DE10057870A1 - Drehzahlbegrenzungs-Zündanordnung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
Drehzahlbegrenzungs-Zündanordnung für eine BrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Anordnung zum Zünden eine Brennkraftmaschine insbesondere in handgeführten Arbeitsgeräten, insbesondere mit einem Drehzahl-Schwellwertentscheider und/oder -Kippschalter mit einem Magnetgenerator, der drehzahlabhängig Wechselspannungen induziert und dabei ein Zündspeicherelement für Zündfunkenenergie elektrisch lädt, und mit einem die Wechselspannungen abtastenden Triggerwerk zum Betätigen eines das Zündspeicherelement in Wirkungsverbindung mit der Primärspule eines Zündübertragers entladenden Zündschalters, wobei das Triggerwerk ein Modul zur Begrenzung der Drehzahl der Brennkraftmaschine aufweist, und dieses Drehzahlbegrenzungsmodul mit einem von einer Wechselspannungsquelle des Magnetgenerators aus aufladbaren Triggerspeicherelement arbeitet, das über wenigstens einen Entladezweig zum Ansteuern und Betätigen des Zündschalters entladbar ist, wobei vom Triggerspeicherelement bei dessen Entladung ein Ansteuerstrom durch eine in Sperrrichtung vorgespannte Serien-Zenerdiode zum Zündschalter geführt ist DOLLAR A sowie Drehzahl-Schwellenwertentscheider und/oder -Kippschalter, mit einer ersten und einer dazu phasenstarr versetzten zweiten Wechselspannungsquelle, die jeweils abhängig von und in ihrer Frequenz proportional zur Drehzahl eines gemeinsamen Drehkörpers erzeugt werden, und mit einem die Wechselspannungen abtastenden Triggerwerk zur Ausgabe eines das Über- oder Unterschreiten einer vorbestimmten Drehzahlschwelle anzeigenden Steuersignals, wobei das Triggerwerk ein ...
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Zünden einer Brennkraftmaschine
insbesondere in handgeführten Arbeitsgeräten unter Verwendung eines
Magnetgenerators, der abhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine
elektrische Wechselspannungen induziert und dabei ein elektrisches
Zündspeicherelement lädt, das der Akkumulation und Bereithaltung von Energie
zur Bildung eines Zündfunkens dient. Die Anordnung umfaßt ferner ein die
Wechselspannungen abtastendes Triggerwerk, das zum Betätigen eines das
Zündspeicherelement in Wechselwirkung mit der Primärspule eines
Zündübertragers entladenden Zündschalters ausgebildet ist. Das Triggerwerk
weist eine Schaltung oder ein sonstiges Modul zur Begrenzung der Drehzahl der
Brennkraftmaschine auf, und dieses Drehzahlbegrenzungsmodul arbeitet mit
einem von einer Wechselspannungsquelle des Magnetgenerators aus auf
ladbaren bzw. setzbaren Triggerspeicherelement, das über wenigstens einen
Entladezweig zum Betätigen des Zündschalters entladbar ist. Ferner betrifft die
Erfindung einen Drehzahl-Schwellwertentscheider oder -Kippschalter dafür.
Wie an sich bekannt, wird mittels Zündmodulen ein Zündfunken erzeugt, mit dem
jeweils eine Umdrehung der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine initiiert wird. Es
werden bereits handgeführte Arbeitsgeräte mit Brennkraftmaschinen bzw.
Verbrennungsmotoren verwendet, deren Zündanlagen mit einer
Drehzahlbegrenzungseinrichtung ausgestattet sind, um eine zu hohe
Motordrehzahl durch Ausfälle oder Fehlbedienungen zu verhindern. Eine zu hohe
Drehzahl kann nämlich den Motor und den Bediener gefährden. Zum Begrenzen
der Motordrehzahl wird oberhalb der vorbestimmten Drehzahlgrenze von der
Zündanlage bzw. vom Zündmodul kein Zündfunke mehr abgegeben. Zweckmäßig
liegt die eingestellte Drehzahl-Obergrenze nur knapp über der Arbeitsdrehzahl.
Dies erfordert eine eng tolerierte, präzise arbeitende Drehzahlbegrenzung, damit
im Normalbetrieb keine Zündaussetzer auftreten.
Allerdings sind bisher bekannte Zündmodule mit Drehzahlbegrenzungen relativ
teuer. Die Genauigkeit von Drehzahlbegrenzungen hängt einerseits von der
Genauigkeit der verwendeten Bauteile und deren Toleranzen und andererseits
von der zur Steuerung und Stromversorgung zur Verfügung gestellten Energie für
die Drehzahl-Begrenzungsschaltung ab. Diese Energie ist der Zündfunkenbildung
entzogen. Dieses Problem ist bereits in den Patentveröffentlichungen WO 96/23 971
und US 4 538 586 angegangen. Eine wesentliche Rolle beim Auslösen des
Zündvorgangs und auch damit für die Drehzahlbegrenzung spielt der an sich
bekannte Zündthyristor, der dafür sorgt, dass der aufgeladene Zünd-Kondensator,
der mit einem Zündtransformator bzw. -übertrager in Verbindung steht, plötzlich
entladen wird. Der Zündthyristor wird nicht nur zum Auslösen des Zündvorgangs,
sondern auch dazu benutzt, Zündauslösevorgänge zu verhindern, um die
Drehzahl zu begrenzen. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass die von einer
Ladespule induzierte, für den Zündkondensator bestimmte Energie vom
Zündthyristor kurzgeschlossen wird, so dass der Zündkondensator gar nicht erst
aufgeladen wird.
Zum Stand der Technik wird ferner auf die Druckschriften DE 196 45 466 A1, DE-AS 19 54 874,
EP 0 584 618 A2 und US 4 449 497 verwiesen.
Aus DE-AS 19 54 874 ist eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine
bekannt, bei der beim Überschreiten einer maximal zulässigen Drehzahl ein
Schaltglied mit Anoden-Kathoden-Strecke in den stromdurchlassenden Zustand
steuerbar ist. Um beim Überschreiten der maximal zulässigen Drehzahl ein
definiertes Durchschalten der Anoden-Kathoden-Strecke zu gewährleisten, wird in
der genannten Veröffentlichung vorgeschlagen, in eine Verbindung zur
Steuerelektrode des Zündthyristors eine Zenerdiode zu legen, deren Anode an
der Steuerelektrode und deren Kathode an einem Überwachungskondensator
liegt. Ein Zusammenwirken der Zenerdiode mit einem Triggerkondensator, der
Energie zum Ansteuern des Zündthyristors bereit hält, ist allerdings nicht
vorgesehen.
Aus DE 196 45 466 A1 ist eine Zündschaltung für eine Brennkraftmaschine mit
Triggerspule und davon aufladbarem Triggerkondensator bekannt. Der
Steueranschluß eines Zündthyristors zum Entladen eines von einer Zündspule
aufgeladenen Zündkondensators wird über einen Spannungsteiler in Abhängigkeit
von der Ladung des Triggerkondensators angesteuert. Um trotz langer
Brenndauer des Zündfunkens eine präzise, nicht schwankende
Drehzahlbegrenzung zu gewährleisten, ist vorgesehen, parallel zum
Triggerkondensator in Sperrichtung eine Zenerdiode auf Masse zu schalten,
deren Zener-Durchbruchspannung am Spannungsteiler abfällt. Dadurch läßt sich
die Kondensatorspannung auf die Durchbruchspannung der Zenerdiode von ca.
120 Volt begrenzen. Der Triggerkondensator, die Zenerdiode und der
Spannungsteiler liegen zueinander bei der bekannten Zündschaltung parallel.
Entscheidend für die Lage der maximal zulässigen Drehzahl ist die vom
Triggerkondensator aus am Steuereingang des Zündthyristors bewirkte
Einschaltdauer. Deren Ende wird festgelegt durch die Dimensionierung des
Triggerkondensators und der Widerstände des Spannungsteilers sowie durch die
Empfindlichkeit des Steuereingangs des Zündthyristors und die Amplitude der
Wechselspannungsquelle, welche den Triggerkondensator auflädt. Der Einsatz
einer alleinigen Parallel-Zenerdiode nach dem bekannten Vorschlag bewirkt keine
ausreichende Beseitigung von Zeitschwankungen der Drehzahlbegrenzung. Denn
beispielsweise beim Zündthyristor streuen die die Einschaltempfindlichkeit
bestimmenden Eingangskennlinien von Exemplar zu Exemplar. In der
gattungsgemäßen Drehzahlbegrenzungsschaltung schwankt der Gate-
Ansteuerstrom typisch zwischen beispielsweise 200 nA und 1 µA. Dessen
Ansteuer-Schwellenspannung von beispielsweise 700 mV kann um ± 150 mV
schwanken, was wiederum in der Schaltung Rückwirkungen auf die
Stromempfindlichkeit des Steuereingangs des Zündthyristors hat. Die
Empfindlichkeit des Thyristors ist durch den Gate-Ansteuerstrom definiert, bei
welchem der Thyristor durchschaltet. Die Ansteuer-Schwellenspannung verändert
an sich nicht die Empfindlichkeit des Thyristors (bezogen auf dessen
Ansteuerstrom), jedoch beeinflußt diese in der Schaltungsumgebung den Gate-
Ansteuerstrom. Um diese negativen Einflüsse möglichst gering zu haften, werden
die Widerstände des Spannungsteilers gemäß bekanntem Vorschlag optimiert
und mit einer relativ hohen Steuerenergie die Drehzahlbegrenzung betrieben.
Allgemein typische Werte für den Triggerkondensator liegen bei 220 nF, wobei die
Ladespannung zwischen 100 und 150 V liegt. In der diskutierten Veröffentlichung
DE 196 45 466 A1 wird die Ladespannung des Triggerkondensators mit 120 V
angegeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Toleranzen und Ungenauigkeiten in
der Drehzahlbegrenzung, welche auf Streuungen der Eigenschaften der im
Drehzahlbegrenzungsmodul verwendeten Bauteile zurückgehen, und gleichzeitig
die für den Zündschalter notwendige Ansteuerenergie zu verringern.
Insbesondere soll die Dynamik des Drehzahl-Begrenzungsmoduls erheblich
erhöht sein, wenn der Arbeitspunkt in einem streuenden Ansteuerbereich des
Zündschalters liegt.
Zur Lösung wird bei der Anordnung mit den eingangs genannten Merkmalen
erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass vom Triggerspeicherelement bei dessen
Entladung ein Ansteuerstrom durch eine in Sperrichtung betriebene Serien-
Zenerdiode zum Zündschalter bzw. dessen Steuereingang geführt ist. Dieser
Lösungsvorschlag weicht von der Offenbarung der oben gewürdigten
Patentveröffentlichung DE 196 45 466 A1 ab, weil nach letzterer der
Steuereingang des Zündthyristors vom Triggerkondensator über einen
Spannungsteiler - ohne serieller Zwischenschaltung einer Zener-Diode - betätigt
wird.
Zur weiteren Erhöhung der Genauigkeit der Drehzahlbegrenzung und
insbesondere zur Kompensation von unvermeidlichen Streuungen erhältlicher
Serien-Zenerdioden insbesondere in deren Zener-Durchbruchspannungen ist
nach einer Ausbildung der Erfindung vorgesehen, zur Serien-Zenerdiode eine
gleichartige Parallel-Zenerdiode in Sperrichtung gegenüber dem
Triggerspeicherelement derart anzuordnen, dass die Ladespannung des
Triggerspeicherelements, insbesondere des Triggerkondensators, auf die Summe
der Zener-Durchbruchspannungen der beiden genannten Zenerdioden begrenzt
ist. Vorzugsweise entstammen die beiden Zenerdioden einer gemeinsamen
Fertigungscharge des Herstellers, damit sie möglichst die gleichen elektrischen
Charakteristika und auch Streuungscharakteristika aufweisen. Dadurch können
sie sich besonders gut gegenseitig in ihren Streuungen kompensieren.
Zweckmäßig sind die Zener-Durchbruchspannungen der beiden erfindungsgemäß
angeordneten Zenerdioden so dimensioniert, dass bei Erreichen der maximal
zulässigen Drehzahl bzw. Aktivierung des Drehzahl-Begrenzungsmoduls beide
Zenerdioden während des Ladens des Triggerspeicherelements zeitweise leiten.
Aufgrund des erfindungsgemäßen Einfügens der Serien-Zenerdiode läßt sich der
Zündschalter ohne weiteres erst dann betätigen, wenn bei entsprechender
Maschinendrehzahl die dem Triggerspeicherelement zugeführte
Wechselspannung so hoch ist, dass wenigstens die Serien-Zenerdiode in den
Durchbruch-Zustand versetzbar ist. Zur Erhöhung der Anlauf-Zuverlässigkeit der
Brennkraftmaschine beim Starten ist deshalb nach einer Ausbildung der Erfindung
vorgesehen, das erfindungsgemäß mit der Serien-Zenerdiode ausgebildete
Drehzahlbegrenzungsmodul durch einen Parallelstrompfad von der
Wechselspannungsquelle zu einem Steuereingang des Zündschalters zu
überbrücken. Mit anderen Worten, es ist ein weiterer Strompfad über einen
Widerstand von der Triggerquelle zum Steueranschluß des Zündschalters
vorgesehen. Mit der Dimensionierung der Bauteile dieses Strompfades läßt sich
die Drehzahl festlegen, mit welcher sich die Zündanlage der Brennkraftmaschine
einschalten läßt. Zweckmäßig sind die Ansteuerimpulse von diesem Strompfad
mit einer geringeren Laufzeit zum Steuereingang des Zündschalters geführt als
die Ansteuerimpulse aus dem Drehzahlbegrenzungsmodul. Somit erhält der
Zündschalter stets erst von dem genannten, überbrückenden Strompfad einen
Steuerimpuls und bestimmt folglich den Zündzeitpunkt der Zündanordnung. Dies
wird bei der entsprechenden Erfindungsausbildung vor allem dadurch bewirkt,
dass der überbrückende Parallelstrompfad einzig mit einem Ohmschen
Widerstand realisiert ist, welcher im Vergleich zum mit Speicherglied gebildeten
Drehzahlbegrenzungsmodul praktisch keine Totzeit bzw. Laufzeitverzögerung von
der Wechselspannungs- bzw. Triggerquelle verursacht.
Vorzugsweise wird der Zündschalter mit einem Thyristor realisiert, bei dem mit
steigender Spannung und zunehmender Anstiegsgeschwindigkeit dieser
Spannung an der Anoden-Kathoden-Schaltstrecke der zum Durchschalten
erforderliche Ansteuerstrom am Steuereingang entsprechend fällt. Dies kann sich
nachteilig bei Drehzahlen knapp unter der maximal zugelassenen Drehzahl
auswirken, weil in diesem Bereich die Spannung am Zündspeicherelement bzw.
Kondensator, welcher an der Schaltstrecke des Thyristor-Zündschalters liegt,
besonders steil ansteigt. Gleichzeitig ist der Stromfluß am Ansteuereingang des
Thyristors noch nicht auf Null abgefallen und kann sogar nur knapp unterhalb der
zum Durchschalten notwendigen Schwelle liegen. Aufgrund des in diesem
Zusammenhang erniedrigten Schwellenwerts für den zum Durchschalten
notwendigen Gate-Ansteuerstrom des Thyristor-Zündschalters kann es zum
ungewollten Durchschalten dieses Zündschalters während der Ladephase des
Zündspeicherelements kommen. Zur Abhilfe ist eine vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung vorgesehen, wonach die Aktivierung des Thyristor-Zündschalters
durch das Drehzahlbegrenzungsmodul mittels eines zusätzlichen Sperrschalters
unterbunden wird. Das Unterbinden erfolgt zweckmäßig kurz nach Beginn der
Zündspeicher-Ladephase bis zu deren Ende. Dazu läßt sich beispielsweise ein
Schwellwertschalter als Sperrschalter einsetzen, der oberhalb einer bestimmten
Schwelle für eine Ansteuerspannung durchschaltet. In vorteilhafter Ausbildung ist
die Einschaltschwelle des Sperrschalters so ausgelegt, dass die Entladung des
Zündspeicherelements bzw. -kondensators mit dem genannten Ladungs- bzw.
Spannungswert über den Zündübertrager keinen Funkenüberschlag an der
Zündfunkenstrecke verursacht.
Im Rahmen der allgemeinen erfinderischen Idee liegt auch eine selbständige
Verwendung des erfindungsgemäß ausgeführten Drehzahlbegrenzungsmodul als
Drehzahl-Schwellwertentscheider und/oder Kippschalter für universelle
Anwendungen in Verbindung mit Drehzahlbestimmungen.
Ferner umfasst die allgemeine erfinderische Idee folgendes:
Anordnung zum Zünden einer Brennkraftmaschine insbesondere in handgeführten Arbeitsgeräten, mit einem Magnetgenerator (P; N,S), der drehzahlabhängig Wechselspannungen induziert und dabei ein Zündspeicherelement (U4) für Zündfunkenenergie elektrisch lädt, und mit einem die Wechselspannungen (I, II, III) abtastenden Triggerwerk (U2, U10) zum Betätigen eines das Zündspeicherelement (U4) über die Primärspule eines Zündübertragers (U5) entladenden Zündschalters (U9), wobei eine drehzahlabhängige Funktionen von einem Drehzahlschalter betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlschalter welcher durch Vergleich von 2 winkelfesten Ereignissen, mit der Zeit eines von einem RC-Zeitglied angesteuertem elektronischem Schalters arbeitet, wobei das Zeitglied von einem ersten winkelfesten Ereignis (Spannungspuls) gestartet wird und der Schaltzustand des Drehzahlschalters im Zeitpunkt des Eintreffens des zweiten winkelfesten Ereignisses, vom Zeitpunkt des zweiten winkelfesten Ereignisses (Spannungspuls) relativ zum Ansteuerende des Zeitgliedes bestimmt ist, wobei der Ansteuerbeginn beim ersten winkelfesten Ereignis und das Ansteuerende beim Unterschreiten von ca 50% der Ladeamplitude vom C des RC-Gliedes erfolgt.
Anordnung zum Zünden einer Brennkraftmaschine insbesondere in handgeführten Arbeitsgeräten, mit einem Magnetgenerator (P; N,S), der drehzahlabhängig Wechselspannungen induziert und dabei ein Zündspeicherelement (U4) für Zündfunkenenergie elektrisch lädt, und mit einem die Wechselspannungen (I, II, III) abtastenden Triggerwerk (U2, U10) zum Betätigen eines das Zündspeicherelement (U4) über die Primärspule eines Zündübertragers (U5) entladenden Zündschalters (U9), wobei eine drehzahlabhängige Funktionen von einem Drehzahlschalter betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlschalter welcher durch Vergleich von 2 winkelfesten Ereignissen, mit der Zeit eines von einem RC-Zeitglied angesteuertem elektronischem Schalters arbeitet, wobei das Zeitglied von einem ersten winkelfesten Ereignis (Spannungspuls) gestartet wird und der Schaltzustand des Drehzahlschalters im Zeitpunkt des Eintreffens des zweiten winkelfesten Ereignisses, vom Zeitpunkt des zweiten winkelfesten Ereignisses (Spannungspuls) relativ zum Ansteuerende des Zeitgliedes bestimmt ist, wobei der Ansteuerbeginn beim ersten winkelfesten Ereignis und das Ansteuerende beim Unterschreiten von ca 50% der Ladeamplitude vom C des RC-Gliedes erfolgt.
Dadurch ergibt sich ein Anwendung in einem Zündmodul, bei welcher der
angesprochene elektrische Schalter beim Überschreiten einer bestimmten
Drehzahl einen Impuls am Beginn des zweiten winkelfesten Spannungsimpulses
abgibt. Einsetzbar ist diese Schaltung in einem Zündmodul, bei welchem oberhalb
einer bestimmten Drehzahl der Zündthyristor von dem zweiten winkelfesten Signal
angesteuert wird. Dieses Signal liegt noch vor dem Signal, welches den Thyristor
zum Entladen des Zündkondensators ansteuert. Somit ergibt sich die Funktion,
dass der Zündzeitpunkt beim Überschreiten einer bestimmten Drehzahl einen
Sprung "nach früh" ausführt. Der Vorteil der Schaltung mit den beiden
Zenerdioden wirkt sich hier genauso aus, auch wenn der elektrische Schalter
beispielsweise ein Transistor ist, da die Verstärkung eines Transistors ebenso
schwankt wie der Thyristor-Gate-Triggerstrom und die Schwellenspannung der
Steuerstrecke am Transistor vergleichbar streut.
Die Erfindung ist generell auf Drehzahlmessung ausdehnbar, nicht nur für eine
Begrenzungsdrehzahl.
Drehzahlmessung durch Vergleich von 2 winkelfesten Ereignissen, mit der Zeit
eines Zeitgliedes entsprechend der Erfindung, d. h. von der Entladekurve eines
RC-Gliedes wird der flache Teil vorzugsweise 50%, durch eine Serienzenerdiode
ZDs abgeschnitten, so daß nur der steile Teil zum aktivieren eines elektronischen
Schalters o. A. führt, wobei die Serienzenerdiode ZDs zusammen mit einer zu
dieser in Reihe geschalteten ZDp die Ladespannung des Kondensators des RC-
Gliedes bestimmt.
Weitere Einzelheiten, Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung und deren
Ausgestaltungen wird auf die abhängigen Ansprüche und die nachfolgende
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung und die
Zeichnungen verwiesen. Diese zeigen in:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines gattungsgemäßen
Magnetgenerators mit Zünd-, Trigger- und
Zündübertragerspulen,
Fig. 2 ein vorbekanntes, gattungsgemäßes Zündanordnungsprinzip
mit Drehzahlbegrenzung in Blockschaltbild-Darstellung, wie es
der oben genannten Patentveröffentlichung EP 0 584 618 A2
entspricht,
Fig. 3 Spannungs- und Strom-Zeitdiagramme einzelner
Funktionsblöcke aus Fig. 1, im zeitlichen Bezug aufeinander
dargestellt,
Fig. 4 ein dem Blockschaltbild nach Fig. 2 und den Spannungs-/Zeit
diagrammen nach Fig. 3 entsprechendes Strom-/Zeit
diagramm für den Gate-Steuereingang des Thyristor-
Zündschalters bei Abfall unter 1 µA und Schwankung bzw.
Streuung der Thyristor-Schwellenspannung um ± 150 mV in
50 mV-Schritten am Ansteuereingang des Zündschalters,
Fig. 5 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der
Erfindung,
Fig. 6 ein Strom-/Zeitdiagramm analog Fig. 4 bei Abfall unter 1 µA
und Schwankung bzw. Streuung der Thyristor-
Schwellenspannung um ± 150 mV in 50 mV-Schritten am
Ansteuereingang des Zündschalters für das
erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel gemäß
Blockschaltbild in Fig. 5,
Fig. 7 ein Strom-/Zeitdiagramm für den Steuerstrom des Thyristor-
Zündschalters analog Fig. 4 und 6, mit Abfall des
Steuerstroms unter 1 µA und Schwankungen der Zener-
Durchbruchspannungen der Serien-Zenerdiode um ± 1 V,
Fig. 8 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der
Erfindung,
Fig. 9 ein Fig. 7 analoges Strom-/Zeitdiagramm mit Abfall des
Steuerstroms unter 1 µA und Schwankungen der Zener-
Durchbruchspannungen der Serien-Zenerdiode und der
Parallel-Zenerdiode um ± 1 V für das Ausführungsbeispiel
gemäß Blockschaltbild in Fig. 8,
Fig. 10 eine vergleichende Darstellung der über die Zeit
aufgetragenen Steuerströme der jeweiligen Thyristor-
Zündschalter in der Anordnung gemäß Stand der Technik
nach Fig. 2 und beim erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiel nach Fig. 8,
Fig. 11 ein Blockschaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels.
Die erfindungsgemäße Zündanordnung basiert auf einem Magnetgenerator, der
gemäß Fig. 1 ein auf der Kurbelwelle einer nicht dargestellten
Brennkraftmaschine drehfest angeordnetes Polrad P mit einem peripher
angeordneten Magneten M umfaßt. Die Drehbarkeit bzw. Drehrichtung ist mit
einem Pfeil angedeutet. An die Nord- und Südpol-Enden des Magnetes M ist je
ein Polschuh N, S angebracht. Diese Magnetanordnung M, N, S wird mit jeder
Umdrehung des Polrads P an einem Eisenjochkern K mit zwei Schenkeln vorbei
bewegt. Dabei kann sich mit jeder Umdrehung einmal der magnetische Kreis mit
dem Fluß F schließen, wenn die beiden Schenkel des Eisenjochkerns K jeweils
einem der beiden Polschuhe N, S zumindest teilweise gegenüber liegen. Der bei
geschlossenem, magnetischen Kreis dem Südpol S gegenüberliegende Schenkel
ist vom Zündübertrager U5 und von der Triggerspule U2 umgeben, während der
andere, dem Nordpol gegenüberliegende Schenkel von einer Ladespule U1
umgeben ist. Bei umlaufendem Polrad P wird in der Ladespule U1 wie auch in der
Triggerspule U2 eine elektrische Spannung induziert.
Gemäß Fig. 2 wird die in der Ladespule U1 induzierte Spannung über einen
Gleichrichter U3 zum Aufladen eines Zündkondensators U4 verwendet, welcher in
Verbindung mit einem Zündübertrager U5 zur Erzeugung eines Zündfunkens in
der Zündfunkenstrecke FU steht. Die zweite, in der Triggerspule U2 induzierte
Spannung wird nach Gleichrichtung durch eine Diode D1 zum Laden eines
Triggerkondensators C1 verwendet, der im gezeichneten Beispiel eine Kapazität
von 220 nF aufweist. Dieser ist von der Kathode der genannten Gleichrichter-
Diode D1 aus gegen Masse geschaltet. Parallel mit dem Kondensator C1 liegt an
der Diode D1 ein gegen Masse geschalteter Spannungsteiler Rs, Rp mit den aus
der Zeichnung ersichtlichen Wertebeispielen für zwei Ohmsche Widerstände. Eine
Teilspannung zwischen dem ersten Spannungsteiler-Widerstand Rs und dem
zweiten Spannungsteiler-Widerstand Rp wird einem Zündschalter U9 zugeführt,
welcher der Entladung des aufgeladenen Zündkondensators U4 dient. Der
Zündschalter U9, vorzugsweise mit einem Thyristor realisiert, läßt sich dann
ansteuern, bzw. zum Entladen schließen, wenn am Spannungsteiler Rs, Rp eine
ausreichende Ansteuerenergie zur Verfügung steht.
Gemäß Fig. 3 bestehen die in der Ladespule U1 und der Triggerspule U2
induzierten Spannungen jeweils aus einer negativen, einer positiven und einer
nachfolgenden negativen Halbwelle. Durch die räumliche Anordnung der
Ladespule 1 auf dem in Drehrichtung ersten Jochschenkel und der Triggerspule
U2 auf dem in Drehrichtung zweiten Jochschenkel eilt der Spannungszug der
Ladespule U1 gemäß Fig. 3 zeitlich dem der Triggerspule U2 voraus. Der jeweils
nachfolgende, positive Spannungsimpuls von der Triggerspule U2 (oder auch von
der Primärspule des Zündübertragers U5, wie gestrichelt angedeutet) aktiviert
über die Drehzahlbegrenzungsschaltung U10, welche die genannte Diode D1, den
Triggerkondensator C1 und den Spannungsteiler Rs, Rp umfaßt, den
Zündschalter U9, wodurch der Zündkondensator U4 in kurzer Zeit in
Wechselwirkung mit der, Primärspule des Zündübertragers U5 entladen wird.
Hierdurch wird ein üblicherweise negativer Zündspannungs-Impuls erzeugt,
welcher einen Zündfunken an der Zündfunkenstrecke FU der Zündkerze des
Verbrennungsmotors ergibt.
In der Drehzahlbegrenzungsschaltung U10 gelangen die positiven
Spannungsimpulse von der Triggerspule U2 über einen Spannungsteiler Rs und
Rp zum Steueranschluß des Zündschalters U9. Parallel dazu wird der
Triggerkondensator C1 aufgeladen. Dieser entlädt sich über den Spannungsteiler
Rs, Rp, somit wird der Zündschalter U9 mit einem nach einer Exponentialfunktion
abfallenden Steuerstrom auch noch nach dem Ende eines positiven
Spannungsimpulses der Triggerspule U2 für die Zeit tein angesteuert. Bei
Drehzahlen unterhalb einer maximal zulässigen Drehzahlgrenze (n < n_max)
erscheint der Beginn einer nächsten positiven Ladespulenspannung nach dem
Ende der vorausgegangenen Einschaltzeit tein. Der Zündschalter ist also zu
diesem Zeitpunkt nicht mehr angesteuert. Bei Drehzahlen oberhalb einer maximal
zulässigen Grenzdrehzahl n_max liegt der Beginn der jeweils positiven
Spannungshalbwelle von der Ladespulenspannung U1 noch vor Beendigung der
Einschaltzeit tein aufgrund der durch den Triggerkondensator bestimmten
Zeitkonstante bzw. Verzögerung der Drehzahlbegrenzungsschaltung U10. Eine
Umdrehung des Polrades P wird nämlich in einer kürzeren Zeit zurückgelegt,
wobei sich eine Zeitdauer tx zwischen dem Scheitelpunkt der jeweils positiven
Triggerspannungshalbwelle und dem Beginn der positiven Halbwelle des jeweils
nachfolgenden Halbwellenzugs der Spannung an der Ladespule U1 verkürzt. Der
Zündschalter U9 ist also zu diesem Zeitpunkt (Beginn der positiven Halbwelle der
Spannung der Ladespule U1) bei der Drehzahl n < n_max noch angesteuert. Der
von der Ladespule U1 herrührende Ladestrom kann somit nicht in den
Zündkondensator U4 fließen, sondern wird über die Schaltstrecke des
Zündschalters U9 kurzgeschlossen bzw. entladen. Als Zündschalter U9 wird
vorzugsweise ein Thyristor verwendet, welcher die Eigenschaft hat, dass er sich
solange eingeschaltet hält, als ein von der Ladespule U1 herrührender Ladestrom
über den vom Zündschalter U9 bewirkten Kurzschluß auf Masse fließt, selbst
wenn kein von der Drehzahlbegrenzungsschaltung U10 herrührender
Ansteuerstrom mehr fließt. Hierdurch bleibt bei aktiver Drehzahlbegrenzung immer
die gesamte positive Halbwelle der Ladespule U1 über den Zündschalter U9
kurzgeschlossen, der Zündkondensator U4 wird nicht geladen und somit kein
Zündspannungs-Impuls erzeugt. Entscheidend für die maximal zulässige
Höchstdrehzahl ist das Ende der Einschaltzeit tein relativ zum Beginn einer
positiven Ladehalbwelle von der Ladespule U1. Die Einschaltdauer tein ist
festgelegt durch die Bauteile der Drehzahlbegrenzungsschaltung, nämlich des
Triggerkondensators C1 und der Spannungsteiler-Widerstände Rp, Rs sowie
durch die Empfindlichkeit des Steuereingangs des Zündschalters U9 und die
Amplitude der in der Triggerspule U2 induzierten Spannung, welche die
Ladespannung des Triggerkondensators C1 bestimmt. Die Steuerspannung,
welche am Ansteuereingang beziehungsweise Gate des Zündthyristors anliegen
muß, damit ein Gate-Ansteuer- beziehungsweise -Triggerstrom fließen kann, muß
eine bestimmte Schwelle überschreiten. Je höher diese Schwellenspannung ist,
desto leichter beziehungsweise früher unterschreitet der Ansteuerstrom die
Trigger- beziehungsweise Durchschaltschwelle, und die Einschaltdauer tein wird
kürzer.
Wegen weiterer Einzelheiten dieses bereits aus dem Stand der Technik bekannte
Zündsteuerprinzips wird auf die oben genannten Patentveröffentlichungen EP 0 584 618 A2
und DE 196 45 466 A1 verwiesen.
In Fig. 4 sind die zeitlichen Ungenauigkeiten und Streuungen veranschaulicht,
welche sich bei der Zündanordnung mit Drehzahlbegrenzung nach dem Stand der
Technik (Fig. 1-3) ergeben. Vergrößert dargestellt ist der Verlauf des
Steuerstromes Ig über die Zeit t am Steuereingang des Thyristor-Zündschalters
U9 im Endbereich der Einschaltzeit tein (vgl. in Fig. 3 umkreister Bereich), wenn
die Spannungsschwelle für das Durchschalten des verwendeten Thyristors in 50
mV-Schritten um ± 150 mV streut. Bei einer Empfindlichkeit von 1 µA Gate-
Ansteuerstromes des Thyristors ergibt sich eine Schwankung A der Einschaltzeit
tein bis zum Unterschreiten der 1 µA-Grenze von 765 µs. Das entspricht 15%
bzw. ± 7,5% bei einer Periodendauer tp von 5 ms und einer Obergrenze für die
maximal zulässige Drehzahl von 12000 Umdrehungen pro Minute. Die. Ursache
für diese Schwankung ist, dass eine geringe Schwellspannungsänderung des
Zündschalter-Thyristors U9 eine relativ starke Änderung der Stromverteilung
zwischen dem Widerstand Rp des Spannungsteilers und dem Steuereingang des
Thyristor-Zündschalters U9 verursacht. Zur Verbesserung ist es deshalb
zweckmäßig, beim Spannungsteiler Rs, Rp den direkt mit Masse verbundenen
Widerstand Rp hochohmig und den anderen Spannungsteiler-Widerstand Rs
niederohmig zu wählen. Zudem kann eine möglichst hohe Ansteuerenergie eine
Verbesserung erbringen, welche allerdings bei der Zündfunkenerzeugung
wiederum fehlt.
Weiterhin streut der Einschaltstrom Ig des Thyristor-Zündschalters zwischen
beispielsweise 1 µA und 200 nA. Dies ergibt zusätzlich eine Schwankung B von
312 µs, was 6,2% bei einer Periodendauer von tp = 5 ms entspricht. Ursache
dafür ist, dass der für die Toleranz der Drehzahlbegrenzung relevante Bereich
sich im Endbereich der Entladekurve des Triggerkondensators C1 befindet. Die
Entladekurve verläuft an dieser Stelle entsprechend ihrem Charakter als
Exponentialkurve sehr flach. Zwar würde eine höhere Ansteuerenergie bei
gleichzeitig niederohmigerem, mit Masse direkt verbundenem Widerstand Rp des
Spannungsteilers einen steileren bzw. zeitlich schnelleren Übergang von 1 µA zu
200 nA erbringen. Da eine Änderung der Widerstandswerte im Spannungsteiler
Rp, Rs die aus den zeitlichen Schwankungen A, B herrührenden Toleranzen
sowohl teilweise positiv als auch teilweise negativ beeinflußt, ist im Ergebnis keine
Verbesserung erreichbar. Wie oben bereits angesprochen, bedeutet eine
Erhöhung der Ansteuerenergie wegen den damit verbundenen Nachteilen für das
Gesamtsystem der Zündung keine vorteilhafte Lösung.
Dem gegenüber wird nach der Erfindung zur Lösung bzw. Abhilfe vorgeschlagen,
den für die Drehzahlbegrenzungsgenauigkeit entscheidenden Bereich des Gate-
Ansteuerstroms für den Thyristor-Zündschalter zwischen 1 µA bis 200 nA in einen
steileren Bereich der exponentiellen Entladekurve zu verlagern. Hierzu wird nach
dem Erfindungsbeispiel in Fig. 5 eine Serien-Zenerdiode ZDs z. B. mit einer
Zener-Durchbruchspannung von 24 V so zwischen dem Triggerkondensator C1
und dem Spannungsteiler Rs, Rp mit der Steuerstrecke für den Thyristor-
Zündschalter U9 geschaltet, dass die am Triggerkondensator C1 anliegende
Spannung um die Zener-Durchbruchspannung subtrahiert zum Spannungsteiler
Rs, Rp gelangt. Dadurch wird der Thyristor-Zündschalter U9 von einem im
relevanten bzw. kritischen Bereich zwischen 200 nA bis 1 µA zeitlich steiler bzw.
schneller abfallenden Steuerstrom angesteuert, wodurch sich die Toleranzen der
Drehzahlbegrenzung verringern und sich deren Genauigkeit erhöht. In diesem
Zusammenhang ist eine Erhöhung des direkt mit Masse verbundenen
Spannungsteiler-Widerstands Rp zweckmäßig, z. B. auf 22 kOhm, um mit
geringeren Steuerströmen auszukommen: Gleichwohl erhöht sich dabei die
Steilheit des Stromabfalles. Wie an sich bekannt, wird eine Zener-Diode in
Sperrrichtung geschaltet bzw. "gespannt" und läßt erst oberhalb einer gewissen
Schwellenspannung Strom kurzschlußartig durch.
Der gemäß Fig. 5 zum Triggerkondensator C1 parallel auf Masse geschaltete
Parallelwiderstand Rpc dient zum Entladen des Speicherkondensators C1 unter
die Zener-Durchbruchspannung der Serien-Zenerdiode ZDs. Dies ist besonders
deshalb vorteilhaft bzw. zweckmäßig, damit beim Unterschreiten der Zener-
Durchbruchspannung die Entladekennlinie insbesondere im relevanten bzw.
kritischen Bereich am Ende von tein nicht zu sehr abflacht. Der Parallelwiderstand
Rpc ermöglicht ein Entladen des Triggerkondensators C1 unter die Zener-
Durchbruchspannung.
Ein Vergleich des gattungsgemäßen Standes der Technik gemäß Fig. 1-4
mit dem Erfindungsbeispiel gemäß Fig. 5 ergibt folgende Unterschiede: Dem
Triggerkondensator C1 ist ein Widerstand Rpc parallel auf Masse geschaltet.
Dieser bildet einen Entladewiderstand für den Triggerkondensator C1. Ferner ist
zwischen dem Triggerkondensator C1 und dem Strompfad zum Ansteuereingang
des Thyristor-Zündschalters U9 vor dem Serienwiderstand Rs des
Spannungsteilers Rs, Rp die genannte Serien-Zenerdiode ZDs eingefügt. Bei
positiv induzierter Halbwelle vom Magnetgenerator wird der Triggerkondensator
C1 aufgeladen und entlädt sich nach einer Exponentialfunktion, wie auch nach
dem Stand der Technik. Erfindungsgemäß wird mit der Serien-Zenerdiode ZDs
der flache Teil dieser Exponentialfunktion abgeschnitten. Allerdings weisen die zur
Verwirklichung des Zündschalters U9 zur Verfügung stehenden Thyristoren einen
Streubereich für den Gate Ansteuerstrom zwischen 1 µA und 200 nA auf, bei dem
sie in den leitenden Zustand durchgeschaltet werden. Zur Erhöhung der Dynamik
und Genauigkeit der Drehzahlbegrenzung soll der Bereich zwischen 1 µA und 200 nA
in einem möglichst kurzen Zeitraum durchlaufen werden, damit sich die
Schwankungen der Zündschalter-Ansteuerzeit und der Drehzahl-Obergrenze
minimieren lassen. Der Parallelwiderstand Rpc auf Masse dient der Entladung des
Ladekondensators innerhalb der Drehzahlbegrenzungsschaltung U10. Die
erfindungsgemäße Serien-Zenerdiode ZDs hat die Funktion, nur den steilen
Bereich der exponentiellen Entladekurve des Triggerkondensators C1 in
Wirkungsverbindung mit dem Ansteuereingang des Thyristor-Zündschalters U9
zuzulassen bzw. zum Thyristor auf der Basis der Zener-Durchbruchspannung
durchzuschalten. Hierdurch wird erreicht, dass der Übergang zwischen 1 µA und
200 nA als Ansteuerbereich für den Thyristor-Zündschalter steiler ist und in
kürzerer Zeit durchlaufen wird. Dadurch werden die Streuungen der Ansteuerzeit
tein des Thyristor-Zündschalters U9 und die Zeitschwankungen der
Drehzahlbegrenzungsschaltung U10 geringer.
Ein Vergleich von Fig. 4 mit Fig. 6 zeigt, dass die zeitliche Breite
beziehungsweise das Streu- oder Schwankungsband des Steuerstrom-Abfalls mit
der erfindungsgemäßen Schaltung wesentlich geringer beziehungsweise schmäler
wird als nach dem Stand der Technik. Dies ergibt sich auch aus der jeweiligen
Zeitschwankung B in den Fig. 4 und 6. Ferner ist erkennbar, dass sich
Spannungsschwankungen am (Gate-)Ansteuereingang um 150 Millivolt zeitlich
beim Stand der Technik noch wesentlich stärker auswirken als nach der
Erfindung. Dieser Effekt der Minderung der zeitlichen Ungenauigkeiten wird durch
die Reihenschaltung mit der Serien-Zenerdiode ZDs erzielt, welche nur den steilen
Spannungsabschnitt aufgrund des inne wohnenden Zenereffekts durchläßt. Die
Verbesserungen durch die Erfindung sind aus den Kennlinien von Fig. 6
ersichtlich. Auch ein tabellarischer Vergleich des Einflusses der Streuung vom
Trigger- beziehungsweise Gate-Ansteuerstrom Ig und von der Schwelle für
Durchschaltspannung auf die erzielbare Drehzahlobergrenze in % (bezogen auf
Periodendauer tp = 5 ms) verdeutlicht dies:
Durch das zusätzlich Bauteil ZDs kommen jedoch noch Streuungen der
Zenerspannung von ± 1 V bei nominal 24 V dieses Bauteils dazu. Dieser Einfluß
ist in Fig. 7 dargestellt. Bei 1 µA Triggerstrom ergibt sich eine zeitliche
Schwankungsbreite von ± 2,7%. Hierdurch wird ein Teil des Vorteils der
Erfindung aufgezehrt, wenn keine Zenerdioden mit eingeengten Toleranzen
verwendet werden. Ursache für diesen Nachteil ist, daß bei einer höheren
Zenerspannung ein höherer Spannungsanteil von der Spannung des
Speicherkondensators subtrahiert wird, und somit die Steuerstrecke des
Thyristors eine kürzere Zeit angesteuert wird.
Um das Problem der Streuung der ersten Serien-Zener-Diode anzugehen, wird in
einer weiteren Ausführung der Erfindung entsprechend Fig. 8 durch eine weitere
(Parallel)-Zenerdiode ZDp die Zeit-Schwankung aufgrund von Streuungen der
Serien-Zenerdiode ZDs, kompensiert. Hierzu sind Serien- und Parallel-
Zenerdioden ZDs, ZDp vom gleichen Typ und möglichst von der gleichen
Fertigungscharge zu verwenden. Dies ist bei Verwendung der Zenerdioden aus
nachfolgenden Positionen eines Bestückgurtes gegeben. Die Parallel-Zenerdiode
ZDp ist zur Serien-Zenerdiode ZDs so geschaltet, daß beide zueinander in Serie
und parallel zum Triggerkondensator C1 geschaltet sind, wobei die Parallel-
Zenerdiode nach der ersten Serien-Zenerdiode ZDs auf Masse gelegt ist. Somit
wird die maximale Ladespannung des Triggerkondensators C1 durch die Summe
der Zenerspannungen von ZDs und ZDp bestimmt. Damit wird eine höhere
Spannung am Speicherkondensator erzielt. Die Parallel-Zener-Diode ZDp gemäß
Fig. 8 bestimmt die Spannung am Triggerkondensator C1, wenn die Serien-
Zener-Diode ZDs durchgeschaltet ist.
In Fig. 9 ist der Einfluß der Streuung beider Zener-Durchbruchspannungen
ZDs, ZDp um je ± 1 V auf die realisierte obere Grenzdrehzahl mit nur ± 0,18%
wiedergegeben, so daß die Streuungen der Zenerspannung bei Verwendung von
2 Zenerdioden entsprechend Fig. 8 zu vernachlässigen sind. Die Kompensation
beruht darauf, daß der Wert der Zenerspannung der Serien-Zenerdiode ZDs nicht
nur die Ansteuerzeit des Thyristor-Zündschalters U9, wie oben beschrieben,
während des Entladevorgangs mitbestimmt, sondern durch die
Zusammenschaltung beider Zenerdioden ZDs und ZDp auch die Spannung, auf
welche der Triggerkondensator C1 aufgeladen wird. Eine höhere Zenerspannung
würde eine kürzere Ansteuerzeit des Thyristors erbringen. Da jedoch hierdurch
auch eine höhere Ladespannung am Triggerkondensator C1 erreicht wird, welche
eine Verlängerung der Ansteuerzeit bewirkt, kompensieren sich die Ansteuerzeit-
Verkürzung und Verlängerung. Hierzu sind die Zenerdioden ZDs, ZDp zusammen
mit einem ohmschen Strombegrenzungswiderstand RS1, der der
Gleichrichterdiode D1 seriell nachgeschaltet ist und zum Ladeeingang des
Triggerkondensators C1 führt, und der Triggerspule U2 so dimensioniert, daß bei
Erreichen der oberen Grenzdrehzahl beide Zenerdioden beim Ladeende des
Triggerkondensators C1 leiten. Dies hat weiterhin den Vorteil, daß Streuungen der
Stärke des Magneten M, oder Schwankungen eines Luftspaltes L zwischen einem
Eisenkern-Schenkel und dem Umfang des Polrads und somit des magnetischen
Flusses F und damit einhergehend der Triggerspulenspannung die Ladespannung
des Triggerkondensators C1 nur unwesentlich beeinflussen. Somit sind hierdurch
Einflüsse auf die zugelassene obere Grenzdrehzahl zu vernachlässigen. Mittels
des Strombegrenzungswiderstands RS1 wird der Strom aus der Triggerspule U2
begrenzt und somit die Energieaufnahme der Drehzahlbegrenzungsschaltung U10
reduziert.
In Fig. 10 ist die Stromersparnis bzw. Energieersparnis veranschaulicht, die sich
mit der Erfindung für die Drehzahlbegrenzungsschaltung erreichen läßt. Dort ist
der gesamte Verlauf des jeweiligen Ansteuerstroms Ig für den Thyristor
Zündschalter U9 über die Zeit aufgezeichnet. Der Strom Ig ist bei der Schaltung
entsprechend der Erfindung, Fig. 8, wesentlich geringer, jedoch erfolgt, wie aus
den Detailabbildungen Fig. 6, 7, 9 ersichtlich der Abfall des Steuerstromes Ig im
relevanten Teil zwischen 1 µA auf 200 nA wesentlich steiler. Ein hoher, gemäß Fig.
10 10 Milliampere überschreitende Steuerstrom ist notwendig für die aus dem
Stand der Technik bekannte Drehzahl-Begrenzungsschaltung nach Fig. 2.
Größenordnungen niedriger dagegen ist der notwendige Steuerstrom Ig gemäß
der Schaltung nach Fig. 8. Es wird nämlich erfindungsgemäß nur der steile
Bereich der Entladungskurve am Speicherkondensator in der Drehzahl-
Begrenzungsschaltung U10 verwendet. Der weniger steile Bereich wird von der
oder den Zener-Dioden ZDs, ZDp unterdrückt. Diese prägen ihre konstante,
jeweilige Zener-Spannung ein, die im Idealfall bei Verwendung von zwei typ- und
chargengleicher Zener-Dioden exakt übereinstimmen (gleiche
Herstellungscharge). Die Fig. 10 zeigt, dass trotz des um Größenordnungen
niedrigeren Energiebedarfs die Dynamik der Drehzahl-Begrenzungsschaltung
innerhalb des Streu-Bereichs für den Thyristor-Entlade- beziehungsweise
Zündschalter U9 erheblich erhöht ist. Der Streu-Bereich des Thyristors wird
aufgrund der erfindungsgemäßen Drehzahl-Begrenzungsschaltung U10 steiler
durchfahren. Denn es wird ja mittels der Zener-Dioden nur der steile Bereich der
Triggerkondensator-Entladekurve verwendet. Es wird also auch eine neue
Verfahrensweise gemäß Erfindung eröffnet. Bei der Schaltung entsprechend der
Erfindung wird ferner weniger Energie zum Ansteuern benötigt und somit weniger
Energie dem Flußwechsel F für die Drehzahlbegrenzungsschaltung U10
entzogen. Mit der Erfindung läßt sich der Triggerkondensator im Vergleich zum
Stand der Technik auch leicht kleiner dimensionieren. Weiterhin kann mit der
Erfindung eine erniedrigte Ladespannung von der Triggerspule U2 aus
ausreichend sein.
Bei den oben beschriebenen Erfindungsbeispielen läßt sich mit der Serien-
Zenerdiode ZDs der Zündschalter U9 erst ansteuern, wenn die Motordrehzahl so
hoch ist, daß die Triggerspulenspannung U2 den Wert der Zener-
Durchbruchspannung erreicht. Dies kann bei bestimmten Systemen dazu führen,
daß der Motor schwieriger zu starten ist. Als Abhilfe wird entsprechend Fig. 11 ein
Widerstand R in einem Parallelpfad zur Drehzahlbegrenzungsschaltung U10
angeordnet. Durch diesen Parallelpfad mit dem Widerstand R wird über eine
analoge Oderschaltung U8 die positive Triggerspulenspannung dem
Entladeschalter U9 zu dessen Betätigung wiederholt nahezu verzögerungsfrei
zugeführt.
Wie an sich bekannt, fällt mit steigender Spannung an der Durchschaltstrecke des
Thyristor-Zündschalters U9 und mit deren steigenden Steilheit der erforderliche
Gate-Ansteuerstrom Ig, welcher zum Zünden des Thyristors führt. Bei Drehzahlen
knapp unter der oberen Grenzdrehzahl steigt die Spannung am Zündkondensator
U4 steil an, und diese liegt gleichzeitig an der Durchschaltstrecke des Thyristor-
Zündschalters U9 an. Gleichzeitig unterschreitet der Ansteuerstrom Ig die Trigger
beziehungsweise Zündschwelle für den Thyristor-Zündschalter U9 nur knapp. Da
der obige Spannungsanstieg eine Verschiebung des Triggerstromes zu kleineren
Werten ergibt, kann es leichter zum ungewollten Durchschalten des Thyristors
während der Ladephase kommen. Dies führt zu einem Hochspannungspuls
verringerter Amplitude zu einem verfrühten Zeitpunkt, z. B. in einer Drehlage von
60° vor dem oberen Totpunkt. Dies kann zu einem Funkenüberschlag an der
Zündkerze FU führen. Weiterhin fehlt in diesem Fall der Hochspannungspuls im
eigentlichen Zündzeitpunkt. Somit treten leicht Zündaussetzer knapp unterhalb
der oberen Grenzdrehzahl auf. Bei Schaltungsaufbauten konnte ein starkes
Streuen dieses Verhaltens festgestellt werden. Abhängig vom individuellen
Thyristor und Thyristortyp wurde dies in einem Drehzahlband 0 und 300
Umdrehungen pro Minute unterhalb der Grenzdrehzahl festgestellt.
Zur Abhilfe wird in Weiterentwicklung der Erfindung die Schaltung nach Fig. 11 um
einen Sperr-Schalter U11 ergänzt, um die Auswirkungen der Rückwirkungen der
Spannung an der Durchschaltstrecke des Thyristor-Zündschalters auf dessen
Einschaltempfindlichkeit zu verringern. Entsprechend der Erfindung wird der
Schalter U11 oberhalb einer positiven Spannung an der Ladespule U1 von
wenigen Volt, beispielsweise 10 Volt, geschlossen, so daß der von der
Drehzahlbegrenzungsschaltung zum Thyristor geführte Gate-Ansteuerstrom vor
dem Thyristor-Zündschalter U9 kurzgeschlossen wird. Die Funktion der
Schwellwertentscheidung ist auch im beispielsweise als Schalttransistor
realisierten Sperrschalter U11 implementiert. Jedenfalls wird die
Spannungsschwelle so gewählt, dass ein Durchschalten des Thyristor-
Zündschalters U9 während des Ladespannungsanstiegs an der Ladespule U1
(vgl. Fig. 3 - "Spannung Ladespule U1" und "Spannung Zündkondensator U4")
nicht auftritt. Dabei ist der Sperrschalter jeweils nur während der positiven
Ladehalbwelle von der Ladespule U1 beziehungsweise am Zündspeicher U4
eingeschaltet, und zwar wegen der Schwellwertfunktion beziehungsweise
Ansprechschwelle kurz nach Beginn der Ladehalbwelle. War beim Beginn der
Ladehalbwelle die Stromstärke am Ansteuereingang des Zündschalters U9 (im
Beispiel Gate des Zündthyristors) zum Durchschalten nicht ausreichend, kann
jedenfalls für die nachfolgende Dauer der Ladehalbwelle ein Durchschalten
beispielsweise aufgrund erhöhter Empfindlichkeit der Zündschalter-Ansteuerung
nicht mehr erfolgen, weil der Sperrschalter für den genannten Zeitraum eine
Ansteuerung des Zündschalters U9 verhindert. Das Ende eines Zeitraumes tx, in
dem der Zündschalter U9 vom Triggerspeicherelement beziehungsweise
-kondensator C1 ansteuerbar ist, ist dadurch scharf festgelegt. Somit entfällt auch
ein Drehzahlband mit einzelnen Aussetzern unterhalb der Drehzahlgrenze,
wodurch die Drehzahlbegrenzung präziser einsetzt.
P Polrad
M Magnet
N, S Polschuhe
K Eisenjochkern
F magnetischer Fluß
U5 Zündübertrager
U2 Triggerspule
U1 Ladespule
U3 Gleichrichter
U4 Zündkondensator
FU Zündfunkenstrecke/Zündkerze
D1 Diode
C1 Triggerkondensator
Rs, Rp Spannungsteiler
Rs Spannungsteiler-Widerstand
Rs2 Spannungsteiler-Widerstand
Rp Spannungsteiler-Widerstand
U9 Zündschalter
U10 Drehzahlbegrenzungsschaltung
tein Einschaltzeit
n_max
M Magnet
N, S Polschuhe
K Eisenjochkern
F magnetischer Fluß
U5 Zündübertrager
U2 Triggerspule
U1 Ladespule
U3 Gleichrichter
U4 Zündkondensator
FU Zündfunkenstrecke/Zündkerze
D1 Diode
C1 Triggerkondensator
Rs, Rp Spannungsteiler
Rs Spannungsteiler-Widerstand
Rs2 Spannungsteiler-Widerstand
Rp Spannungsteiler-Widerstand
U9 Zündschalter
U10 Drehzahlbegrenzungsschaltung
tein Einschaltzeit
n_max
Grenzdrehzahl
tx Zeitdauer
Ig Steuerstrom
t Zeit
A Zeit-Schwankung
B Zeit-Schwankung
tp Periodendauer
ZDs Serien-Zenerdiode
Rpc Parallelwiderstand
ZDp (Parallel)-Zenerdiode
RS1 Strombegrenzungswiderstand
R Widerstand
U8 Oderschaltung
U11 Sperr-Schalter/Schalttransistor
Uzc Spannung, auf welche der Zündkondensator geladen wird
UL+ positive Ladespannung von der Ladespule U1 zum Laden des Zündkondensators
Utr+ positive Triggerspannung von der Triggerspule U2 zum Laden des Triggerkondensators im RC-Zeitglied
tx Zeit zwischen Entladebeginn des RC-Zeitglieds und Beginn der positiven Ladehalbwelle
tx Zeitdauer
Ig Steuerstrom
t Zeit
A Zeit-Schwankung
B Zeit-Schwankung
tp Periodendauer
ZDs Serien-Zenerdiode
Rpc Parallelwiderstand
ZDp (Parallel)-Zenerdiode
RS1 Strombegrenzungswiderstand
R Widerstand
U8 Oderschaltung
U11 Sperr-Schalter/Schalttransistor
Uzc Spannung, auf welche der Zündkondensator geladen wird
UL+ positive Ladespannung von der Ladespule U1 zum Laden des Zündkondensators
Utr+ positive Triggerspannung von der Triggerspule U2 zum Laden des Triggerkondensators im RC-Zeitglied
tx Zeit zwischen Entladebeginn des RC-Zeitglieds und Beginn der positiven Ladehalbwelle
Claims (17)
1. Drehzahl-Schwellwertentscheider und/oder -Kippschalter, mit einer ersten
(U1) und einer dazu phasenstarr versetzten zweiten Wechselspannungs
quelle (U2), die jeweils abhängig von und in ihrer Frequenz proportional zur
Drehzahl eines gemeinsamen Drehkörpers (P) erzeugt werden, und mit ei
nem die Wechselspannungen abtastenden Triggerwerk (U2, U10) zur Aus
gabe eines das Über- oder Unterschreiten einer vorbestimmten Drehzahl
schwelle anzeigenden Steuersignals, wobei das Triggerwerk (U2, U10) ein
Zeitgebermodul (U10), insbesondere RC-Zeitglied oder Monoflop, aufweist,
und dieses Zeitgebermodul (U10) mit einem von einer der Wechselspan
nungsquellen (K, U2) aus aufladbaren Triggerspeicherelement (C1) arbeitet,
das über wenigstens einen Entladezweig (Rpc; Rs, Rp) zum Erzeugen des
Steuersignals entladbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass vom Trigger
speicherelement (C1) bei dessen Entladung ein Ansteuerstrom durch eine
in Sperrrichtung vorgespannte Serien-Zenerdiode (ZDs) zum Ausgang für
das Steuersignal geführt ist.
2. Anordnung zum Zünden einer Brennkraftmaschine insbesondere in hand
geführten Arbeitsgeräten, insbesondere mit einem Drehzahl-
Schwellwertentscheider und/oder -Kippschalter nach Anspruch 1, mit einem
Magnetgenerator (P; N, S), der drehzahlabhängig Wechselspannungen in
duziert und dabei ein Zündspeicherelement (U4) für Zündfunkenenergie
elektrisch lädt, und mit einem die Wechselspannungen abtastenden Trig
gerwerk (U2, U10) zum Betätigen eines das Zündspeicherelement (U4) in
Wirkungsverbindung mit der Primärspule eines Zündübertragers (U5) entla
denden Zündschalters (U9), wobei das Triggerwerk (U2, U10) ein Modul
(U10) zur Begrenzung der Drehzahl der Brennkraftmaschine aufweist, und
dieses Drehzahlbegrenzungsmodul (U10) mit einem von einer Wechsels
pannungsquelle (K, U2) des Magnetgenerators (P, N, S) aus aufladbaren
Triggerspeicherelement (C1) arbeitet, das über wenigstens einen Entlade
zweig (Rpc; Rs, Rp) zum Ansteuern und Betätigen des Zündschalters (U9)
entladbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass vom Triggerspeicherelement
(C1) bei dessen Entladung ein Ansteuerstrom durch eine in Sperrrichtung
vorgespannte Serien-Zenerdiode (ZDs) zum Zündschalter (U9) geführt ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen ersten und einen
zweiten Entladezweig (Rpc; Rs, Rp), die jeweils parallel zum Triggerspei
cherspeicherelement (U2) geschaltet sind, wobei einer der beiden Entlade
zeige (Rs, Rp) wenigstens die Serien-Zenerdiode (ZDs) und der andere
Entladezweig (Rpc) wenigstens einen Widerstand aufweist.
4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
zweite Entladezweig (Rs, Rp) als Spannungsteiler mit mehreren Widerstän
den ausgeführt ist und die Serien-Zenerdiode (ZDs) aufweist, die in Serie
mit wenigstens einem der Widerstände des zweiten Entladezweigs (Rs, Rp)
einen Strompfad vom Triggerspeicherelement (C 1) zu einem Steuerein
gang des Zündschalters (U9) bildet.
5. Anordnung nach Anspruch 2, 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine zweite,
gleichartige Parallel-Zenerdiode (ZDp), die in Sperrrichtung gegenüber dem
Triggerspeicherelement (C1) derart geschaltet ist, dass eine Lade- bezie
hungsweise Ausgangsspannung des Triggerspeicherelements (C1) auf die
Summe der an den beiden Zenerdioden (ZDs, ZDp) abfallenden Zener-
Durchbruchspannungen begrenzt ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Serien-
Zenerdiode (ZDs) und die Parallel-Zenerdiode (ZDp) zueinander in Serie
auf Masse und/oder gemeinsam dem Triggerspeicherelement (C1) oder
dem oder den Entladezweigen (Rpc; Rs, Rp) parallel geschaltet sind.
7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch einen Strombegrenzungswiderstand (RS1), der dem Triggerspeiche
relement (C1) und der vom Triggerwerk (U2, U10) abgetasteten Wechsels
pannungsquelle (K, U2) zwischengeschaltet ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7 und einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, dass der Strombegrenzungswiderstand (RS1) derart di
mensioniert ist, dass mit Erreichen einer für die Brennkraftmaschine vorbe
stimmten Grenzdrehzahl jeweils am Ende eines Ladezyklusses für das
Triggerspeicherelement (C1) in der Serien- und der Parallelzenerdiode
(ZDs, ZDp) sich jeweils die Zener-Durchbruchspannung einstellt.
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser
Strombegrenzungswiderstand (RS1) einen Wert von mehr als 500 Ohm hat.
10. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass das Triggerwerk (U2, U10, R) einen das Drehzahlbegren
zungsmodul (U10) überbrückenden Parallelstrompfad (R) von der Wech
selspannungsquelle (K, U2) zu einem Steuereingang des Zündschalters
(U9) aufweist.
11. Anordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein mit dem Steuer
eingang unmittelbar verbundenes Durchlaßglied, insbesondere analoge
ODER-Schaltung (U8), welches den Ausgängen des Drehzahlbegren
zungsmoduls (U10) und des Parallelstrompfades (R) nachgeschaltet ist.
12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der
Parallelstrompfad (R) mit einem ohmschen Widerstand realisiert ist.
13. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch einen dem Ausgang des Drehzahlbegrenzungsmoduls (U10) zuge
ordneten Sperrschalter (U11), der zum Sperren des Ausgangssignals des
Drehzahlbegrenzungsmoduls (U10) von einer Wechselspannungsquelle
(U1) des Magnetgenerators (P, N, S) ansteuerbar ist, die dem Laden des
Zündspeicherelements (U4) dient.
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperr
schalter (U11) als Schwellwertschalter mit einer Ansteuerschwelle ausgebil
det ist, die zum Ansprechen auf die Wechselspannungsquelle (U1) erst
nach Erreichen eines vorbestimmten Spannungspegels und/oder Verstrei
chen einer vorbestimmten Anstiegsdauer einer Ladehalbwelle der Wech
selspannungsquelle (U1) eingestellt ist.
15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbe
stimmte Spannungspegel und/oder die vorbestimmte Anstiegsdauer derart
bemessen sind, dass eine Betätigung des Zündschalters (U9) durch das
Drehzahlbegrenzungsmodul (U10) ermöglicht ist, bevor der Sperrschalter
(U11) von der Ladehalbwelle der Wechselspannungsquelle (U1) betätigt
wird.
16. Anordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der
vorbestimmte Spannungspegel und/oder die vorbestimmte Anstiegsdauer
derart bemessen sind, dass eine etwaige vorherige Entladung des Zünds
peicherelements (U4) bis zum Ansprechen des Sperrschalters ausreichend
Energie für eine Zündfunkenbildung nicht ergibt.
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
dass der Sperrschalter (U11) zum Kurzschließen des Ausgangs des Dreh
zahlbegrenzungsmoduls (U10) mit Masse angeordnet ist.
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