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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer bekannten Zündanlage für Brennkraftmaschinen,
wie sie beispielsweise in der DE-OS 2 244 781 beschrieben ist. Bei dieser bekannten
Zündanlage, die als Transistor-Spulenzündung mit induktivem Geber ausgebildet ist,
wird,wie bei Transistor-Zündanlagen üblich, bereits mit einer Zündspule geringer
Induktivität gearbeitet, um bei hoher Zündimpulsfolgefrequenz bzw. bei hohen Funkenzahlen
noch eine ausreichend schnelle Energiespeicherung zu erreichen, was jedoch eine
entsprechend komplizierte Zündwinkelsteuerung erforderlich macht, damit bei niederen
Funkenzahlen keine Überlastung der Zündspule durch einen länger als erforderlich
fliessenden Primärstrom erfolgt und damit bei hohen Funkenzahlen genau definierte
Schliess- und Offenzeiten eingehalten werden.
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Die bekannte Zündanlage arbeitet in Verbindung mit "normalen" Brennkraftmaschinen
im allgemeinen voll befriedigend ist, wobei unter einer "normalen" Brennkraftmschine
eine Brennkraftmaschine zu verstehen ist, welche mit üblicher Gemischzusammensetzung
arbeitet und keine extrem hohen Drehzahlen erreicht. Für Brennkraftmaschinen mit
hoher Zylinderzahl, welche besonders hohe Drehzahlen erreichen und/oder mit einer
Gemischzusammensetzung arbeiten, für deren Zündung
besonders energiereiche
Zündfunken erforderlich sind, ist die bekannte Zündanlage dagegen auch bei sorgfältigster
Dimensionierung nicht mehr voll geeignet, da einerseits eine gewisse Mindestschliesszeit
einfach nicht unterschritten werden kann und andererseits auch hinsichtlich des
Maximalwerts des Stroms über die Primärwicklung der Zündspule Grenzen vorhanden
sind.
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Aufgabe der Erfindung Ausgehend vom Stande der Technik und der vorstehend
aufgezeigt ten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte
Zündanlage anzugeben, die auch unter extremen Bedingungen, d.h. bei sehr hohen Funkenzahlen
und bei hohen Anforderungen an die Zündenergie pro Zündvorgang, einwandfrei arbeitet
und trotzdem vergleichsweise einfach aufgebaut ist und den Einsatz von handelsüblichen
Bauelementen mit grösseren Toleranzen ermöglicht.
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Die gestellte Aufgabe wird durch eine Zündanlage mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteile der Erfindung Aufgrund des Vorhandenseins mindestens eines
weiteren Energiespeichers ist es bei einer Zündanlage gemäss der Erfindung möglich,
in dem Moment, in welchem die Energie aus einem ersten Energiespeicher bis auf einen
vorgegebenen Grenzwert erschöpft ist, gewissermassen einen zweiten Zündimpuls auszulösen,
der sich jedoch unmittelbar an den Zündimpuls aus dem ersten Energie speicher anschliesst,
so dass insgesamt ein Zündfunke grösserer Dauer und mit entsprechend erhöhter Energie
erhalten wird, um
das Gemisch in einem Zylinder der Brennkraftmaschine
zu zünden.
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Weiterhin ergibt sich der Vorteil, dass die Stromstärke beim Aufladen
der Energiespeicher verringert werden kann, da jeder Energiespeicher ja nur einen
Bruchteil der Gesamtenergie, beispielsweise die Hälfte der Energie speichern muss,
die für einen - zusammengesetzten - Zündfunken erforderlich ist und/ oder dass die
Schliesszeit für das Aufladen der einzelnen Energiespeicher verkürzt werden kann,
so dass sich keine Probleme aufgrund eines zu hohen Einschaltstromes ergeben, wie
sie bei den bekannten Zündanlagen bei hoher Zündfunkenzahl nahezu unvermeidlich
sind. Die Möglichkeit der Verkürzung der Schliesszeit und der Reduzierung der Einschaltströme
ist dabei darauf zurückzuführen, dass ein zweiter Energiespeicher noch aufgeladen
werden kann, während der erste Energiespeicher bereits entladen wird und dass sich
der erste Energiespeicher bis auf eine geringe Restenergie oder sogar bis auf Null
entladen kann, während der Zündfunken mit der Energie des zweiten Energiespeichers
aufrechterhalten wird.
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Überdies ergibt sich bei einer Zündanlage gemäss der Erfindung der
Vorteil, dass aufgrund der hohen Energie der Zündfunken eine weitgehende Unempfindlichkeit
gegenüber Turbulenzen im Brennraum sowie gegenüber einem Benetzen oder Verrußen
der Zündkerze erreicht wird.
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In Ausgestaltung der Erfindung kann für die Verzögerung der Entladung
des zweiten Energiespeichers entweder ein Zeitglied verwendet werden, an dem eine
entsprechende, fest vorgegebene Zeit eingestellt wird oder eine Messchaltung, die
feststellt, beispielsweise durch Messen des Zündstroms - wann die Energie
aus
dem ersten Energiespeicher bis auf einen vorgegebenen Wert abgesunken ist und die
dann für die Einleitung der Entladung des weiteren Energiespeichers sorgt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer Zündanlage gemäss der
Erfindung besteht darin, dass zwei Energiespeicher vorgesehen sind, welche alternierend
für vorgegebene Zeitintervalle entladen werden, wobei jeweils der eine Energiespeicher
wieder neu aufgeladen wird, während der andere entladen wird. Bei dieser Ausgestaltung
hat sich die Steuerung der Energiespeicher bzw. ihrer zugeordneten Unterbrecher
mittels eines astabilen Multivibrators als vorteilhaft erwiesen.
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Zeichnung Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
anhand einer Zeichnung noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Es zeigen: Fig. 1 bis 3 schematische Blockschaltbilder Von bevorzugten Ausführungsformen
von Zündanlagen gemäss der Erfindung; Fig. 4 bis 6 Zeitdiagramme zur Erläuterung
der Funktion der Zündanlagen gemäss Fig. 1 bis 3.
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Beschreibung der Erfindungsbeispiele Die in Fig. 1 gezeigte Zündanlage
gemäss der Erfindung besitzt eingangsseitig einen Geber 10, der vorzugsweise als
induktiver
Geber ausgebildet ist und von dem lediglich schematisch
eine Spule dargestellt ist, in der die Steuerspannungen für die Zündanlage induziert
werden. Die gezeigte Spule des Gebers 10 ist an ihrem einen Anschluss geerdet und
an ihrem anderen Anschluss mit einer Eingangsstufe 12 verbunden, deren Ausgang über
eine Leitung 14 mit einem Eingang einer Schliesswinkelsteuerschaltung 16 verbunden
ist, die in üblicher Weise ausgebildet sein kann. Ein Ausgang der Schliesswinkelsteuerschaltung
16 ist über eine Leitung 18 mit einem Eingang einer monostabilen Kippschaltung verbunden,
die zusammen mit ihren zugeordneten logischen Verknüpfungen als Block 20 dargestellt
ist, wobei nachstehend der Einfachheit halber nur noch von dem Mono-Flop 20 gesprochen
wird. Ein erster Ausgang des Mono-Flops 20 ist über eine Leitung 22 mit dem Eingang
eines ersten Treibers 24 verbunden, dessen Ausgang über eine Leitung 26 mit einer
ersten Endstufe 28 verbunden ist. Ein Ausgang der ersten Endstufe 28 ist über eine
Leitung 30 mit einem ersten Eingang einer Zündspulenanordnung 32 verbunden.
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Ein zweiter Ausgang des Mono-Flops 20 ist über eine Leitung 34 mit
dem Eingang eines zweiten Treibers 36 verbunden, dessen Ausgang über eine Leitung
38 mit einem Eingang einer zweiten Endstufe 40 verbunden ist. Ein Ausgang der zweiten
Endstufe 40 ist über eine Leitung 42 mit einem zweiten Eingang der Zündspulenanordnung
32 verbunden. Ein dritter Eingang der Zündspulenanordnung 32 könnte direkt bzw.
über den Zündschalter (nicht dargestellt) mit dem positiven Pol der Batterie bzw.
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mit Batteriespannung UB verbunden sein; beim Ausführungsbeispiel ist
jedoch zwischen einer Leitung 44, an der die Batteriespannung UB anliegt und dem
dritten Eingang der Zündspulenanordnung 32 die Serienschaltung eines Widerstandes
46 und eines
Transistors 48 vorgesehen, wobei parallel zu dem Widerstand
46 eine Stromregelschaltung 50 liegt, die einen Ausgang aufweist, der über eine
Leitung 52 mit dem Basisanschluss des Transistors 48 verbunden ist, um diesen zu
steuern. Schliesslich besitzt die Zündspulenanordnung 32 einen Ausgang 54, an den
eine Funkenstrecke 56 angeschlossen ist, wobei es sich versteht, dass mit dem Ausgang
54 in üblicher Weise auch ein Zündverteiler verbunden sein kann, um bei einer Brennkraftmaschine
mit mehreren Zylindern die Zündfunkenstrecken bzw. Zündkerzen in den einzelnen Zylindern
in vorgegebener Reihenfolge anzusteuern.
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In Fig. 1 sind ferner, obwohl damit von dem Prinzip der Blockschaltbilddarstellung
etwas abgewichen wird, für die Endstufen 28 und 40 Widerstände 58 bzw. 60 eingezeichnet,
deren den Endstufen abgewandtes Ende jeweils an Bezugspotential liegt, um so zu
verdeutlichen, dass bei durchgeschalteter Endstufe ein geschlossener Strompfad zwischen
der Leitung 44 mit der Batteriespannung UB und Bezugspotential vorhanden ist.
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Ausserdem besitzt die Eingangsstufe 12 noch einen weiteren Ausgang,
der über eine Leitung 62 mit einer Schaltung 64 zur Ruhestromabschaltung verbunden
ist, deren Ausgang über eine Leitung 66 mit einem weiteren Eingang des Mono-Flops
20 verbunden ist.
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Die Schaltung gemäss Fig. 1 arbeitet wie folgt: Der induktive Geber
10 steuert die Eingangsstufe 12 an, die vorzugsweise als Schmitt-Trigger ausgebildet
ist und die der Schliesswinkelsteuerschaltung 16 über die Leitung 14 und der Schaltung
64 zur Ruhestromabschaltung über die Leitung 62 Rechteckimpulse
zuführt.
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Die auf die Zündspulenanordnung 32 abgestimmte Schliesswinkelsteuerschaltung
16 ist in an sich bekannter Weise so ausgebildet, dass mit steigender Drehzahl der
Brennkraftmaschine ein zunehmender relativer Schliesswinkel erreicht wird, der dann
ab einer bestimmten Drehzahl auf einem konstanten Wert gehalten wird. Die Schliesswinkelsteuerschaltung
16 liefert über die Leitung 18 Steuerimpulse für das Mono-Flop 20, welches seinerseits
die beiden Treiber 24 und 36 steuert, und zwar derart, dass die beiden Endstufen
28,40 mit Beginn der Schliesszeit gemeinsam eingeschaltet werden. Beim Abschalten
der ersten Endstufe 28 über den ersten Treiber 24 beginnt die an dem Mono-Flop 20
eingestellte Zeit abzulaufen und die Abschaltung der zweiten Endstufe 40 erfolgt
über den Treiber 36, dann verzögert beim Auftreten der Ausschaltflanke auf der Ausgangsleitung
34 des Mono-Flops 20. Hierdurch erfolgt eine zweite Entladung, die in Abhängigkeit
von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine und der eingestellten Verzögerungszeit,
die auf die Brennkraftmaschine abgestimmt sein muss, entweder die dann beendete
erste Entladung weiterführt oder einen neuen Funkenkopf mit Nachentladung zur Folge
hat.
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Die vorstehend beschriebene Betriebsweise wird dadurch ermöglicht,
dass die Zündspulenanordnung zwei Zündspulen mit einem geringem Innenwiderstand
von beispielsweise 50 XOhm enthält, deren Sekundärwicklungen bzw. Hochspannungswicklungen
durch eine Diodenanordnung entkoppelt sind, die vorzugsweise aus mehreren hochsperrenden
Dioden aufgebaut ist, wobei gegebenenfalls eine Vorfunkenstrecke an Stelle einer
Diode vorgesehen sein kann.
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Die Treiber 24,36 dienen in bekannter Weise dazu, den Endstufen 28,40,
welche vorzugsweise aus Darlington-Schaltungen aufgebaut sind, ausreichend hohe
Basisströme zuzuführen, die von dem Mono-Flop 20 nicht aufgebracht werden könnten.
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Schliesslich sorgt die Stromregelschaltung 50 mit ihrem zugeordneten
Widerstand 46 und dem von ihr gesteuerten Transistor 48 dafür, dass ein maximaler
Abschaltstrom für die Zündspulen der Zündspulenanordnung 32 nicht überschritten
wird, so dass beim Sperren der Endstufen 28,40 jeweils eine definierte Energie in
den Zündspulen der Zündspulenanordnung 32 gespeichert ist.
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Die besonderen Vorteile der erfindungsgemässen Zündanlage gemäss Fig.
1 werden aus Fig. 4 deutlich, in der die Kurven züge a und b den zeitlichen Verlauf
der Schliesszeit (Pegel "1") und der Öffnungszeit (Pegel "0") der Endstufen 28 bzw.
40 verdeutlichen, wobei mit T die Periodendauer eines Zündzyklus und mit tv die
Verzögerungszeit zwischen dem öffnen der ersten Endstufe 28 und dem öffnen der zweiten
Endstufe 40 bezeichnet ist. Die Kurvenzüge c und d zeigen in Fig. 4 für die Zündanlage
gemäss Fig. 1 den zeitlichen Verlauf des Funkenstroms für eine eingestellte Verzögerungszeit
tv C 150 ys, und zwar bei starker Turbulenz des zu zündenden Gemisches (Kurve c)
und bei schwacher Turbulenz des zu zündenden Gemisches (Kurve d). Ferner zeigen
in Fig. 4 die Kurven e und f den zeitlichen Verlauf des Funkenstroms iF bei derZündanlage
gemäss Fig. 1 für den Fall, dass das zu zündende Gemisch eine starke Turbulenz aufweist
(Kurve e) und dass das Gemisch eine schwache Turbulenz aufweist (Kurve f), wobei
von einer Verzögerungszeit tv > 150 es ausgegangen wird.
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Die Kurven c und d verdeutlichen, dass bei einer Verzögerungszeit
tv von höchstens 150 Als der Funkenstrom auch bei starker Turbulenz nicht ausgeblasen
wird, so dass sich ein kontinuierlicher Zündvorgang ergibt, wobei jedoch (Kurve
d) bei schwacher Turbulenz Überschneidungen auftreten..Wenn man dagegen die Verzögerungszeit
tv grösser als 150 ps wählt, dann wird der Funkenstrom bei starker Turbulenz des
zu zündenden Gemisches zeitweilig zu Null (Kurve e); andererseits erhält man bei
schwacher Turbulenz (Kurve f) eine insgesamt längere Funkendauer.
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Die Zündanlage gemäss Fig. 2 ist weitgehend ebenso aufgebaut wie diejenige
gemäss Fig. 1, enthält jedoch am Ausgang 54 der Zündspulenanordnung einen Messkopf
68, mit dessen Hilfe der Zündstrom bzw.- Funkenstrom erfassbar ist, um auf einer
Leitung 70 ein Steuersignal für das dem Mono-Flop in Fig. 1 entsprechende Flip-Flop
20' der Zündanlage gemäss Fig. 2 zu erzeugen. Bei dieser Zündanlage wird das Flip-Flop
20' wieder durch die Schliesswinkelsteuerschaltung 16 gesetzt, woraufhin wie bei
der Zündanlage gemäss Fig. 1 wieder beide Endstufen 28,40 über ihre zugeordneten
Treiber 24 bzw. 36 gleichzeitig mit Beginn der Schliesszeit eingeschaltet werden.
Mit dem Abschalten der ersten Endstufe 28 entlädt sich die erste Spule der Zündspulenanordnung
32, wobei der Funkenstrom durch den Messkopf 68 erfasst wird, welcher mit einer
integrierten Hallschaltung, mit einer Feldplatte, mit optoelektronischen Einrichtungen
oder als elektromagnetischer Wandler aufgebaut sein kann. In allen Fällen ist der
Messkopf 68 jedoch so aufgebaut, dass er dann, wenn der durch die erste Zündspule
gespeiste Funkenstrom einen vorgegebenen unteren Grenzwert erreicht bzw. unterschreitet,
durch Ansteuerung des Flip-Flops 20' eine Sperrung der zweiten
Endstufe
40 bewirkt, so dass der Funkenstrom nunmehr von der den zweiten Energiespeicher
bildenden zweiten Zündspule der Zündspulenanordnung 32 geliefert wird. Auf diese
Weise wird erreicht, dass auch bei wechselnden Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine
immer die grösste mögliche Funkendauer erzielt wird.
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Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Offenzeit und der Schliesszeit
für die beiden Endstufen 28 (Kurve a) und 40 (Kurve b) der Zündanlage gemäss Fig.
2. Ausserdem zeigt Fig. 5 in den Kurven c und d den zeitlichen Verlauf des Funkenstroms
iF bei starker bzw. schwacher Turbulenz des zu zündenden Gemisches.
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Die Zündanlage gemäss Fig. 3 ist wieder sehr ähnlich aufgebaut wie
die Zündanlage gemäss Fig. 1, jedoch mit dem Unterschied, dass anstelle des Mono-Flops
20 ein Flip-Flop 20' vorgesehen ist und dass in die Leitung zwischen der Schliesswinkelsteuerschaltung
16 und dem Flip-Flop 20' - die Leitungsabschnitte sind in Anlehnung an Fig. 1 und
2 mit 18a und 18b bezeichnet -ein astabiler Multivibrator 72 eingefügt ist.
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Bei der Zündanlage gemäss Fig. 3 werden die beiden Endstufen 28,40
mit Beginn der Schliesszeit wieder gemeinsam eingeschaltet. Mit dem Abschalten der
ersten Endstufe 28 beginnt der astabile Multivibrator 72 zu schwingen, und zwar
mit einer Frequenz, die der möglichen Wiederaufladezeit der Spulen angepasst ist.
Nunmehr steuert der astabile Multivibrator 72 das Flip-Flop 20', welches seinerseits
die Endstufen 28,40 über ihre zugeordneten Treiber 24 bzw. 36 alternierend aus-
und einschaltet.
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In Fig. 6 ist der zeitliche Verlauf des Spulenstroms iA für die Endstufen
28 und 40 der Zündanlage gemäss Fig. 3 durch die Kurven a und b dargestellt. Dabei
ist von einer Schwingfrequenz des astabilen Multivibrators 72 von 10 kflz ausgegangen,
die zu einer Periodendauer T von 100 ps führt, wobei diese Zeit gleichzeitig als
Wiederaufladezeit tw für die Spulen der Spulenanordnung 32 zur Verfügung steht.
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Bei der Ansteuerung der Endstufen 28 und 40 gemäss den Kurven a und
b in Fig. 6 ergibt sich bei starker Turbulenz des zu zündenden Gemisches ein Verlauf
des Funkenstroms i gemäss der F -Kurve c in Fig. 6, während der Funkenstrom bei
schwacher Türbulenz den in der Kurve d der Fig. 6 gezeigten Verlauf hat.
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Bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel ist die Frequenz des astabilen
Multivibrators 72 so hoch gewählt, dass die Spulen der Spulenanordnung 32 bei Sperrung
ihrer zugeordneten Endstufen 28,40 nur teilweise entladen sind , wobei der Grad
der Entladung im Einzelfall von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine abhängig
ist. Diese Teilentladung hat zur Folge, dass der Spulenstrom, wie dies aus den Kurven
a und b der Fig.
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6 deutlich wird, beim Schliessen bzw. Durchschalten der Endstufen
28,40 jeweils sofort auf einen gewissen Wert springt und dann in üblicher Weise
bis zu dem durch die Stromregelschaltung 50 vorgegebenen Endwert ansteigt (Ausnutzung
des Restspeicherprinzips). Durch das Einspeichern von Energie in die eine Spule
während des Entladevorgangs der anderen Spule entsteht bei der Zündanlage gemäss
Fig. 3 ein kontinuierlicher, sägezahnförmiger Funkenstrom, der solange anhält, wie
der astabile Multivibrator 72 schwingt, nämlich solange, bis der astabile Multivibrator
72 beim Beginn der nächsten Schliesszeit durch die Schliessvinkelsteuerschaltung
16 gesperrt wird. Es kann sber
auch eine nicht dargestellte Funkendauerbegrenzung
vorgesehen werden, zu: Beispiel Begrenzung auf einen bestitnten Winkel.
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Aus der vorstehenden Erläuterung der Zündanlage gemäss Fig. 3 in Verbindung
mit Fig. 6 der Zeichnung wird deutlich, dass bei Vorgabe einer geringeren Frequenz
für den astabilen Multivibrator 72 entsprechend grössere Wiederaufladezeiten tw
für die Spulen der Zündspulenanordnung 32 erreicht werden können, wobei dann aber
je nach dem wie weit die Frequenz des astabilen Multivibrators 72 abgesenkt wird,
insbesondere bei starker Turbulenz, damit gerechnet werden muss, dass sich kein
kontinuierlicher Funkenstrom ergibt, sondern eine Folge von mehr oder weniger weit
auseinanderliegenden Zündimpulsen. Andererseit.
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kann bei verringerter Frequenz des astabilen Multivibrators 72 erreicht
werden, dass der Spulenstrom zu Beginn der Einschaltphase, wenn überhaupt, nur auf
einen relativ kleinen Wert springt wodurch die Gefahr einer thermischen Überlastung
der Zündspulen und/oder der Endstufen verringert wird. Versuche haben gezeigt, dass
selbst bei einer Verlängerung der Periodendauer der Multivibratorschwingung bis
auf 1,5 ms auch bei starker Turbulenz des zu zündenden Gemisches von einer Zündanlage
gemäss Fig. 3 noch eine ausreichende Zündenergie bereitgestellt wird.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert,
bei welchen jeweils zwei Energiespeicher in Form sekundärseitig entkoppelter Zündspulen
vorgesehen sind. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf den Einsatz von
zwei Energiespeichern beschränkt ist und dass folglich auch drei oder mehrere Energiespeicher
vorgesehen werden können, was jedoch im allgemeinen nicht erforderlich sein dürfte,
da bereits zwei Energiespeicher die Beherrschung sehr hoher Zündzahlen unter Bereitstellung
hoher Zündenergien pro Zündvorgang ermöglichen. Weiterhin ist darauf hinzuweisen,
dass erfindungsgemäss
als Zündspeicher nicht nur Zündspulen eingesetzt
werden können, obwohl diese, wie dies aus der vorstehenden Beschreibung deutlich
wird, besonders günstig sind, sondern auch kapazitive Speicher und gegebenenfalls
Kombinationen von kapazitiven und induktiven Speichern.