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Funkentstörte Zündanlage für ein
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Kraftfahrzeug Beschreibung Die vorliegende Erfindung bezieht sich
auf eine Zündanlage für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges und im einzelnen
auf eine Zündanlage mit einem Verteiler zum Verteilen der Zündungsenergie über entsprechende
Hochspannungskabel an jede Zündkerze innerhalb eines entsprechenden Zylinders des
Motors, wobei der Verteiler, die Zündkerzen und die Hochspannungskabel so konstruiert
sind, daß die Ab strahlung hochfrequenter Störsignale durch die Zündanlage verhindert
wird.
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Eine in einem Kraftfahrzeug installierte Zündanlage für einen Motor
umfaßt im wesentlichen einen Verteiler, Zündkerzen und Hochspannungskabel. Zum Zeitpunkt
der Funkencntladung fließt ein Strom hoher Stromstärke mit einer kurzen Anstiegszeit
durch den Verteiler und die Zündkeze, um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in einem Motor-Verbrennungsraum
zu entzünden. Der Strom hoher Stromslärke erzeugt Störsignale, welche Fernmeldeverbindunw;en
und Radioeinrichtungen etc. stören. Die Erzeugung derartige Störsignale ist aufgrund
der wachsenden Zahl von Kraftfahrzeugen zu einem allgemeinen Problem geworden. Einige
Länder haben Gesetze erlassen, die die Ab strahlung elektromagnetischer Störsignale
von Kraftfahrzeugen untersagen. Unter diesen Umständen ist als Maßnahme zur Verhinderung
oder Reduzierung von hochfrequenten Störsignalen der Einbau eines Widerstandes in
jede Zündkerze oder eines Drahtwiderstandes in jedes Hochspanriungskabel allgemein
üblich geworden. In den letzten Jahren jedoch sind dic Bestimmungen gegen Erzeugung
von Störsignalen strenger geworden, und derartige
Maßnahmen, wie
sie oben beschrieben sind, können diesen Bestimmungen nicht genügen.
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Um diesen strengen BedingunJen zu genügen, ist es notwendig, Maßnahmen
gegen die Erzeugung von Störsignalen auch in den Verteiler aufzunehmen. Beispielsweise
sind einige Verteiler so konstruiert, daß der Spalt zwischen einer Läuferelektrode
und den feststehenden Elektroden größer als in herkömmlichen Verteilern oder daß
eine Entladungsfläche der Läuferelektrode mit einem Metalloxid beschichtet ist.
Derartige Verteilerarten sind durch eine unzureichende Wirkung auf die Verhinderung
von Störsignalen gekennzeichnet. Insbesondere weist der vorhergehende Verteiler
einen größeren Energieverlust am Spalt auf, so daß ein anderes Problem inr)ofern
auftritt, als höhere Spannung zur Speisung der Zündkerzen erforderlich und Verhinderung
von Hochspannungsverlusten schwieriger ist.
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Eingedenk des oben beschriebenen Problems, ist es Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Zündanlage für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, die ohne nachteiligen
Effekt hinsichtlich der Motorleistung eine vorteilhafte Wirkung auf die Verhinderung
der Störsignalausbreitung aufweist Dies kann dadurch erreicht werden, daß ein Verteiler
mit einer Läuferelektrode aus einem keramischen Aluminiumoxid-Halbleitermaterial
(im folgenden als eine keramische Aluminiumoxid-Elektrode bezeichnet), weiterhin
einen Widerstand aufweisende Zündkerzen mit einer beträchtlich längeren Widerstandsstrecke
als herkömmliche Zündkerzen sowie ein mit einem Widerstand ausgerüstetes Hochspannungskabel
vorgesehen sind.
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Die Merkmale und Vorteile der die Störsignalausbreitung gemäß der
vorliegenden Erfindung verhindernden Zündanlage werden zum besseren Verständnis
nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Gleiche
Bezugszeichen
bezeichnen einander entsprechende Bauteile.
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Es zeigt Fig. 1(A) ein elektrisches Schaltschema, dssein Beispiel
einer Zündanlage für einen Verbrennungsmotor darstellt, Fig. 1(B) eine teilweise
im Schnitt dargestellte Ansicht eines Verteilers und einer Zündkerze in einer ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellenden Zündanlage für einen
Motor, und Fig. 2 ein Diagramm, das die Beziehungen zwischen der Feldstärke (dB)
und der Störsignalfrequenz (MHz) einer erfindungsgemäßen Zündanlage im Vergleich
zu einer herkömmlichen An lage darstellt.
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Im folgenden wird zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung
auf die Zeichnung Bezug genommen.
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Als erstes zeigt Fig. 1(A) ein Beispiel einer Zündanlage für einen
4-Zylinder-Verbrennungsmotor. Eine derartige Zündanlage umfaßt eine Batterie 3,
die niedrige Gleichspannung liefert, ferner eine Zündspule IC mit einer Primärwicklung
Lp und Sekundärwicklung Ls, welche beide mit jeweils einem Ende gemeinsam geerdet
sind; weiter einen üblicherweise innerhalb eines Verteilers D angeordneten Unterbrecher
INT SW, der synchron mit der Motordrehzahl öffnet und schließt; fernerhin einen
Verteiler D mit einer Läuferelektrode R und vier feststehenden Elektroden zum Verteilen
eines in der Zündspule IC erzeugten ochspannungsstoßes an jede Zündkerze Pl bis
P4; und Hochspannungskabel HC, welche jede der vier feststehenden Kontaktelektroden
mit den zugeordneten Zündkerzen P1 bis P4 verbinden.
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Fig. 1(B) zeigt den inneren Aufbau des Verteilers D und einer der
Zündkerzen P1 bis P4, welche in der Zündanlage
eines bevorzugten
Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Eine Zündkerze
1 mit einer langen Widerstandsstrecke ist in jedem Zylinder eines die erfindungsgemäße
Zündanlage aufweisenden Verbrennungsmotors vorgesehen. Darüber hinaus ist ein Verteiler
24 vorgesehen, der eine Mehrzahl von jeweils einer Zündkerze 1 zugeordneten feststehenden
Kontaktelektroden 17 und eine keramische Aluminiumoxid-Elektrode 21 aufweist, welche
letztere derart angeordnet ist, daß sie rotiert und aufeinanderfolgend an jeder
der feststehenden Elektroden 17 synchron mit der Motordrehzahl vorbeiläuft. Der
Verteiler 24 umfaßt weiterhin mehrere Itochspannungskabel 13, die jeweils eine feststehende
Elektrode 17 und eine Zündkerze 1 bzw. eine zentrale Elektrode 16 und die in Fig.
1(B) nicht dargestellte Zündspule IC verbinden und ein Widerstandselement zur Dämpfung
der hochfrequenten Störsignale aufweisen.
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Die Zündkerze 1 (eine typische Zündkerze der in Fig. 1(A) gezeigten
Zündkerzen P1t bis P4) umfaßt ein am unteren Ende der Zündkerze 1 angeordnetes Zündkerzen-Einschraubteil
2 zum Einschrauben der Zündkerze 1 in den zugeordneten Zylinder; ferner einen monolithischen
Widerstand 7 mit einer Länge i von 8 mm oder mehr und einem Widerstand im Bereich
von beispielsweise 3 bis 7 kiloohm, so daß der Widerstand im wesentlichen ohne Einfluß
auf die Zündcharakteristik ist; und weiterhin eine Entladungselektrode 4 aus einer
Nickellegierung beispielsweise, die über den monolithischen Widerstand 7 mit der
aus Kupfer beispielsweise bestehenden Zentralelektrode 8 verbunden und am unteren
Ende der Zündkerze 1 angeordnet ist.
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Während eine herkömmliche Zündkerze einen Widerstand mit einer Länge
evon 5 bis 6 mm aufweist, ist die Zündkerze 1 mit einem Widerstandion einer Länge
von mehr als 8 mm und vorzugsweise etwa l5mmausgerüstet. Es wird darauf hingewiesen,
daß in der in Fig. 1(B) dargestellten
Zündkerze 1 das Bezugszeichen
3 eine geerdete Elektrode, das Bezugszeichen 5 einen Dichtring, das Bezugszeichen
6 ein Dichtungsmaterial aus einem leitfähigen Stoff und das Bezugszeichen 9 ein
Gehäuse bezeichnen.
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Der Verteiler 24 umfaßt eine Welle 14, Gummikappen 15, eine Zentralelektrode
16 feststehende Elektroden 17, Feder 18, einen Kontaktgeber 19, eine keramische
Aluminiumoxid-Elektrode 21, einen Läufer 22 und eine Kappe 23. Weiterhin ist mit
dem Bezugszeichen 20 eine Entladungsstrecke zwischen der keramischen Aluminiumoxid-Elektrode
21 und den feststehenden Elektroden 17 bezeichnet. Es wird darauf hingewiesen, daß
die Welle 14 mit der Nockenwelle des Verbrennungsmotors gekuppelt ist.
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Die am Läufer 22 angebrachte keramische Aluminiumoxid-Elektrode 21
rotiert synchron mit der Motordrehzahl.
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Jede der feststehenden Elektroden 17 ist mit einer der Zündkerzen
des Motors elektrisch verbunden. Die keramische Aluminiumoxid-Elektrode 21 ist derart
angeordnet, daß sie durch die Entladungsstrecke 20 vor jeder feststehenden Elektrode
17 hindurchläuft. Die LäuSerelektrode besteht aus keramischen Aluminiumoxid-Halbleitermatexial
gemäß der vorliegenden Erfindung. jede Entladungsstrecke ist ungefahr o,8mmlang.
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Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Aluminiumoxid-Halbleitermaterial
unter Angabe einiger physikalischer Eigenschaften beschrieben.
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Eine geringe Menge eines Bindemittels wie Magnesia (Magnesiumoxid)
(MgO) beispielsweise wird in ein Pulver eingemischt, weiches durch Oxidation eines
Aluminiumsalzes wie Aluminiumhydroxid beispielsweise hergestellt wurde.
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AnschlieSend wird eine kleine Menge Titaniumdioxid (TiOp hinzugefügt,
um elektrische Leitfähigkeit zu erzielen.
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Die Mischung wird dann in einer oxidierenden Atmosphäre bei einer
Temperatur oberhalb 20000C gesintert. Die
gesinterte Mischung wird
in eine Stickstoff- oder andere reduzierende Atmosphäre, die Wasserstoff enthält.
und eine Temperatur zwischen 15000C und 20000C aufweist, gebracht und für 10 bis
48 Stunden reduziert. Das Ergebnis ist ein keramisches Alurainiumoxid-llalbleLtermaterial.
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Die Leitfähigkeit von keramischen Aluminiumoxid ist im wesentlichen
bedingt durch die Reduktion von Titaniumdioxid (TiO2). Während des Reduzierens von
itaniumdioxid (TiO2) werden Sauerstoff-Ionen abgegeben, so daß die verbleibenden
überschüssigen Elektronen Beweglichkeit und das gleiche Phänomen der Elektrizitätsleitung
wie innerhalb eines kristallinen Metalls aufweisen.
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Das in oben beschriebener Weise hergestellte kramische Aluininiumoxid-Halbleitermaterial
kann eine geschichtete Struktur aufweisen, in welcher eine einen hohen Widerstand
aufweisende Schicht von Aluminiumoxid und halbleitende Mischkristall-Schichten aus
Aluminiumoxid und Titaniumdioxid abwechseln. Die Entladefläche der Läuferelektrode
besteht aus einem leitfähigen Element und einem Element mit hohem Widerstand. Mit
einer derartigen Struktur kann die Absenkung der Entlade-Schwellenspannung erzielt
werden. In der Läuferelektrode ist aufgrund der elektrostatischen Kraft an der örtlichen
Hochwiderstands-Schicht ihrer Oberfläche eine elektrische Ladung mit einer den feststehenden
Ele'Uroden entgegengesetzten Polarität gebunden. Die gebundene Raumladung erzeugt
ein starkes elektrisches Feld an der Elektrodenoberfläche, so daß eine leichte Entladung
vor der Hauptentladung zwischen der Läuferelektrode und den feststehenden Elektroden
auftritt. Eine derartige Entladung kann zu einer Verringerung der Hauptentladungs-Schwellenspannung
führen. Ein Verteiler mit keramischen Aluminiumoxid gemäß der vorliegenden Erfindung
wurde einem Dauerversuch von etwa 1o0 ooo km unterworfen. Dabei wurde keine übermäßige
Abnutzung oder Zersetzung der Elektroden
festgestellt. DarUber
hinaus weist keramisches Aluminiumoxid eine hohe Druckfestigkeit, keine Rißbildung,
kein Splittern oder Kriechen während des Zusammenbaus auf.
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Weiterhin werden fuJlkentstörte Hochspannungskabel 13 verwendet, um
die feststehenden Elektroden 17 mit den zugeordneten, einen Widerstand aufweisenden
Zündkerzen 1 und die zentrale Elektrode 16 mit der Sekundärwicklung der Zündspule
(nicht dargestellt in Fig. 1(B)) zu verbinden. Derartige funkentstörte Hochspannungskabel
sind im Handel erhältlich. Sie bestehen aus Drähten 10, die mit Kohlenstoff imprägniert
und mit einem Drahtgeflecht 12 ummantelt sind, einer isolierenden Umhüllung 11 und
einem schlauch 13 aus Silikongummi.
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Der Funkentstörungseffekt wird der Filterwirkung der Kombination einer
Kapazität zwischen dem monolithischen Widerstand 7 jeder Zündkerze 1 und dem Verteiler
24 und dem Widerstand des monolithischen Widerstandes 7 zugeschrieben. Obwohl der
Hochfrequenstrom durch die Kapazität in das Einschraubteil 2 jeder Zündkerze 1 fließt,
weist der tatsächliche monolithische Widerstand 7 eine parallele Kapazität entlang
seiner Länge zwischen der EntladungselektDde 4 und der Zentralelektrode 8 auf.
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Deshalb fließt der Hochfrequenzstrom durch die parallele Kapazität
in das Hochspannungskabel 13 unter Vermeidung der Filterwirkung des monolithischen
Widerstandes 7, wenn die parallele Kapazität groß ist. Bei kleiner paralleler Kapazität,
d.h bei einer großen Länge / des monolithischen Widerstands 7 fließt der größte
Teil des Hochfrequenzstroms durch die Kapazität zwischen dem Einschraubteil 2 und
dem monolithischen Widerstand 7.
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Unter Berücksichtigung der Gesamtlänge und der Entladungsspannung
jeder Zündkerze 1 ist die Länge des monolithischen Widerstands 7 vorzugsweise 15
mm.
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Experimentelle Ergebnisse zeigen, daß der Verteiler 24 mit einer keramischen
Aluminiumoxid-Läuferelektrode 21
die Entlade-Schwellenspannng und
hochfrequente Störsignalanteile beträchtlich reduziert. Die Wirkung funkentstörter
Hochspannungskabel ist bekannt. Die Ausbreitung von Störsignalen wird jedoch nur
wenig verringert,wenn diese Teile inaividuell verwendet werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine beträchtliche Wirkung auf
die Verringerung der S-törsignalausbreitung infolge eines Synergismus erzielt, wenn
diese Teile zusammen verwendet werden.
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Fig. 2 zeigt die Feldstärke der Störsignale, aufgetragen über der
Frequenz des Entladcstromes an den Zündkerzen.
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Die durchgezogne Linie 25 stellt die Charakteristik der erfindungsgemäßen
Zündanlage dar. Die gestrichelte Linie 26 stellt die CharaBtristiR der Zündanlage
dar, die lediglich den in Fig. 1(B) gezeigten Verteiler aufweist.
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Die strich-punktiere Linie 27 stellt die Charakteristik der Zündanlage
dar, in welcher lediglich die Hochspannungskabel 13 verwendet werden. Die strich-doppelpunktierte
Linie 28 zeigt die CharakteristikeinerZündanlage mit den einen langen Widerstand
aufweisenden Zündkerzen 1. Jede der in Fig. 2 darges-tellten Zündanlagen ist in
einem 4-Zylinder-Motor mit einem Hubraum von insgesamt 1600 ccm installiert, welcher
in einem Kraftfahrzeug-Aufbau für Messungen der Feldstärke von Störsignalen montiert
ist. o dB in der graphischen Darstellung entsprechen 1/V/m.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, hat die erfindungsgemäße Zündanlage
eine beträchtliche Wirkung auf die Verringerung von Störsignalen, insbesondere in
Bändern höherer Frequenz. Im Vergleich zu den im vorhergehenden beschriebenen individuellen
funkentstörten Teilen, erzeugt die erfindungsgemäße Zündanlage Störsignale mit einer
um ungefähr 10 bis 3o dB geringeren Feldstärke.
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Wie e vorstehend beschrieben, hat eine Fahrzeug-Zündanlage, in welcher
jedes Teil Funkentstörungsmittel aufweist,
aufgrund des Synergismus
zwischen diesen Teilen eine beträchtliche Wirkung auf die Störsignalverringerung.
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Eine betr.ichtliche Verringerung der Störsignale kann ohne Verlust
des Zündenergie-Wirkungsgrades erzielt werden, weil der Widerstandswert des monolithischen
Widerstandes so niedrig ist, daß die Motorleistung nicht beeinflußt wird und die
Läuferelektrode des Verteilers mit keramischen Aluminiumoxid hergestellt ist, um
Zündenergieverluste zu vermeiden. Mit anderen Worten, Störsignale können erfindungsgemäß
durch einfache Verlängerung des monolithischen Widerstandes ohne Erhöhung seines
Widerstandswertes reduziert werden, und die Herabsetzung des Zündenergie-Wirkungsgrades
kann im Vergleich zum herkömmlichen Verteiler verhindert werden, weil die Läuferelektrode
eine Niederspannungs-Entladung aufweist. Deshalb kann mit der erfindungsgemäßen
Zündanlage dieFunkentzündung leise und wirkungsvoll durchgeführt werden.
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Es ist für den Pachmann selbstverstandlich, daß das vorstehend beschriebene
bevorzugte Ausführungsbeispiel abgewandelt werden kann, ohne vom Erfindungsgedanken
und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
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