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Zündanlage insbesondere für Brennkraftmaschinen
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Zusammenfassung Es wird eine Zündanlage, insbesondere für Brennkraftmaschinen,
vorgeschlagen, die den beiden Bedürfnissen nach einer möglichst konstanten Zündenergie
und einem möglichst exakten Zündzeitpunkt Rechnung trägt. Die Zündanlage umfaßt
zwei durch Geber gesteuerte Mittel zur Festlegung der Schließzeit des elektrischen
Schalters im Primarstromkreis der Zündspule. Eine Drehzahlerkennungsstufe dient
zur Umschaltung zwischen den beiden Mitteln. Bei niedrigen Drehzahlen, bei denen
es insbesondere auf eine konstante Zündenergie ankommt und bei denen gewisse Ungenäuigkeiten
des Zündzeitpunkts in Kauf genommen werden können, erfolgt die Festlegung der Schließzeit
durch die ersten Mittel, indem der Stromfluß im Primärstromkreis der Zündspule gemessen
wird und ab einem bestimmten Grenzwert die Zündung ausgelöst wird. Bei höheren Drehzahlen,
bei denen es mehr auf einen exakten Zündzeitpunkt ankommt und gewisse Ungenauigkeiten
der Zündenergie in Kauf genommen werden können, erfolgt die Steuerung der Schließzeit
durch ein Zeitglied.
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Die Mittel zur Festlegung der Schließzeit bei niedrigen Drehzahlen
können durch Hinzufügen eines Zeitglieds leicht als Frequenzgenerator arbeiten und
zur mehrmaligen Zündauslösung zu jedem Zündzeitpunkt eingesetzt werden.
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Zündanlage nach
der Gattung des Hauptanspruèhs. Es ist schon eine solche Zündanlage aus der DT-OS
2 362 714 (US-PS 3 908 616) bekannt, bei der die Schließzeit durch ein Zeitglied
festgelegt wird. Diese Methode führt zwar zu einem sehr exakten Zündzeitpunkt, da
das Schließzeitende eine feste Zeitspanne nach dem Schließzeitbeginn erfolgt, jedoch
können insbesondere bei niedrigen Drehzahlen und abgesunkener Versorgungsspannung
ungenügend starke Zündfunken erzeugt werden. Nach dieser festen Schließzeit hat
sich durch einen zu geringen Stromfluß eine zu geringe magnetische Energie in der
Zündspule aufgebaut.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Zündanlage mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß auch bei niedrigen
Drehzahlen eine sichere Zündung durch Auslösen derselben bei einem bestimmten primarseitigen
Stromwert gewährleistet ist. Dieser bestimmte primärseitige Stromwert hat eine konstante
Zündenergie zur Folge. Bei höheren Drehzahlen sorgt insbesondere im Kraftfahrzeug
ein Generator für eine ausreichende und konstante Versorgungsspannung, so daß bei
diesen höheren Drehzahlen auch durch ein Zeitglied eine konstante Zündenergie erreicht
werden kann.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Zündanlage möglich.
Besonders vorteilhaft ist, die Mittel zur primärstromabhängigem Schließzeitsteuerung
als frequenzerzeugende Mittel auszubilden zur mehrmaligen Betätigung der Zündung
zu jedem Zündzeitpunkt. Dadurch kann eine Mehrfunkenzündanlage mit geringstem Aufwand
erreicht werden, da der Grundschaltung lediglich ein Zeitglied hinzuzufügen ist.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, als Drehzahlerkennungsstufe einen digitalen
Zahler zur Zählung einer Taktfrequenz in einem durch Signale der Geberanordnung
festgelegten Intervall vorzusehen und dieser Zählstufe eine Dekodierstufe zur Umschaltung
zwischen den beiden Mitteln zur Bestimmung der Schließzeit zuzuordnen. Vorteilhaft
kann weiterhin dieser Zähler zur drehzahlabhängigen Einstellung der Länge des Funkenbands
dadurch eingesetzt werden, daß der erreichte Zählerstand durch eine weitere Zählfrequenz
ausgezählt wird.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung naher erläutert. Es zeigen Fig.
1 die Schaltung eines Ausführungsbeispiels und Fig. 2 ein Signaldiagramm zur Erläuterung
des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels.
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Beschreibung der Erfindung Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist eine vorzugsweise mit der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine verbundene Geberanordnung
10 mit einer vorzugsweise als Schmitt-Trigger ausgebildeten Impulsformerstufe 11
verbunden. Die Geberanordnung 10 ist in der Darstellung als induktiver Geber ausgebildet,
jedoch ist z. B. auch eine Ausführung als Unterbrecherkontskt, als Hall Geber oder
als optischer Geber möglich. Die Geberanordnung 10 enthält vorzugsweise eine bekannte
mechanische Zündzeitpunkt-Verstellvorrichtung. Eine solche Verstellvorrichtung kann
auch als elektronische Verstellvorrichtung vorgesehen und z. B. der Geberanordnung
10 bzw. der Impulsformerstufe 11 nachgeschaltet sein.
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Der Ausgang der Impulsformerstufe 11 ist über ein Und-Gatter 12 mit
dem Steuereingang einer Zündanordnung 13 verbunden, die im wesentlichen aus einem
vorzugsweise als Transistor. ausgebildeten elektrischen Schalter 14, einer Zündspule
15 und wenigstens einer Zündstrecke 16 besteht. Dabei ist die Reihenschaltung der
Primärwicklung der Zündspule 15 mit der Schaltstrecke des elektrischen Schalters
14 und einem Strommesswiderstand 17 zwischen Masse und eine Klemme 18 geschaltet,
die mit dem positiven Pol einer Versorgungsspannungsquelle- verbunden ist.' Der
Verknüpfungspunkt des elektrischen Schalters 14 mit der Primärwicklung der Zündspule
15 ist über deren Sekundärwicklung und die Zündstrecke 16 an Masse angeschlossen.
Diese Zündstrecke 16 ist bei einer Brennkraftmaschine üblicherweise als Zündkerze
ausgebildet. Bei mehreren Zündkerzen kann in bekannter Weise ein llochspannungsverteiler
vorgesehen sein.
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Der Verknüpfungspunkt des elektrischen Schalters 14 mit dem Strommesswiderstand
17 ist mit dem Eingang einer Schwellwertstufe 19 verbunden, deren Ausgang über ein
Und-Gatter 20 an einen Eingang eines Oder-Gatters 21 angeschlossen ist. Der Ausgang
des Oder-Gatters 21 ist mit dem Eingang eines vorzugsweise als monostabile Schaltstufe
ausgebildeten Zeitglieds 22 verbunden, dessen Ausgang an einen weiteren Eingang
des Und-Gatters 12 angeschlossen ist.
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Der Ausgang der Impulsfcruerstuee 11 ist über einen Inverter 23 an
den Setzeingang S eines Flipflops 24 angeschlossen, dessen Ausgang Q über ein Und-Gatter
25 mit dem Eingang eines weiteren, vorzugsweise als monostabile Schaltstufe ausgebildeten
Zeitglieds 26 verbunden ist. Der Ausgang des Zeitglieds 26 ist über einen Inverter
27 sowohl an einen weiteren Eingang des Oder-Gatters 21 wie auch an einen weiteren
Eingang des Und-Gatters 20 angeschlossen. Der Ausgang der Impulsformerstufe 11 ist
weiterhin an den zweiten Eingang des Und-Gatters 25 angeschlossen.
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Der Ausgang der Impulsformerstufe 11 ist weiterhin mit dem Zählrichtungseingang
U/D sowie über ein Nor-Gatter 28 und ein in Reihe dazu geschaltetes OderGatter 35
mit dem Sperreingang E einer vorzugsweise als digitaler Zähler ausgebildeten Zählstufe
29 verbunden. Die Zahlenausgänge der Zählstufe 29 sind einmal über eine erste Dekodierstufe
30 mit dem Rücksetzeingang R des Flipflops 24 verbunden, weiterhin über eine zweite
Dekodierstufe 31 mit einem weiteren Eingang des Nor-Gatters 28 und schließlich über
eine dritte Dekodierstufe 32 mit einem weiteren Eingang des Und-Gatters 12. Der
Ausgang der Dekodierstufe 32 ist weiterhin über ein NandGatter 36 mit einem weiteren
Eingang des Oder-Gatters 35 verbunden. Der zweite Eingang des Nand-Gatters 36 ist
an den Ausgand der Impulsformerstufe 11 angeschlossen. Dekodierstufen bestehen üblicherweise
aus Anordnungen logischer Gatter, die einfach oder negiert ausgeführt sind, je nachdem,
ob bei Erreichen des betreffenden Dekodierwerts ein Signal oder ein 1-Signal erwünscht
ist. So soll z. B. die erste Dekodierstufe 30 bei Erreichen ihres Dekodierwerts
S1 ein 1-Signal, die zweite Dekodierstufe 31 bei Erreichen ihres Dekodierwerts S2
ein Signal und die dritte Dekodierstufe 32 oberhalb des niedrigsten Zahlerstands
der Zählstufe 29 ein 1-Signal abgeben.
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Ein Frequenzgenerator 33 ist über eine Frequenzuntersetzerstufe 34
mit dem Takteingang C der Zählstufe 29 verbunden. Ein mit dem Ausgang der Impulsformerstufe
11 verbundener Steuereingang der Frequenzuntersetzerstufe 34 steuert die Umschaltung
zwischen zwei Frequenzen f1 und f2 in Abhängigkeit der Ausgangssignalfolge A der
Impulsformerstufe 11. Die drei unterhalb der Frequenzuntersetzerstufe 34 gezeichneten
Pfeile beschreiben die Möglichkeit, die Frequenz bzw. das Frequenzuntersetzungsverhältnis
spannungsgesteuert durch Parameter, insbesondere Parameter einer Brennkraftmaschine,
zu beeinflussen. Anstelle der dargestellten Anordnung kann äquivalent auch eine
Anordnung zweier Frequenzgeneratoren sowie ein einziger Frequenzgenerator gewählt
werden, der zwei Ausgangsfrequenzen aufweist.
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Die Erläuterung der Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels
erfolgt im weiteren unter Zuhilfenahme des in Fig. 2 dargestellten Signaldiagramms.
Zunächst seien die in der Digitaltechnik gebräuchlichen Ausdrücke 1-Signal und Signal
definiert. Dabei bezeichnet ein 1-Signal ein Potential, das in der Größenordnung
des Potentials des positiven Pols der Versorgungsspannungsquelle liegt, und ein
Signal ein Potential, das ungefähr dem Massepotential entspricht.
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Am Ausgang der Geberanordnung 10 bzw. der Impulsformerstufe 11 erscheint
eine Signalfolge A, die ein bestimmtes Tastverhaltnis aufweist. Anstelle eines solchen
Signals kann prinzipiell auch eine Folge von kurzen Impulsen erzeugt werden, wobei
jeweils ein solcher Impuls einer Flanke eines Signals A entspricht.
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In Fig. 2 sind im wesentlichen zwei Zyklen dargestellt, wobei der
erste Zyklus die Verhältnisse unterhalb einer festlegbaren Drehzahlschwelle und
der zweite Zyklus die Vehältnisse oberhalb dieser Drehzahlschwelle zeigt.
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Mit der Rückflanke eines Signals A schaltet die Frequenzuntersetzerstufe
34 auf die Zählfrequenz f1 und der Zählrichtungseingang U/D der Zählstufe 29 auf
den Aufwärtszählvorgang um. Die Sperrung der Zählstufe 29 über den Sperreingang
E wird aufgehoben. Erreicht der Zählerstand der Zählstufe 29 den Dekodierwert S1
der ersten Dekodierstufe 30, so gibt diese ein 1-Signal B ab, durch das das Flipflop
24 rückgesetzt wird. Durch dieses Rücksetzen kann zu Beginn eines neuen Gebersignals
A kein Signal G entstehen, so daß eine Steuerung der Schließzeit des elektrischen
Schalters 14 durch das Zeitglied 26 nicht stattfindet.
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Erreicht die Zählstufe 29 den Dekodierwert S2 der zweiten Dekodierstufe
31, so wird der weitere Zähivorgang in der Zähistufe 29 über das Nor-Gatter 28 gesperrt.
Diese Begrenzung dient dazu, zu hohe Zählerstände und ein damit verbundenes, zu
langes Funkenband zu vermeiden.
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Durch ein neues Signal A wird einmal von der Zählfrequenz f1 auf die
Zählfrequenz f2 sowie vom Aufwärtszählvorgang auf den Abwärtszählvorgang umgeschaltetwwie
auch über das Und-Gatter 12 der elektrische Schalter 14 geschlossen, so daß ein
Strom I durch den Primarstromkreis der Zündspule 15 zu fließen beginnt. Die Auslösung
der Schließzeit über das Und-Gatter 12
ist deshalb möglich, da
während eines beliebigen Zählerstands der Zählstufe 19, der über dem niedrigsten
Zählerstand liegt, ein Signal K am Ausgang der dritten Dekodierstufe 32 anliegt
und weiterhin das Zeitglied 22 in seinem stabilen Zustand ein 1-Signal als Ausgangssignal
aufweist.
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Erreicht dieser primärseitige Strom seinen Sollwert Is, so gibt die
Schwellwertstufe 19'ein Ausgangssignal T ab, durch das über die Gatter 20, 21 die
Standzeit des Zeitglieds 22 ausgelöst wird. Für die Dauer der Standzeit wechselt
das Ausgangssignal des Zeitglieds 22 von einem 1-Signal zu einem Signal und sperrt
für diese Zeitdauer den weiteren Stromfluß über den elektrischen Schalter 14. Ein
erster Zündfunke wird ausgelöst. Am Ende der Standzeit des Zeitglieds 22 wird der
elektrische Schalter 14 wieder stromleitend und ein neuer Strom Is beginnt zu fließen.
Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis der niedrigste Zählerstand der Zählstufe
29 erreicht ist und der Ausgang der dritten Dekodierstufe 32 von einem 1-Signal
zu einem Signal wechselt. Dadurch wird einmal das Und-Gatter 12 gesperrt und weiterhin
die Zahlstufe 29 über das Nand-Gatter 36 so lange auf ihrem niedrigsten Zahlerstand
gehalten, bis das Signalende des Signals A erreicht ist und ein neuer Zählvorgang
in der Zählstufe 29 beginnt.
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Der zweite dargestellte Zyklus zeigt die Verhältnisse bei Drehzahlen
unter der eingestellten Drehzahlschwelle. Diese Drehzahlschwelle äußert sich dadurch,
daß mit der Anstiegsfrequenz bis zu Beginn eines neuen Signals A der Zahlenwert
S1 nicht mehr erreicht wird. Dadurch wird kein Signal am Ausgang der Dekodierstufe
30 erzeugt und das Flipflop 24 nicht zurückgesetzt. Am Ausgang dieses Flipflops
24 bleibt das Signal F erhalten. Dadurch gelangt das Signal A über das Und-Gatter
25 als Signal G an den Eingang des Zeitglieds 26. Wahrend der davon ausgelösten
Standzeit dieses Zeitglieds 26 erscheint an dessen Ausgang ein Signal H, durch das
über den Inverter 27 das Und-Gatter 20 für Signale T gesperrt wird. Der primarseitige
Stromfluß I durch-die Zündspule 15 beginnt analog dem ersten dargestellten Fall.
Das Ende der Schließzeit wird jedoch nunmehr durch die Abfallflanke des Signals
H bzw. die Anstiegsflanke des invertierten Signals H bestimmt, durch die die Standzeit
des Zeitglieds 22 ausgelöst wird. Wird während der durch das Signal H festgelegten
Schließzeit der Stromsollwert Is nicht erreicht, wie es in Fig. 2.dargestellt ist,
so wird kein Signal T und folglich auch kein Signal V erzeugt. Ist das Signal H
länger, so daß der Stromsollwert Is überschritten wird,
so wird
zwar ein Signal T erzeugt, jedoch wegen des gesperrten Und-Gatters 20 kein Signal
V. Da das Signal H nur einmal für den ersten Zündfunken erzeugt wird, leitet das
Und-Gatter 20 danach wieder Signale T als Signale V durch. Die in Fig. 2 dargestellte
zweite Schließzeit und evtl. noch folgende weitere Schließzeiten werden analog dem
ersten Zyklus erzeugt. Da im zweiten dargestellten Zyklus durch die höhere Drehzahl
der Abwästsziihlergsng in der Zählstufe 29 kürzer ist, verkürzt sich entsprechend
die Länge des Funkenbands, was sich im Signaldiagramm durch eine Verringerung von
3 auf 2 Zündfunken auswirkt.
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Bei niedrigen Drehzahlen unterhalb der festgelegten Drehzahlschwelle
wird somit jede Schließzeit durch die Anordnung 17, 19, 22, 14 erzeugt, wodurch
aufgrund des jeweils erreichten exakten Sollstroms Is eine sehr exakte Zündenergie
erreicht wird. Dies ist bei kleinen Drehzahlen wichtig, bei denen eine gewisse dadurch
erkaufte Ungenauigkeit im Zündzeitpunkt hingenommen werden kann. Bei höheren Drehzahlen
oberhalb der Drehzahlschwelle wird die erste Schließzeit durch das Zeitglied 26
festgelegt ? wodurch ein sehr exakter Zündzeitpunkt relativ zu einem Signalbeginn
eines Signals A erreicht wird. Bei diesen höheren Drehzahlen liefert z. B. bei einer
Brennkraftmaschine der Generator eine ausreichend exakte Versorgungsspannung, so
daß Schwankungen in der Zündenergie nur geringfügig sind und auch bei diesen höheren
Drehzahlen in Kauf genommen werden können.
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Die Erfindung ist nicht auf digitale Ausführungsformen beschränkt,
so kann z. B. statt der Zählstufe 29 auch eine analoge Drehzahlerkennungsstufe vorgesehen
sein. Weiterhin kann das Zeitglied 26 digital ausgebildet sein, indem z. B. die
Zählzeit in der Zählstufe 29 zwischen zwei Zählerständen als Standzeit verwendet
wird.
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L e e r s e i t e