DE2455201A1 - Verbrennungsmotor-zuendungssystem - Google Patents
Verbrennungsmotor-zuendungssystemInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description
MANITZ. FINSTERWALD & GRÄMKOW
München, den 21. NOV. 1374 Ur/Sv - G 3066
GENERAL MOTORS CORPORATION Detroit, Michigan, USA
Verbrennungsmotor-Zündungssystem
Die Erfindung betrifft Vocbrennurigsmotor-Ziiadungssysteme
und insbesondere ein Verbrennuiif^omotor-Zündun^ssystem des
induktiven Typs, das eine schnelle Anstiegszeit der Zündspannung
und eine lange Zeitdauer des ZündlLchtbogens bzw. Zündfunkens schafft.
Um Zündkerzen verläßlich zu zünden und die Häufigkeit von
verschmutzten Zündkerzen wesentlich zu reduzieren, ist eine schnelle Anstiegszeit der Zündfunkenspannung erforderlich
und kürzlich vorgenommene Studien zeigen, daß ein langbrennender Zündlichtbogen bzw. Zündfunke einen verbesserten
Motorbetrieb sowie verbesserte Treibstoff-Wirtschaftlichkeit und Leerlaufeigenschaften des Motors hervorruft.
Da die Parameter von Zündungssystemen praktisch begrenzt
sind, ist es bisher schwierig gewesen, ein Zündsystem zu schaffen, das sowohl eine Zündfunkenspannung mit schneller
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β MÖNCHEN 522. ROBERT-KOCH-STRASSE 1 7 STUTTGART SO (BAD CANNSTATT» MÖNCHEN, KONTO-NUMMER 7270
Anstiegszeit als auch eine lange Zeitdauer des Zündlichtbogens bzw. Zündfunkens aufweist. Beim Bau eines Zündungssystems des
induktiven Typs mit einer raschen Anstiegszeit der Zündfunkenspannung
ist es z.B. ein Problem, daß während einiger Betriebszustände unzulässig hohe Spannungspegel an der Primärwicklung
der Zündspule auftreten können und die Schaltvorrichtungen des Stromversorgungskreises der Primärwicklung der Zündspule oder
die Zündspule selbst zerstören können. Demzufolge wurden Zündspulen bisher so entworfen, daß das WindungsZahlenverhältnis
der sekundären Wicklung zur primären Wicklung ausreichend hoch ist, so daß unzulässig hohe, auf die Primärwicklung zurück
übertragene Spannungen vermieden werden.
Der gegenwärtigen Tendenz entsprechend werden zunehmend "elektronische"
Kraftfahrzeug-Zündungssysteine verwendet, die im Stromzuführungskreis der Primärwicklung der Zündspule Transistorschaltvorrichtungen
benutzen, um den Stromzuführungskreis der Primärwicklung der Zündspule in zeitlicher Beziehung zum Motor
zu schließen und zu unterbrechen. Transistoranordnungen sind ganz besonders empfindlich gegen übermäßige Spannungspegel an
der Primärwicklung der Zündspule und können von diesem mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zerstört werden. Es ist also
wünschenswert, ein Verbrennungsmotor-Zündungssystem zu schaffen, das eine Zündfunkenspannung mit schneller Anstiegszeit
und einen lang andauernden Zündlichtbogen bzw. Zündfunken aufweist, ohne unzulässig hohe, auf die primäre Wicklung der Zündspule
zurück übertragene Spannungen bei gewissen Betriebsbedingungen wie z.B. einem offenen elektrischen Kreis an der Sekundärwicklung
der Zündspule.hervorzurufen.
Ein verbessertes Verbrennungsmotor-Zündungssystem gemäß der Erfindung liefert sowohl eine schnelle Anstiegszeit der Zündfunkenspannung
als auch einen langbrennenden Zündlichtbogen bzw. Zündfunken ohne übermäßige, auf die Primärwicklung der
Zündspule zurückübertragene Spannungen, wobei die Zündspule
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einen. Induktivitätswert der Primärwicklung aufweist, der . ausreichend hoch ist, um eine lange Zeitdauer des Zündlichtbogens
bzw. Zündfunkens hervorzurufen und ein Windungszahlenverhältnis der primären Wicklung zur sekundären
Wicklung das klein genug ist, um eine schnelle Anstiegszeit der Zündfunkenspannung zu schaffen, in Verbindung mit/einer
spannungsbegrenzenden Vorrichtung, einem Metalloxid-Varistor, der parallel mit den stromführenden Elektroden der Schaltanordnung
des stromzuführenden Kreises der Primärwicklung verbunden ist, um die auf die Primärwicklung zurückübertragenden
Spannungen auf Werte zu begrenzen, bei denen die Schaltanordnung der Primärwicklung dex^ Zündspule nicht beschädigt
oder zerstört wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert;
es zeigt:
I1Ig. 1 ein Schaltbild des verbesserten Verbrennungsmotor-Zündsystems
gemäß der Erfindung,
Pig. 2 den Verlauf der von der Schaltung in Pig. 1 hervorgerufenen
Zündfunkenspannung, und
Pig. 3 die B-H-Kurve eines typischen magnetischen Eisenkerns
einer Zündspule.
Da der Bezugs- oder Erdpotentialpunkt im ganzen System elektrisch
beibehalten ist, wird er in Pig. 1 durch das allgemein bekannte Schaltzeichen mit dem Bezugszeichen 5 dargestellt.
Die Pig. 1 zeigt das Zündsystem gemäß der Erfindung in Verbindung
mit einer Gleichspannungsquelle 10 und einem Zündverteiler
15 mit einem beweglichen elektrischen Kontakt 14-, ·
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der in zeitlicher Verbindung mit einem angeschlossenen Verbrennungsmotor
12 gedreht wird, wodurch in bekannter Weise die Zündfunkenspannung einzeln an die Zündkerzen des Motors
angelegt wird.
Der Motor 12 ist mit acht Zündkerzen 1S, 2S, 3S, 4S, 5S, 6S,
7S und 8S, von denen jede eine Funkenstrecke hat, dargestellt,
er könnte jedoch gleichermaßen ein Drehkolbenmotor sein oder ein Motor mit einer abweichenden Anzahl von Zylindern.
Um das System mit Betriebsspannung zu versorgen, wird ein beweglicher
Kontakt 21 eines elektrischen Schalters 20 mit einem feststehenden Kontakt 22 geschlossen, und so die Batteriespannung
über die Leitung 23 und das Erdpotential bzw. die Masse
zugeführt. Der bewegliche Kontakt 21 und der feste Kontakt 22 können ein Paar normalerweise offener Kontakte sein, die in
einem herkömmlichen Kraftfahrzeug-Zündschalter eines bekannten Typs vorhanden sind. Es wird im weiteren angenommen, daß der
bewegliche Kontakt 21 elektrisch mit dem festen Kontakt 22 verbunden ist, wie in Fig. 1 dargestellt.
Die Zündspule 25 hat einen magnetischen.Kern 26, eine PrimärwicüLung
27» ä-ie während desAufbaus des Speisestroms in ihr
einen magnetischen Fluß im Kern 26 hervorruft, und eine Sekundärwicklung
28, in die eine Zündspannung von ausreichender Höhe, um einen Funken über die Funkenstrecke jeder der Zündkerzen
des Motors 12 hervorzurufen, induziert wird, wenn der Speisestrom in der Primärwicklung 27 unterbrochen wird. Die Primärwicklung
27 ist so gebaut, daß sie einen Induktivitätswert hat,
der mit einer vorbestimmten Speisestromstärke genügend Energie speichert, um den lichtbogen, der an der Funkenstrecke einer
jeden Zündkerze für eine vorbestimmte Zeitdauer ausgelöst wird, aufrechtzuerhalten; die Zündspule 25 hat ein Primär-Sekundär-Windungszahlenverhältnis,
das eine vorbestimmte,
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schnelle Zündfunkenspannungs-Anstiegszeit ermöglicht, wie
später in dieser Beschreibung erklärt werden wird.
Eine elektrische Schaltvorrichtung, mit stromführenden Teilen, die den elektrischen Kreis in einen offenen und geschlossenen
Zustand bringen können, ist in Reihe mit ,dem Stromzuführungskreis
der Primärwicklung der Zündspule geschaltet. In Fig.
ist diese Schaltvorrichtung als NPN-Schalttransistor 30 dargestellt,
der einen Kollektor 32 und einen Emitter 33 aufweist,
die den elektrischen Kreis in einen offenen und ,se-.
elektrischen
schlossenen Zustand bringen können, in Abhängigkeit von/Signalen, die an die Basis 31 des Transistors angelegt werden.
Der Kollektor und Emitter des Schalttransistors 3° sind in
Reihe mit den Stromzuführungskreis der Primärwicklung der Zündspule geschaltet. Der primäre Stromzuführungskreis der
Zündspule kann von dem positiven Anschluß der Batterie 10 über die Verbindung 24, die geschlossenen Kontakte des elektrischen
Schalters 20, die Verbindung 23,' die Primärwicklung 27 der Zündspule 25, die Verbindung 34, den Kollektor und
Emitter des Schalttransistors 30, die Verbindung 36 und Masseanschluß
5 zum negativen Anschluß der Batterie 8 verfolgt werden.
Die stromführenden Teile der Schaltvorrichtung des Stromzuführungskreises der Primärwicklung der Zündspule, der Kollektor
und der Emitter des Schalttransistors 30 öffnen den elektrischen Kreis zu einer Zeit, bei der j'ede Zündkerze eines
Motors 12 gezündet werden soll als Reaktion auf eine Reihe
von Zündsignalen, die in zeitlicher Beziehung zu dem"Motor
12 in wohlbekannter Weise erzeugt werden. D.h., wenn die stromführenden Teile dieser Schaltvorrichtung den elektrischen
Kreis schließen, fließt durch den oben beschriebenen
Stromzuführungskreis der Primärwicklung Strom durch die Primär wicklung 27 der Zündspule 25, und wenn die stromführenden
Teile als Reaktion auf jedes Zündsignal den elektrischen Kreis öffnen, wird der Versorgungsstrom der Primärwicklung der Zünd-
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spule unterbrochen und in die Sekundärwicklung 28 wird eine,
Zündfunkenspannung induziert.
Die Serie von Zündsignalen kann in zeitlicher Beziehung zum Motor 12 von irgendeinem von mehreren herkömmlichen magnetischen
Verteilern, die wohlbekannt sind, hergestellt werden; in der Zeichnung ist ein Zündverteiler mit variablem magnetischem
Widerstand bzw. variabler Reluktanz gezeigt. Ein Rotor 16 wird in zeitlicher Beziehung zum Motor vom Motor
in bekannter Weise innerhalb des Polteils 16 gedreht. Mit gleichen Abständen um den äußeren Umfang des Rotors 16 herum
und um die Rotoröffnung des Polteils 17 ist eine Reihe von Erhöhungen angebracht, deren Anzahl gleich der Anzahl der
Zylinder des Motors ist, mit dem der Verteiler und das Zündsystem zusammen verwendet wird. Das Polteil 17 kann aus einem
Stapel aus einer Anzahl von Blechschnitten aus magnetischem Material gebildet sein, die im Stapel durch Nieten
oder Schrauben oder andere Befestigungsverfahren zusammengehalten werden, und der magnetische Fluß kann durch einen
nicht gezeigten Permanentmagneten hervorgerufen werden, der an der unteren Fläche dieses Stapels befestigt sein kann.
Wenn eine Erhebung am Rotor 16 sich einer Erhebung am Polteil 17 nähert, vermindert sich der magnetische Widerstand
des magnetischen Weges zwischen dem Polteil 17 und dem Rotor 16, und wenn sich die Erhebung am Rotor 16 von einer Erhebung
am Polteil 17 wegbewegt, vergrößert sich der magnetische Widerstand des magnetischen Kreises zwischen dem Polstück
17 und dem Rotor 16. Folglich wird das vom Permanentmagneten erzeugte magnetische Feld verstärkt bzw. abgeschwächt,
wenn sich eine der Erhöhungen am Rotor 16 an eine Erhöhung am Polstück 17 annähert und an dieser vorbeibewegt; dieser Torgang
induziert eine Wechselspannung mit einer Wellenform wie in Fig. 1 gezeigt in die Aufnehmerspule 18, die magnetisch
mit dem Polstück 17 gekoppelt ist.
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Um den Kollektor- und Emitterkreis des Schalttransistors 30
in zeitlicher Beziehung zum Motor 12 zu öffnen und zu schliessen,
ist ein elektronisches Zündsystem 35 vorgesehen, das auf die in die Aufnehmerspule 18 induzierte Serie von Zündsignalen
anspricht. Während jedes positiven Teils der Serie von Zündsignalen, die in die Aufnehmerspule 18 induziert werden, hat dessen
Anschlußende I8a positive Polarität in bezug auf den Anschluß 18b; folglich ist eine mit 18a verbundene Diode 43 in
Sperrichtung gepolt. Während Diode 4-3 in Sperrichtung gepolt
ist wird dem HPN-Transistor 40 ein Basis-Emitter-Steuerstrom
vom positiven Anschluß der Batterie 10 über die Leitung 24, die geschlossenen Kontakte des Schalters 20, die leitung 23,
die Widerstände 44 und 45, die Basis-Emitter-Elektroden des
Transistors 40, einem Widerstand 46 und über die Masseleitung 5 dem negativen Anschluß der Batterie 10 zugeführt. Während
dem KPN-Transistor 40 ein Basis-Emitter-Steuerstrom zugeführt wird, ist dieses Bauteil über seinen Kollektor-Emitter-Kreis
leitend, so daß das Potential am Verbindungspunkt 47 nicht genügend Idch ist, um einen Basis-Emitter-Steuerstrom
durch einen NPN-Transistor 41 hervorzurufen, der deshalb auch
nicht leitet. Während der Transistor 41 nicht-leitend ist, wird dem NPN-Transistor 42 ein Basis-Emitter-Steuerstrom
vom positiven Anschluß der Batterie 10 über die Verbindung
24, die geschlossenen Kontakte des Schalters 20, die Verbindung 23ν die Widerstände 48 und 49, die Basis-Emitter-Elektroden
des Transistors 42, eine Verbindung 50, die Basis-Emitter-Elektroden des Schalttransistors 3O9 eine Verbindung
36 und den Masseanschluß 5 zum negativen Anschluß der Batterie 10 zugeführt. Während dem NPti-Transistor 42 ein Basis-Emitter-Steuerstrom
zugeführt wird, leitet dieses Bauteil über seine Kollektor- und Emitter-Elektroden, so daß dem NPN-Sehalttransistor
30 ein Basis-Emitter-Steuerstrom vom positiven Anschluß der Batterie 10 über die Verbindung 24, die geschlossenen
Kontakte des Schalters 20, die Verbindung 23,
einen Widerstand 51» den Kollektor und Emitter des Transistors
42, die Verbindungsleitung 50, den Basis-Emitter-Kreis des
Schalttransistors 30» cLie Yerbindungsleitung 36 und den Masseanschluß
5 zum negativen Anschluß der Batterie 10 zugeführt wird. Solange dem Schalttransistor 30 ein■ Basis-Emitter-Steuerstrom
zugeführt wird, leitet dieses Bauteil über seinen Kollektor-Emitter-Kreis
und schließt somit den oben beschriebenen Stromzuführungskreis der primären Wicklung der Zündspule.
Während des nächsten negativen Teils der Serie von Zündsignalen, die in die Aufnehmerspule 18 induziert werden,
ist deren Anschlußende 18a in bezug auf das Anschlußende 18b negativ und die Diode 4-3 ist deshalb in Durchlaßrichtung gepolt,
wodurch der Basis-Emitter-Steuerstrom vom Transistor abgelenkt und dieses Bauteil somit gesperrt wird und deshalb
dem Transistor 41 der Basis-Emitter-Steuerstrom vom positiven
Anschluß der Batterie 10 über die Verbindung 24, die geschlossene Kontakte des Schalters 20, die Verbindung 23, die Widerstände
52 und 53» die Basis-Emitter-Elektroden des Transistors
41, den Widerstand 46 und den Masseanschluß 5 zum negativen
Anschluß der Batterie 10 zugeführt wird. Solange dem Schalttransistor 30 ein Basis-Emitter-Steuerstrom zugeführt wird,
leitet dieses Bauteil über seinen Kollektor-Emitter-Kreis und schließt somit den oben beschriebenen Stromzuführungskreis
der Primärwicklung der Zündspule. Während des nächsten negativen Teils der Serie von Zündsignalen, die in die Aufnehmerspule
18 induziert werden, ist deren Anschlußende 18a in bezug auf das Anschlußende 18b negativ, folglich ist die
Diode 43 in Durchlaßrichtung gepolt. In dem Augenblick, in dem die Diode 43 in Durchlaßrichtung gepolt wird, beim Beginn
des negativen Teils des Zündsignals, wird der Basis-Emitter-Steuerstrom vom Transistor abgeleitet und somit
dieses Bauteil abgeschaltet. Wenn Transistor 40 nicht leitend ist, wird dem Transistor 41 ein Basis-Emitter-Steuerstrom
vom positiven Anschluß der Batterie 10 über die Ver-
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bindungsleitung 24, die geschlossenen Kontakte des Schalters
20, die Leitung 23, die Widerstände 52 und 53» die Basis-Emit
ter-Elek tr öden von Transistor 41, den Widerstand 46 und
den Massepunkt 5 zum negativen Anschluß der Batterie 10 zugeführt.
Solange dem Transistor 41 ein Basis-Emitter-Steuerstrom zugeführt wird, leitet dieses Bauteil über seinen
Kollektor-Emitter-Kreis und leitet somit den' Basis-Steuerstrom vom Transistor 42 ab; folglich sperrt Transistor 42
und dem Schalttransistor 30 wird deshalb kein Basis-EmitterSteuerstrom
mehr zugeführt, daher sperrt auch Schalttransistor 30 und unterbricht somit den Versorgungsstromkreis der Primärwicklung
der Zündspule. Als Folge jeder Unterbrechung des Stromzuführungskreises der Primärwicklung der Zündspule wird
eine Zündfunkenspannung in die Sekundärwicklung 28 induziert, welche zur nächsten Zündkerze des Motors 12 geleitet wird,
die über den beweglichen Kontakt 14 des Verteilers 15 gezündet
werden soll.·
Die Anstiegszeit der in der sekundären Wicklung der Zündspule
induzierten Zündfunkenspannung E , die im folgenden als "Anstiegszeit" bezeichnet wird, wird durch die Frequenz der in der Sekundärwicklung
aufgrund der Unterbrechung des Stromzuführungskreises
der Primärwicklung der Zündspule induzierten Zündfunkenspannung
E_ bestimmt, je höher die Frequenz, umso kürzer
die Anstiegszeit. Die in der Sekundärwicklung induzierte Zündfunkenspannung E steigt im wesentlichen sinusförmig an,
folglich ist ihre Frequenz gleich dem Reziprokwert des Produkts
von 2 T und der Quadratwurzel des Produkts der sekun-'
dären Induktivität L und der sekundären Kapazität 0 , wie
in der nachstehenden Gleichung dargestellt: .
f = — r Hertz - (I)
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Die sekundäre Induktivität L wird durch die Induktivität
der Sekundärwicklung der Zündspule und der extrem kleinen
Induktivität der Zündkerzen-Zuleitungen, die vernachlässigt werden kann, gebildet. Folglich wird der Induktivitätswert
der sekundären Wicklung als die sekundäre Induktivität L betrachtet. Die sekundäre Kapazität C setzt sich zusammen
aus den Kapazitäten zwischen, den Spulenwindungen und zwischen den Lagen der Sekundärwicklung der Zündspule, der
Kapazität der Zündkerzen-Zuleitungen, der Kapazität der Zündkerzen selbst und anderen Streukapazitäten* Für jedes
beliebige Zündsystem ist daher der Wert der sekundären Kapazität 0 im wesentlichen konstant, typisch in der Größenordnung
von 90 Picofarad (90 χ 10 ' Farad). Folglich muß die
Induktivität L der Sekundärwicklung der Zündspule vermindert werden, um die Frequenz der Zündfunkenspannung, die in
der sekundären Wicklung der Zündspule induziert wird, zu erhöhen. Die Zeitdauer des Zünd-Lichtbogens, im weiteren als
"Bogendauer" bezeichnet, wird bestimmt durch die in der Primärwicklung der Zündspule gespeicherte Energie Wp, je größer
die gespeicherte Energie umso länger die Bogendauer. Die in der Primärwicklung der Zündspule gespeicherte Energie Wp ist
gleich dem halben Produkt der Induktivität Lp der Primärwicklung und dem Quadrat des Stroms in der Primärwicklung I ,
wie in der folgenden Gleichung dargestellt:
W - Joule (II)
P ο
Der Höchstwert des in der Primärwicklung fließenden Stroms I_
wird bestimmt durch die Strombelastbarkeit und die Schaltleistungsfähigkeit
der Schaltvorrichtung im Stromzuführungskreis der Primärwicklung. Folglich wird die Induktivität L
der Primärwicklung so ausgewählt, daß die gespeicherte Energie W , die erforderlich ist, um eine vorbestimmte Bogendauer
bei maximalem Primärwicklungs-Strom I hervorzurufen, zur Ver-
$09826/02ftt
fügung steht. Die Induktivität L_ der Sekundärwicklung der
Zündspule ist gleich dem Produkt der Induktivität L der Primärwicklung der Zündspule und dem Quadrat des Verhältnisses
der sekundären Windungszahl zur primären Windungszahl s , das im weiteren als "Windungszahlenverhältnis"
"1S
bezeichnet wird, wie durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
Aus dieser Gleichung ergibt sich, daß der Wert der Induktivität I/ der Sekundären Wicklung umso niedriger ist, je kleiner
das Windungszahlenverhältnis ist und aus Gleichung I ergibt sich, daß■' dementsprechend die Frequenz der in der Sekundärwicklung
der Zündspule induzierten Zündfunkenspannung En
umso höher wird. D.h.', eine zur Verwendung als Teil des Zündsystems
gemäß der Erfindung geeignete Zündspule muß eine Primärwicklung mit ausreichendem Induktivitätswert aufweisen,
die bei maximalem Stromdurchfluß, wie er durch die Strombelastbarkeit
und die Schalt-Leistungsfähigkeit der Schaltißt
anordnung des Stromversorgungskreises bestimmt/genügend Energie
W speichert, um die gewünschte Bogendauer hervorzurufen
und die ein Windungszahlenverhältnis aufweist, das klein genug ist, um die gewünschte Anstiegszeit zu liefern.
In jedem Zündsystem sind die festen Parameter der maximale
Versorgungsstrom der Primärwicklung der Zündspule, wie durch die Strombelastbarkeit und die Schalt-XeistungsfäÜgkeit der
Schaltvorrichtung des Stromzuführungskreises der Primärwicklung der Zündspule vorgegeben ist, und die maximale Primärwicklungsspannung
E zu dem Zeitpunkt, bei dem der Stromversorgungskreis der Primärwicklung aufgrund der öffnung
des Stromkreises durch die Schaltvorrichtung unterbrochen
6/0281
wird, wobei die maximale Spannung E an der Primärwicklung
durch die maximale Spannung bestimmt wird, die die Schaltvorrichtung
des Stromzuführungskreises der Primärwicklung der Zündspule ohne Beschädigung oder Zerstörung ertragen
kann. Zum Zweck der Veranschaulichung des stufenweisen Entwurfs einer Zündspule, die zum Gebrauch als Teil des Zündsystems
gemäß der Erfindung geeignet ist, wird angenommen, daß die Schaltvorrichtung des Stromzuführungskreises der
primären Wicklung der Zündspule der NPN-Transistor 3O ist,
daß die maximale Strombelastbarkeit und die Schaltleistungsfähigkeit des Transistors 30 5»5 Ampere beträgt und daß die
maximale Spannung, die an die Kollektor-Emitter-Elektroden angelegt werden darf, die maximale Primärwicklungsspannung E
zum Zeitpunkt der Unterbrechung des Stromversorgungskreises der Primärwicklung 500 IToIt beträgt. Weiterhin wird angenommen,
daß die gewünschte Anstiegszeit der in der Sekundärwicklung induzierten Zündfunkenspannung E von Null bis zur Größe
von 30 kV 40 Mikrosekunden sei und daß die Bogendauer 800
Mikrosekunden betrage.
Zum Zeitpunkt der Unterbrechung des Stromzuführungskreises
der Primärwicklung 27 der Zündspule ist die in der Sekundärwicklung 28 induzierte Zündfunkenspannung E gleich dem
Produkt der Primärwicklungsspannung E und des Windungszahlenverhältnisses,
wie durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird:
- EP
Da die maximale Primärspannung E , die der Transistor 3O
ohne Beschädigung oder Zerstörung ertragen kann, 5OO Volt
beträgt und es wünschenswert ist, daß die in der Sekundärwicklung 28 induzierte Zündfunkenspannung E in der Größen-Ordnung
von wenigstens 3O Kilovolt liegt, findet man durch Einsetzen eines Wertes von 30 kV für E und 500 Volt für E
509826/0281 S P
in die Gleichung ,(IV) und Auflösung nach dem Windungszahlen
verhältnis s ", daß die Zündspule 25 ein Windungszahlen-
Verhältnis von 60:1 haben muß.
Die Primärwicklung 27 muß einen Induktivitätswert L aufwei-
ir
sen, der bei maximalem Versorgungsstrom der Primärwicklung
der Zündspule von 5» 5 Ampere genügend gespeicherte Energie
W liefert, um die erförderliche Ionisationsenergie W^ zur
Ionisierung der "Funkenstrecke der Zündkerze, an die sie übertragen
wird, bereitzustellen und den Zündlichtbogen bzw. Funken
auszulösen, sowie die Bogendauer-Energie W. die erforderlieh
ist, um den Lichtbogen bzw. Funken für eine Zeitdauer von 800 Mikrosekunden aufrechtzuerhalten und die System-Verlustenergie
W-p die erforderlich ist,- um die Energieverluste des
Systems auszugleichen. Die Ionisationsenergie W^ und die Bogendauer-Energie
W werden jeweils durch die folgenden Gleichungen
bestimmt: | . E w a |
2 ! . |
0S | Joule |
2 | (Bogendauer) | |||
(V)
Joule (VI)
Hierbei bedeuten:
E^ = Spannung, die zur Ionisation einer Zündkerzen-Funkenstrecke
und zur Auslösung des Lichtbogens bzw. Funkens benötigt wird
G = Sekundär-Kapazität
E ss" Spannung, die zur Aufrechterhaltung des Zündbogens
benötigt wird ·
I„ = Sekundärstrom in Ampere
60982670281
Bei einer praktischen Anwendung des Verbrennungsmotor-Zündsystems gemäß der Erfindung war die Sekundärkapäzität
9'0 Picofarad (90 χ lO""12 Farad), die zur Ionisation der
Zündkerzen-Funkehstrecke und zur Zündung des Zündlichtbogens bzw. Funkens erforderliche Spannung E. war 15 kV,
die zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens erforderliche Spannung E betrug 1,2 kV und die Energieverluste W1 des
€1 χ
Systems betrugen etwa das 0,4-fache der sekundären Wicklungs-Energie
W .
Der Sekundärstrom I ist gleich dem Primärstrom I divi-
s P
diert durch das WindungsZahlenverhältnis und multipliziert
mit einem Verlistfaktor, der sich zu etwa 0,80 ergab, wie
in der folgenden Gleichung ausgedrückt:
τ _ 1P χ 0,8 Milliampere (VII)
Wenn man in dieser Gleichung einen Wert von 5»5 Ampere für I
N
und einen Wert von 60 für s einsetzt und nach dem Sekundär
und einen Wert von 60 für s einsetzt und nach dem Sekundär
strom I auflöst, ergibt sich, daß der Sekundärstrom I in der
s s
Größenordnung von 75 Milliampere liegt.
Zur Bestimmung der erforderlichen Ionisationsenergie W^ wird
ein Wert von 15 kV für E. und ein Wert von 90 Picofarad für
C in die Gleichung V eingesetzt. Wenn man diese Gleichung für die Ionisationsenergie W^ löst, ergibt sich, daß die zur
Ionisierung der Zündkerzen-Funkenstrecke und zum Zünden des Zünd-Lichtbogens benötigte Ioniaationsenergie W^ 10,125 Millijoule
beträgt.
Zur Bestimmung der erforderlichen Bogendauer-Energie W wird
für E ein Wert von 1,2 kV, für I ein Wert von 75 Milliampere
el S
und für (Bogendauer) ein Wert von 800 MikroSekunden in die
6098-26/0281
Gleichung VI eingesetzt. Durch Auflösung der Gleichung nach
der Bogendauer-Energie WQ ergibt sich, daß die zur Aufrecht-
Sl
erhaltung des Bogens bzw. Funkens für eine Zeitdauer von Mikrosekunden benötigte Bogendauer-Energie W 36 Millijoule
beträgt. Die insgesamt benötigte Sekundärenergie W_ ergibt sich aus der Summe der Ionisationsenergie W.·, der Bogendauer-Energie
W und der Verlustenergie W1, wie durch die folgende
Gleichung ausgedrückt:
W = W. + W + W1 Millijoule (VIII)
Da die Verlust energie zu etwa 0,4- W^ bestimmt wurde, erhält
man durch Einsetzen von 10,125 Millijoule für W., 36 Millijoule für W0 und 0,4· W für W1 in die Gleichung VIII und
durch Auflösen nach der gesamten Sekundärenergie W , daß
die erforderliche Gesamt-Sekundärenergie W 76,875 Millijoule beträgt.
Bei einer praktischen Anwendung des Verbrennungsmotor-Zündsystems
gemäß der'Erfindung ergab sich," daß der Energieübertrag von der Primärwicklung 27 zur Sekundärwicklung 28 etwa
70 # betrug. Die zur Speicherung in der Primärwicklung 27 er
forderliche Primärenergie W wird demgemäß durch die nachstehende
Gleichung ausgedrückt:
W Ws ' Millijoule (IX)
77
Wenn man für die Sekundärenergie W einen Wert von 76,875 Millijoule
in diese Gleichung einsetzt und nach der Primärwicklungsenergie W auflöst, findet man, daß die erforderliche Primärwicklungs
energie W 110 Millijoule beträgt.
Die Induktivität-L der Primärwicklung ist gleich dem Zweifachen
der Primärwicklungsenergie W dividiert durch das Quadrat des
Versorgungsstroms I der Primärwicklung, wie durch die nachstehende
Gleichung ausgedrückt wird:
509826/0281
2Wp
, ,., Millihenry (X)
'1P,
Durch Einsetzen von 110 Millijoule für die Primärwicklungsenergie W und von 5»5 Ampere für den Primärstrom I in die
Gleichung X und Auflösung nach der Primärwicklungs-induktivität L findet man, daß die erforderliche Primärinduktivität
L zur Erzeugung einer ausreichenden Energie W die bei maximalem
Versorgungsstrom von 5t5 Ampere in der Primärwicklung
27 gespeichert wird, um eine Bogendauer von 800 Mikrosekunden zu erzielen 7»27 Millihenry beträgt; dieser Wert kann auf
8 Millihenry aufgerundet werden.
Die Sekundärinduktivität L ist gleich dem Produkt der Primärinduktivität
L und dem Quadrat des Windungszahlenverhältnisses, wie durch die folgende Gleichung gegeben:
-p ~ , w , Henry (XI)
Durch Einsetzen der oben berechneten Primärinduktivität L
von Q Millihenry und des Windungszahlenverhältnisses von 60 in die Gleichung XI und durch Auflösen nach der sekundären
Induktivität L findet man, daß die Sekundärinduktivität
L 28,8 Henry beträgt,
s
s
Zur Berechnung der Frequenz der Zündfunkenspannung E , die aufgrund der Unterbrechung des Stromversorgungskreises der
Primärwicklung in der Zündspulen-Sekundärwicklung 28 induziert wird, wird ein Wert von 28,8 Millihenry für Lg und ein
Wert von 90 Picofarad (90 χ 1O~12 Farad) für Ca in die Gleichung
I eingesetzt. Die Losung dieser Gleichung zeigt, daß die Frequenz der in der Sekundärwicklung 28 induzierten
Spannung 3120 Hertz beträgt, und folglich die Periodendauer jeder Schwingung ( j ) 320 Mikrosekunden ist. Da
609826/0281
die in der Sekundärwicklung 28 der Zündspule induzierte
Spannung ihren Spitzenwert bei einem Phasenwinkel von 90 jeder Schwingung erreicht, wird die in der Sekundärwicklung
28 induzierte Spannung ihren Spitzenwert nach 80 Mikro-
Sekunden, 320 MikroSekunden erreichen.
4
Die maximal zur Verfügung stehende Spannung E , die an der
sekundären Wicklung 28 der Zündspule anliegt, wird durch die nachstehende Gleichung angegeben:
E 2 = 2Ws Kilovolt . (XII)
a r<
Durch Einsetzen des Werts 76,875 für W und von 90 Picofarad
(90 χ 1O~12 Farad) für G in die Gleichung XII und durch Auflösung
nach der zur Verfügung stehenden Spannung E^ findet
el
man, daß die verfügbare Spannung oder die Spitzenspannung, die an der Sekundärwicklung 28 anliegen kann, in der Größenordnung
von 4-2 kV liegt. Da die in der Sekundärwicklung 28 induzierte Spannung im wesentlichen eine sinusförmige Wellenform
aufweist, kann der Wert dieser induzierten Spannung bei Phasenwinkeln von yO , 45 und 60 dadurch berechnet werden,
daß die maximal verfügbare Spannung E mit den Sinuswerten von 30 , 4-5 und 60 multipliziert wird. Die so erhaltenen
Werte können in einer Kurve, Fig. 2, aufgetragen werden, wobei
die X-Achse mit Winkelgraden und MikroSekunden und die
Ϊ-Achse mit Kilovolt beziffert sind. Da die induzierte Spannung
anfänglieh negativ ist, ist die Kurve der Fig. 2 im zweiten Quadranten aufgetragen. Man kann daraus entnehmen, daß die
maximale verfügbare Spannung E in 40 MikroSekunden etwa 30 kV
erreicht.
Die tatsächliche Anzahl der Primärwindungen wird durch die magnetischen Eigenschaften des im magnetischen Kern 26 der
Zündspule 25,verwendeten Eisens bestimmt. Zum Gebrauch in der
vorliegenden Beschreibung ist in Fig. 3 eine typische B-H-Kurve
von magnetischem Eisen, das als Magnetkern einer Zündspule verwendet wird, dargestellt. Es ist wünschenswert, wenn nicht
notwendig, im linearen Teil dieser Kurve zu arbeiten, in der eine Flußdichte B von 75 000 Linien pro Quadrat inch (6,4-52
cm ) im linearen Bereich der Kurve liegt, gerade vor dem Knickpunkt
oder Knie. Bei einer praktischen Anwendung des Verbrennungsmotor-Zündsystems gemäß der Erfindung hatte der Kern 26
eine Querschnittsfläche von 3,226 cm (0,5 sq.in.). Die Anzahl
der primären Windungen ist gleich dem Produkt der primären Induktivität L und dem Versorgungsstrom I der primären
Wicklung, dividiert durch di,e Anzahl der Linien pro
Quadrat Inch (6,4-52 cm ), wie durch die nachfolgende Gleichung
gegeben:
Np = 11P * 1P- Windungen (XIII)
0 · 1O~8
Durch Einsetzen der erforderlichen Primärinduktivität, 8 Henry,
des maximalen Primärstroms I., 5»5 Ampere, und der Anzahl von
P τ.
Linien pro Quadrat Inch des KernquerSchnitts, 37»5 x 10' , in
die Gleichung XIII und durch Auflösen nach der primären Windungszahl N findet man, daß 118 primäre Windungen erforderlich sind. Da das Verhältnis der sekundären Windungszahl zur
primären Windungszahl 60:1 beträgt, sind insgesamt 7080 sekundäre Windungen erforderlich.
Bei allen normalen Betriebsbedingungen liefert diese Zündsystem-Spule
eine Anstiegszeit von 40 Mikrosekunden und eine Bogendauer von 800 Mikrosekunden ohne Beschädigung des Schalttransistors
30. Wenn jedoch eine Zündkerzenzuleitung bricht oder sich löst, oder wenn sich die Verbindung 55 zwischen der sekundären Wicklung
28 der Zündspule und dem -beweglichen Kontakt 14· des Verteilers
15 löst oder den Stromkreis öffnet, wird die in die Primärwicklung der Zündspule übertragene Spannung durch die
folgende Gleichung angegeben:
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s
E = / N„ \ Volt (XIV)
Durch Einsetzen eines Werts von 42 kV für E und von 60 für
rzß- in die Gleichung XIV findet-man, daß die Priinärspannung E_
P · ' P
700 Volt betragen würde, wodurch der Transistor 3° beschädigt
oder zerstört würde. Um zu verhindern, daß die auf die Primärwicklung reflektierte Spannung einen Wert erreicht, der den
Transistor 3O beschädigen öder zerstören würde, wird ein Metalloxid-Varistor
60 mit einer Durchbruchsspannung von 5°0 Volt, der Spannung, von der ursprünglich angenommen wurde, daß sie der
Transistor 3O ertragen kann, als Nebenschluß zu den stromführenden
Teilen der Schaltvorrichtung für den Versorgungsstrom der Primärwicklung der Zündspule, dem Transistor 30 gelegt. Der
Metalloxid-Varistor ist ein handelsübliches Bauteil, das von
der General Electric Company vertrieben wird. Durch dieses Bauteil ist die maximale Spannung, die an der Schaltvorrichtung
des Versorgungsstromkreises der Primärwicklung der Zündspule auftreten kann, gleich der Durchbruchsspannung des verwendeten
Metalloxid-Varistors, in diesem Falle 500 Volt. Somit dient der Metalloxid-Varistor 60 als Schutzvorrichtung,
die eine Beschädigung oder Zerstörung des Schalttransistors
30 bei ungewöhnlichen, Betriebsbedingungen, wie einem elektrisch
offenen Stromkreis der Sekundärwicklung 28 der Zündspule verhindert.
Für Zwecke der Veranschaulichung des neuartigen Verbrennungsmotor-Zündsystems
gemäß der Erfindung wurde in dieser Beschreibung angenommen, daß ein Verbrennungsmotor-Zündsystem
eine !lichtbogen- bzw. Funkendauer von 800 MikroSekunden hat
und daß eine Zündfunkenspannungs-Anstiegszeit von 40 Mikrosekunden
von Null auf 30 kV erforderlich ist. Dabei können natürlich insbesondere auch eine andere Lichtbogendauer und
509826/0281
Anstiegszeit-Werte gewählt werden, v/ie gewünscht oder vorbestimmt
durch die Anwendung, ohne vom Erfindungsgedanken abzu-
weichen, ypisch kann die Lichtbogen-Zeitdauer in einem Bereich
von 700 bis 1800 Mikrogekunden einschließlich liegen, das Windungszahlenverhältnis
kann im Bereich von 4-0:1 bis 60:1 einschließlich liegen und die Anstiegszeit dex in der Sekundärwicklung
der Zündspule induzierten Zündfunkenspannung kann im Bereich von 30-45 Mikrosekunden liegen.
Aus der US-PS 3 264 521 ist es bekannt, Zenerdioden-Bauteile
zum Schutz eines Schaltelements gegen unzulässige zeitweilige Überspannungsspitzen, die in einem normal arbeitenden Zündsystem
auftreten können, zu verwenden. Die Neuartigkeit des Verbrennungsmotor-Zündsystems gemäß der Erfindung ist nicht
auf den Metalloxid-Varistor allein gerichtet oder auf irgendein anderes Bauteil mit ähnlichen elektrischen Eigenschaften,
zum Überspannungsschutz des Schalttransistors im Stromversorgungskreis der Primärwicklung der Zündspule, sondern ist vielmehr
auf die vollständige Zündsystem-Zusammenstellung gerichtet, mit einer Zündspule, die speziell so entworfen ist, daß
sie eine Primarwicklungsinduktivität von ausreichendem Wert hat, um eine gewünschte Lichtbogendauer zu schaffen und ein
WindungsZahlenverhältnis, das klein genug ist, um eine kurzdauernde
oder schnelle Anstiegszeit der Zündfunkenspannung zu ermöglichen, in Verbindung mit einem Bauelement, das die
primäre Wicklungs-Spannung begrenzt und dadurch die Beschädigung oder Zerstörung des Schalttransistors des Stromzuführungskreises
der primären Wicklung der Zündspule bei der anormalen Bedingung eines offenen Sekundärwicklungskreises
der Zündspule verhindert.
- Patentansprüche -
509828/0281
Claims (3)
- Pa tentansprüche,'Verbrennungsmotor-Zündungssystem, bestehend aus einer GIeichspannungsquelle mit positiven und negativen Anschlüssen, einer Zündspule mit einem magnetischen Kern, mit einer Primärwicklung, die während des Anwachsens des Speisestroms in ihr einen magnetischen Fluß im Kern erzeugt, und mit einer Sekundärwicklung, in der eine Zündfunkenspannung von ausreichender Höhe, um einen Zündlichtbogen bzw. Zündfunken über die Funkenstrecke jeder Zündkerze des Motors auszulösen, induziert wird als Folge der Unterbrechung des Durchflusses von Speisestrom durch die Primärwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (27) einen Induktivitätswert aufweist, der bei einer vorbestimmten Stromstärke des Speisestroms ausreichend gespeicherte Energie liefert, um den Zündlichtbogen bzw. Funken, der an der Zündkerzen-Funkenstrecke ausgelöst ist, während einer vorbestimmten Zeitdauer aufrechtzuerhalten, und daß die Zündspule (25) einWindungs'zahlenverhaltnis __s der sekundären zur primärenWicklung aiifweist, das so gewählt ist, daß eine Zündfunkenspannung mit vorbestimmter schneller Anstiegszeit hervorgerufen wi'd, daß weiterhin die Primärwicklunp; (iac Zündspule einen Stromverfiorgunr-skrei.i aufweist, durch don dor Ver·· üorgungsöbrom von der Gleichnpannungsquelle (lO) durch die Primärwicklung der Zündspule fließt, daß eine -elektrische Schaltvorrichtung (30) stromführende Elemente (52 t33) aufweist, die in Reihe mit dem Stromzufiihrungskreis der Primärwicklung der Zündspule in einen elektrisch offenen und geschlo as enen Zustand gebracht v/erden können, daß Vorrichtungen (16,17,18,35) so angeordnet sind, daß sie in zeitlicherBADSÜ9828/0281Beziehung mib dem angeschlossenen Verbrennungsmotor (12) die stromführenden Elemente (32, 33) der elektrischen Schaltvorrichtung (30) in einen elektrisch offenen und geschlossenen Zustand bringen können, und daß ein Metalloxid-Varistor (60) im Nebenschluß über die stromführenden Elemente der elektrischen Schaltvorrichtung angeschlossen ist.
- 2. Verbrennungsmotor-Zündungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrische Schaltvorrichtung ein Transistor (30) ist, dessen Kollektor-Emitter-Elektroden in Reihe mit dem Stromzuführungskreis der Primärwicklung der Zündspule verbunden sind.
- 3. Verbrennungsmotor-Zündungssystem nach einem der Ansprüche 1' oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Zündlichtbogen bzw. Zündfunke an jeder Zündkerze während eines Zeitraums im Bereich von 700-1800 MikroSekunden einschließlich aufrechterhalten wird, und die Zündspule ein Windungszahlenverhältnis sekundär.zu primär im Bereich von 40;1 bis 60:1 einschließlich aufweist, um eine Zündfunkenspannung mit einer nchnellen Anstiegszeit im Bereich von 30 bis 4-5 Mikrosekunden zu schaffen.4·. Verbrennungsmo tor-'jiindungasystem nach .Anspruch 0, dadurch geken η zeichne t , daß der Zündlichtbogen baw. Zündfunke an joder Zündkor se während einer 'iai I; spanne in. der Größenordnung von 800 iiikro.'jokundon aufrechterhalten wird, und daß die ZündüpuLe ein WindungszahLenverhälbnis sekundär zu primär von 60: ] aufweist, u:n eine Zündfunkenspannung mit -schneller Anstiegszeit "in der Größenordnung von 40 MikroSekunden zu schaffen.BAD ORfQiNAL 509826/028 ILeerseite
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