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Die
vorliegende Erfindung betrifft Kondensatorentladungs-Zündsysteme
für einen
Motor bei kleinen Zweitakt- und Viertaktmotoren, die beispielsweise
an Kettensägen
und zu Unkrautjätezwecken
verwendet werden. Die Erfindung betrifft insbesondere die automatische
Steuerung des Motorzündzeitpunkts,
um zwischen der Anlass- und der normalen Betriebsgeschwindigkeit
eine Vorverlegung des Zündzeitpunktes
zu erhalten und bei zu hoher Motorbetriebsdrehzahl den Zeitpunkt
zu verzögern
und dadurch die Betätigung
zu beschränken.
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Hintergrund
und Aufgaben der Erfindung
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Zeitpunkt
und Eintreten der Motorzündung sind
von Bedeutung für
die Anlassbarkeit, die Ausgangsleistung und die Emissionseigenschaften
von Motoren, auch von kleinen Zweitakt- und Viertaktmotoren. Der
optimale Zeitpunkt zur Motorzündung
ist in erster Linie als Funktion der Motordrehzahl und der Motorlast
unterschiedlich. Sekundäre
Faktoren, beispielsweise die Emissionseigenschaften und die Kraftstoffqualität, spielen
bei der Bestimmung des optimalen Zeitpunktes der Motorzündung ebenfalls eine
Rolle. Für
die Anwendung großer
Motoren, beispielsweise Kraftfahrzeugmotoren, wurden mechanische
und auf Mikroprozessoren basierende elektronische Zeitpunktsteuersysteme
vorgeschlagen, die sich auf Grund von Kosten- und Verpackungsfaktoren
jedoch nicht sehr gut bei der Anwendung kleiner Motoren eignen.
Insbesondere wurde vorgeschlagen, bei der Anwendung kleiner Motoren
auf Mikroprozessoren basierende Zündmodule zu verwenden, bei
denen die gewünschten
Eigenschaften der Zeitpunktvorverlegung und/oder -verzögerung in
den Mikroprozessor einprogrammiert sind. Jedoch sind die mit auf
Mikroprozessoren basierten Zündmodulen zusammenhängenden
Kostenfaktoren bei den meisten Anwendungen kleiner Motoren unerschwinglich.
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Es
wurde auch erkannt, dass bei zu hoher Motordrehzahl eine Gefahr
für die
Unversehrtheit des Motors besteht. Wenn entweder keine Last vorhanden
ist oder eine Last plötzlich
weggenommen wurde, kann der Motor auf einen U/min-Bereich hochgefahren
werden, in welchem die Motorteile Schaden nehmen können. In
herkömmlicher
Weise werden Vergaserkugel-Drehzahlregler mit einer federbelasteten
Kugel verwendet, die auf Motorschwingung reagiert. Der Schwingungspegel
rea giert wiederum auf die Motordrehzahl. Wenn die durch Schwingung
eingebrachten Kräfte
an der Kugel größer als
der Federdruck werden, wird Kraftstoff zu dem Motor geführt. Durch
die plötzliche
Verbesserung des Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses wird der Motor langsamer,
jedoch werden erhöhte
Emissionen aus dem Motorauspuff erzeugt. Um die Zündung im
Falle einer zu hohen Motordrehzahl zu deaktivieren, wurden elektronische Systeme
vorgeschlagen, wie sie beispielsweise in dem USA-Patent 5,245,965
offenbart sind. Jedoch stellt jede ausgebliebene Zündung eine
Luft- und Kraftstoffladung dar, die im Motor nicht verbrannt wird.
Der unverbrannte Kraftstoff tritt aus dem Motor aus und tritt in
das Abgassystem ein. Der unverbrannte Kraftstoff und die Luft verlassen
das Abgassystem als unverbrannte Emissionen von Kohlenwasserstoffen,
die eine Zunahme der Luftverschmutzung bewirken. Durch das Zündunterdrückungsverfahren
kommt es auch zu einer falschen Funktion des Motors, wodurch die
Motorschwingung zunimmt und ein Benutzer potenziell auf eine Funktionsstörung des
Motors hingewiesen wird. Der Kugel-Drehzahlregler und auch der elektronische
Funkenüberschlagregler
führen
dazu, dass unverbrannter Kraftstoff und Luft in das Abgassystem
eintreten. Bei mit Katalysator ausgestatteten Motoren wird dieser Kraftstoff
im Katalysator katalytisch oxidiert, wodurch die Temperatur des
Katalysators ansteigt. Die Katalysatortechnik ist bei Anwendung
an kleinen Motoren in Größe und zulässigem Prozentsatz
an Effektivität
beschränkt,
so dass jede Oxidation von Kraftstoff den Wirkungsgrad des Katalysevorgangs
sehr stark vermindern kann.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kondensatorentladungs-Zündsystem für einen
Motor zu schaffen, welches besonders gut zur Anwendung bei kleinen
Motoren geeignet ist, welches den Rückprall beim Anlassen beseitigt,
welches das manuelle Anlassen des Motors erleichtert, welches eine
Einrichtung umfasst, die den Überdrehbetrieb
des Motors automatisch verhindert und dabei die Abgabe unverbrannten
Kraftstoffs in das Abgassystem vermindert, wel ches verhältnismäßig billig
ist und/oder welches gut zur Verwendung in kleinen Zweitakt- und
Viertaktmotoren angepasst ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
Kondensatorentladungs-Zündsystem
für einen
Motor gemäß einer
gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst eine Zündspule mit einer Primärwicklung
und einer Sekundärwicklung
zur Verbindung mit einer Zündkerze
zum Zünden
des Motors. Einem erster elektronischer Schalter weist Primärstromführungselektroden
in einem Schaltkreis mit einem Zündladungsspeicherkondensator
und der Primärwicklung der
Zündspule
sowie eine Steuerelektrode auf, die auf Ansteuersignale ansprechfähig ist,
um den Zündladungsspeicherkondensator
funktionell zur Entladung durch die Primärwicklung hindurch zu verbinden.
Eine Lade-/Ansteuerspulenanordnung erzeugt periodische Signale synchron
mit dem Betrieb des Motors. Die Ladespule erzeugt ein Ladesignal
zum Laden des Zündladungsspeicherkondensators,
während
die Ansteuerspule ein Ansteuersignal zum Auslösen der Entladung des Kondensators
durch die Zündspule
erzeugt. Ein elektronischer Schaltkreis zum Steuern des Zeitpunkts
für das
Ansteuersignal als Funktion der Motordrehzahl umfasst einen zweiten
elektronischen Schalter mit Primärstromführungselektroden,
die funktionell mit der Steuerelektrode des ersten elektronischen
Schalters verbunden sind, und eine Steuerelektrode. Ein RC-Schaltkreis mit einem
Widerstand und einem Kondensator ist funktionell mit der Ladespule
und der Steuerelektrode des zweiten elektronischen Schalters verbunden, um
das Anlegen des Ansteuersignals an die Steuerelektrode des ersten
elektronischen Schalters während
des Erscheinens des Ladesignals zu verhindern und dadurch die Zeitpunkt
für das
Anlegen des Ansteuersignals an die Steuerelektrode des ersten elektronischen
Schalters als Funktion der Motordrehzahl zu steuern.
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Durch
den elektronischen Schaltkreis zum Steuern des Zeitpunkts für das Ansteuersignal
als Funktion der Motordrehzahl bei der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erhält
man sowohl eine automatische Zündzeitpunktvorverle gung
zwischen dem Anlassen des Motors und seiner normalen Betriebsdrehzahl
als auch eine Spätzündung bei zu
hoher Motorbetriebsdrehzahl. Die Ladespule und die Ansteuerspule
sind derart konstruiert und angeordnet, dass in der Ansteuerspule
ein Ansteuersignal erzeugt wird, bevor und nachdem jedes Ladesignal
in der Ladespule erzeugt ist, jedoch die Ladung an dem Kondensator
des RC-Motorzeitgabeschaltkreises verhindert,
dass das zweite Ansteuersignal an die Steuerelektrode des ersten
Schalters angelegt wird, so dass die Ladung an dem Zündladungsspeicherkondensator
so lange gehalten wird, bis die nächste Ansteuersignalserie erscheint.
Der Zeitpunkt für
das vordere Ansteuersignal in der nächsten Serie wird automatisch
als Funktion der ansteigenden Motordrehzahl vorverlegt, so dass
man eine automatische Zündzeitpunktvorverlegung
bei ansteigender Motordrehzahl zwischen dem Anlassen des Motors
und seiner normalen Betriebsdrehzahl erhält. Diese automatische Vorverlegung
verändert
sich annähernd
linear zu einer maximalen Vorverlegung im Bereich von 20° bis 40°. Im Falle
einer zu hohen Motordrehzahl hat die Ladung an dem Kondensator des RC-Zündzeitgabeschaltkreises
keine Gelegenheit zur vollständigen
Entladung, so dass sich die Zündung
des Motors automatisch verzögert.
Jedoch wird die Zündung
nicht verhindert, und somit wird kein unverbrannter Kraftstoff in
das Motorabgassystem geführt.
Weiterhin wird die Zündung
des Motors im Falle eines Rückwärtsfahrbetriebs
des Motors verhindert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird zusammen mit weiteren Aufgaben, Merkmalen und Vorteilen
derselben am besten aus der folgenden Beschreibung, den beigefügten Ansprüchen und
den anliegenden Zeichnungen verständlich, in denen:
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1 ein
elektrisches Prinzipschaltbild eines Kondensatorentladungs-Zündsystems für einen Motor gemäß einer
gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist;
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2 eine
schematische Darstellung des angrenzend an eine Motorschwungscheibe
angeordneten Zündsystems
gemäß 1 ist;
und
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3a–3B, 4A–4C, 5A–5B, 6A–6B und 7 Signalzeitpunktdiagramme
sind, die bei der Erläuterung
der Funktionsweise der Ausführungsform
der in 1 und 2 dargestellten Erfindung von
Nutzen sind.
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Ausführliche
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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1–2 stellen
ein Kondensatorentladungs-Zündsystem 10 für einen
Motor gemäß einer gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung dar, das eine Zündspule 12 mit
einer Primärwicklung
L3 und einer Sekundärwicklung
L4 aufweist, die mit einer Zündkerze 18 zum
Auslösen
der Zündung
an einem Motor verbunden ist. Mit der Motorkurbelwelle 22 ist
in geeigneter Weise eine Schwungscheibe 20 verbunden und
trägt wenigstens einen
Magneten 24, der sich synchron mit dem Betrieb des Motors
dreht. Das Zündsystem 10 weist
die Form eines Moduls 26 auf, das an einem U-förmigen geschichteten
Statorkern 28 mit zwei Schenkeln angebracht ist, die angrenzend
an den Umfang der Schwungscheibe 20 enden, wenn sich diese
in der Richtung 30 dreht.
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Das
Zündsystem 10 umfasst
eine Zündspule L1,
an welcher ein Ende durch eine Diode D1, einen Zündladungsspeicherkondensator
C2 und die Primärwicklung
der Spule 12 in Reihe geschaltet ist. Das entgegengesetzte
Ende der Spule L1 ist durch eine Diode einer Diodenbrücke BR1
elektrisch an Erde gelegt. Mit dem Gatter eines silicongesteuerten Gleichrichters
(SCR) Q2 ist funktionell eine Ansteuerspule L2 verbunden. Die den
Primärstrom
führenden Anoden-
und Kathodenelektroden des SCR Q2 sind mit einem Kondensator C2
verbunden und über
die Reihenkombination von Kondensator C2 und Primärwindung
L3 elektrisch geerdet. Über
die Anoden-/Kathodenelektroden des SCR Q2 ist eine Zener-Diode D4
rückwärts geschaltet.
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Die
Zündspule
L1 ist über
die Diodenbrücke BR1
und durch einen Widerstand R1 mit der Verbindungsstelle eines Kondensators
C1 und eines Widerstands R2 verbunden. Der Widerstand R2 und ein Widerstand
R5 sind über
den Kondensator C1 in Reihe geschaltet, wobei die Kombination von
Kondensator C1 und Wider ständen
R2, R5 ein RC-Netz zur Steuerung der Funktionsweise eines Transistors
Q1 bilden. Über
den Kondensator C1 ist eine Zener-Diode D3 rückwärts geschaltet. Der Transistor
Q1 besitzt eine Steuerelektrode oder Basis, die mit der Verbindungsstelle
der Widerstände
R2, R5 verbunden ist, und Primärstromführungselektroden
(Kollektor und Emitter), die über
die Ansteuerspule L2 verbunden sind. Über die Ansteuerspule L2 ist
eine Zener-Diode D2 rückwärts geschaltet. Über die
Diode D2 ist ein Spannungsteiler, umfassend einen Widerstand R3 und
einen Widerstand R4, in Reihe geschaltet, wobei die Verbindungsstelle
der Widerstände
R3, R4 mit dem Gatter oder der Steuerelektrode des SCR Q2 verbunden
ist. Mit der Verbindungsstelle der Brücke BR1 und des Widerstands
R1 ist eine Abbruchschalterklemme 32 verbunden, um im Falle
einer Aktivierung durch eine Bedienungsperson den Betrieb des Zündschaltkreises
zu beenden.
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3A und 3B stellen
die Wellenformen des Ladesignals V1 (1 und 3) und des Ansteuersignals dar, die während zweier
Betriebstakte, d.h. zweier Umdrehungen der Schwungscheibe 20 (2)
in der Spule L1 bzw. L2 erzeugt werden. Das in der Ladespule L1
erzeugte Ladesignal V1 weist eine positive Spitze auf, welche zwei
negative Spitzen trennt. Das in der Ansteuerspule L2 erzeugte Ansteuersignal 36 weist
zwei positive Spitzen auf, welche durch eine negative Spitze getrennt
sind. Die Ansteuerspule L2 und die Ladespule L1 sind vorzugsweise
um getrennte Schenkel des Zündkerns 28 herum
gewickelt (2), um eine Phasentrennung 38 (3B),
vorzugsweise in der Größenordnung von
50°, zwischen
dem Ansteuer- und dem Ladesignal zu erhalten.
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In 4A–4C wird
das von der Ladespule L1 erzeugte Signal V1 von der Brücke BR1 auf
dem vollen Weg gleichgerichtet, um ein gleichgerichtetes Signal
V2 bereitzustellen (1 und 4B). Dieses
gleichgerichtete Signal wird über den
Widerstand R1 an den Kondensator C1 angelegt, um eine Steuerspannung
V3 bereitzustellen, die in 4C dargestellt
ist. Die positive Spannung an dem Kondensator C1 funktioniert durch
die Widerstände
R2, R5 derart, dass der Transistor schalter Q1 während des zweiten positiven
Taktes des Ansteuersignals geschlossen wird (man vergleiche Signal 36 in 3B mit
Signal V4 in 4A) und mithin das Schließen des
SCR Q2 während
des Ladens des Zündladungsspeicherkondensators
verhindert wird. Durch diese Unterdrückung des zweiten positiven Ansteuerimpulses
durch den Transistor Q1 verändert sich
die Vorderflanke des als Nächstes
folgenden Ansteuerimpulses, der in der in 5A gezeigten
Weise in dem nächsten
Funktionstakt erscheint. Die Amplitude des vorderen Ansteuersignalimpulses
steigt als Funktion der Motordrehzahl an. Mithin wird der Zeitpunkt,
zu welchem die durch die Widerstände
R3, R4 an das Gatter des SCR Q2 angelegte Ansteuersignalspannung
(1) den Ansteuerpegel 39 des SCR-Gatters übersteigt,
mit zunehmender Motordrehzahl vorverlegt. Mithin tritt gemäß 5A und 5B die
Zündung
zum Zeitpunkt 40 bei niedriger Motordrehzahl ein und wird
bei höherer
Motordrehzahl auf einen Zeitpunkt 42 vorverlegt. 5B stellt die
Spannung VS über
den Kondensator C2 dar (1). Mithin erstellt die drehzahlabhängige Wellenform
gemäß 5A das
Zeitpunktvorverlegungsmerkmal gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In 6A und 6B ist
der Betrieb bei hoher Drehzahl dargestellt. Bei hoher Motordrehzahl bleibt
dem Kondensator C1 nicht die Zeit zum vollständigen Entladen durch die Widerstände R2,
R5 zwischen den Betriebstakten. Die Steuerspannung V3 von R2, R5 über den
Kondensator C1 schließt weiter
den Transistor Q1 während
des Beginns des Ansteuerimpulses V4 für den nächsten Betriebstakt, wodurch
mithin das Funkenzündsignal
verzögert oder
verspätet
wird. Wenn sich der Transistor Q1 schließlich abschaltet (d.h. die
Steuerspannung V3 unter den Schwellwert 43 des Transistorschalters
Q1 absinkt) kann die Spannung des Ansteuerimpulses V4 ansteigen,
um einen Zündvorgang
zu initiieren. 7 stellt die Vorverlegung des
Zündzeitpunktes als
Funktion der Motordrehzahl von einer niedrigen Drehzahl über die
normale Betriebsdrehzahl bis zum verzögerten Zündzeitpunkt bei zu hoher Betriebsdrehzahl
dar. Durch Änderung
der Art oder der Parameter des Transistors Q1 werden die Änderungsrate und
der Betrag der Zeitpunktverzögerung
gesteuert, die bei hohen Motordrehzahlen erreicht werden können, wie
die Kurvenabschnitte 44, 46, 48 und 50 in 7 zeigen.
Des Weiteren wird der Konstruktion durch die Konstruktion und die
Eigenschaften des Transistors Q1 und des SCR Q2 eine Temperaturstabilität verliehen.
Als Funktion eines Temperaturanstiegs verschiebt der SCR Q2 den
Zündungsauslösepunkt
auf früher,
während
der Transistor Q1 bei einem Temperaturanstieg eine Verzögerung des
Zündpunktes
bewirkt. Der Nutzeffekt ist, dass diese gemeinsam jede Änderung
der Zündzeit
des Zündmoduls
als Funktion der Temperatur vermindern oder beseitigen. Das Verhältnis zwischen
den Widerständen
R3 und R4 gemäß 1 lässt sich
verändern, um
wie bei 52, 54 in 7 unterschiedliche
Vorverlegungseigenschaften zu erhalten.
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Es
wurde ein Kondensatorentladungs-Zündsystem für einen Motor geschaffen, welches
sämtliche
weiter oben dargelegte Aufgaben und Ziele erfüllt. Durch die automatische
Vorverlegung des Zündzeitpunktes
wird der Rückprall
beim anfänglichen
Anlassen vermindert oder beseitigt und allgemein das Anlassen des
Motors erleichtert. Durch die automatische Verzögerung der Zeitpunkt bei zu
hoher Motordrehzahl wird das Überdrehen
des Motors vermindert, während
gleichzeitig das Ablassen unverbrannten Kraftstoffs in das Abgassystem
vermindert oder verhindert wird. Das System gemäß der vorliegenden Erfindung
kann unter Verwendung preiswerter analoger Bauteile ausgeführt werden
und ist an Zweitakt- wie auch an Viertaktmotoren verwendbar.