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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Zündsystem für eine Brennkraftmaschine und
genauer ein Zündsystem
mit einer Anordnung zur Verhinderung des Auftretens eines Rückwärtsrotationslaufs
bzw. einer entgegengesetzten Rotation, insbesondere während des
Startens der Brennkraftmaschine.
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Ottomotoren
(durch Funken gezündete Brennkraftmaschinen)
weisen allgemein maschinenbetriebene elektrische Generatoren zur
Bereitstellung der elektrischen Leistung zum Zünden des Zündsystems auf. Dies kann direkt
aus dem Generator, wie in dem Fall einer Magnetzündung, oder aus dem Batterieladungssystem
von Batterien aufweisenden Maschinen geschehen. Der Zeitpunkt des Zündens der
Zündkerze
wird durch eine Impulsgeberspule gesteuert, die mit einer Zeitmarkierung
auf der Maschinenschwungscheibe zusammenarbeitet. Diese Zeitmarkierungen
weisen eine besondere umlaufende Ausdehnung auf und erzeugen positive
und negative Impulse, wenn die führenden
und nachlaufenden Enden an der Impulsgeberspule vorbeikommen.
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Der
Start bzw. das Anlaufen der Brennkraftmaschine wird in einer von
verschiedenen Weisen durchgeführt.
Dieses Anlaufen kann beispielsweise durch einen elektrischen Startermotor
oder manuell durch einen Kickstarter, ein Zugseil oder eine Kurbel durchgeführt werden.
Die Zündkerze
oder die Zündkerzen
werden dann in Reaktion auf ein Impulssignal aus der Impulsgeberspule
gezündet.
Jedoch kann es sein, dass zu dem Zeitpunkt der ursprünglichen
Maschinenrotation die beaufschlagte Drehkraft nicht ausreichend
ist, um dem in der Verbrennungskammer erzeugten internen Druck zu
widerstehen. Der interne Druck, falls dieser die Anlasskraft überwindet, kann
bewirken, dass die Maschine in einer Richtung rotiert, die entgegengesetzt
zu der gewünschten
ist. Jedoch wird die Impulsgeberspule weiterhin einen Impuls erzeugen,
in diesem Fall von der nachlaufenden Flanke der Zeitmarkierung an,
und die Verbrennung wird initiiert. Einigen Maschinen, insbesondere Zweitaktmaschinen
können
und werden in jeder Richtung laufen. Dies stellt signifikante Probleme
sowohl auf die Brennkraftmaschine und deren zugehörige Ausrüstung als
auch auf den Starter und möglicherweise
sogar auf den Bediener dar.
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Ein
System wurde in der japanischen veröffentlichten Anmeldung Hei-9-151836
vorgeschlagen, um dieses Problem zu verhindern. Wie es in dieser Anmeldung
beschrieben ist, weist ein Generator zumindest zwei Spulenwicklungen
auf, die elektrische Energie bei Rotation der Brennkraftmaschine
abgeben. Diese Spulenwicklungen geben Sinuswellenausgangssignale
mit positiven und negativen Abschnitten aus. Das System weist eine Generatorausgangspolaritätsunterscheidungsschaltung
auf, die die Polaritätsphase
vergleicht, wenn die Impulsgeberspule ausgelöst wird und falls die Maschinendrehzahl
sich unterhalb eines vorbestimmten Werts befindet. Daraus wird die
Richtung der Kurbelwellenrotation bestimmt. Falls diese gegenüber der gewünschten
entgegengesetzt bzw. rückwärts ist, wird
eine Zündung
verhindert.
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Das
Problem bei dieser Anordnung besteht darin, dass die Zeitmarkierung
derart angeordnet sein muss, dass sie mit den Polmagneten der Generator übereinstimmt
bzw. einrastet, um zu arbeiten. Dies beeinträchtigt sowohl die Positionierung
als auch den Zeitpunkt in der Zeitmarkierung und die Anzahl der
Pole und Spulen in dem Generator.
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Die
Druckschrift
US 5 220
902 A offenbart ein Verfahren zur Verhinderung einer Rückwärtsrotation
in einem Ottomotor, wie es in dem Oberbegriff von Patentanspruch
1 dargelegt ist, und ein Zündungs-
und Antirückwärtslaufsystem
für eine
Brennkraftmaschine, wie es in dem Oberbegriff von Patentanspruch
7 dargelegt ist. Genauer beschreibt diese Druckschrift eine Zündvorrichtung
für Brennkraftmaschinen,
die einen Zündfunken
nicht zuführt,
wenn die Maschine in Rückwärtsrichtung
läuft.
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Die
Druckschrift
US 6 438
487 B offenbart ein Verfahren und System zur Bestimmung
des Betriebszustands eines Fahrzeugstartermotors. Genauer wird gemäß dieser
Druckschrift bei Erfassung eines Maschinenabwürgens eine Zündfunkenstoppanforderung
ausgegeben, um das Zünden
der Zündkerze
zu verhindern.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sehr einfache
und wirksame Anordnung sowie ein einfaches und wirksames Verfahren zur
Verhinderung einer Rückwärtsrotation
ohne Beeinträchtigung
weder des Zeitpunkts noch des Erzeugersystems anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Verhinderung eines Rückwärtsrotation
in einem Ottomotor gemäß Patentanspruch
1 und durch ein Zünd- und Antirückwärtslaufsystem
für eine
Brennkraftmaschine gemäß Patentanspruch
7 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den abhängigen
Patentansprüchen
dargelegt.
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1 zeigt
eine teilweise schematische Darstellung einer elektrischen Erzeugungs-
und Zündschaltung
für eine
Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung
und zur Durchführung
eines Verfahrens gemäß der Erfindung.
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2 zeigt
ein Schaltbild einer Rücklaufsverhinderungsschaltung
gemäß der Erfindung.
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3 zeigt
Zeitverläufe,
die gewisse Ausgangssignale der Schaltung und deren Komponenten
darstellen.
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4 zeigt
ein Blockschaltbild zur Beschreibung der Steuerungsroutine.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen und zunächst 1 ist die
elektrische Erzeugungs- und Zündschaltung
für eine
Brennkraftmaschine in schematischer Form größtenteils dargestellt. Das
Erzeugungssystem weist einen Dreiphasengenerator 11 auf,
der in geeigneter Weise benachbart zu einem Ende einer (nicht gezeigten)
Maschinenkurbelwelle befestigt ist. Der Stator des Generators 11 weist
Spulen auf, die in drei Phasen verdrahtet sind, wobei deren Ausgangsenden
als U, V und W angegeben sind. Diese Spulen arbeiten in bekannter
Weise mit Permanentmagneten zusammen, die an einem Ende der vorstehend
beschriebenen Kurbelwelle angebrachten (nicht gezeigten) Schwunggrad
befestigt sind. Die drei Phasenausgangsanschlüsse U, V und W der Spulen sind
mit einer Batterie 12 über
einen Regler (Gleichrichter) 13 verbunden. Der Gleichrichter 13 richtet
den Ausgang der Spulenwicklungen gleich und agiert zur Verhinderung
eines übermäßigen Stroms.
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Zusätzlich zu
den Permanentmagneten, die mit den Spulenwicklungen wie vorstehend
beschrieben zusammenarbeiten, ist das Schwungrad mit einem Zeitgebervorsprung
(Zeitmarkierungsvorsprung) an dessen äußerer Oberfläche versehen,
die mit einer Impulsgeberspule 14 kooperiert, wie es ebenfalls
im Stand der Technik bekannt ist. Wenn die Kurbelwelle rotiert,
erfasst die Impulsgeberspule 14 Änderungen in dem Magnetfluss
an beiden Enden des Zeitgebervorsprungs. Der Zeitgebervorsprung erstreckt
sich über
einen Bogen von beispielsweise etwa 60° Kurbelwellenwinkel. Dies erzeugt
ein positives Impulssignal und ein negatives Impulssignal pro Umdrehung
der Kurbelwelle.
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Die
Ausgänge
der Impulsgeberspule 14 werden einem allgemein mit 15 angegebenen
Zündsystem
zugeführt,
um die Steuerung der Maschinenzündung
auszuführen.
Das Zündsystem 15 besteht
aus einer Energieversorgungsschaltung 16, die mit der Batterie 12 verbunden
ist, einer Verstärkungsschaltung
(Booster-Schaltung) 17 zur
Bereitstellung einer gewünschten
spezifizierten Zündspannung
und einer Zündsteuerungsschaltung 18,
die den Ausgang aus der Impulsgeberspule empfängt. Diese Komponenten können von
jeder gewünschten
Bauart sein und bilden nicht Teil der Erfindung. Der Fachmann wird leicht
anhand der nachstehenden Beschreibung verstehen, wie die Erfindung
auf irgendein gewünschtes grundsätzliches
Zündsystem angewandt
werden kann, das mit der Impulsgeberspule 14 verbunden ist.
Die Zündschaltung 18 legt
eine Zündspannung
an eine Zündspule 19 an.
Der Ausgang aus der Zündschaltung
zündet
einen oder mehrere Zündkerzen 21 an
einer Kurbelwellenwinkelposition entsprechend einem optimalen Zündzeitpunkt
auf der Grundlage des Impulssignals, das aus der Impulsgeberspule 14 kommt,
in irgendeiner gewünschten
Strategie gemäß der Betriebsbedingung
der Brennkraftmaschine.
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Gemäß der Erfindung
ist eine Rücklaufverhinderungsschaltung 22 gemäß der Erfindung
in dem Zündsystem 15 eingebaut.
Die Rücklaufverhinderungsschaltung 22 besteht
aus einer Impulsempfangsschaltung 23, einer Rückwärtsrotationsunterscheidungsschaltung 24 und
einer Generatorausgangsempfangsschaltung 25.
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Die
Impulsempfangsschaltung 23 ist über ein Anschluss A mit der
Impulsgeberspule 14 zum Empfang von Impulssignalen verbunden.
Die Generatorausgangsempfangsschaltung 25 ist über Anschlüsse B und
C an beliebig zwei der Phasenanschlüsse (bei diesem Beispiel die
V- und W-Anschlüsse)
des Generators 11 zum Empfang der Ausgangsspannung des Generators 11 verbunden.
Die Rückwärtsdrehungsunterscheidungsschaltung 24 erfasst,
wie es nachstehend beschrieben ist, eine Rückwärtsdrehungsbedingung auf der
Grundlage des Impulssignals aus der Impulsempfangsschaltung 23 und
der Generatorspannung aus der Generatorausgangsempfangsschaltung 25,
und sendet ein Zündzulassungs-
oder -unterbindungssignal zu der Zündschaltung 18 über einen
Anschluss D.
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Die
Einzelheiten der Rücklaufverhinderungsschaltung 22 sind
nachstehend unter besonderer Bezugnahme auf das Schaltbild gemäß 2 beschrieben.
Die Impulsempfangsschaltung 23 besteht aus einer Diode
D1, die mit dem Anschluss A und einem Widerstand R1 verbunden ist.
Die Generatorausgangsempfangsschaltung 25 besteht aus Dioden
D2 und D3, die mit den Anschlüssen
B und C jeweils verbunden sind, einem Kondensator C1 und Widerständen R5
und R8. Die Rückwärtsdrehungsunterscheidungsschaltung 24 besteht
aus einer Flip-Flop-Schaltung, die aus Transistoren Tr1 und Tr3
sowie einem Transistor Tr2 besteht, die mit der Generatorausgangsschaltung 25 verbunden
ist. Der Kollektor des Transistors Tr1 ist mit dem Ausgangsanschluss
D dieser Rückwärtsdrehungsunterscheidungsschaltung 24 verbunden.
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Die
Art, wie die Rücklaufverhinderungsschaltung 22 arbeitet,
kann am besten unter Bezugnahme auf 3 verstanden
werden, bei dem es sich um ein Zeitverlaufsdiagramm handelt, das
Eingangs- und Ausgangssignale der jeweiligen Schaltungen zeigt, die
die Rücklaufverhinderungsschaltung 22 bilden. Wenn
zu einem Zeitpunkt T1 ein Anlassvorgang initiiert wird, beginnt
die Kurbelwelle sich durch den Betrieb der Startvorrichtung zu drehen,
die ein Startermotor, ein Kickstarter, eine Kurbelwelle oder ein
Zugseil sein kann. Wie es in Kurve A gezeigt ist, wird ein positives
Impulssignal A1 zu dem Zeitpunkt T2 erzeugt. Diese Kurve (A) zeigt
den Signalverlauf des aus der Impulsgeberspule 14 zu der
Impulsempfangsschaltung 23 über den Anschluss A (2)
zugeführten
Impulssignals.
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Unter
der Annahme, dass sich zu einem Zeitpunkt T3 eine Rückwärtsrotationsbedingung
entwickelt, beginnt die Drehzahl der Kurbelwelle sich zu dem Zeitpunkt
T3 zu verringern und wird zu dem Zeitpunkt T4 Null. Falls keine
Korrektur erfolgt, wird die Kurbelwelle sich dann rückwärts drehen
bzw. entgegengesetzt drehen.
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Wie
es in Kurve A gezeigt ist, wird ein Paar positiver und negativer
Impulssignale mit dem ersten positiven, der vorhergehend als A1
identifiziert ist, in dem Ausgang aus der Impulsgeberspule 14 pro
Umdrehung der Kurbelwelle auftreten. Diese entsprechen den den vorlaufenden
und nachlaufenden Enden des Vorsprungs auf Seiten der Kurbelwelle
werden wie mit der Impulsgeberspule 14 erfasst erhalten.
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Das
beschriebene Beispiel zeigt einen Fall, in dem eine Rückwärtsdrehung
auftreten kann, bevor der Vorsprung in der zweiten Umdrehung der
Kurbelwelle erfasst wird. Wie es beschrieben worden ist, zeigt dies
einen Zustand, in dem nach Erhalt des zweiten, positiven Impulssignals
A2 die Drehzahl sich verringert und sich umkehren kann. Als Ergebnis wird
der Zeitpunkt des Impulssignals A3 aufgrund der niedrigen Drehzahl
verzögert
und ist das Impulsausgangssignal niedrig.
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Weiterhin
unter Bezugnahme auf 3 sind die Ausgangsspannungssignalverläufe der
drei Phasen U, V und W des Generators 11 (1)
durch die Kurven b1, b2 und b3 gezeigt. Die durch die Kurvenabschnitte
br in den jeweiligen Signalverläufen
angegebenen engen Signalverläufe
zeigen den Zustand an, in dem ein Teil der Generatorausgangsleistung durch
den Gleichrichter (Regler) 13 (1) geerdet ist,
um zu verhindern, dass der Generatorausgang zu groß wird.
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Die
Kurve (c) zeigt den Ausgangssignalverlauf der Generatorausgangsempfangsschaltung 25, der
durch Überlagerung
zweier Phasen von Ausgangsspannungen hergestellt wird, die über die
Anschlüsse
B und C (Figur 2) empfangen werden. Die zusammengesetzte Ausgangsspannung
ist die Spannung, durch die der Kondensator C1 (2)
geladen wird. Die Spannung steigt allmählich nach dem Start der Kurbelwellenumdrehung
an, und wird durch den Regler 13 auf einen konstanten Wert
beibehalten. Wie es aus 3 hervorgeht, beginnt diese
zu dem Zeitpunkt T3 mit der Verringerung der Kurbelwellendrehzahl
sich zu verringern. Wenn die Drehzahl zu dem Zeitpunkt T4 Null wird,
wird diese Spannung ebenfalls Null oder annähernd Null.
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Der
Ausgangsspannungssignalverlauf des Transistors Tr2 (2)
der Rückwärtsdrehungsunterscheidungsschaltung 24 ist
durch die Kurve D in 3 gezeigt. Der Transistor Tr2
wird ausgeschaltet, wenn die Generatorausgangsspannungskurve relativ zu
dem Kondensator C1 Null oder ein spezifizierter niedriger Wert ist,
wird eingeschaltet, wenn die Spannung auf einen spezifizierten Wert
oberhalb des eingestellten niedrigen Werts ansteigt, und wird erneut ausgeschaltet,
wenn sich die Spannung erneut auf dem eingestellten niedrigen Wert
verringert.
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In
dem gezeigten spezifischen Beispiel schaltet der Transistor Tr2
zu dem Zeitpunkt (annähernd
derselbe wie der Zeitpunkt Tr1) ein, wenn die Spannungskurve c zu
einem spezifizierten Wert gelangt, der etwas größer als Null ist, mit einer
leichten Verzögerung
nach dem Umdrehungsstart (Zeitpunkt T1).
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Der
Transistor Tr2 verbleibt solange eingeschaltet, wie die Spannung
gleich oder oberhalb dem spezifizierten Wert ist, der etwas größer als
Null ist. Er schaltet zu dem Zeitpunkt T4 aus, wenn die Spannung
sich auf den spezifizierten niedrigen Wert verringert und die Drehzahl
Null wird, und die Rückwärtsdrehung
gestartet wird.
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Weiterhin
gemäß 3 zeigt
die Kurve e den Signalverlauf des Ausgangs aus dem Ausgangsanschluss
D der Rückwärtsdrehungsunterscheidungsschaltung 24.
Die Rückwärtsdrehungsunterscheidungsschaltung 24 schaltet
von einem hohen Pegel auf einen niedrigen Pegel zu dem Zeitpunkt
T2 um, wenn ein positives Impulssignal A1 zugeführt wird, während der Transistor Tr2 eingeschaltet
ist. Sie schaltet von dem niedrigen Pegel zu dem hohen Pegel zu
dem Zeitpunkt T4 um, wenn der Transistor Tr2 ausschaltet. Eine Zündung wird
unterbunden, wenn der Ausgangsanschluss D sich auf dem hohen Pegel
befindet, und die Zündung
wird zugelassen, wenn der Ausgang sich auf dem niedrigen Pegel befindet.
Auf diese Weise wird nicht zugelassen, dass die Brennkraftmaschine
sich in einer Rückwärtsdrehung
dreht und wird stoppen, bis ein erneuter Start erfolgt.
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4 zeigt
ein Funktionsflussdiagramm des Betriebs der Rücklaufsverhinderungsschaltung.
Zum Start entspricht der Schritt S1 der Zeitdauer, in der die Kurbelwelle
sich im Ruhezustand befindet, bevor sie zu dem Zeitpunkt T1 beginnt,
sich zu drehen (3), oder vor dem Maschinenstart
(vor einem Anlassvorgang). Dabei wird die Zündung unterbunden, wenn der
Ausgangsanschluss D sich auf dem hohen Pegel befindet, wie es unter
Bezugnahme auf 3 beschrieben ist, ohne Generatorausgang,
ohne Kondensatorspannung, mit dem ausgeschalteten Transistor Tr2
und ohne einem positiven Impulssignal.
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Der
Schritt S2 entspricht der Zeitdauer zwischen den Zeitpunkten T1
und T2 oder zwischen dem Anlassstart und der ersten Zufuhr eines
positiven Impulssignals R1. Der Transistor Tr2 wird eingeschaltet,
wenn die Generatorausgangsleistung (der Generatorausgang) ansteigt
und die Spannung relativ zu dem Kondensator C1 nicht niedriger als
der spezifizierte niedrige Wert ist. Obwohl der Transistor Tr2 hier
eingeschaltet wird, verbleibt der Ausgangsanschluss D auf dem hohen
Pegel in dem Zustand der unterbundenen Zündung, da kein erstes positives Impulssignal
zugeführt
worden ist. Der Schritt S3 entspricht der Zeitdauer zwischen dem
Zeitpunkt T2, zu dem ein erstes Impulssignal A1 nach der Kurbelwellenstartumdrehung
zugeführt
wird, und dem Zeitpunkt T3, zu dem die Kurbelwelle beginnt, Rotationsenergie
zu verlieren, so dass sie sich aufgrund des Starts der Rückwärtsrotation
verlangsamt. In diesem Zustand ist die Generatorausgangsleistung
hoch und ist die Kondensatorspannung nicht niedriger als der spezifizierte
niedrige Wert, und ist der Transistor Tr2 eingeschaltet. Wenn das
positive Impulssignal in diesem Zustand zugeführt wird und der Ausgangsanschluss
D auf den niedrigen Pegel gesetzt wird, wird die Zündung zugelassen.
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Der
Schritt S4 entspricht der Zeitdauer zwischen den Zeitpunkten T3
und T4, der Zeitdauer, in der die Kurbelwelle sich verlangsamt und
ihre Geschwindigkeit Null erreicht. Obwohl die Generatorausgangsleistung
sich verringert und die Kondensatorspannung sich verringert, ist
die Spannung nicht niedriger als der spezifizierte niedrige Wert
und verbleibt der Transistor eingeschaltet, ist der Ausgangsanschluss
D auf den niedrigen Pegel gesetzt, und verbleibt die Zündung zugelassen.
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Der
Schritt S5 entspricht dem Zeitpunkt T4, zu dem die Rotationsrichtung
der Kurbelwelle sich von normal zu rückwärts (entgegengesetzt) ändert. In
diesem Zustand ist kein Generatorausgang (keine Generatorausgangsleistung)
vorhanden, und verringert sich die Kondensatorspannung auf unterhalb des
spezifizierten niedrigen Werts. Als Ergebnis wird der Transistor
Tr2 auf ausgeschaltet eingestellt, wird der Ausgangsanschluss D
auf den hohen Pegel gesetzt und wird die Zündung unterbunden.
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Der
Schritt S6 entspricht dem Zustand der Kurbelwelle in Rückwärtsdrehung
(umgekehrte Drehung) nach dem Zeitpunkt T4. Wenn die Kurbelwelle in
Rückwärtsrichtung
dreht, wird ein Generatorausgang erzeugt, um den Transistor Tr2
einzuschalten. Jedoch wird kein positives Impulssignal nach Hervorbringen
des Zustands mit unterbundener Zündung zugeführt. Daher
verbleibt der Zustand mit unterbundener Zündung und wird ein Rücklauf verhindert.
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Der
Zustand mit unterbundener Zündung wird
zurückgesetzt
und der Zustand mit zugelassener Zündung wird erneut hervorgebracht,
wenn ein neues Impulssignal zugeführt wird, wenn die Kurbelwelle
eine Umdrehung bei dem nächsten
Anlassvorgang mit einem Kickpedal oder einem Startermotor beginnt.
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Aus
der vorgehenden Beschreibung geht hervor, dass die beschriebene
Zündsteuerungsschaltung
und deren Betriebsverfahren eine sehr einfache, jedoch sehr wirksame
Verhinderung einer Maschinenrückwärtsdrehung
beim Start bereitstellt, indem eine Zündung unterbunden wird, wenn
eine Rückwärtsrotationssituation
auftritt. Dem Fachmann ist klar, dass die vorstehend beschriebene
Beschreibung diejenige eines bevorzugten Ausführungsbeispiels ist, das jedoch
verschiedene Änderungen
und Modifikationen davon möglich
sind, ohne den Umfang der Erfindung, wie er durch die beigefügten Patentansprüche definiert
ist, zu verlassen.
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Eine
Zündsteuerungsschaltung
und ein Betriebsverfahren stellen eine sehr einfache jedoch sehr
wirksame Verhinderung eine Maschinenrückwärtsrotation beim Starten bereit,
indem eine Zündung
unterbunden wird, wenn eine Rückwärtsrotationssituation
auftritt.