DE2701070C2 - Zündeinrichtung für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Zündeinrichtung für Brennkraftmaschinen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung für Brennkraftmaschinen mit Zündkerze und einer Zündspule, deren Sekundärwicklung in Reihe zu einer Hilfsgleichspannungsquelle liegt zur Steigerung der Zündenergie.
Es ist bekannt, daß ein elektrischer Funke in einem Verbrennungskraftmotor durch eine zusammengesetzte Funkenentladung gebildet wird, die aus einer Kondensatorfunkenentladung und einer anschließenden Induktionsfunkenentladung besteht. In der kapazitiven Funkenentladung fließt ein großer Strom während einer extrem kurzen Zeit als Folge davon, daß die in der Zündspule gespeicherte elektromagnetische Energie augenblicklich an einer Zündfunkenstrecke entladen wird. In der induktiven Funkenentladung jedoch, die unmittelbar im Anschluß an die kapazitive Funkenentladung erfolgt, fließt während relativ langer Dauer ein kleiner Strom, der bestimmt ist durch die Selbstinduktivität und/oder Gegeninduktivität der Zündspule. Somit ist die kapazitive Funkenentladung in hohem Maße ausschlaggebend für den Grad der Fehlzündungen, während die induktive Funkenentladung hauptsächlich verantwortlich ist für das Zündvermögen. Da bei herkömmlichen Zündfunkenentladungen diese zwei Entladungsarten nur durch eine hohe Spannung bewirkt werden, die in der Sekundärwicklung einer Zündspule induziert wird, ist eine unabhängige Steuerung oder Beeinflussung der einzelnen Entladungsvorgänge nicht möglich.
Aus der DE-OS 22 40 539, der US-PS 37 88 293 und der US-PS 39 19 993 war es bereits bekannt, zur Steigerung der Zündenergie der in der Zündspulen-Sekundärwicklung aufgrund ihrer Wechselwirkung mit der Primärwicklung erzeugten Energie weitere Energie aus einer Spannungsquelle hinzuzufügen. Als Folge dieser Hilfsmaßnahme konnte in gewissem Umfang das Maß an Fehlzündungen verringert werden, und es ließ sich der Verbrennungsgrad und damit der spezifische Brennstoffverbrauch erhöhen wie auch der Gehalt an schädlichen unverbrannten Abgasen senken.
Schließlich ist in der nicht vorveröffentlichten DE-OS 24 782 bereits der Vorschlag gemacht worden, die Zündspulen-Sekundärwicklung zusätzlich von einer Hilfsgleichsspannungsquelle zu speisen. Bei einer Zündeinrichtung, in der eine derartige Hilfsspannungsquelle eingesetzt ist, kann die Dauer der induktiven Funkenentladung verlängert werden, wenn die Ausgangsspannung der Hilfsspannungsquelle erhöht wird. Die Zündeinrichtung hat jedoch folgende Nachteile:
1. Wenn die Spannung der Hilfsspannungsquelle auf einem konstanten Wert gehalten wird, dann hängt die Zündfunkenverstärkungswirkung von der Drehzahl des Motors ab in der Weise, daß der Einfluß mit steigender Drehzahl geringer wird. Die Spannung, die für eine hinreichende Zündfunkeninlensität im Bereich hoher Drehzahlen benötigt wird, wird deshalb im Bereich niedriger Drehzahlen des Motors zu hoch, was
a) zu unstabilen Zündungen,
b) zu unzureichender Funkenlösung und
c) dauernd stehendem Zündfunken führen kann.
Aus diesem Grunde muß die Hilfsspannung auf Langsamlauf des Motors ausgerichtet werden. Folglich sorgt eine dermaßen bestimmte Spannung nicht für eine zufriedenstellende Zündfunkenver-Stärkung im Schnellaufbereich.
2. Wenn die Hilfsspannungsquelle so ausgebildet ist, daß sie stets eine konstante Spannung abgibt, dann hängt der Funkenverstärkungseffekt von den Abmessungen der Zündfunkenstrecke ab. Da der Zündfunkenverstärkungseffekt geringer wird mit größer werdender Zündfunkenstrecke bei einer gegebenen Drehzahl des Motors, wo wird: wenn die Spannung so gewählt ist, daß für eine große Zündfunkenstrecke eine hinreichend starke Funkenverstärkungswirkung erhalten wird, die Spannung zu hoch für einen kleinen Zündabstand, so daß sich daraus ein ungünstiges Ergebnis gemäß der Darstellung nach 1. herausstellt. Darüberhinaus haben die üblichen Zündkerzen nicht stets den gleichen Elektrodenabstand und sind überhaupt so ausgelegt, daß der Elektrodenabstand mit zunehmender Betriebsdauer der Zündkerze wächst, so daß die Spannung für eine Kerze mit geringem Elektrodenabstand oder für eine neue Kerze ausgelegt werden muß. Es ist deshalb nicht zu erwarten, daß eine zufriedenstellende Zündfunkenintensivierung für den Fall erreicht wird, daß die Zündstrecke oder der Elektrodenabstand größer wird.
3. Schließlich ist ein wesentlicher Nachteil dieser Zündeinrichtung, daß die Hilfsspannungsquelle erst mit dem Beginn des Zündvorgangs zugeschaltet wird. Damit aber kann der Entladungsstrom nicht zum Zeitpunkt des Entladungsbeginnes erhöht werden, wird vielmehr durch die Zusatzenergie lediglich während des weiteren Ablaufs der Entladung auf den Wert zum Entladungsbeginn gehalten.
Aufgabe der Erfindung ist deshalb, eine Zündeinrichtung der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß eine hohe Innenimpedanz der Gleichspannungsquelle bei hoher Ausgangsspannung für eine geringe Belastung und eine niedrige Innenimpedanz der Gleichspannungs-
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quelle bei niedriger Ausgangsspannung für starke Belastung erzielt wird und daß eine Erhöhung des Entladungsstromes bereits zum Zeitpunkt des Entladungsbeginns ermöglicht sowie ein äußerst stabiler Entladungsvorgang gewäh rleistet ist
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Hauptanspruch gekennzeichnet
Bei der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung ist somit die Gleichspannungsquelle stets zugeschaltet und gibt bei einer niedrigeren Drehzahl der Brennkraftmaschine eine höhere Ausgangsspannung, bei einer höheren Drehzahl eine niedrigere Ausgangsspannung ab. Dabei wird die Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle der Hochspannung überlagert, welche bei Unterbrechung des Stromflusses durch die Primärwicklung der Zündspule über die Sekundärwicklung erzeugt wird, so daß die kapazitive Entladung der Zündkerze verstärkt wird und ein gleichmäßiger Obergang von der zunächst kapazitiven Entladung zur nachfolgenden induktiven Entladung erfolgt.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung an Einzelbeispielen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Schaltungsanordnung der Zündeinrichtung gemäß der Erfindung,
F i g. 2 ein die Abhängigkeit zwischen Strom und Spannung des Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlerabschnittes in F i g. 1 darstellendes Diagramm,
Fig. 3A, 3B, 4A, 4B, 5A, 5B Zeitverläufe der Entladungsströme an Zündfunkenstrecken der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung und herkömmlicher Zündeinrichtungen;
Fig.6A und 6B Schaltungen von abgewandelten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Schaltung nach Fig. 1.
Das Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung zeigt in der F i g. 1 eine Zündspule 3 mit einer Primärwicklung 1 und einer Sekundärwicklung 2, eine Gleichspannungsquelle 4, die der Primärwicklung 1 einen Strom zuführt, Funkensirecken 5, denen eine an der Sekundärwicklung 2 erzeugte hohe Spannung über einen Verteiler 21 zugeführt wird, einen Kondensator 6 in Reihe mit der Primärwicklung 1, einen Unterbrecher 7 parallel zum Kondensator 6 und einen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler. Dieser Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler besitzt Primärwicklungen 8 und 8a, Sekundärwicklungen 9 und 9a, eine Ausgangswicklung 10, eine Rückkopplungswicklung 11, Transistoren 12 und 12a, die jeweils mit ihrem Kollektor mit einer Klemme der Primärwicklungen 8 bzw. 8a verbunden sind, während ihre Basis jeweils mit einer Klemme je einer Sekundärwicklung 9 oder 9a in Verbindung gebracht ist bei gemeinsam an eine Gleichspannungsquelle 14 des Wandlers geführten Emitteranschlüssen, einen Widerstand 15, dtr zwischen die Emitter und einen Punkt geschaltet ist, pn den die anderen Enden der Sekundärwicklungen 9 und 9a gemeinsam geführt sind, einen Widerstand 16 zwischen dem obengenannten Verbindungspunkt der beiden Sekundärwicklungen 9 und 9a und einem gemeinsamen Verbindungspunkt der Primärwicklungen 8 und 8a, Gleichrichter mit einem Eingangsklemmenpaar, das an die Klemmen der Rückkopplungswicklung 11 angeschlossen ist, und einem Paar von Gleichstromausgangsklemmen, von denen eine an den gemeinsamen Verbindungspunkt der Wicklungen 8 und 8a und die andere über einen Sicherheitsschalter 13 an die Stromquelle 14 gelegt ist, so daß die Ströme sich addieren, während ein Reaktanzelement 18 (z. B. ein Kondensator in Fig. 1) in Reihe zwischen die Rückkopplungswicklung 11 und die Gleichrichter 17 gelegt ist. Die Ausgangsgleichrichterschaltung 19 liegt mit ihren Eingangsklemmen an den Klemmen der Ausgangswicklung 10 und mit ihren Ausgangsklemmen in Reihe zur Sekundärwicklung 2 der Zündspule 3, wobei ein Glättungskondensator 20 zwischen die Ausgangsklemmen der Gleichrichterschaltung 19 eingefügt ist.
Es wird deutlich, daß der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler dieses Ausführungsbeispiels durch die Rückkopplungswickiung 11 gekennzeichnet ist, durch zugehörige Schaltungselemente und Verbindungen, während die anderen Teile im wesentlichen den bereits im Stand der Technik bekannten Anordnungen entsprechen.
Seim Start des Motors schließt der vom Motor erzeugte Unterdruck den Sicherheitsschalter 13, wodurch entweder der Transistor 12 oder der Transistor 12a in noch zu beschreibender Weise leitend wird. Wenn der Transistor 12 leitend wird, fließt ein Primärsrrom aus der Batterie t4 durch den Sicherheitsschalter 13 die Gleichrichteranordnung 17, die Primärwicklung 8 und den Koliektor-Emitter-Pfad des Transistors 12, so daß an den Sekundärwicklungen 9 und 9a Spannungen induziert werden. Die induzierte Spannung an der Wicklung 9 gibt auf den Transistor 12 eine Vorspannung in Durchlaßrichtung, während die Spannung an der Wicklung 9a am Transistor 12a eine Vorspannung in Sperrichtung hervorruft. Mit diesen Vorspannungen sättigt eine positive Rückkopplungsschleife augenblicklich den Transistor 12. Der Strom in der Primärwicklung 8 erregt den Eisenkern, und wenn die magnetische Induktivität den Kern sättigt, tritt an der Sekundärwicklung 9 keine Spannung auf. Bei diesem Zustand fließt im Transistor 12 kein Basisstrom, so daß der Kollektor-Emitter-Pfad des Transistors abgeschaltet ist. Der magnetische Fluß im Kern nimmt dann wieder ab, und die ansteigenden, umgekehrt gerichteten Spannungen werden an den Sekundärwicklungen 9 und 9a induziert, was die Vorwärtsvorspannung für den Transistor 12a schafft. Der Primärstrom fließt dann in eine Schleife, in der die Stromquelle 14, der Schalter 13 und die Gleichrichter 17 sowie die Primärwicklung 8a und der Transistor 12a liegen, so daß eine positive Rückkopplung gleich der oben erwähnten aufgebaut wird zur Sättigung des Transistors 12a. Die Erregung des Kerns nimmt zu, bis die Induktion in der umgekehrten Richtung in den Sättigungsbereich kommt. Auf diese Weise werden die beiden Transistoren 12 und 12a abwechselnd leitend, so daß eine Wechselspannung in Rechteckgestalt an der Ausgangswicklung 10 hervorgerufen wird. Die Wechselspannung wird durch die Ausgangsgleichrichterschaltung 19 gleichgerichtet und der Hochspannung an der Sekundärwicklung 2 der Gleichrichterspannung 3 durch Reihenschaltung hinzugefügt. Andererseits wird der Gleichrichteranordnung 17 über den Kondensator 18 ein an der Rückkopplungswicklung 12 erzeugter Wechselstrom in Rechteckwellenform zugeführt, der eine Ausgangsgleichspannung hervorruft, die mit gleicher Polarität der Spannung der Gleichspannungsquelle 14 überlagert wird.
Die in Fig.2 gezeigte Strom-Spannungs-Kurve des Gleichspannungs-GIeichspannungs-Wandlers der
F i g. 1 läßt erkennen, daß bei ansteigehder Strornbelastung die Ausgangsgleichspannung auf einen gegebenen Wert Eo absinkt, der praktisch gleich dem Ausgangsgleichspannungswert des Gleichspannungs-Gleichspan-
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nungs-Wandlers nach Beseitigung der Rückkopplungswicklung 11 ist. Für Vergleichszwecke ist eine Kurve B eingezeichnet, die die Ausgangsgleichspannung in Abhängigkeit vom Belastungsstrom eines Wandlers mit Wechselstromrückkopplungsschleife darstellt, wozu in der Schaltung der Kondensator 18 und die Gleichrichterschaltung 17 an der Rückkopplungswicklung 11 wegzudenken sind.
Wie sich aus der obigen Beschreibung erkennen läßt, hat der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler, wie er bei der Erfindung verwendet wird, eine fallende Charakteristik, bei der die Spannung augenblicklich abnimmt mit Ansteigen des Belastungsstroms. Zu Beginn der Entladung an der Zündfunkenstrecke 5 ist die vom Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler erzeugte Spannung der in der Sekundärwicklung 2 der Zündspule 3 induzierten Hochspannung überlagert, womit eine hinreichend hohe Spannung erzeugt wird, die zur Sicherstellung einer guten Zündung der Zündfunkenstrecke 5 zugeleitet wird. Dies führt dazu, daß die Zündfähigkeil der Zündfunkenstrecke 5 verbessert wird. Wenn die Entladung an der Zündfunkenstrecke 5 dann eingesetzt hat, fällt die Spannung an der Zündfunkenstrecke 5 mit steigendem Entladungsstrom plötzlich ab, so daß die Funkenstärke an der Funkenstrecke 5 sich stabilisiert. Außerdem erhöht die Hilfsspannung des Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers mit einer Rückkopplungsfunktion Größe und Dauer des Entladungsstroms und stellt deshalb die Löschung der Entladung (das heißt Abbruch des Stroms) bei Schließen des Unterbrechungspunktes 7 sicher.
In den Fig. 3 und 4 sind Entladungsströme dargestellt, die durch Zündschaltungen mit Hilfsstromquellen gemäß der Erfindung erzeugt werden, und zum Vergleich Entladungsstromkurven gegenübergestellt, die mit Schaltungen erzeugt werden, die eine gewöhnliche Hilfsstromquelle mit niedriger Impedanz einsetzen, die durch Gleichrichtung des gewöhnlichen Wechselstromes erhalten wird. Die Veränderungen des Entladungsstroms I an der Funkenstrecke 5 m Luft sind über der Zeit I aufgetragen. Hierzu wurde eine Schaltung gemäß \-1 g. 1 verwendet, wobei die Schaitkreiseiemente folgende Werte hatten: Kondensatoren 18 und 20 mit 220 μ? bzw. 0.047 μ¥ und Drehzahl des Motors 2000 l/min. Die F i g. 3A und 4A wurden mit handelsüblichen Wechselspannungsgleichrichtern, die F i g. 3B und 4B mit einer Rückkopplungs-Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlereinrichtung gemäß der Erfindung aufgenommen. In der F i g. 3A ist die Ausgangsspannung der Hilfsquelle zwischen 0 (Kurve \a) und 1500 V (Kurve ba) geändert worden, in der F i g. 3B die Ausgsngsspar.riung des G'eichspannungs-Gleichspannungswandlers zwischen 0 (Karve \B) und 2800 V (Kurve 6SJl In Fig. 3a steigert eine Erhöhung der Ausgangsspannung der Hilfsstromquelle erheblich die Zündentladungsdauer. Bei einer Spannung von 1500 V (Kurve 6a) steigt die Entladung mit zunehmender Zeit an. ist also instabil. Außerdem kann beim Schließen des Unterbrecherschalters 7 kein vollständiges Löschen des Zündfunkens erreicht werden, und unter derartigen Bedingungen ist ein zufriedenstellender Zündbetrieb nicht möglich. Es ist aus diesem Grunde das Einstellen der Spannung der Hilfsquelle äußerst kritisch und sehr schwierig.
Im Gegensatz dazu haben die in Fig.3 gezeigten Zündfunkenentladungskurven ähnlichen und vor allem stabilen Verlauf innerhalb eines weiten Spannungsbereich der Hflfsspannungsquelle. so daß stabile Zündfunkenentladungen erzielt werden sowie eine vollständige Löschung, wenn der Unterbrechungsschalter 7 geschlossen wird. Bei den Beispielen der Fig.4a und 4b wurden Zündfunkenstrecken zwischen 11 mm (Kurve 1 c) und 5 mm (Kurve 7cJ gewählt, während im Falle der Fig. 4A die Spannung der Hilfsquelle 1250V und im Fall der Fig.4B die Spannung der Wandlerhilfsquelle 12 V betrug. Die Entladungen gemäß F i g. 4A haben bei den verschiedenen Zündfunkenstreckenlängen stark
ίο schwankende Entladungszeiten, während die Entladungsdauer der einzelnen Entladungskurven in der Fig.4B nur innerhalb eines engen Bereiches schwankt. In Fig.4 liegt die Ausgangsspannung des Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers zwischen 3000 und 2600V am Beginn der Entladung, abhängig von den Veränderungen der Zündstreckenlänge.
Die Fig. 5A und 5B zeigen die Auswirkung der Rückkopplungsschaltung des Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers gemäß der Erfindung. Die Diagramme stellen Stromwellenformen dar, die unter der Bedingung erhalten werden, daß die Drehzahl des Motors 750 l/min, beträgt, wobei die Zündfunkenslrekke 10 mm (Kurve Ie, 1 f)6 mm (Kurven 2e,2/Jbeträgt.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgehl, arbeitet die Hilfsstromquelle bei der Erfindung bei geringer Belastung als Konstantstromquelle die eine hohe Ausgangsspannung schafft und eine hohe Impedanz hat. arbeitet bei starker Belastung jedoch als Konstantspannungsquelle mit niedriger Ausgangsspannung und niedriger Impedanz, was sie besonders geeignet macht für den Betrieb in Verbindung mit einer Belastung wie einer Zündfunkenstrecke, die eine komplexe Impedanzcharakteristik aufweist. Um für die Ausgangsspannung eine fallende Charakteristik zu erhalten, verwendet der Wandler bei der Erfindung ein Reaktanzelement und eine Rückkopplungsschleife, während in herkömmlichen Wandlern ein großer Reihenwiderstand eingesetzt wird, so daß der Wandler nach der Erfindung folglich einen geringeren Energieverbrauch im Vergleich zu den bekannten hat und damit eine hohe Wirksamkeit besitzt.
Bei den obigen Ausführungsbeispielen kann das in den Rückkopplungskreis in Reihe eingefügte Reaktanzelement ein Kondensator mit größenordnungsmäßig mehreren 100 μι Kapazität sein, der manchmal eine unzureichende Haltbarkeit aufweist wegen seiner großen inneren Erwärmung, weshalb gelegentlich die Parallelschaltung einer Induktionsspule mit einem Kondensator gemäß Fig. 6A als Reihen-Reaktanzelement günstig ist. Bei den Versuchen ergab sich, daß die Kurven der F i g. 3B, 4B und 5B der Entladungsströme, welche von dem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler erzeugt wurden, im wesentlichen ebenfalls erreicht wurden, wenn ein Reaktanzelement eingesetzt wurde, das als Parallelschaltung einer Induktionsspule und eines Kondensators ausgebildet war, wobei die Reaktionsspule eine Induktivität von etwa 100 μΗ und der Kondensator eine Kapazität von 0,1 μΡ hatte. Es wurden auch Versuche mit einem Motor durchgeführt, bei dem die Zündeinrichtung ein solches Reaktanzelement aufwies. Diese Versuchen liefen unter folgenden Bedingungen: Die Hauptdüse des Vergasers wurde auf eine Größe von 0.084 mm im Durchmesser gedrosselt, um die Treibstoffmenge zu verringern, gegenüber einem Standardwert von 0,094 mm im Durchmesser. Andererseits wurde der Lufteinlaß vergrößert auf 0,090 mm im Durchmesser, um die zuströmende Luftmenge im Vergleich zu dem Standardwert bei 0,080 mm Durch-
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messer zu erhöhen. Das Ergebnis dieses Versuches erbrachte, daß der Motor praktisch dieselbe Antriebsleistung abzugeben vermochte, wobei auch seine Dauerhaftigkeit und der Grad von Fehlzündungen sowie die Abgaswerte den Werten des gewöhnlichen Motors entsprachen. Folglich kann mit der Hilfsquelle gemäß der Erfindung der Betrieb eines Motors mit einem weniger fetten Treibstoff-Luftgemisch durchgeführt werden, was eine Herabsetzung des Treibstoffverbrauchs sowie reinere Abgase nach sich zieht. Ein anderes, ebenfalls geeignetes Reaktanzelement kann gleichfalls eingesetzt werden. Außerdem kann die Erfindung bei jeder Art von Zündeinrichtung, die auch von der dargestellten abweicht, Verwendung finden, wenn die getriggerte Entladung in der Startperiode vorliegt. Wenn eine Zündeinrichtung einen Unterbrecherpunkt verwendet, wie er in der F i g. 1 gezeigt ist, kann dieser auch sehr wirksam mit Hilfe einer Diode 25, wie sie in der F i g. 6B gezeigt ist, geschaltet werden.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
130215/350

Claims (3)

Patentansprüche: 27 Ol 070
1. Zündeinrichtung für Brennkraftmaschinen mit Zündkerze und einer Zündspule, deren Sekundärwicklung in Reihe zu einer Hilfsgleichspannungsquelle liegt zur Steigerung der Zündenergie, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsgleichspannungsquelle durch einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler gebildet ist, der aus einer eigenen Gleichspannungsquelle (14) gespeist wird und eine Rückkopplungswicklung (11) sowie eine Gleichrichteranordnung (17) aufweist, die die in der Rückkopplungswicklung induzierte Spannung gleichrichtet, daß eine Reaktanz (18) in Reihe zwischen der Rückkopplungswicklung (11) und der Gleichrichteranordnung (17) liegt und daß die Gleichspannungsausgangsklemmen der Gleichrichteranordnung (17) über Schpltungsglieder (8, 8a, 12, 12a, 13, 15, lii) in Reihe zur eigenen Gleichspannungsquelle (14) des Wandlers in derselben Polarität wie diese geschaltet sind.
2. Zündeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktanz ein Kondensator (18) ist.
3. Zündeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktanz durch eine Parallelschaltung eines Kondensators (18) und einer Spule (24) gebildet ist.
DE2701070A 1976-07-26 1977-01-12 Zündeinrichtung für Brennkraftmaschinen Expired DE2701070C2 (de)

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