 1 symbolhaft dargestellt, wie ähnlich auch die bereits erwähnten Spulen und die in das System eingegliederten elektronischen Bauelemente. Sie Fortbewegungsrichtung des Magneten 3 an den Schenkeln 8, 4 und 10 ist wie in Fig. 1 durch den Pfeil P1 angedeutet. In Übereinstimmung mit bekannten Lösungsprinzipien für elektronische Zündanlagen sind ein Kondensator 14 und eine Ladediode 13 in den Stromkreis der Ladespule 11 gelegt. Zwischen der Ladediode 17 und dem Kondensator 14 ist ein Thyri stor Thyristor 15 einer Entlade diode 16 für den Kondensator 14 parallelgeschaltet, wobei der Thyristor und die Diode an Erde gelegt sind.
  • Der Thyristor 15 wird beim Eingehen eines Triggerimpulses aus der Triggerspule 9 geschlossen, wobei der Triggerimpuls durch einen Nebenschlußwiderstand 17 o.dgl. auf einen vorbestimmten Pegelwert eingestellt wird. Erfindungsgemäß ist ferner ein Varistor 18 (ein spannungsabhängiger Widerstand) der Lade spule 11 nebengeschlossen.
  • Die Primärwicklung 6 und die Sekundärwicklung 7 der Zündspule 5 sind nach Art eines Autotransformators miteinander verbunden, wie dies aus dem Schaltschema hervorgeht, und ein freier Ausgang der Sekundärwicklung 7 wird in der üblichen Weise einer Zündkerze 19 zugeleitet.
  • Bei Fig. 4 handelt es sich um ein Diagramm zur zusammenfassenden und prinzipiellen Darstellung der Potentialkreise der einzelnen Spulen beim Vorbeiführen des Magneten 3 an den Polschenkeln 8, 4 und 10 des Kerns 1 in der durch den Pfeil P1 verdeutlichten Weise.
  • Zuoberst sind die Potentiale bei vollständiger Entlastung der Spulen 5, 9 und 11 dargestellt, d.h. bei freien Ausgangsenden, und unter diesen Kurven erscheinen Kurven der Potentiale bei Belastung der Spulen im normalen Betrieb, also bei laufendem Motor. Bei dem Diagramm der Fig. 4 handelt es sich um ein Zeit-Spannungsdiagramm mit Auftragung der Zeit auf der Abszisse und der Spannung als Ordinate. Die Zeitdifferenz zwischen den Punkten t und tl entspricht der Zeit-0 dauer einer vollständigen Motorumdrehung. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die einzelnen Kurven in bezug auf die Zeitskala etwas gedehnt und geben in dieser Beziehung nur das wechselseitige BeziehungsgEwe zwischen den Potentialfolgen wieder. Ähnlich sind auch die in dem Diagramm erscheinenden Spannungspegel nur als indikatorisch aufzufassen und nicht als Istwerte. In dem Diagramm der Fig. 4 gibt eine erste Gruppe von Kurven K1, K2, K3 die Spannungsfolge in der Triggerspule 9, der Zündspule 5 bzw. der Ladespule 11 wieder, falls die Spulen unbelastet sind. Die Spannungsfolgen werden der Reihe nach erzeugt, wenn der Magnet 3 an dem Kern 1 entlanggeführt wird, und da keine Last vorhanden ist, sind die Kurven praktisch um (nicht markierte) Zeitlinien symmetrisch. Die Kurve Kl für die lastfreie Spannung der Triggerspule 9 ist somit im wesentlichen um die dazugehörige dazugehörige Abszisse symmetrisch. Die Kurve K2 für die Zündspule 5 gibt die Entwicklung eines vollständigen Flußwechsels durch den Mittel schenkel 4 wieder und zeigt eine hohe positive Spannungsspitze Vl und zwei im wesentlichen gleich große, aber etwas kleinere negative Spannungsspitzen V2, V. Die Spannungskurve K3 für die Lade spule 11 3 weist eine positive Spannungsspitze V4 und zwei wesentlich kleinere negative Spannungsspitzen V5, V6 auf. Die Kurven K1, K2, S3 sind in ihrer wechselseitigen Lage dargestellt, die prinzipiell mit den Lageverhältnissen in der Praxis übereinstimmt.
  • Eine zweite Gruppe von Kurven " K2, und K3, in dem Diagramm der Fig. 4 gibt die entsprechenden Spannungsfolgen beim Normalbetrieb des Motors wieder. Die Kurve Irl, für die Triggerspule 9 weist einen Knick bei einer Spannung V7 auf, entsprechend der Triggerspannung für den Thyristor 15 in Fig. 2. Wie bereits erwähnt wurde, hat die Spannung V7 einen vorbestimmten Wert und ist auf die Schließspannung des Thyristors 15 und folglich auch auf den Zündaugenblick des Systems abgestimmt.
  • Dieser ist in dem Diagramm durch die Zeitlinie T2 bezeichnet. Zum Zündzeitpunkt T2 wird der Thyristor 15 durch die Spannung V7 angesteuert und geht in den Durchlaßzustand über, was also bedeutet, daß er zusammen mit dem Kondensator 14 und der Sekundärwicklung 6 der Zündspule 5 einen geschlossenen Stromkreis bildet. Im Normalbetrieb und beim Anlassen des Motors wird der Kondensator mit der Spannung V4 über der Ladespule 11 gemäß der Kurve E3 aufgeladen, und über die Primärwicklung 6 kommt es zu einer momentanen Entladung des Kondensators 14. Hierdurch wiederum wird eine sehr hohe Zündspannung in der Sekundärwicklung 7 induziert, beispielsweise mit einem Spannungswert von 25 kV, was nun einen Funkenüberschlag in der Zündkerze 19 bewirkt. Der Funken ist nur sehr kurzlebig, muß aber dennoch eine bestimmte Dauer haben, damit das komprimierte Gasgemisch in dem Motorzylinder wirksam gezündet werden kann. Als Beispiel hierfür sei eine Funkendauer von etwa 0,2 Millisekunden bei einer Motordrehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute erwähnt.
  • Aus Sm Schaltschema der Fig. 2 ist zu entnehmen, daß die EadeMode 13 3 nu die positiv verlaufenden Spannungen aus der Ladespule spule 11 zu dem Kondensator 14 durchläßt und daß die Sicherheitsdiode 16 ein vollständiges Entleeren des Kondensators nach jeder Entladung ermöglicht.
  • Einleitend wurde darauf verwiesen, daß die Erfordernisse der Praxis eine negative Entladung in der Zündkerze 19 bedingen, wie dies im Prinzip in Fig. 3 angedeutet ist. Beim Funkenüberschlag gehen Elektronen mit negativer Ladung von einer Ivlittelelektrode 20 zu einer Seitenelektrode 21 über, wie dies der pfeil P3 verdeutlicht, während gleichzeitig Gasanteile 22 in der Umgebung negativ ionisiert werden.
  • Die Kurve K2 läßt erkennen, daß dem Erfordernis eines negativen Funkenüberschlags Rechnung getragen ist, wobei diese Kurve eine sehr hohe negative Spannungsspitze h am Zündzeitpunkt t2 zeigt, die einen Wert von 25 kV oder mehr erreicht. Nach bekannten elektrischen Prinzipien führt die Entladung durch die Zündspule 5 zu einer Folge gedämpfter Spannungsechwingungen, unter denen mindestens eine positive Spannungsspitze X2 beträchtliche Werte in positiver Richtung erreicht, siehe hierzu Kurve K2z. Danach setzt eine rasche Dämpfung ein, so daß die Zündspannung nach einer Zeitspanne dt allgemein gesagt wieder den Wert Null hat. Es ist demnach klar, daß die Funkenfolge in der Zündkerze 19 innerhalb eines Teils der Zeitspanne at in Erscheinung tritt und daß die Lebensdauer des Funkens von verschiedenen Faktoren beeinflußt werden kann, beispielsweise etwa von dem Abstand zwischen den Elektroden 20 und 21, von der in dem Zylinder herrschenden Verdichtung, von möglichen Verbrennungsrückständen auf der Elektrode usw.
  • Nach der Zeitspanne Ät wiederholt sich in der Kurve g2, in allem Wesentlichen eine Spannungsfolge, die der obenerwähnten Kurve K2 entspricht. Es treten im Betrieb also eine positive Spannungsspitze V8 und zwei etwas kleinere negative Spannungsspitzen Vg auf. Für die Funktionsweise der elektronischen Zündanlage ist es daher äußerst wichtig, diese Spannungsspitzen so zu beeinflussen, daß hierdurch keine erneute Funkenbildung in der Zündkerze hervorgerufen wird. Im Hinblick auf den thyristor 15, der mit einem integrierten Bauelement in dem Entladungskreis zusammenwirkt, ist es nämlich nämlich zwingend erforderlich, daß die Spannung gemäß der Kurve K2? für eine bestimmte Zeitspanne auf Null gehalten werden muß, damit er sich wieder öffnet und so den Stromdurchgang blockiert. Andernfalls wird der Kondensator 14 bei dem folgenden Ladeimpuls nicht voll aufgeladen.
  • Zwei Bedingungen müssen erfüllt sein, damit es in der Zündkerze 19 infolge der Spannungsspitzen V8, V9 nicht zu einer Funkenbildung außer der Reihe kommt. Die Spannungsspitzen dürfen einerseits nicht zu hoch sein und die größte Spannungsspitze V8 muß der negativen Zündspannungsspitze xf entgegengesetzt (d.h. positiv) sein.
  • Der hier in Betracht kommende Zusammenhang ist der, daß das negativ ionisierte Gasgemisch 22 in Fig. 3 einem Funken in positiver Richtung (der Spannungsspitze V8) einen Widerstand entgegensetzt. Dies bedeutet, daß die negativen Spannungsspitzen Vg praktisch einen Wert von etwa 2 kr erreichen dürfen, d.h. einen Spannungswert, bei dem unbeschadet des negativen Vorzeichens ein Funkenbildungsrisiko noch nicht besteht, wogegen die positive Spannungsspitze V8 just wegen ihres Vorzeichens einen Wert von 4,5 bis 5 kV erreichen kann, ohne daß eine zusätzliche Funkenbildung zu befürchten ist. Diesen Bedingungen wird im Rahmen der Erfindung in einer Weise Rechnung getragen, auf die im folgenden noch näher eingegangen werden soll.
  • Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß die dem Kondensator aus der Ladespule zugehende Ladespannung mit Rücksicht auf die bei einer Zündanlage dieser Art verwendeten elektronischen Bauelemente den Spannungsbetrag von 425 Volt nicht überschreiten soll.
  • In der Ladespule 11 treten sehr hohe induzierte Einschwingstöße auf, wenn es zur Funkenbildung kommt, d.h. wenn der Kondensator infolge der magnetischen Kopplung zwischen der Zündspule 5 und der Ladespule 11 entladen wird, wobei diese Sinschwingvorgänge von den durch das vorbeiwandernde Magnetfeld des Dauermagneten 3 hervorgerufenen Spannungsfolgen völlig getrennt sind. Die Beziehungen zwischen der Zündspannungsfolge und diesen Einschwingvorgängen sind schematisch durch das Diagramm der Fig. 5 dargestellt, wo ähnlich wie in Fig. 4 die Zeit auf der Abszisse aufgetragen ist und die Spannung als Ordinate. Zuoberst erscheint in Fig. 5 eine Kurve E4, bei der der es sich im Prinzip um eine in einem größeren Maßstab gehaltene Darstellung des ersten Teils der Kurve K2, in Fig. 4 handelt, im wesentlichen die Spannungsfolge während der Zeit t;t umfassend, die, wie bereits erwahnt, die Phase der Funkenbildung einbegreift. Die Kurve K4 enthält mithin die negative Zündspannungsspitze xl und die anschließende positive Spannungsepitze X2 sowie beispielhaft auch eine weitere folgende negative Spannungsspitze X3. Die Zeitspanne Lit und der Zündpunkt t2 sind ebenfalls dargestellt. Die untere Kurve K5 in Fig. 5 gibt die Einschwingstöße wieder, die in der Ladespule 11 während der Zündfolge infolge der magnetischen Kopplung zwischen dem Mittel schenkel 4 und dem zweiten Seitenschenkel 10 des Kerns 1 induziert werden. In dem Schaltschema der Fig. 6, in der das Schema der Fig. 2 etwas verdeutlicht ist, ist das bei der Funkenbildung entstehende Magnetfeld durch eine Linie 23 und einen Doppelpfeil P4 angedeutet. Ferner ist die Stromrichtung beim Laden des Kondensators 14 durch einen Pfeil P5 angedeutet, während die Entladungsrichtung und der Entlådestroskreis durch einen Pfeil P6 bzw. durch eine durchbrochene Linie 24 bezeichnet sind. Im übrigen sind die in dem Schaltschema der Fig. 2 dargestellten elektrischen und elektronischen Bauelemente auch in Fig. 6 wiedergegeben.
  • Es liegt nun auf der Hand, daß die Richtungen der Einschwingstöße nach Kurve K5 durch die Richtung des Magnetfeldes 23 in Fig. 6 bestimmt werden, d.h. durch die Wechselseitige Beziehung zwischen den Wickelrichtungen der Primärwicklung 6 einerseits und der Sekundärwicklung 7 in der Zündspule 5 für die Ladespule 11 anderseits. Mit anderen Worten, die Wickelrichtungen der Spulen können je nach der gewünschten Einschwingrichtung entsprechend festgelegt werden. Es ist gleichfalls klar, daß die Einschwingvorgänge gemäß der Kurve K5 in ihrer Anzahl der Zahl der Spannungsspitzen nach Kurve K4 entsprechen und daß die Große der Einschwingstöße den Werten dieser Spannungsspitzen proportional ist.
  • Aus den Schaltschemata der Figuren 2 und 6 geht ferner hervor, daß jeder positive Einsohwingstoß über die Diode 13 direkt dem Kondensator 14 zugeleitet wird, so daß der Kondensator in Verbindung mit dem Funken vollständig entladen wird. Es läßt sich also feststellen len, daß ein positiver Einschwingstoß zum Laden des Kondensators beiträgt und sehr hoch sein kann, ohne daß man das Risiko einer Beschädigung der elektronischen Bauelemente eingeht. Ein negativer Einschwingstoß muß demgegenüber im Hinblick auf die Spitzensperrspannung der Diode 13 in Grenzen gehalten werden.
  • Dieser Sachverhalt zieht im Rahmen der Erfindung die folgenden Uberlegungen und Maßnahmen nach sich. Ein durch die sehr hohe uberschlagspannung K hervorgerufener erster Einschwingstoß Rl der Kurve K muß ein positives Vorzeichen haben. Gemäß den obigen Ausführungen wird dann die gesamte Energie aus dem Einschwingstoß R1 über die Diode 13 dem Kondensator 14 zugeführt und trägt zu dessen Aufladung bei. Ein durch die Spannungsspitze X2 der Kurve g K4 verursachter, unmittelbar folgender zweiter Einschwingstoß R2 erhält dann zwar unvermeidlich ein negatives Vorzeichen, ist aber beträchtlich schwächer als der erste Einschwingstoß h , da die Spannungsspitze X2 erheblich kleiner ist als die Spannungsspitze F . Trotz des niedrigeren Werts des Einschwingstoßes R2 ist der Spannungswert immer noch zu hoch um für die elektronischen Bauelemente tragbar zu sein und seine Energie muß daher neutralisiert Werden. Dies geschieht in dem Varistor 18, der bei einer vorbestimmten Spannung einen erhöhten Strom führt, so daß der die Ladespule 11 und den Varistor 18 einbegreifende Stromkreis stromführend ist. Der Varistor 18 fungiert dann als Widerstand, der Energie aus dem Sinschwingstoß R2 aufnimmt und eine bestimmte Wärmemenge erzeugt.
  • Wenigstens theoretisch könnte man hier auch eine umgekehrte Richtung der Einschwingstöße h , R2 ins Auge fassen, was also hebe, daß der Einschwingstoß R1 ein negatives Vorzeichen erhielte und dor Einschwingstoß R2 ein positives Vorzeichen. Doch würde der Varistor 18 dann infolge überhöhter Wärmeentwicklung schon sehr bald funktionsunfähig werden. Die erstgenannte Vorzeichenzuordnung für die Einschwingvorgänge ist daher die einzig mögliche, wenn man von dem Erfordernis ausgeht, kleine und nicht zu aufwendige elektronische Bauelemente vorzusehen, was bei Zündanlagen dieser Art stets zu berücksichtigen ist.
  • Es rersi ht sich, daß die folgenden Einschwingstöße in der Kurve Kurve K5 wie beispielsweise ein Einschwingstoß R3, die infolge des gedämpften Spannungszyklus immer kleinere Werte annehmen, den gleichen Gesetzmäßigkeiten folgen, wie sie für die Einschwingstöße RI und R2 dargelegt wurden.
  • Zusammenfassend ist festzustellen, daß für diese Anordnung das Folgende gilt, wenn die Bedingung gestellt wird, daß der Zündspulenfunken negativ sein muß: a) Die Spannungen in der Primärwicklung 6 und der Sekundärwicklung 7 der Zündspule 5, hervorgerufen durch das vorbeiwandernde Magnetfeld nach der Kondensatorentladung, müssen so gerichtet sein, daß die beiden unteren Spannungsspitzen V9 in der Kurve K2, der Fig.
  • 4 negativ sind, wobei sich die zulässige Spitzenspannung auf höchstens etwa 2 kV beläuft, während die dazwischenliegende Spannungsspitze V8 demzufolge positiv ist und einen Höchstwert von 4,5 bis 5 kV haben soll.
  • b) Der erste Binschwingstoß Rl in der Kurve K5 der Fig. 5, der infolge der magnetischen Kopplung zwischen der Ladespule 11 und der Zündspule 5 in der Spule 11 induziert wird, muß eine positive Richtung haben, was demnach bedeutet, daß der zweite, schwächere Einschwingstoß R2 negativ gerichtet ist.
  • c) Die Energie aus dem zweiten, negativen Einschwingstoß R2 muß abgeführt werden, damit die elektronischen Bauelemente in dem System nicht Schaden nehmen.
  • Die unter a) und b) genannten Forderungen werden im Rahmen der Erfindung in Anwendung der entsprechenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten für die Magnetfeldverteilungen und die daraus induzierten Spannungen in der Weise gelöst, daß die Primärwicklung 6 und die Sekundärwicklung 7 der Zündspule 5 sowie die Ladespulenwicklung 11 sämtlich im gleichen Wicklungssinn gewickelt sind, wie dies in Fig.
  • 6 durch die Pfeile P7, P8 und P9 angedeutet ist.
  • Die Windungszahl der Zündspule muß im Hinblick auf die für die Spitzenspannungen gestellten Forderungen auf eine für das System zweckdienliche Windungsübersetzung abgestellt sein, woraus sich folgendes ergibt: Primärwicklung Primärwicklung 70 1 5 Windungen Sekundärwicklung 6000-7000 Windungen, wobei zu beachten ist, daß die entsprechenden Windungszahlen für eine übliche Zündspule die folgenden sind: Primärwicklung e twa 110 Windungen Sekundärwicklung etwa 8000 Windungen.
  • Dem unter c) genannten Problem wird durch die Nebenschlußkopplung des Varistors 18 über die Ladespule 11 begegnet.
  • Hinsichtlich der Varistoren ist allgemein festzustellen, daß zwei Grundtypen handelsüblich sind, nämlich ein solcher auf Metalloxid-Grundlage und ein anderer auf Siliciumcarbid-Grundlage, von denen der erstgenannte für das beschriebene System zu bevorzugen ist. In dem Diagramm der Fig. 7 ist der Unterschied zwischen den beiden Varistortypen schematisch geklärt, wobei hier eine ausgezogene Kurve K6 den Stromdurchgang durch einen Varistor vom Metalloxidtyp wiedergibt und eine durchbrochene Kurve K7 den entsprechenden Stromdurchgang durch einen Varistor vom Siliciumoarbidtyp. Grundsätzlich ist aus Fig. 7 zu entnehmen, daß bei ein und derselben Spannung V10 der Stromdurchgang durch einen Metalloxidvaristor gemäß der Kurve K6 beträchtlich stärker ist als bei einem Siliciumcarbidvaristor gemäß der Kurve K7. Dieses Verhältnis ist in dem beschriebenen System von größter Bedeutung, da es ja darauf ankommt, daß aus dem negativen Einschwingstoß R2 in Fig. 5 Energie absorbiert werden soll, mit anderen Worten, da jedes Risiko schädlicher Auswirkungen auf die elektronischen Bauelemente beseitigt werden soll.
  • Die obenerwähnten Sachverhalte, die elektrischen Funktionen und die in der Beschreibung ins Auge gefaßten Problemlösungen sind durch äußerst gründliche Laboruntersuchungen und durch praktische Versuche mit vollständig durchkonstruierten Zündmagneteinrichtungen abgesichert. Die in der Kurve K4 der Fig. 4 und 5 gezeigte Spannungsfolge stellt eine getreue Wiedergabe nsh einer Anzahl von Lichtbildern dar, die mit einem Oszilloskop aufgenommen wurden. Die hervorragende Betriebseignung und Zuverlässigkeit des Systems konnte auch in umfangreichen praktischen Versuchen erwiesen werden.
  • patentansprüche

Claims (7)

  1. patentansprüche 0>1. Schaltungsanordnung für elektronische Zündanlagen mit kapazitiven Zündenergiequellen für Brennkraftmaschinen und dergleichen, die mit Schwungradmagneten oder dergleichen arbeiten, umfassend einen eine Triggerspule, eine Zündspule und eine Ladespule tragenden, mit vorbeiwandernden Magnetpolen zusammenwirkenden Kern, gekennzeichnet durch die Wahl des Ansteuerungszeitpunkts im Sinne einer beträchtlichen Ausdämpfung der in dem Kern (1) infolge des Funkenüberschlags in einer mit der Zündspule (5) verbundenen Zündkerze (19-22) entstehenden Ausgleichschwingungen (X1, X2) vor Eintritt einer vollständigen Flußwechselfolge in dem die Zündspule (5) tragenden Kernteil (4) beim Vorbeiwandern der dazugehörigen ilagnetpole, wobei für die Wicklungen (6, 7) der Zündspule (5) eine Wicklungsrichtung und Windungszahlen im Sinne eines Verbleibens der induzierten Spannungen unter dem Wert der Überschlagspannung der Zündkerze (19-22) während der Plußwechselfolge vorgesehen sind.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Ladespule (11) tragende Kernteil (9) mit dem Kernteil (4) der Zündspule (5) im Sinne einer Übertragung der beim Funkenüberschlag in der Zündkerze (19-22) eintretenden Ausgleichflußänderungen zum Kernteil (9) der Ladespule (11) magnetisch gekoppelt ist, wobei für die Wicklung der Ladespule (11) eine Wicklungsrichtung im Sinne einer zumindest teilweisen Nutzung der eintretenden Ausgleichflußänderungen zur Zuführung von Aufladungsenergis zu einem in das Schaltsystem einbezogenen Ladekondensator (14) vorgesehen ist.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Varistor (18) der Ladespule (11) zur Verringerung von Überspannungen in der Sperrspannungsrichtung eines in das Schaltsystem einbezogenen Ladegleichrichters (13) zu ) bei Einschwingspannungsspitzen in der Sperrspannungsrichtung des Ladegleichrichters (13) nebengeschlossen ist.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der voraufgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (6) und die Sekundärwicklung (7) der Zündspule (5) wie auch die Wicklung der Lade spule (fll) (11 ) autotransformatorartig gewickelt sind, wobei die Primärwicklung (6) und die Sekundärwicklung (7) der Zündspule (5) auto transformatorartig gekoppelt sind.
  5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der voraufgegangenen Anspt -he, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise ein Verhältnis der Windungszahlen der Primärwicklung (6) und der Sekundärwicklung (7) der Zündspule (5) in dem Bereich von 1 zu 50 bis 1 zu 150 vorgesehen ist.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Primärwicklung (6) der Zündspule (5) eine Windungszahl in dem Bereich von 70+5 Windungen und für die Sekundärwicklung (7) der Zündspule (5) eine Windungszahl in dem Bereich von 6000 bis 7000 Windungen vorgesehen sind.
  7. 7. Schaltungsanordnung nach einem der voraufgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Varistor (18) eine Kennlinie im Sinne eines äußerst geringen Stromdurchgangs bis hin zu einem bestimmten Spannungspegel hat, wie dies bei Varistoren vom Metalloxidtyp der Fall ist.
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