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Elektronisches Zündsystem fUr gemischverdichtende Brennkraftmaschinen
(Ott-o-#lotoren)9 die Vorzugsweise zum Antrieb von Kraftfahrzeugen dienen Die Erfindung
betrifft ein elektronisches Zündsystem für gemischverdicht-ende Brennkraftmaschinen
(Otto-Motoren),-die vorzugsweise zum Antrieb von Kraftfahrzeugen dienen, mit kapazitiver
Speicherung der Zündenergie (Kondensatorzündung), die je ZUndung aus dem
Kern einer mit Gleichstrom magnetisierten Induktionsspule entnommen wird.
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Elektronik Bei dem bekannten (1966), Hochspannungskondensatorzündsystem
3.237/238) wird die Zündenergie dem (vgl- Bord- * netz entnommen und nicht, wie
bei der Spulenzündung, in einer Induktivität.. sondern in einer Kapazität zwischerigespeichert.
Die ZUndspannung an der Kerze steigt bei diesem Zündungssystem sehr steil-an, das
auch unempfindlich gegen NebenschlUsse an der Kerze ist. Dabei wird der Kondensator
zwischen zwei Zündungen von einem Transistor-Gleichspannungewandler aufgeladen und
im Zündmoment durch die Unterbregherkontakte ein Thyristor
durchlässig
gemacht, durch den die Kondensatorladung unter Erzeugung der Zündspannung im Sekundärteil
des Zündtransformat'ors fließen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile der mit Kondensatorentladung
arbeitenden bekannten Thyristor-ZUndschaltung (hoher Wirkungsgrad, Stromaufnahme
proportional der Drehzahl der Brennkraftmaschine, hohe Zündleistung unabhängig von
der.Drehzahl und schneller'Spannungsanstieg) bei erheblich verringertem Aufwand
und Raumbedarf nutzbar zu machen. Ferner soll durch die Erfindung eine höhere Züxidleistung
auch beim Starten der Brennkraftmaschine bei einem Stromverbrauch erreicht werden,
der ebenso gering ist wie der der bekannten Thyristorzündsysteme.
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Die vorerwähnte Aufgabe wird erfindungegemäß*bei einem-elektronischen
Zündsystem der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß sofort nach Erreichen
der der erforderlichen Zündenergie entsprechenden Erregung der Induktionaspule die
Zünd-. energie über ein elektrisches Ventil auf den Kondensator übertragen und dort
gespeichert wirdg dessenEntladung ira Zändzeitpunkt über ein Halbleiterelement zugleich
mit dem Einschalten des Magnetisierungsstromes für die Induktionespule von einer-gemeinsamen
Triggeranordaung ausgelöst wird.
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Dabei läßt sich eine weitere Vereinfachung des ZUnds;#steme dadurch
erzielen, daß das Ein- und Ausschalten des Magneti-Bierungsstromes fLtr die Induktionespule
und die Entladung des Kondensators durch ein gemeinsames Schalterelement erfolgt.
Eine
verbesserte Anpassbarkeit der Schaltvorgänge an die -'i,genart der mit Spannung
zu versorgenden Bauelemente läßt sich dadurch erreichen, daß für das :#in-
und Ausschalten des Magnetisierungsstrofnes fUr die Induktionsspule und die Entladung
des Kondensators getrennte Schalterelemente vorgesehen sind.
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Dem gleichen (iiel kann insbes-ondere ferner dadurch gedient werden,
daß die ichalterel.emente aus einern zehalttransistor und einem Thyristor bestehen.
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-i#ine zweckmäßige Gestaltung der den Zündvorgang auslösenden Triggerschaltung
ergibt sich dadurch, daß sie aus zwei Transistoren besteht, wobei die Basis des
ersten '2ransistors an den Unterbrecher gekoppelt ist und dieser Transistor mit
dem zweiten -2ransistor in an sich bekannter Weise zur Bildung einer IKippschaltung
verbunden ist, deren Ausgang an die Basis des öchalttransistors angeschlossen ist.
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Das Dosieren der fUr jeden Zündvorgang benötigten Energie läßt sich
durch ein Zeitkonstantenglied zum Sperren des öchalttransistors bei Erreichung ausreichender
Erregung der Induktionsspule bewirken.
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Eine genauere Dosierung-der Zündenergie, insbesondere unabhängig vom
jeweiligen Betriebszustand des Bordnetzes, läßt sich dadurch erreichen, daß in Reihe
mit der Induktivität ein Widerstand geschaltet ist, der so mit der Triggerschaltung
verbunden ist, daß diese bei Erreichen eines bestimmten
durch eine
Zener-Diode vorgegebenen Spannungsabfalles in den gesperrten Zustand-kippt.
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Eine Begrenzung der ZUndenergie läßt sich im übrigen auch dadurch
erzielen, daß die Induktioneapule mit einem so bemessenen Eisenkern versehen ist,
daß er durch den Ladestrom bis zur Sättigung magnetisiert wird.
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Der hohe Wirkungsgrad-des-Zündsystems nach der Erfindung hat nur geringe
Erwärmung-im Betrieb zur Polge und ermöglicht dadurch eine sehr kompakte Bauart
auf kleinem Raum. Bei stillstehendem Motor wird, außer einem geringen, die Unterbrecherkontakte
durchfließenden Steuerstromt praktisch kein Strom aufgenommen. Die Schaltung läßt
sich leicht so bemessen, daß die Zündfunken-Energie über weite Bereiche von der
Drehzahl und von der Bordnetzspannung praktisch unabhängig ist. Auch bestehen keine
Schwierigkeiten, die Anordnung-für sehr hohe zeitliche Funkenzahl und damit Drehzahl
zu bemeesen. Bis zu der oberen Drehzahlgrenze, für die die Anordnung ausgelegt ist,
bleibt die Undleistung unverändert hoch, bei ihrer Überschreitung tritt eine Frequenzteilung
ein dergestalt, daß nur jedes zweite Öffnen der Unterbrecherkontakte, bei weiterer
Steigerung jedes dritte, vierte u.s.f.. zur Bildung eines Zündfunkens führt. Diese
Eigenart der Anordnung läßt sich zur Drehzahlbegrenzung nutzbar machen.
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Die Erfindung wird anhand der AusfUhrungBbeispiele veranschaulichenden
Zeichnung nachstehend erläutert.
Es zeigen: Fig.
1 das Schaltungeschema eines AusfUhrungsbeispiels des Zündsystems mit PN:P-Schalttransistors
Fig. 2 bis 4 Ersatzschema-Darstellungen des ZUndsysteme in verschiedenen Schaltphasen,
Fig. 5 das Schaltschema eines dimensionierten Ausführungsbeispiels mit NPN-Schalttransistor
und Fig 6 das Schaltschema einer Anordnung mit getrennten Schalterelementen.
Die Aufladung des Kondensators 1 gemäß Fig. 1 erfolgt nicht, wie bekannt,
durch einen selbständigen Gleichspannungswandler., sondern durch einen einzigen
Induktions-Stromstoß aus der In" duktionsspule 2.
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Die Entladung des Kondensators in die Hochspannungsspule
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und die Magnetisierung der Induktionsepule 2 aus dem Bordnetz wird gleichzeitig
durch ein einziges, gemeinsames Schaltörgan, im vorliegenden Beispiel den Transistor
49 bewirkt. Letzterer wird durch eine Triggerschaltung, bestehend aus den Transistoren
5 und 6, im Zeitpunkt des Öffnens des Unterbrechers 7 leitend
gemacht. Dabei beginnt der Magnetisierungestrom durch Transistor 4 in die Induktionespule
2 zu fließen. Ist diese ausreichend magnetisiert, so wird der Strom durch Sperren
des Transistors 4 abgeschaltet. Dies kann z.B. nach einer konstanten Zeit durch
ein Zeitkonstantenglied erfolgen, oder, wie bei dem dargestellten Beispielg
nach
Erreichen einer bestimmten iilagnetisierungs-btromstärke. Diese ruft in dem Widerstand
8 einen Spannungsabfall hervor, der das Emitterpotential des NIII-Transi
stors 6 nach positiven Werten hin verschiebt, solange bis die Zenerdiode
13 leitend wird, wodurch alle drei Transistoren 4-6 gesperrt werden.
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Hierauf gibt die Induktionsspule 2 die Energie an den Kondensator
1 ab. Ein unbeabsichtigtes Zünden in diesem Augenblick verhindert die Diode
g. Diode 10 verhindert das Zurückfliessen der im Kondensator 1 gespeicherten
Ladung.
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Beim erneuten Leitendwerden schaltet Transistor 4 die Primärwicklung
der Zündspule 3 unmittelbar an den geladenen Kondensator 1.
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Zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des nach dem ä3ehaltprinzipschema
gemäß 2ig. 1 arbeitenden ZUndsystemsim einzelnen dienen Fig. 2 bis 4. Hier
ist der Schalttransistor 4 durch einen einfachen Schalter ersetzt dargestellt, welcher,
sinngemäß gesteuertg die durch Pfeile angedeuteten Stromkreise beeinflußt. Die Bezugszahlen
entspre-cherl den in Fig. 1
verwendeten, während alle fUr diese Betrachtung
unweaentlichen behaltelemente weggelassen sind.
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Fig. 2 zeigt die 'erste Phase. Schalter 4 ist hier geschlossen. Infolgedessen
fließt ein Strom aus der Batterie über das Veritil 10 und baut ein Magnetfeld
in der Induktionespule 2 auf. Der Strom steigt hierbei an nach der Funktion
l#.-ierin bedeutet U B die-Batteriespannungg R den für den
Stromkreis maßgebenden Gesamtwiderstand, t die Zeit und f die' Zeitkonstante
L ist die Induktivität der Induktionsspule 2. In dem Augenblick, in dem eine vorbestimmte
Stromstärke erreicht ist, öffnet Schalter 4, so daß der in Fig. 3
dargestellte
Kreis gebildet wird. Die im Kern der Induktionsspule 2 angesammelte magnetische
Energie beträgt zu diesem Zeitpunkt W m = 112 1 2. li We. Diese
Energie geht anschließend während einer Viertelperiode einer binuaschwingung in
der Zeit
Sekunden auf den Kondensator 1 über, der dabei auf eine Spannung von
aufgeladen wird. Die Kapazität 0 des Kondensators 1 bestimmt somit
die Höhe der Spannung, auf die er aufgeladen wird. Ihre Wahl wird durch das Sperrvermögen
des Schalttranaistors 4 bestimmt, für sie'gelten wirtschaftliche Gesichtspunkte.
Die Spannung U c bleibt nun auf dem Kondensator.1 gespeichert, da dessen Ladung
infolge der Ventilwirkung der Diode 10 nicht abfließen kann, solange bis-,#chalter
4 erneut schließt(Fig.4) und den geladenen Kondensator parallel zur Frimärwicklung
des Hochspannungstransformators 3 legt. Dabei entsteht in seiner Sekundärwicklung
der zur Zündung benötigte Hochspannungsimpule. Zugleich wird, genau wie in Fig.
2, wieder der Batteriestromkreie geschlossen und damit ein neuer Magnetisierungsvorgang
in der Induktionsepule 2 zur Vorbereitung
der nächstfolgenden 7-Undung
eingeleitet. riese beiden Vorgänge werden von einer gemeinsamen Trig gerschaltung
und daher gleichzeitig ausgelös t.
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Fig. 5 zeigt ein Dimensionierungebeispiel einer Abwandlung
der bchaltung nach Fig. 1. Als Schalter finden hier, wegen ihrer guten Sperreigenschaften
und ihrer geringen Temperaturempfindlichkeit, Silizium-NPN-Transistoren Verwendung.
-Zum Ausgleich des bei solchen Transistoren meist starken Abfalls der Stromverstärkung
bei höheren Kollektorströmen ist hier ein Paar dieser Transistoren zu einer Darlington-Schaltung
zusammengesetzt. Die Triggerung erfolgt dabei mit einem komplementären Transistorpaar
kleiner Leistung in Antiparallelschaltung, dieses kann ebensogut z.B. durch ein
Vierschicht-Halbleiterelement ersetzt werden. Die Triggerschaltung springt in den
leitenden Zustand um, wenn vom Unterbre--; eher 7 ein positiver Impuls auf
die Basis des NPN-Transistors 6 gegeben wird, während ein negativer Impuls,
wie er beim Schließen der-,Unterb.recherkontakte entsteht, ohne Wirkung bleibt.
Sie fällt in den gesperrten Zustand zurück.. wenn der Emitter des PNP-Transistors
5 infolge steigenden Spannungsabfalle am Widerstand 8 hinreichend
negativ gegen seine Basis wird. Die Ladespannung am Kondensator 1 beträgt
in diesem Beispiel ca. 90 Vp so daß für den Transformator 3
übliche
Transistor-ZUndepulen Verwendung finden können. Die gespeicherte Energie beträgt
65 mWs fÜr einen ZUndfunken, die Magnetisierungs-Stromspitze beträgt
6 A bei-einer Betriebsspannung
von 12 V. Sollen Zündspulen
mit höherem Primärspannungsbedarf verwendet werden, z.B. solche fär konventionelle
Zündanlagen, so lassen sich diese>durch Zwischenschalten eines einfachen Spartransformators
verlustarm an die beschriebene öchaltung anpassen.
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Eine weitere Abwandlung der beschriebenen Anordnung zeigt Fig.
6. Hier dient zur Entladung des Kondensators 1 in die ZUndspule 3,ein
Thyristor 14, während der Magnetisierungsstrom fUr die Induktionsspule 2 von einem
Schalttransistor 4 gesteuert wird. Dieser liegt im dargestellten Beispiel an einem
Äbgriff der Induktionsepule 2, wodurch der Kondensator 1 entsprechend dem
Windungs-Übersetzungsverhältnie auf eine wesent--lieh höhere Spannung aufgeladen
werden kann, als es dem Schaltvermögen des jeweils verwendeten #eransistors 4 entspricht.
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Die Triggerschaltung ist hier ähnlich ausgeführt wie in dem Beispiel
nach Fig. 5.
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Außer Kontaktunterbrechern können ohne weiteres auch andere Gebereinrichtungen
mit dem beschriebenen Zündsystem kombiniert werden, z.B. magnetische, induktive
oder lichtelektrische. Dabei können diese, z.B. bei Anwendung eines Pototransistors
in lichtelektrischen Gebereinrichtungen, in die Triggerschaltung einbezogen und
Bestandteil derselben sein.