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Beschreibung Verbrennungsmotor-Zündsystem Die Erfindung hat ein induktives
Zündsystem für Verbrennungskraftmaschinen zum Gegenstand, und ihr liegt die Aufgabe
zugrunde, die Zündung insbesondere in Motoren von Kraftfahrzeugen ganz allgemein,
auch während der Startphase, zu verbessern.
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Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ergibt sich einschließlich
zweckmäßiger Ausgestaltungen aus dem Inhalt der Patentansprüche, welche dieser Beschreibung
vorangestellt sind.
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Der im Primärwicklungskreis der Zündspule auftretende Primärstrom
kann verhältnismäßig schnell ansteigen, wenn der Kreis in jedem Teilzyklus einer
Gruppe von Schaltvorgängen geschlossen wird. So ist die Herstellung einer Gruppe
von überschlagsspannungen in einer kurzen Gesamtzeit durchführbar, und eine derartige
Gruppe kann die Zündung zahlreicher Motoren wenigstens bei gewissen Geschwindigkeiten
wesentlich verbessern und nicht zuletzt gewährleisten, daß das Aussetzen der Zündung
vermieden wird. Die Größe des zur Erzielung hoher überschlagsspannungen erforderlichen
Kernflusses im Falle des Zusammenbruches in jedem Teilschaltzyklus kann durch Verwendung
einer hohen Größe von Primärstrom erreicht werden, der aus einer Kraftquelle herkömmlichen
Formates entnommen werden kann, beispielsweise
einer Zwölfvoltbatterie,
indem die Primärwicklungen einen niedrigen Gesamtwiderstand erhalten. Der benötigte
Kraftfluß könnte mittels einer Kombination von hohem Primärstrom und einer geringen
Anzahl von Primärwicklungswindungen zur Verfügung gestellt werden. Die Kraftquelle
erfordert gewöhnlich keine hohe Durchschnittskraft, vielmehr kann vorgesehen werden,
daß kein Primärstrom in den Zwischenräumen zwischen aufeinanderfolgenden Gruppen
von Schaltvorgängen fließt, wogegen während des Andauerns jeder Schaltvorgangsgruppe
notwendigerweise zyklische Primärstromunterbrechungen stattfinden. Aus dem gleichen
Grunde ergibt sich ein Bestreben, das die Zunahme der Durchschnittstemperatur der
Primärwicklungsspule niedrig ist. Darüber hinaus bleibt auch die Zunahme der durchschnittlichen
Kerntemperatur in geringen Bereichen. Die Uberschlagsspannung wird sich mit der
Maschinengeschwindigkeit nicht ändern; die Frequenz der Schaltvorgänge in jeder
Gruppe, beispielsweise wenigstens zwanzig mal jede vom Motor abgeforderte normale
Zündfrequenz, mit Bezug auf welche hohe Frequenz die Schaltkreiskonstanten nun gewählt
sind, ist von der Motorgeschwindigkeit unabhänqig.
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Beispielsbeschreibung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung wiedergegeben, welches nachstehend beschrieben wird. Es zeigen: Fig.
1 ein Schaltbild eines optisch-elektronisch gesteuerten Systems für die Zündung
einer Verbrennungskraftmaschine, Fig. 2 die Gestalt der Blende für die Steuerung
des Zündverteilers, Fig. 3 und 4, jeweils unterteilt in (a) und (b), Säulendiagramme
der Steuerung (Timing) der Abfolge von Schaltvorgängen bei zwei entsprechenden Motorgeschwindigkeiten.
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Das in den Figuren 1 und 2 dargestellte optisch-elektronische Zündsystem
für eine Vierzylinder-Viertakt-Verbrennungskraftmaschine (4-Zylinder-4-Takt-Motor)
weist eine vom Motor angetriebene blende 1 für die Steuerung der Zündverteilung
auf, die einen Strahlenweg abwechselnd freigibt und versperrt, wobei dieser Strahlenweg
von einer Strahlenquelle 2 ausgeht und zu einer Empfangsvorrichtung 3 führt sowie
einen Schaltungsaufbau 4 hat, der durch die Empfangsvorrichtung 3 gesteuert und
dazu eingerichtet ist, die Erzeugung von Uberschlagsspannungen für die Zündung in
Zeitbereichen zu bewirken, wenn der Strahlenweg frei ist. Das System weist außerdem
einen Verteiler 5 für die zyklische Zuteilung von überschlagsspannungen zu den Funkenstrecken
6 der Zündkerzen der verschiedenen Zylinder des Motors auf.
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Der Schaltungsaufbau 4 wird von einer Plusspannungsleitung 7 aus mit
Energie versorgt, wobei diese Leitung ihre Spannung von der Plusklemme 8 einer nicht
dargestellten Batterie über einen Ein-Aus-Zündschalter 9, eine Diode 10 und einen
Spannungsregler 11 mit einem NPN-Transistor 12 und einer Zenerdiode
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empfängt. Die Strahlenquelle 2 wird ebenfalls von der Plusleitung 7 versorgt und
enthält eine LED-Diode, d. h.
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eine Licht aussendende Zweipolröhre.
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Wie sich aus Figur 2 ergibt, besteht die umlaufende Blende 1 aus einer
mit vier im gleichen Winkelabstand angeordneten sektorartigen Lappen oder Flügeln
21 versehenen Scheibe, wobei sich die Flügel 21 jeweils über einen Bereich von 260
um die Drehachse der Blende 1 erstrecken. Die Blende wird vom Motor mit der Umlaufgeschwindigkeit
der Ventil-Nockenwelle angetrieben, d. h. also mit der halben Kurbelwellengeschwindigkeit
des Motors.
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Die Empfangsvorrichtung 3 für die von der Strahlenquelle 2 ausgehenden
Lichtstrahlen enthält einen NPN-Fototransistor, der unter dem Strahlerteinfluß leitend
wird. Die Strahlenquelle 2 (LED) und der Fototransistor sind an einander gegenüberliegenden
Seiten der Blende 1 und in solcher Weise angeordnet, daß die Flügel 21 abwechselnd
die "Sicht" vom Fototransistor zur LED versperren und freigeben, wenn die Blende
1 umläuft.
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Der Fototransistor in der Vorrichtung 3 wird durch die Verbindung
seines Kollektors mit der Leitung 7 mit Energie versorgt, und ein Punkt in der ohmischen
Verbindung seines Emitters mit Erde ist an die Eingangsklemme eines Negators oder
Wendeschalters 22 angeschlossen. Wenn die dem Negator zufließenden Eingangssignale
in Begriffen einer logischen Schaltung mit Eins oder Null bezeichnet werden, je
nachdem der Fototransistor von der LED bestrahlt oder nicht bestrahlt wird, ist
das Ausgangssignal des Negators 22 Null oder Eins entsprechend seinem Eingangssignal
Eins oder Null. Das Negator-Ausgangssignal wird zur Eingangsklemme eines zweiten
Negators oder Wendeschalters 23 geleitet. Im Falle der Verwendung eines Halbleiterkristalls,
der nur Nor-Gates mit Doppeleingang oder nur Nand-Gates mit Doppeleingang hat, kann
jeder Negator 22 und
23 aus einem solchen Tor (gate) bestehen, wobei
dessen beide Eingangsklemmen miteinander verbunden sind.
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Der Ausgang des zweiten Negators 23 wird sowohl der Eingangsklemme
eines Impulsgebers 24 als auch der Eingangsklemme eines Univibrators 26 (one-shot
monostable) aufgegeben, wobei der Ausgang des Impulsgebers 24 zu einer Eingangsklemme
eines Nand-Gate 25 mit Doppeleingang und der Ausgang des Univibrators 26 zu der
anderen Eingangsklemme dieses Tores 25 geführt wird.
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Der Impulsgeber 24 empfängt seine Energie von der Plusleitung 7 und
ist mit einer äußeren Zeitkonstantenschaltung 27 ausgestattet, durch deren Justierung
Impulsstärke und -abstand festgelegt werden können. Der Impulsgeber 24 ist so eingerichtet,
daß er, solange an seiner Eingangsklemme ein Nullsignal eintrifft, ein Nullsignal
an die erste Eingangsklemme des Nand-Gate 25 übermittelt, wogegen der Impulsgeber,
so lange seine Eingangsklemme ein Einssignal empfängt, an die erste Eingangsklemme
des Nand-Gate 25 eine Rechteckimpuls-Wellenform übermittelt, welche alternierende
Werte von Eins und Null aufweist, die jeweils zwölfhundert Mikrosekunden lang sind.
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Der Univibrator 26 wird ebenfalls von der Plusleitung 7 beaufschlagt
und ist mit einer äußeren Zeitkonstantenschaltung 28 ausgerüstet, durch deren Justierung
die monostabile Zeitkonstante bestimmbar ist. So lange der Univibrator 26 an seiner
Eingangsklemme ein Null signal empfängt, übermittelt er ein Nullsignal an die zweite
Eingangsklemme des Nand-Gate 25, wogegen er im Falle des Anliegens eines Einssignals
an seiner Eingangsklemme für einen Zeitraum von sieben Millisekunden in einen quasistabilen
Zustand getriggert wird, während welchen Zeitraumes der Univibrator ein Einssignal
an die zweite Eingangsklemme des Nand-Gate 25 liefert. Im Anschluß an diesen Zeitraum
kehrt der Univibrator in seinen normalstabilen Zustand zurück, in welchem er wiederum
ein Null signal an das erwähnte Tor weiterleitet.
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Die Ausgangsklemme des Nand-Gate 25 ist über einen Widerstand 29 an
die Basis eines Emitter-geerdeten NPN-Transistors 30 angeschlossen, dessen Kollektor
sowohl über einen Widerstand 31 mit Erde als auch mit der Steuerelektrode einer
Vierschichttriode oder eines Thyristors 32 verbunden ist. Der Letztgenannte befindet
sich in einer Schaltung, die von der Batterieklemme 8 in Reihe über einen Widerstand
33, eine später noch zu erläuternde Wicklung 34, einen Widerstand 35, den Thyristor
32 und einen Widerstand 41 führt. Zwischen Erde und dem Anschluß zwischen Widerstand
33 und Spule 34 ist ein Kondensator 42 eingeschaltet.
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Zur Erzeugung einer tfberschlaqsspannung ist eine Zündspule 43 mit
Ferritkern vorgesehen, deren Primärwicklung 44 an ihrem einen Ende mit der Batterieklemme
8 und an ihrem anderen Ende mit dem Kollektor eines Emitter-aeerdeten NPN-Transistors
45 in Verbindung steht. Der Transistor 45 ist mittels einer Schaltverbindung aus
Widerstand 46 und Kondensator 47 geshuntet, wodurch das System gegen Einschwingvorgänge
(transients) geschützt wird. Die Zündspule 43 hat mit ihrer zweiten Wicklung 48
eine Verbindung mit dem umlaufenden Kontaktfinger 49 des Zündverteilers 5.
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Der Transistor 45 stellt eine Schaltvorrrichtung für den Kreis der
Zündspulen-Primärwicklung 44 dar; seine Basis ist mit dem Knotenpunkt zwischen dem
Thyristor 32 und dem Widerstand 41 verbunden. Die Wicklung 34 des Thyristorkreises
bildet eine Tertiärwicklung an der Zündspule 43 und ist so in den Thyristorkreis
eingeschaltet, daß der elektrisch und magnetisch verkettete Primärwicklungskreis
und Thyristorkreis einen allgemein mit 50 bezeichneten Sperrschwinger ausbilden.
Die Werte der Komponenten des Sperrschwingers werden ausgewählt, um eine oszillierende
Periode von hundert Mikrosekunden zu ergeben, während der der Schalttransistor 45
eine Schließung des Zündspulen-Primärwicklungskreises für fünfzig Mikrosekunden
und eine öffnung dieses Kreises für ebenfalls fünfzig Mikro sekunden
hervorruft.
Die Oszillation wird so lange aufrechterhalten, wie ein positives Signal an die
Steuerelektrode des Thyristors angelegt ist, jedoch so lanae unterbrochen, wie ein
nullnahes Signal an dieser Elektrode vorliegt.
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Im Betrieb des geschilderten Systems erhält der Negator 22, so lange
die umlaufende Blende 1 den Strahlendurchgang von der LED 2 zum Fototransistor 3
verhindert, ein Null-Eingangssignal, und infolgedessen empfängt der Negator 23 ein
Eins-Eingangssignal, während der Impulsgeber 24 und der Univibrator 26 jeweils Null-Eingangssignale
anliegen haben. Dementsprechend bekommt das Nand-Gate 25 ein Null-Einganssignal
vom Impulsgeber 24 und ein Null-Eingangssignal vom Univibrator 26, und das Ausgangssignal
des Nand-Gate 25 ist Eins. Der Transistor 30 ist eingeschaltet, die Steuerelektrode
des Thyristors 32 empfängt ein nullnahes Signal, und der Sperrschwinger 50 oszilliert
nicht. Während der Sperrschwinger nicht oszilliert, fließt auch kein Strom in die
Zündspulen-Primärwicklung.
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Wenn die umlaufende Blende 1 eine Winkelstellung einnimmt, die den
Durchgang von Strahlen zum Fototransistor 3 gestattet, erhält der Negator 22 ein
Eins-Eingangssignal, der Negator 23 empfängt ein Null-Eingangssignal, und der Impulsgeber
24 sowie der Univibrator 26 erhalten beide Eins-Eingangssignale.
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Das Nand-Gate 25 bekommt vom Impulsgeber 24 eine kontinuierlich zwischen
einem Eins-Eingangssignal von zwölfhundert Mikrosekunden und einem Null-Eingangs
signal von zwölfhundert Mikrosekunden alternierende Abfolge von Impulsen. Zum Anlauf
übermittelt der Univibrator 26 ein Eins-Eingangssignal zum Nand-Gate 25, welches
deshalb auf die alternierenden Eins- und Nullsianale v om Impulsgeber 24 antwortet
und alternierende Null- und Eins-Ausgangssignale übermittelt, welche den Transistor
30 veranlassen, abwechselnd aus- und eingeschaltet zu sein. Während jeder Aus-Periode
des Transistors 30 von zwölfhundert Mikrosekunden empfängt die Thyristor-Steuerelektrode
ein positives
Signal, und der Sperrschwinger 50 oszilliert. Während
jeder Ein-Periode des Transistors 30 von zwölfhundert Mikrosekunden kann der Sperrschwinger
50 nicht oszillieren. Der Univibrator 26 jedoch kehrt nach sieben Millisekunden
in seinen normalstabilen Zustand zurück, in welchem er - obgleich er noch ein Eins-Eingangssignal
vom Negator 23 erhalten kann - ein Null-Eingangssignal zum Nand-Gate 25 übermittelt,
welches gezwungenermaßen nur ein Eins-Ausgangssignal abgeben kann, und der Sperrschwinger
50 kann wieder nicht oszillieren.
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Wenn während der Aussendung alternierender Signale durch den Impulsgeber
24 die umlaufende Blende 1 erneut den Strahlendurchgang zum Fototransistor 3 verhindert,
dann versetzt das vom Impulsgeber 24 durch den Negator 23 empfangene Null-Eingangssignal
das Nand-Gate 25 in die Lage, nun nur ein Null-Eingangssignal vom Impulsgeber 24
empfangen, woraufhin das Tor 25 nur einen Eins-Ausgang abgibt, und der Sperrschwinger
50 kann nicht oszillieren.
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Figur 3 hat einen oberen und einen unteren Abbildungsteil, und der
obere Teil, Figur 3 (a), zeigt den Zeitabstand benachbarter Blendenflügel 21 be
einer Motordrehzahl von 3000 U/min.
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Der untere Abbildungsteil, Figur 3 (b), zeigt eine Säulengruppe 60
von zwölfhundert Mikrosekunden Gesamtdauer, die aus Zyklen von Schaltvorgängen von
jeweils hundert Mikrosekunden für die Schaltung der Zündspulen-Primärwicklung, ausgelöst
durch den Sperrschwinger, zusammengesetzt ist. An die Gruppe 60 schließt sich ein
Intervall 61 von zwölfhundert Mikrosekunden an, während dessen der Zündspulen-Primärwicklungs-Schaltkreis
offen ist.
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Dann folgt eine zweite ähnliche Säulengruppe 62 aus Schaltvorgängen,
anschließend wieder ein entsprechendes Intervall 63 und dann eine dritte entsprechende
Säulengruppe 64 von Schaltvorgängen. An die letztgenannte Gruppe 64 schließt sich
kein weiterer Zwischenraum und keine weitere Säulengruppe an, weil nach sieben Millisekunden
vom Beginn der ersten Gruppe 60 der
Univibrator in seinen normalen
Zustand zurückkehrt und gewährleistet, daß das Nand-Gate 25 ein stetiges Eins-Ausgangssignal
abgibt und der Sperrschwinger 50 nicht oszillieren kann.
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Wenn die Motordrehzahl gesteigert wird, erfolgt eine Reduzierung der
Zeit, während welcher Strahlen auf den Fototransistor 3 einfallen können, indem
sie zwischen den aufeinanderfolgenden Flügeln der umlaufenden Blende hindurchgehen.
Wenn dabei der Fototransistor abgedeckt und somit verdunkelt wird, kann der Sperrschwinger
50 aus den angegebenen Gründen nicht oszillieren.
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Dies bedeutet bei fortlaufend erhöhter Geschwindigkeit des Motores,
daß die dritte Säulengruppe 64 von Schaltvorgängen verkürzt und dann vollständig
verhindert wird, und später wird dann auch die zweite Schaltvorgangsgruppe 62 verkürzt.
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Figur 4 hat ebenfalls zwei Abbildungsteile, deren oberer, Figur 4
(a), den zeitlichen Abstand benachbarter Blendenflügel 21 während des Blendenumlaufes
bei einer Motordrehzahl von 8000 U/min zeigt. Hier besteht ein Zwischenraum von
3,75 Millisekunden zwischen den rückwärtigen Kanten von zwei Flügeln, jedoch nur
ein Intervall von 2,7 Millisekunden zwischen der rückwärtigen Kante des ersten Flügels
und der Vorderkante des zweiten Flügels. Der untere Abbildungsteil, Figur 4 (b),
zeigt, daß hier nur Zeit für die erste Säulengruppe 50 von Schaltvorgängen mit zwölfhundert
Mikrosekunden Dauer zusammen mit dem Zwischenraum von zwölfhundert Mikro sekunden
und einem Teil der zweiten Säulengruppe 62 von Schaltvorgängen zur Verfügung steht.
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Die Eigenschaften einer Spule mit Ferritkern ermöglichenes, mit schnellen
Anstiegen und Abfällen eines großen Stromes darin zu arbeiten. Bei der beschriebenen
Schaltung werden diese Eigenschaften ausgenutzt, um einen Zündspulen-Primärwicklungskreis
wiederkehrend bei einer konstanten Folgefrequenz zu schalten, die sehr viel höher
ist als irgendeine vom Motor benötigte Zündfrequenz. Die Schaltkreiskonstanten werden
mit Bezug auf
diese konstant hohe Frequenz ausgewählt, und die
Funkenspannung wird mit der Motorgeschwindigkeit nicht geändert.
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Die Brenndauer eines einzelnen Funkens aufgrund eines einzelnen Schaltvorganges
in einer Gruppe ist verhältnismäßig kurz, jedoch ist die zur Zündungsewährleistung
wirksame Funkenbrenndauer im Hinblick auf die Wiederholung der Funken lang.
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Wenn beispielsweise bei kaltem Motor die aus den ersten paar Schaltvorgängen
der ersten Gruppe resultierende Funkenbildung nicht in der Lage ist, daß Gemisch
zu zünden, wird die Zündung doch fortschreitend verbessert, vermutlich aufgrund
der im Mittel fortschreitenden Erhitzung der Zündkerzenspitzen und der im Mittel
fortschreitenden Ionisation der Funkenstrecke. In diesem Zusammenhang läßt sich
beobachten, daß sich Kondensatorzündsysteme nicht ohne weiteres aus sich selbst
dazu eignen, für kurze Funkenbrennzeiten durch die Hervorrufung ähnlicher Funken-Folge
spannungen bei ähnlich hohen Frequenzen im Verhältnis zu den Zündfrequenzen des
Motors zu sorgen.
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Die Verwendung von gruppenweisen Erzeugungen von Zündspulen-Schaltvorgängen
in der beschriebenen Art und Weise unterstützt die Einrichtung der zweiten und dritten
Gruppen, die beide bei den unteren Motordrehzahlen auftreten, wie es unter Bezugnahme
auf Figur 3 dargelegt worden ist. Es ist herkömmlich, die Zündung so zu veranlassen,
daß sie vor dem oberen Totpunkt stattfindet; bei hohen Motordrehzahlen erstreckt
sich die erste Schaltvorgangsgruppe über den oberen Totpunkt; bei geringeren Drehzahlen
kann die erwähnte erste Gruppe vor dem oberen Totpunkt enden, jedoch ist die zweite
Gruppe von Schaltvorgängen bei oder nach dem oberen Totpunkt wirksam. Die Auslösung
von Funken bei oder nach dem oberen Totpunkt kann durchaus eine zweckmäßige Sicherheitsvorkehrung
gegen das denkbare Ausblasen von Funken der ersten Gruppe aufgrund von Druckanstiegen
sein. Die dritte Gruppe, welche bei den niederen Motordrehzahlen wirkt, kann zweckmäßig
als zusätzliche Vorsorge vorgesehen
sein, um eine vollständige
Verbrennung und damit auch eine minimale Umweltverschmutzung zu gewährleisten.
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Der Bogenwinkel der beweglichen Elektrode im Verteiler und/oder der
Bogenwinkel der feststehenden Elektroden darin muß verhältnismäßig groß sein, um
die übertragung von überschlagsspannungen während verhältnismäßiger großer Nockenwellenwinkel
zu gestatten.
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Gewöhnlich wird es erforderlich sein, daß das Zünd-Timing mit der
Motordrehzahl fortschreitet, und hierzu können die umlaufende Blende 3 und gleichzeitig
der umlaufende Kontaktfinger 49 des Verteilers winkelmäßig verschiebbar eingerichtet
sein, und zwar im Verhältnis zu einer zugehörigen Antriebswelle, beispielsweise
mittels bekannter Vorrichtungen, die unter Ausnutzung der Fliehkraft arbeiten.
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Die beschriebene Schaltvorgangsfrequenz von hundert Mikrosekunden
Periode ist hundertmal die Motorzündfrequenz bei 3000 U/min und 37,5 mal die Motorzündfrequenz
bei 8000 U/min; bei praktisch auftretenden Motorgeschwindigkeiten ist der Frequenzbereich
deshalb immer hoch. Bei Motoren mit mehr als vier Zylindern angewendet, wird das
beschriebene System kleiner ausfallen, jedoch noch hohe Frequenzbereiche haben.
Das System kann aber leicht modifiziert werden, um mit noch höheren Schaltvorgangsfrequenzen
zu arbeiten. Im allgemeinen wird es bei allen vorwiegend gebräuchlichen Kraftfahrzeugmotoren
durchaus möglich sein, die Einrichtung zu treffen, daß der Frequenzbereich stets
bei 20 : 1 oder größer liegt und daß die Überschlagsspannung aufgrund der Schaltkreiskonstanten,
die mit Bezug auf die höhere der beiden Frequenzen ausgewählt worden sind, sich
im wesentlichen nicht mit der Motordrehzahl ändern werden.
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Die in den Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung offenbarten
Merkmale des Anmeldungsgegenstandes können sowohl
einzeln als auch
in beliebigen Kombinationen untereinander für die Verwirklichung der Erfindung in
ihren verschiedenen Durch-und Ausführungsformen wesentlich sein.
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