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Schaltungsanordnung für elektronische Zündanlage =======================================
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für elektronische Zündanlagen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die kennzeichnenden I,Lerkmale der Erfindung sind aus den beigefügten
Ansprüchen zu entnehmen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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c) Die Energie aus dem zweiten, negativen Einschwingstoß R2 muß abgeführt
werden, damit die elektronischen Bauelemente in dem System nicht Schaden nehmen.
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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.
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6 durch die Pfeile P7, P8 und P9 angedeutet ist.
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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.
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Dem unter c) genannten Problem wird durch die Nebenschlußkopplung
des Varistors 18 über die Ladespule 11 begegnet.
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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.
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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.
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patentansprüche