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Zündsystem für eine Verbrennungskraftmaschine
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Priorität: 15. März 1983 Japan Nr. 44 83 4/1983 Beschreibung Die Erfindung
bezieht sich auf ein Zündsystem für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1. Derartige Systeme steuern den zeitlichen Beginn des Stromflusses
einer Primärwicklung einer Zündspule. Mit der Erfindung soll ein verbessertes Zündsystem
für eine Verbrennungskraftmaschine geschaffen werden, das den zeitlichen Beginn
des Stromflusses in Abhängigkeit von Änderungen einer Batteriespannung steuert.
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Ein bekanntes Zündsystem ist in der japanischen Patentanmeldung Nr.
54-25986 beschrieben. Bei diesem bekannten Beispiel ist die Zeitdauer während der
die Primärwicklung einer Zündspule einen Strom führt nicht von der Schaltfrequenz
eines Unterbrechers abhängig und folglich auch nicht von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine,
zumindest innerhalb eines gewissen Drehzahlbereiches der Verbrennungskraftmaschine.
Mit Ausnahme eines Drehzahlbereiches beim Starten kann die Zeitdauer für das Leiten
nicht verändert werden.
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Die US-PS 3,831,571 (H.F. Weber) zeigt ein Zündsystem mit einem elektrischen
Schaltkreis, der Impulse mit variablem Schließverhältnis an die Primärwicklung der
Zündspule liefert und zwar mit einer Geschwindigkeit, die kleiner ist als eine vorbestimmte
Drehfrequenz.
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Da die bekannten System wie oben beschrieben aufgebaut sind, haben
sie folgenden Nachteil: Ändert sich der Spannungswert einer Batterie, die als Energiequelle
für die Zündspule dient, kontinuierlich, um den notwendigen und richtigen Wert für
die Leitfähigkeitszeit der Primärwicklung der Zündspule einzustellen, so kann dieser
Änderung nicht vollständig Rechnung getragen werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Zündsystem für eine Verbrennungskraftmaschine
anzugeben, das den Startzeitpunkt des Primärstrom-Flusses einer Zündspule kontinuierlich
ändern kann und zwar in Abhängigkeit von kontinierlichen Änderungen der Spannung
einer Batterie, welche mit der Zündspule verbunden ist. Diese Aufgabe wird durch
die im Kennzeichenteil des Patentanspruches 1 angegebenen Merk-
male
gelöst. Im einzelnen enthält das System nach der Erfindung Einrichtungen, die Winkelstellungen
(z.B. der Kurbelwelle) der Verbrennungskraftmaschine erfassen, einen Integrierer,
der Eingangsgrößen in entgegengesetzten Richtungen integriert in Übereinstimmung
mit den Winkelstellungen der Maschine, einen Komparator, der das Ausgangssignal
des Integrators mit einer vorbestimmten Vergleichsgröße vergleicht, Einrichtungen
zum Starten des Stromflusses durch die Zündspule, wenn beide Signale des Vergleichs
ausgeglichen sind und Einrichtungen zum kontinuierlichen Ändern des Startzeitpunktes
des Primärstrom-Flusses der Zündspule in Abhängigkeit von dem Wert der Spannung
einer mit der Zündspule verbundenen Batterie.
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Die Detektor-Einrichtung erfaßt eine erste und eine zweite Winkelstellung.
Der Integrierer integriert in der einen Richtung mit einer ersten Zeitkonstante
von dem ersten Winkelwert bis zu dem zweiten Winkelwert und anschließend in der
entgegengesetzten Richtung mit einer zweiten Zeitkonstante von dem zweiten Winkelwert
zu dem ersten Winkelwert.
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Weiterhin wird nach der Erfindung ein Zündsystem für eine Verbrennungskraftmaschine
geschaffen, bei dem die erste Zeitkonstante des Integrierers - gültig von der ersten
Winkelstellung zu der zweiten Winkelstellung der Maschine - in Abhängigkeit von
dem Wert der Spannung einer mit der Zündspule verbundenen Batterie verändert wird,
wodurch der Startzeitpunkt des Primärstrom-Flusses durch die Zündspule kontinuierlich
geändert werden kann.
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Schließlich wird mit der Erfindung ein Zündsystem für eine Verbrennungskraftmaschine
geschaffen, bei
dem die zweite Zeitkonstante des Integrierers -
gültig für den Bereich zwischen der zweiten Winkelstellung und der ersten Winkelstellung
der Maschine -in Abhängigkeit mit dem Wert der Spannung einer mit der Zündspule
verbundenen Batterie verändert wird, wodurch der Startzeitpunkt des Primärstrom-Flusses
durch die Zündspule kontinuierlich verändert werden kann.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles
im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt: Figur 1 ein
Schaltbild eines Ausführungsbeispieles eines Zündsystems für die Verbrennungskraftmaschine
nach der Erfindung; Figur 2 (a) bis 2 (h) Zeitverläufe von Signalen zur Erläuterung
der Betriebsweise des Zündsystems für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß Figur
1; Figur 3 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Zündsystems
für eine Verbrennungskraftmaschine nach der Erfindung; und Figur 4 ein Diagramm
zur Erläuterung der Beziehung einer Bezugsspannung zu einer Batteriespannung bei
dem Zündsystem für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß Figur 3.
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Gleiche Bezugszeichen in den einzelnen Figuren bezeichnen gleiche
oder einander entsprechende Teile.
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Im folgenden wird jetzt ein Ausführungsbeispiel des Zündsystems für
eine Verbrennungskraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnung beschrieben. Figur 1 zeigt ein
Schaltbild dieses
Ausführungsbeispieles. In Figur 1 erfaßt ein Sensor 10 eine erste und eine zweite
Winkelstellung (der Kurbelwelle) der Maschine.
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Der Ausgang des Sensors 10 wird einem ersten Eingangsanschluß eines
Gatters 14 mit zwei Eingängen zugeführt und zwar über einen Inverter 12. Weiterhin
ist der Ausgang des Sensors 10 über einen Widerstand R7 mit der Basis eines Transistors
Ql verbunden.
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Ein Ladekreis 20, der einen Kondensator 18 auflädt, ist über Widerstände
R1 und R2, die in Reihe an den positiven Anschluß einer Batterie 22 angeschlossen
sind, geerdet. Der gemeinsame Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R1 und
R2 ist mit der Basis eines Transistors Q2 verbunden. Der Emiter des Transistors
Q2 ist über einen Widerstand R3 mit dem positiven Anschluß der Batterie 22 verbunden.
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Der negative Anschluß der Batterie 22 ist geerdet.
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Der Kollektor des Transistors Q2 ist über den Kondensator 18 geerdet
und mit dem invertierenden Eingangsanschluß (negativer Eingangsanschluß) eines Komparators
24 verbunden sowie auch mit dem Kollektor eines Transistors Q3 eines Entladeschaltkreises
30. Damit ist der Ladeschaltkreis 20 vollständig beschrieben.
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Der Entladeschaltkreis 30 dient zum Entladen der Ladungen des Kondensators
18 und ist über einen Widerstand R4 und Dioden D1, D2, die in Reihe an den positiven
Anschluß der Batterie 22 angeschlossen sind, geerdet. Der Verbindungspunkt P 1 zwischen
dem Widerstand R4 und der Diode D1 ist mit der Basis des Transistors Q3 verbunden.
Der Emiter des Transistors Q3 ist über einen Widerstand R5 geerdet. Die dioden D1
und D2 dienen als Konstantstromquelle zur Festlegung des Basispotentials des Transistors
Q3.
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Damit ist der Entladeschaltkreis 30 vollständig beschrieben.
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In diesem Entladeschaltkreis 30 ist der Knotenpunkt P1 mit dem Kollektor
eines Transistors Q1 verbunden.
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Der Emiter des Transistors Q1 ist geerdet. Dieser Transistor Q1 wird
dazu verwendet, den Betrieb bzw. das Stoppen des Entladeschaltkreises 30 zu steuern,
wobei er so arbeitet, daß er die Basisvorspannung des Transistors Q3 unterbricht.
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Weiterhin ist ein Bezugsspannungsteil 40 über eine Reihenschaltung
bestehend aus einem Widerstand R6 und einer Zenerdiode ZD geerdet, wobei diese Reihenschaltung
an den positiven Anschluß der Batterie 22 angeschlossen ist. Der Verbindungspunkt
zwischen dem Widerstand R6 und der Zenerdiode ZD ist mit dem nicht-invertierenden
Eingangsanschluß (positver Eingangsanschluß) des Komparators 24 verbunden, wodurch
eine konstante Bezugsspannung Vref an diesen nichtinvertierenden Eingangsanschluß
angelegt wird, wobei diese Bezugs spannung unabhängig von der Spannung der Batterie
22 ist.
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Der Ausgangsanschluß des Komparators 24 ist mit dem zweiten Eingangsanschluß
des Gatters 14 verbunden.
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Das Gatter 14 ist ein UND-Gatter, das an seinem Ausgang eine logische
"1" erscheinen läßt, wenn an seinen beiden Eingangsanschlüssen eine logische 1 anliegt
(bei positiver Logik stellt dies einen "hohen Pegeln dar, worauf im folgenden Bezug
genommen wird).
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Der Ausgangs anschluß des Gatters 14 ist mit der Basis eines Transistors
Q4 verbunden. Der Transistor Q4 wird durch den Ausgang des Gatters 14 angesteuert.
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Der Emiter des Transistors Q4 ist geerdet, während sein Kollektor
mit dem positiven Anschluß der Batterie 22 über die Primärwicklung einer Zündspule
42 verbunden ist. Obwohl nicht dargestellt, ist eine Zündkerze an die Sekundärwicklung
der Zündspule 42 angeschlossen.
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Der Strom durch die Primärwicklung der Zündspule 42 wird durch den
Transistor Q4 unterbrochen.
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Nachfolgend wird die Arbeitsweise des Zündsystems für eine Verbrennungskraftmaschine
nach der- Erfindung gemäß obiger Beschreibung unter Bezugnahme auf die Signalverläufe
der Figur 2 (a) bis 2 (g) beschrieben.
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Die Signalverläufe der Figuren 2 (a) bis 2 (g) stellen die Signale
an den mit den Symbolen a bis g in Figur 1 bezeichneten Teile dar.
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Zuerst wird in einem Abschnitt (Abschnitt K1) von der ersten Winkelstellung
bis zur zweiten Winkelstellung, die von dem Sensor 10 erfaßt werden, der Ausgang
des Sensors 10 zu einer "1". Folglich ist der Transistor Q1 eingeschaltet und spannt
die Basis des Transistors Q3 nicht vor. Dementsprechend arbeitet der Entladeschaltkreis
30 nicht. Hieraus folgt, daß der Kondensator 18 weiterhin durch einen Ladestrom
IC aufgeladen wird, wobei dieser Ladestrom durch den Ladeschaltkreis 20 bestimmt
wird (Figur 2 (b)).
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Es sei angenommen, daß die Erd-Emiter-Gleichstrom-Verstärkung h FE
des Transistors Q2 groß ist; der Ladestrom IC gehorcht dann folgender Gleichung:
R1 R1 + R2 VB = ICR3 + VBE(Q2) (1)
wobei R1 : der Widerstandswert
des Widerstandes R1 R2 : der Widerstandswert des Widerstandes R2 R3 : der Widerstnadswert
des Widerstandes R3 VB : die Spannung der Batterie 22 und VBE(Q2) : der Basis-Emiter
Spannungsabfall des Transistors Q2 ist.
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Hieraus folgt: 1 R1 IC = ( VB - VBE(Q2) ) (2) R3 R1 + R2 Darauffolgend
wird ein Abschnitt (Abschnitt K2) von der zweiten Winkelstellung zu der ersten Winkelstellung
von dem Sensor 10 erfaßt; der Ausgang des Sensors 10 ist während dieser Zeitdauer
auf einer logischen "0". Folglich ist der Transistor Q1 gesperrt bzw. abgeschaltet
und die Basis des Transistors Q3 mit Vorspannung versorgt. Daraufhin arbeitet der
Entladekreis 30.
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Hierbei wird der Kondensator 18 durch einen Entladestrom ID entladen,
wobei dieser Entladestrom durch die Beziehung zwischen dem Entladeschaltkreis 30
und dem Ladeschaltkreis 20 (Figur 2 (b)) bestimmt wird. Es sei angenommen, daß hFE
des Transistors Q3 groß ist. Der Entladestrom 1d gehorcht dann folgender Gleichung:
wobei R5 : Widerstandswert des Widerstandes R5 VF1: Vorwärts spannung der Diode
D1 und VF2: Vorwärtsspannung der Diode D2 ist.
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Darauffolgend wird das Aufladen und Entladen des Kondensators 18 zyklisch
wiederholt. Der Ausgang des Komparators 24 ist auf einer logischen "0", wenn die
Anschluß spannung des Kondensators 18 größer ist als die Bezugsspannung Vref und
wird zu einer logischen "1" im umgekehrten Falle. Dies ist in Figur 2 (c) dargestellt.
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Die logische Verknüpfung zwischen dem Ausgang des Komparators 24 und
dem invertierten (Figur 2 (d)) des Sensors 10 ist in Figur 2 (e) dargestellt und
erscheint als Ausgangssignal des Gatters (14).
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Wenn der Ausgang des Gatters 14 auf eine logische 1 angestiegen ist,
so wird der Transistors Q4 eingeschaltet und der Primärstrom der Zündspule 42 beginnt
zu fließen. Wenn danach der Ausgang des Gatters 14 zu einer logischen "0" invertiert
wird, so schaltet der Transistor Q4 in den "Aus"-Zustand, worauf der Primärstrom
der Zündspule 42 unterbrochen wird (Figur 2 (f)). Hierdurch wird in der Sekundärwicklung
der Zündspale 42 ein entsprechendes sekundäres Ausgangssignal (Figur 2 (g)) erzeugt.
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Es sei nun angenommen, daß die Batteriespannung 22 aus irgendeinem
Grunde abgesunken ist. Der Ladestrom IC verändert sich, d.h. IC verringert sich
mit der Verringerung von VB wie aus Gleichung (2) zu ersehen; umgekehrt ändert sich
der Entladestrom ID zwar wächst ID an (Figur 2 (h)) wenn VB sich verringert, wie
aus Gleichung (3) zu ersehen. Folglich ist offensichtlich, daß die in Figur 2 (b)
gezeigte Abbildung für das Laden und Entladen des Kondensators 18 beim Ladezustand
(Ic) flacher verläuft und beim Entladezustand (Id) steiler verläuft wie mit den
gestrichelten Linien dargestellt.
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Andererseits ist die Bezugsspannung Vref eine festgelegte Spannung,
die unabhängig von der Spannung der Batterie 22 ist. Im Ergebnis wird der Zeitpunkt
des Umschaltens des Ausganges des Komparators 24 von einer logischen "0" zu einer
logischen 1 früher auftreten als im Normalfalle. Wenn die Batteriespannung abgesunken
ist, so wird die Stromflußzeit des Primärstromes der Zündspule 42 länger.
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Dies bedeutet, daß der oben beschriebene Schaltkreis so wirkt, daß
er eine Verringerung des Sekuhdär-Ausganges der Zündspule 42, die durch eine Verringerung
der Batteriespannung hervorgerufen ist, kompensiert.
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Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß in umgekehrter Weise die
Schaltung auch so arbeitet, daß sie ein nutzloses oder manchmal sogar schädliches
Anwachsen des sekundären Ausgangs der Zündspule 42, das durch ein Ansteigen der
Batteriespannung hervorgerufen ist, verhindert.
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Das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung ist so aufgebaut,
daß sich bei Verringerung der Batterie 22 der Ladestrom Ic geringer verändert und
der Ladestrom Id mehr, wodurch die Zeitdauer des Primärstrom-Flusses durch die Zündspule
42 kontinuierlich verlängert. Allerdings kann das Zündsystems ebenso aufgebaut sein,
daß ein weiterer Steuertransistor, der in Abhängigkeit von dem Ausgang des Sensors
10 arbeitet, zusätzlich vorgesehen ist und daß der Ladestrom Ic gemäß obiger Beschreibung
daran gehindert wird, aus dem Ladeschaltkreis 20 zu fließen, was durch den zusätzlichen
Transistor bewirkt wird, wenn der Ausgang des Sensors 10 eine logische "0" ist.
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In diesem Fall nimmt der Ladestrom des Kondensators 18 den gleichen
Wert an, wie in der Gleichung (2) des obigen Ausführungsbeispieles beschrieben ist,
während der Entladestrom des Kondensators 18 von dem obigen Ausführungsbeispiel
abweicht und folgender Gleichung gehorcht: VF1 +VF2 -VBE(Q3) R4 In diesem Falle
wird, wenn sich die Batteriespannung verringert, lediglich der Ladestrom so verändert,
daß er größer wird, wodurch die Stromflußzeit des Primärstromes durch die Zündspule
42 kontinuierlich verlängert wird. Ebenfalls in diesem Falle werden ähnliche Effekte
erhalten wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Figur 3 dargestellt. Gleiche
Teile wie in Figur 1 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden zur
Vermeidung von Wiederholungen nicht eigens beschrieben.
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In dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 sind sowohl ein Ladeschaltkreis
50 und ein Entladeschaltkreis 30 so aufgebaut, daß ihre Ströme von der Batteriespannung
unabhängig sind. In Figur 3 ist der Widerstand R1 der Figur 1 durch Dioden D3 und
D4 ersetzt und ein Bezugsspannungs-Abschnitt 60 unterscheidet sich von dem der Figur
1, indem er durch Widerstände R8 und R9, die in Reihe an den positiven Batterieanschluß
22 angeschlossen ist, geerdet ist. Der gemeinsame Verbindungspunkt zwischen den
Widerständen R8 und R9 ist über einen Widerstand R10 mit dem invertierenden Eingangsanschluß
eines Operationsverstärkers 62 verbunden. Der nicht-invertierende
Eingangs
anschluß dieses Operationsverstärkers 62 ist über einen Widerstand Rl1 geerdet.
Ein Widerstand R12 liegt über dem Operationsverstärker und ist mit dessen Ausgangsanschluß
und dessen invertierenden Eingangsanschluß verbunden. Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers
62 ist mit dem nicht-invertierenden Eingangs anschluß eines Komparators 24 verbunden.
Der Widerstand Rll ist ein Widerstand, der das Potential des nicht-invertierenden
Eingangsanschlusses des Operationsverstärkers 62 festlegt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 wird über einen durch die
Widerstände R8 und R9 gebildeten Spannungsteiler die Batteriespannung heruntergeteilt
und durch den Operationsverstärker 62 invertiert und verstärkt, wobei die resultierende
Spannung die Bezugsspannung Vref des Komparators 24 wird.
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Entsprechend wächst die Bezugs spannung Vref im Fall der Figur 3 kontinuierlich
invers proportional zur Verringerung der Batteriespannung VB an, wie in Figur 4
dargestellt. Folglich wird die Stromfluß zeit des Primärstromes der Zündspule 42
in Figur 3 kontinuierlich länger, wenn sich die Spannung VB verringert, während
sie umgekehrt kontinuierlich abfällt, wenn sich die Spannung VB vergrößert. Folglich
kann, selbst wenn sich die Batteriespannung ändert, die Bezugs spannung Vref auf
einem festen Spannungswert gehalten werden, wie in dem Ausführungsbeispiel der Figur
1.
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In beiden Ausführungsbeispielen wurde ein Kondensator als Integrierer
verwendet und der analoge Schaltkreis bezog sich hierauf. Allerdings kann das Zündsystem
auch durch digitale Schaltkreise realisiert werden, beispielsweise durch einen Aufwärts-/Abwärts-
zähler,
einen Taktimpulsgenerator usw.
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Weiterhin wurde bei dem obigen Ausführungsbeispielen davon ausgegangen,
daß die ersten und zweiten Winkelstellungen einer Kurbelwelle direkt durch den Sensor
10 erfaßt werden. Es ist jedoch genauso möglich, die mit dem Sensor erhaltene Information
elektrisch zu verarbeiten und dann die verarbeiteten Resultate als erste und zweite
Winkelstellung zu verwenden.
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Auch ist es offensichtlich, daß die Erfindung bei Zündsystemen anwendbar
ist, welche zusätzlich einen Zündzeitsteuerkreis besitzen.
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Obwohl in Figur 2 (b) dargestellt ist, daß die Entladung des Kondensators
18 vollständig durchgeführt ist, d.h. ohne "Überschwinger" oder Restspannungen und
zwar gerade bis zu dem zeitlichen Endpunkt des Abschnittes K2, so kann gleichwohl
der Ladestrom IC und der Entladestrom Id eine andere Beziehung haben.
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Wie oben erwähnt, besitzt das Zündsystem für die Verbrennungskraftmaschine
nach der Erfindung Einrichtungen, die die erste und die zweite Zeitkonstante in
richtiger Weise ändern oder zumindest eine von vorbestimmten Vergleichsgrößen und
zwar in Abhängigkeit von laufenden Veränderungen der Batteriespannung. Dies führt
dazu, daß die Stromflußzeit des Primärstromes der Zündspule laufend verändert werden
kann.
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