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Elektrische Zündanlage für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine elektrische Zündanlage für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine
mit einer primärseitig durch Gleichstrom oder Wechselstrom erregten Zündspule, einer
unterbrechergesteuerten oder kontakt los gesteuerten Schaltungsanordnung, die den
die Primärwicklung der Zündspule umfassenden Stromkreis unterbricht und schließt,
sowie ggf. mit einer Verteilereinrichtung zur Spannungsversorgung mehrerer Zündkerzen
der Maschine.
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Konventionelle Zündanlagen für fremdgezündete Brennkraftmaschinen
haben z.B. die allgemeinen Nachteile, daß der Verschleiß an der Unterbrechereinrichtung
erheblich ist, was eine regelmäßige Wartung bedingt, und daß bei Feuchtigkeit und
hohen Motordrehzahlen aus bekannten Gründen mit einer verminderten Zündfähigkeit
der Zündanlage gerechnet werden muß. Zur Vermeidung oder Verminderung dieser Nachteile
sind elektronische Zündanlagen entwickelt worden, die einen zeitgerechten und hohen
Zündspannungsimpuls erzeugen, der ein sicheres Zünden des Brennstoffgemisches bei
hohen Motordrehzahlen und eine
erhebliche Herabsetzung des Verschleißes
der Unterbrechereinrichtung bewirkt. Im unteren Motordrehzahlenbereich wird eine
zufriedenstellende Zündfunktion nur dann erzielt, wenn eine besondere und sehr sorgfältige
Anpassung der Zündanlage an den Vergaser des Motors bzw. der Brennkraftmaschine
vorgenommen wird. Hierzu muß der Vergaser so eingestellt werden, daß das Brennstoffgemisch
im unteren Dreh zahlenbere ich relativ fett ist, da die Zündfunken-Brenndauer bei
elektronischen Zündanlagen sehr kurz ist. Ein fettes Gemisch bedingt aber höheren
Benzinverbrauch, und wegen der mangelhaften Verwirbelung des Gemisches im unteren
Drehzahlenbereich, insbesondere beim Leerlauf, ergibt sich eine schlechte Gemischverbrennung
mit der Folge einer höheren Schadstoffemission.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Zündanlage
der angegebenen Art, mit der es unter Beibehaltung der sicheren Zündfunktion bei
hohen Motordrehzahlen möglich ist, auch im unteren Motordrehzahlenbereich ein relativ
mageres Brennstoffgemisch sicher zu zünden. Weiterhin soll die Zündanlage auch insofern
weitergebildet werden, daß im Fall einer üblicherweise mit muskularer Anlaßhilfe
in Betrieb gesetzte Brennkraftmaschine die erforderliche Muskelkraft wesentlich
herabqesetzt ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe geht von der einleitend angeführten
Zündanlage
aus und kennzeichnet sich dadurch, daß die Schaltungsanordnung während der einem
Zündvorgang zugeordneten, offenen Unterbrecherzeit bzw. einer analogen Zeitspanne
eine von der Drehzahl der Brennkraftmaschine unabhängige Impulsfolge mit festgelegten
Zeitintervallen zur Versorgung der Primärwicklung der Zündspule erzeugt, derart,
daß zumindest im unteren Drehzahlenbereich der Maschine an der jeweiligen Zündkerze
ein während der gesamten Dauer der erwähnten Zeit bzw.
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Zeitspanne anstehender Zündfunken gegeben ist.
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In Weiterbildung der Erfindung besteht ein Merkmal darin, daß die
Schaltungsanordnung einen Impulsformer zur Formung einer Rechteckimpulsfolge einschließt,
dessen bzw. deren Impulse ei-..e Dauer von im wesentlichen 0,3 Millisekunden und
einen Abstand voneinander von etwa 2,0 Millisekunden aufweisen. In weiterer Ausgestaltung
besteht ein Merkmal darin, daß im Falle der Verwendung einer Magnetzündungseinrichtung
die Schaltungsailurdnung als abschaltbarer Starthilfeschaltkreis ausgebildet ist,
der zusätzlich eine der Anordnung vorgeschaltete, von der Magnetzündeinrichtung
sensorisch oder unabhängig von dieser von einer Gebereinrichtung kontaktlos gesteuerte
Einrichtung zur Begrenzung der Zündfunkenbrenndauer umfaßt.
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Mit dieser Lösung wird im unteren Drehzahlbereich der Brenn-Kraftmaschine,
insbesondere beim Starten und im Leerlauf, ein
Zünden eines im wesentlichen
mageren Brennstoffgemisches erzielt, so daß der Brennstoffverbrauch erheblich gesenkt
und auch die auf eine ungenügende Verbrennung eines Gemisches zurückzuführende Schadstoffemission
weiter vermindert ist. Im wesentlichen wird dies durch einen im unteren Drehzahlbereich
während eines Zündvorganges zeitlich beträchtlich länger anstehenden Zündfunken
an den Zündkerzen erreicht. Die erfindungsgemäß gestaltete Schaltungsanordnung bewirkt
nun, daß unabhängig von der Motordrehzahl während der gesamten Offnungszeit des
Unterbrechers eine Impulsfolge aus Impulsen von sehr kurzer Dauer und mit solchem
Abstand voneinander erzeugt wird, daß ein Lichtbogen zwischen den Zündkerzenelektroden
während der gesamten Dauer der jeweils gegebenen öffnungszeit des Unterbrechers
bzw. einer analogen Zeitspanne bei kontaktlos angesteuerten Zündanlagen an der jeweiligen
Zündkerze ansteht. Die Schaltungsanordnung sichert, daß sich in der Zündspule immer
wieder ein starkes Magnetfeld aufbauen kann, um an der Sekundärseite der Zündspule
Zündimpulse von solchem Abstand und von solchem Spannungsbetrag zur Verfügung zu
haben, daß ein praktisch ununterbrochener Lichtbogen gegeben ist, der eine sichere
Entflammung des mageren Gemisches bei niedrigen Drehzahlen gewährleistet. Andererseits
ist aber auch die Entflammung des Gemisches bei hohen Drehzahlen gesichert, da auf
jeden Fall wenigstens ein Zündimpuls hoher Spannung zur Verfügung steht, der das
bei warmem Motor zündwillige Gemisch sicher zündet.
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In Weiterbildung bewirkt die Schaltungsanordnung, daß z.B. einzylindrige,
magnetgezündete Ottomotoren für beispielsweise Rasenmäher oder Mopeds leichter angelassen
werden können, da das muskuläre Ingangsetzen wesentlich erleichtert ist. Die Anordnung
ist als Starthilfe ausgebildet, indem sie einer Magnetzündeinrichtung zu- und abschaltbar
zugeordnet ist. Es reichen nun schwache Impulse der Magnetzündeinrichtung aus, um
mittels der Schaltungsanordnung die angestrebte, vorerwähnte Impulsfolge aus hohen
Spannungsimpulsen zu erzeugen, um dadurch ein leichtes und sicheres Zünden des Brennstoffgemisches
bei schwacher muskulärer Anlaßkraft zu gewährleisten.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in den anliegenden Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 das Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung,
Figur 2 eine Einzelheit aus Figur 1, Figur 3a,b von der Einzelheit erzeugte und
umgeformte Impulszüge, Figur 4a, Öffnungszeiten einer Unterbrechereinheit bei 700
b,c,d Schließwinkel, Figur 4e umgeformte Impulse bei hohen Motordrehzahlen, Figur
5 einen schematisch dargestellten Starthilfeschaltkreis, Figur 6 ein Zündspannungsdiagramm.
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Gemäß Figur 1 umfaßt das z.B. für einen Personenkraftwagen-Motor gedachte
Ausführungsbeispiel einer Batteriezündanlage zunächst die üblichen Bestandteile
wie Fahrzeugbatterie 1, Zündspule 2 mit Primärwicklung 2a und Sekundärwicklung 2b,
Verteilereinrichtung 3, Zündkerzen 4 sowie eine Unterbrechereinrichtung 5, die in
bekannter Weise einen Löschkondensator C aufweist. Die elektrische Verknüpfung dieser
Teile ist prinzipiell bekannt und braucht daher nicht erläutert zu werden.
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Zwischen dem positiven Ausgang des Unterbrechers 5 und dem einen Ende
der Primärwicklung 2a der Zündspule 2 ist eine elektronische Schaltungsanordnung
6 eingegliedert, die beim Starten von der Batterie 1, ansonsten von der üblichen
Lichtmaschine des PkW-Motors, mit Strom versorgt wird. Diese Schaltungsanordnung
steuert die Primärwicklung insofern unabhängig vom Unterbrecher 5, als daß dieser
nur den Beginn der Tätigkeit der Anordnung 6 steuert, welche Tätigkeit daher mit
dem sogendenten Zündzeitpunkt für das Brennstoffgemisch beginnt.
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Die Schaltungsanordnung 6 umfaßt eine vom Unterbrecher 5 beaufschlagte
Prellimpulssperre P, einen über die Sperre angesteuerten Impulsgenerator 7 zur Erzeugung
von Rechteckimpulsen, einen dann folgenden Impulsformer 8 zur Formung der Rechteckimpulse,
einen dem Former nachgeschalteten Verstärker 9 sowie eine Abschaltautomatik 10,
die sowohl mit dem Former 8 als auch mit
dem Generator 7 verschaltet
ist, um letzteren zwecks Schonung der Zündspule bei stillstehendem Motor z.B. nach
0.7 Sekunden abzuschalten.
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Der Impulsgenerator erzeugt einen Impulszug, dessen Rechteckimpulse
gemäß Figur 3a eine Zeitdauer von 1 Millisekunde und einen Anstiegsflankenabstand
von 2 Millisekunden aufweist.
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Durch den Former 8 werden die Impulse gekürzt auf etwa ein Drittel,
z.B. auf 0,3 Millisekunden, wobei der Anstiegsflankenabstand von 2 Millisekunden
erhalten bleibt (Figur 3b). Die so geformten Impulse werden durch den Verstärker
9 der Primärspule 2a der Zündspule 2 verstärkt zugeleitet, so daß in der Sekundwrwicklung
2b die gewünschten Hochspannungsimpulse entstehen.
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Hierzu wird eine Zündspule verwendet, die 30000 Funken pro Minute
leisten kann, so daß alle 0,2 Millisekunden ein Sekundärspannungsimpuls abgegeben
werden kann. Aus der Gegenüberstellung der Impulse der Figuren 3a und 3b erkennt
man, daß eine Zeit von 0,7 Millisekunden gewonnen wird, so daß insgesamt etwa eine
Zeit von 1,7 Millisekunden zur Verfügung steht, während der sich das Magnetfeld
in der Zündspule 2 wieder so stark aufbauen kann, um einen sehr'hohen weiteren Sekundärspannungsimpuls
von z.B. 25 kV erzeugen zu können. Bei diesen Sekundärspannungsimpulsen entsteht
an der Zündkerze ein Lichtbogen, der nach etwa 2 Millisekunden zu Erlöschen droht,
aber durch einen neuen Sekundärimpuls der Zündspule wieder gestützt wird, usw.
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An der Zündkerze steht somit praktisch ein Lichtbogen (Zündfunken)
so lange an, wie der Unterbrecher 5 geöffnet ist..
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Handelt es sich um einen Mehrzylindermotor, so wird die Sekundärspannungsimpulsfolge
der Zündspule 2 mittels der Verteilereinrichtung 3 auf die vorbestimmte Zündkerze
4 weitergeleitet, um das Brennstoffgemisch zu zünden.
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Figur 4a stellt die Öffnungszeit des Unterbrechers 5 bei 700 Schließwinkel
während des Startvorganges dar, wobei der Unterbrecher ursächlich durch den üblichen
elektromotorischen Anlasser und mit Hilfe der bekannten Verteilerwelle 3a in Umdrehung
versetzt wird. Die Anlaßdrehzahl beträgt etwa 100 U/min, was zu einer Öffnungsdauer
des Unterbrechers von etwa 117 Millisekunden führt. Man erkennt im Vergleich zu
Figur 3b, daß während dieser Öffnungszeit eine Vielzahl von Spannungsimpulsen an
die jeweilige Zündkerze 4 abgegeben werden kann, anstatt daß nach dr. Stand der
Technik nur ein Spannungsimpuls erteilt wird. Demgemaß kann das Brennstoffgemisch
auch beim Startvorgang relativ mager sein und wird trotzdem sicher gezündet. Figur
4b zeigt die Öffnungsdauer des Unterbrechers 5 bei einer Leerlaufdrehzahl des Motors
von etwa 900 U/min; sie beträgt etwa 13 Millisekunden. Hier können z.B. sechs Spannungsimpulse
während dieser Zeit abgegeben werden, die ebenfalls ein sicheres Zünden eines mageren
Leerlaufgemisches gewährleisten.
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Die Figuren 4c und 4d stellen die Öffnungsdauer des Unterbrechers
bei Motordrehzahlen von 3000 und 6000 U/min dar. Man erkennt, daß bei 3,9 Millisekunden
bzw. 1,9 Millisekunden zwei Impulse bzw. ein Impuls möglich sind bzw. ist, um das
bei diesen Drehzahlen überlicherweise magere Gemisch sicher zu zünden.
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Die Gegenüberstellung der Figuren 4d und 4e zeigt, daß der theoretische
Zeitgewinn von etwa 7,6 Millisekunden ein frühere Wiedererstehen des Magnetfeldes
in der Zündspule bewirkt. Aufgruiid der Unterbrecherträgheit ist der Zeitgewinn
noch größer, so daß auch im Drehzahlbereich von etwa 6000 U/min das Brennstoffgemisch
mittels einer vorschlagsgemäß ausgestatteten konventionellen Zündanlage besser gezündet
werden kann. Man sieht dies besonders anschaulich aus Kurve 1 in Figur 6, wo bei
einer Funkenzahl von 30000/min noch eine Zündspannung von etwa 15 kV vorhanden ist.
Eine handelsübliche, unterbrechergesteuerte Transistor-Zündanlage (Kurve 2) dagegen
erreicht bei einer Drehzahl von 6000/min und einer Spannung von 15 kV nur eine Funkenzahl
von etwa 20000/min. Die Transistor-Zündanlage gibt jedoch je Zündvorgang nur einen
relativ kurzen Zündfunken ab.
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Gemäß Figur 2 wird die Schaltungsanordnung 6 durch den Unterbrecher
5 kontaktgesteuert. Die Ansteuerung der Anordnung 6 kann alternativ auch kontaktlos
erfolgen; z.B. durch eine Gebereinrichtung bekannter Art, die analog zu den Öffnungszeiten
des Unterbrechers letztlich die Länge der Impulsfolgen bestimmt.
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Figur 5 zeigt einen Schaltkreis 11, in den die Schaltungsanordnung
6 als Starthilfe eingegliedert ist, wenn für das Starten eines Motors kein von der
Fahrzeugbatterie betriebener, üblicher elektrischer Anlaßmotor (Anlasser) verwendet
wird, sondern eine Magnetzündanlage, die üblicherweise muskulär betätigt wird. Dies
ist z.B. bei Rasenmähermotoren oder bei Motoren für Kleinkrafträder (Mopeds) der
Fall, die mittels Hand- bzw. Fußkraft gestartet werden.
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Der kontaktlos angesteuerte Schaltkreis 11 weist einen Sensor 12 auf,
der einer Magnetzündeinrichtung 13 zugeordnet ist, die elektrisch mit einem Umschalter
14 verbunden ist, über den die Zündspannungsimpulse der Zündkerze eines einzylindrigen
Motors direkt oder einer Verteilereinrichtung zugeleitet werden.
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Zu Startzwecken wird der Umschalter 14 auf den Schaltkreis 11 eingestellt.
Der Sensor 12 leitet die von der Magnetzündeinrichtung 13 empfangenden Impulse an
ein Zeitglied 15, das die Impulse an die Schaltungsanordnung 6 weiterleitet. Hier
werden die Impulse wie weiter vorstehend beschrieben geformt und gelangen erheblich
spannungsverstärkt über den Umschalter 13 zur Zündkerze. Das Zeitglied-15, das ebenfalls
wie die Anordnung 6 zu Startzwecken von einer vorteilhaft wiederaufladbaren Trockenbatterie
16 mit einer Leistung von etwa 2 Ah bei 12 Volt gespeist wird, schaltet nach etwa
30 Millisekunden ab und begrenzt dadurch den Zündfunken zeitlich, um das Gemisch
bei einem Zwei-
taktmotor nicht frühzeitig zu zünden. Die Drehzahlen
von mit einem solchen Schaltkreis 11 zu startenden Motor sollten 1000 U/min bei
einem Zweitaktmotor und 2000 U/min bei einem Viertaktmotor nicht überschreiten.
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Alternativ kann statt des Sensors 12 auch eine von der Magnetzündeinrichtung
13 unabhängig arbeitende Gebereinrichtung aus zwei Gebern (nicht dargestellt) verwendet
werden, die eine der Öffnungszeit eines Unterbrechers vergleichbare Analogzeit bestimmt,
wobei das begrenzende Zeitglied 15 dann aus einem Flip-Flop bestehen kann.
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Nach erfolgtem Start des Motors wird der Umschalter von Hand unverzüglich
umgestellt, so daß nun die Magnetzündeinrichtung 12 den Motor in konventioneller
Weise allein zündet.
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Der Schaltkreis 11 gewährleistet, daß auch bei Anlaßdrehzahlen von
erheblich unter 100 U/min, wie sie beim schwachen muskulären Anlassen eines kleineren
Motors gegeben sind, eine sichere Entflammung des Brennstoffgemisches beim Startvorgang
gegeben ist. Personen, die durch eine körperliche Beeinträchtigung die sonst relativ
hohe Muskelkraft zum Starten eines fraglichen Benzinmotors nicht mehr aufbringen
können, ist durch den Schaltkreis 11 eine vollwertige Anlaßhilfe gegeben.
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