CN101305431A - 用来给点火装置、特别是内燃机的火花塞供给高压的棒状点火变压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用来给点火装置、特别是内燃机火花塞供给高压的棒状点火变压器。围绕变压器芯的主芯区(14)与棒状点火变压器(30)的纵轴线(11)同心地设置一第一内绕组(32)和一第二外绕组(22)，其中绕组之一是初级绕组(22)，另一个绕组是次级绕组(32)。在初级绕组(32)的第一末端处在变压器芯(14)的外壳面和次级绕组(32)之间的距离小于在次级绕组(32)第二末端处在变压器芯(14)的外壳面和次级绕组(32)之间的距离。二者择一或附加地，在变压器芯(14)的第一末端处在变压器芯(14)的外壳面和次级绕组(32)之间的距离小于在变压器芯(14)第二末端处在变压器芯的外壳面和次级绕组(32)之间的距离。此外本发明涉及一种棒状变压器－火花塞组合(40)。

Description

用来给点火装置、特别是内燃机的火花塞供给高压的棒状点火变压器

技术领域

本发明涉及一种用来给点火装置供给高压的棒状点火变压器。棒状点火变压器有一主芯区，围绕该主芯区与棒状点火变压器的纵轴线同心地设置一第一内绕组和一第二外绕组。其中一个绕组是初级绕组，另一个绕组是次级绕组。

背景技术

由于追求棒状点火变压器小的结构尺寸以及在汽车发动机腔内的这种棒状点火变压器的热和机械应力，特别是用于绝缘通高压的元件的绝缘材料经受强烈的负荷。在绝缘材料的负荷达到极限值时它们迅速老化并且这种棒状点火变压器的寿命显著降低。其次必须采用目前非常昂贵的绝缘材料，以达到对于所提供的空间必要的绝缘效果。由目前采用的棒状点火变压器所产生的高压也不能再提高，因此在设计内燃机点火系统时设计自由度受到限制。

已知一些棒状点火变压器，其中变压器芯与汽车的外壳电位连接，因此变压器芯具有这个外壳电位。在这种已知的棒状点火变压器中初级线圈与变压器芯同心地设置在内部，次级线圈围绕初级线圈同心地设置在外面，其中次级线圈在外部通过一绝缘材料外壳包裹。

此外已知一些棒状点火变压器，其中次级线圈围绕变压器芯设置在内部。在这种结构时初级线圈在外部绕次级线圈设置，因此这些棒状点火变压器也称为带外部次级线圈的棒状点火变压器。变压器芯不与任何电位导电连接，因此变压器芯的电位由于电容耦合调整到一在外壳电位和产生的高压电位之间的中间电位。在带用绝缘外壳包裹的外部的次级线圈的棒状点火变压器中，绝缘外壳的绝缘材料通过设置在绝缘外壳附近的导电构件至少局部经受大的负荷。特别是在棒状点火变压器装入汽车的通常与汽车的外壳电位连接的汽缸头内时，绝缘外壳的绝缘材料至少局部强烈受载。这种棒状点火变压器只有条件地适合于装在通电压构件的附近。

已知的棒状点火变压器通常具有这样的缺点，即所用的绝缘材料受到局部强烈地不均匀的负荷。但是绝缘材料的绝缘能力和强度必须按出现的最大负荷设计。此外在初级绕组和/或次级绕组的倾斜层绕制时必须通过结构措施防止单根金属线滑脱。在倾斜层绕制时只用绕制线绕制线圈绕组的圆柱形层的一部分，接着在这一层上产生的另一层不绕回第一层的起点。后面绕在第二层上的第三层具有和第一层一样的宽度，使它与第一层错开设置。

这些倾斜层绕组也称为往复式绕组，并特别是由绕线机例如Marsilli公司的绕线机手册介绍。

发明内容

本发明的目的是，提供一种用来给点火装置、特别是内燃机火花塞供给高压的棒状点火变压器，其中减小用于次级线圈绝缘的绝缘材料的负荷。

此目的由具有权利要求1特征的棒状点火变压器实现。本发明优良的改进结构在各从属权利要求中给出。

通过具有权利要求1特征的用来给点火装置、特别是内燃机火花塞供给高压的棒状点火变压器达到，在较大的电位差区域内比在具有较小电位差的区域内提供较厚的绝缘材料层。由此使用于次级线圈绝缘的绝缘材料受到比在普通棒状点火变压器时小的负荷。避免绝缘材料的强的点负荷。这种强的点负荷由大的局部电位差引起，它们也称为热斑(hot spot)。在这种热斑区域内绝缘材料受到大的负荷。通常整个棒状点火变压器的绝缘针对这些热斑设计，因此在电位差较小的区域内存在比用于棒状点火线圈的通高压的构件的绝缘所需要的多的绝缘材料。另一方面在热斑区内绝缘材料受强负荷，使在这些热斑上的绝缘材料的寿命由于强负荷而降低。

本发明的第二方面涉及一种具有优选是用于按汽油机原理工作的内燃机的点火变压器及点火装置单元的组合的结构。这种结构具有一点火装置，该点火装置在一借助于电极形成的火花间隙和一高压接头之间有一绝缘材料体。绝缘材料体的横截面至少在点火变压器的次级绕组区域内随着离点火装置的电极距离的增大而减小。围绕绝缘材料体与其纵轴线同心地设置点火变压器的次级绕组和初级绕组。

通过这种布局可以使点火变压器及点火装置单元的结构紧凑，其中绝缘材料体用作点火变压器的次级线圈的线圈管。由此可以用简单的方式方法达到点火变压器的次级线圈的锥形结构和布局。通过适当地选择与次级绕组、变压器芯和结构的其他元件连接的电位可以通过次级线圈的这种锥形结构加大具有大的电位差的元件之间的绝缘距离。

附图说明

为了更好地理解本发明下面参照在附图中表示的优选实施例，它们借助于专门的专业术语描述。但是应该指出，由此不限制本发明的保护范围，因为对所示装置的这种改变和其他变型以及本发明的其他应用，如它们在其中所示，被看作有关专业人员目前和将来常用的专业知识。附图表示本发明的实施例，即：

图1：已知的棒状点火变压器纵剖视的一个局部；

图2：本发明棒状点火变压器纵剖视的一个局部；

图3：按本发明的点火变压器/火花塞单元的侧视图；

图4：沿图3A-A剖分线的点火变压器/火花塞单元的剖视图。

具体实施方式

图1中表示一已知棒状点火变压器的局部。例如由资料DE 19912376 C2、DE 10360338 A1、DE 109211 A1、DE 10256802 D3、DE19902497 A1、DE 12927820 C1以及DE 136528 A1已知这种棒状点火变压器。这里将这些资料中公布的控制线路和棒状点火变压器的结构通过引用纳入本说明书。

图1中表示一棒状点火变压器10，它设计得用来与一未示出的火花塞连接，其中棒状点火变压器10在区域12内具有一用来安装火花塞连接区的孔。至少棒状点火变压器10的下部区域安装在一设置在内燃机汽缸头内的通道内。棒状点火变压器10包括一基本上圆柱形的由软磁性铁或磁性材料组成的并沿棒状变压器10的纵轴线11延伸的棒状铁芯14。在线圈管18上与棒状铁芯14同心设置次级绕组16。次级绕组16的绕组头与用作基准电位的汽车地线连接。次级绕组16的另一个接头与火花塞的高压接头20连接。在图1中线圈和火花塞的电位和接头仅仅示意表示在棒状点火变压器10的外部。实际上火花塞的高压接头及次级绕组16的接头的接地连接和初级绕组22的接头的接地连接位于棒状点火变压器10的壳体24内。初级绕组22、次级绕组16和线圈管18之间的中间空腔最好用绝缘材料浇注。

初级绕组22的不与外壳电位连接的第二接头与一电子控制单元26连接，该电子控制单元包含一末端功率级，用来将初级绕组22的与控制单元26连接的接头与汽车的例如12V直流电源的电源电位连接和脱开。一接地片紧靠在绝缘壳体24上，它作为接地元件与棒状铁芯14构成棒状点火变压器10的一个磁路。如果棒状铁芯14同样和外壳电位连接，那么次级绕组16必须相应地相对于棒状铁芯14绝缘。线圈管18最好由塑料制成，次级绕组16通过所述线圈管相对于棒状铁芯14充分绝缘。此外在线圈管18和棒状铁芯14之间可以填充浇注材料。此外，通过填充在这些绕组16、22之间的浇注材料，次级绕组16相对于初级绕组22电隔离。二者择一或额外地次级绕组16、初级绕组22、棒状铁芯和/或壳体24可以用热塑性和/或热固性材料电隔离。热塑性或热固性材料最好通过注塑法涂在待绝缘的构件16、22、14、24上。特别是通过倾斜层绕组和/或盘状绕组可以达到从次级绕组16的一端到另一端比较均匀的电位分布，由此仅仅在棒状铁芯14与次级绕组16之间和次级绕组16与初级绕组22之间的区域内出现大的电位差。

控制单元26的末端功率级包括一作为开关工作的高功率晶体管。这种高功率晶体管特别是双极型晶体管、MOSFETs和绝缘门双极晶体管(IGBT)。通过接通点火末级，亦即通过将初级绕组与汽车电源电位连接，通过由此流入的初级电流在棒状铁芯14内产生磁通。通过关断点火末级，亦即通过脱开初级绕组22和电源电位使初级电流中断，由此使通过初级电流产生的磁场产生剧烈变化。通过磁场的这种变化改变磁通，由此在次级绕组16内感生高的电压。这个电压输送给火花塞第一电极的高压接头20。火花塞的与第一电极构成一火花间隙的另一个第二电极持久地与外壳电位连接。在达到击穿电压时在两个电极之间产生一电弧，它使处于燃烧室内的燃料空气混合物点燃。

图2中表示一本发明的棒状点火变压器30，其结构和工作原理类似于按图1的棒状火点变压器10。相同的元件具有相同的图形标记。在本实施例中棒状铁芯14具有一圆形横截面并沿棒状点火变压器30的纵轴线延伸。次级绕组32构成为倾斜层绕组，其中绕线过程从图2中所示的次级绕组的上端开始。次级绕组32和初级绕组22绕棒状点火线圈30的纵轴线11径向设置。次级绕组32的径向横截面从次级绕组32上端到次级绕组32下端逐渐加大，使次级绕组32到棒状铁芯14外壳面的距离从次级绕组32的上端向下端连续加大。由此使棒状铁芯14外壳面和次级绕组32之间的绝缘距离连续加大。

次级绕组32从下端到上端的电位分布基本上在次级绕组32的长度上均匀地实现，使得在下端接外壳电位，在上端接高压电位。棒状铁芯14与高压电位导电连接。因此在次级绕组32接高压的上端和与高压连接的棒状铁芯14之间不存在电位差。在次级绕组32下端处电位差等于棒状铁芯14的高压电位，因为次级绕组32的这一端接外壳电位。但是通过次级绕组的倾斜布局使得在次级绕组32下端在次级绕组32内侧和棒状铁芯外壳面之间存在较大的距离，它用作绝缘距离。在这个绝缘距离内既可以存在空气也可以存在其他绝缘材料，特别是绝缘材料树脂。也可以在这个中间空腔内加入绝缘气体。通过次级绕组32的锥形结构，在初级绕组22的朝向次级绕组32的内侧和次级绕组32的朝向初级绕组22的外侧之间在次级绕组32的上部区域内存在大的距离，该距离用作在这个区域内通高压电位的次级绕组32和外壳电位或初级绕组22的具有汽车电源电位的电位之间的绝缘距离。通过次级绕组32的倾斜布局在次级绕组32和初级绕组22之间形成一漏斗形的缝隙。向这个漏斗形缝隙内可以用简单的方式方法从绝缘材料壳体24的顶面起在次级绕组32和初级绕组22之间填充绝缘材料。特别是通过在按图2的棒状点火变压器30中通过次级绕组32和初级绕组22之间的漏斗形缝隙与棒状点火变压器10相比改善在真空浇注过程中浇注材料的流动性，由此使存在的残留气体可以更好地从棒状点火变压器30的中间空腔中上升。

通过在图2中所示的棒状点火变压器30的次级绕组32的倾斜布局可以在相同的外部几何形状下实现功能方面的优点。特别是可以产生用来产生电弧或火花的更高电压、更多能量，和/或减小初级电流。二者择一地可以在棒状点火变压器10和30特征数据相同的情况下通过次级绕组32的倾斜布局，由于绝缘材料较小的负荷，显著提高棒状点火变压器30的寿命。

次级绕组32最好构成为倾斜层绕组，其中倾斜层绕组从次级绕组32的具有最小内横截面的区域开始，从而倾斜层绕组的绕线方向与次级绕组32的锥度相反地布置。由此使锥顶角和倾斜层角叠加，从而使相邻的匝相互之间具有比例如在圆柱形绕组时小的电位差。因此使绕组漆包线的绝缘漆经受不这么强的负荷，由此达到漆包线绝缘更长的寿命并减小匝间短路的可能性。此外由此防止在倾斜层绕组中漆包线的滑脱。

图3中表示按本发明的棒状点火变压器-火花塞组合40的侧视图。棒状点火变压器-火花塞组合40具有一绝缘材料壳体48，在其顶面上设置一六边形作用区50，用来将棒状点火变压器-火花塞组合40拧入汽车汽缸头上的一螺纹孔内和用规定扭矩将棒状点火线圈-火花塞组合40拧紧。在六边形作用区的中心设置一用于引入连接导线的孔，此导线使棒状点火变压器-火花塞组合40与用来控制棒状变压器的控制单元26导电连接。在绝缘材料壳体48底面上突起一用来拧入汽车汽缸头上的火花塞孔内的外螺纹42。从外螺纹42底面上伸出一高压电极44和一对应电极46。外螺纹42最好由金属材料制成，从而使棒状点火变压器-火花塞组合40优选是通过这个外螺纹42与汽车外壳电位连接，如果外螺纹42拧入金属汽缸头内的话。对应电极46与外螺纹42，从而也与汽车外壳电位导电连接。

图4中表示沿图3A-A剖分线的棒状点火变压器-火花塞组合40的剖视图。初级绕组52设置在绝缘材料壳体48内壁上。高压电极44与变压器芯54电连接，其中变压器芯54和在变压器芯54与高压电极44之间的导电连接被绝缘体56包围，它最好由陶瓷或瓷器料制成。绝缘材料体56用作次级绕组58的线圈管。在次级绕组58区域内绝缘材料体56的横截面从次级绕组58的下端向次级绕组58的上端连续减小，使次级绕组58的外壳面和初级绕组52的内侧之间的距离向上连续扩大。

通过合适的绕线方法，特别是通过环形绕组成倾斜层绕组，使次级绕组58的电位从次级绕组58的下端到上端连续加大。变压器芯54与次级绕组58的高压电位电连接。由此在变压器芯54或次级绕组58下部区域内通过绝缘体56的形状存在比较大的绝缘距离，而在次级绕组58的上部区域内存在比较小的绝缘距离。因此在变压器芯54和次级绕组58之间的电位差大的区域内存在大的绝缘距离，而在变压器芯54和次级绕组58之间的电位差小或没有电位差的区域内存在小的绝缘距离。初级绕组52按直流考虑具有汽车的外壳电位或电源电位，因此在次级绕组58的上部区域内在初级绕组52和次级绕组58之间出现火的电位差，而在次级绕组的下部区域内在次级绕组58和初级绕组52之间出现小的电位差，如上所述，在次级绕组58的上部区域内次级绕组58和初级绕组52之间存在较大的绝缘距离，而在次级绕组58的下部区域内在次级绕组58和初级绕组52之间存在较小的绝缘距离。通过这种不同的绝缘距离在初级绕组52和次级绕组58之间产生一楔形的中间空腔，如上面结合图2所述，这里向这个距离中可以方便地浇注电绝缘浇注材料。

尽管在附图和上述说明中指出了优选实施例并作了详细说明，它应该仅仅纯粹是举例性的，本发明并不局限于此。应该指出，仅仅表示和说明了优选实施例，目前和将来在本发明保护范围内的全部变化和变型都应该受到保护。

附图标记清单

10，30  棒状点火变压器

11      纵轴线

12      孔

14      棒状铁芯

16      次级绕组

18      线圈管

20      高压接头

22      初级绕组

24      绝缘材料壳体

26      控制单元

32      次级绕组

40      棒状变压器-火花塞组合

42      外螺纹

44      高压电极

46      对应电极

48      绝缘材料壳体

50      六边形作用区

52      初级绕组

54      变压器芯

56      绝缘材料体

58      次级绕组

Claims (17)

1.给点火装置、特别是内燃机火花塞供给高压的棒状点火变压器，其中围绕一变压器芯的主芯区(14)与棒状点火变压器(30)的纵轴线(11)同心地设置一第一内绕组(32)和一第二外绕组(22)，其中一个绕组是初级绕组(22)，另一个绕组是次级绕组(32)，

其特征为：

在次级绕组(32)的一第一末端处在主芯区(14)的外壳面和次级绕组(32)之间的距离小于在次级绕组(32)的第二末端处在主芯区(14)的外壳面和次级绕组(32)之间的距离，和/或在变压器芯第一末端处在主芯区(14)的外壳面和次级绕组(32)之间的距离小于在主芯区(14)第二末端处在主芯区(14)的外壳面和次级绕组(32)之间的距离。

2.按权利要求1所述的棒状点火变压器，其特征为：至少次级绕组(32)这样绕线，使次级绕组(32)内的电位从次级绕组(32)的一个轴向末端向次级绕组(32)的另一个轴向末端基本上均匀地增大。

3.按权利要求1或2所述的棒状点火变压器，其特征为：在次级绕组(32)第一末端上接基准电位，在次级绕组(32)的第二末端上至少暂时地接用来产生点火电压所需要的高压电位，其中变压器芯的主芯区(14)与高压电位电连接。

4.按上述权利要求之任一项所述的棒状点火变压器，其特征为：变压器芯的主芯区(14)具有一圆柱形外壳面，各绕组(22，32)设置在围绕主芯区(14)的纵轴线(11)的同心的圆形轨迹上，其中变压器芯优选是一铁芯。

5.按上述权利要求之任一项所述的棒状点火变压器，其特征为：第一绕组是次级绕组(32)，第二绕组是初级绕组(22)，其中在次级绕组(32)的第二末端处在次级绕组(32)和初级绕组(22)之间的距离小于在次级绕组(32)的第一末端处在次级绕组(32)和初级绕组(22)之间的距离，和/或在初级绕组(22)的一第二末端处在次级绕组(32)和初级绕组(22)之间的距离小于在初级绕组(22)的第一末端处在次级绕组(32)和初级绕组(22)之间的距离，其中所述距离优选是径向距离。

6.按上述权利要求之任一项所述的棒状点火变压器，其特征为：棒状点火变压器(30)具有一壳体(24)，该壳体至少在初级绕组(22)和次级绕组(32)的区域内围绕所述初级绕组和次级绕组基本上同心地设置，其中在次级绕组(32)的第二末端处在次级绕组(32)和壳体(24)的外壳面之间的距离小于在次级绕组(32)的第一末端处在次级绕组(32)和壳体(24)的外壳面之间的距离。

7.按上述权利要求之任一项所述的棒状点火变压器，其特征为：次级绕组(32)具有一基本上截锥形的内表面和/或一基本上截锥形的外壳面。

8.按上述权利要求之任一项所述的棒状点火变压器，其特征为：至少次级绕组(32)构成为倾斜层绕组。

9.按权利要求8所述的棒状点火变压器，其特征为：次级绕组(32)的倾斜层与次级绕组(32)的截锥形的内表面的倾斜相反地绕线。

10.按上述权利要求之任一项所述的棒状点火变压器，其特征为：火花塞的绝缘材料体(56)设置在次级绕组(32)之内，并且绝缘材料体(56)至少在次级绕组(32)的区域内具有一基本上截锥形的外壳面，其中绝缘材料体(56)优选是一陶瓷体或瓷器体。

11.按权利要求10所述的棒状点火变压器，其特征为：绝缘材料体(56)构成次级绕组(32)的线圈管。

12.具有优选是用于内燃机的、组合的点火变压器及点火装置单元的结构，

具有一点火装置，该点火装置在一借助于电极(44，46)构成的火花间隙和一高压接头之间具有一绝缘材料体，

其中绝缘材料体(56)的横截面至少在点火变压器的次级绕组(58)的区域内朝向高压接头的方向随着离点火装置的电极(44，46)距离的增加而减小，其中围绕绝缘材料体(56)与该绝缘材料体的纵轴线同心地设置点火变压器的次级绕组(58)和初级绕组(52)。

13.按权利要求12所述的结构，其特征为：绝缘材料体(56)构成次级绕组(58)的线圈管。

14.按权利要求12或13所述的结构，其特征为：在绝缘材料体(56)内部设置一软磁性的变压器芯(14)，其中绝缘材料体(56)优选是一陶瓷体或一瓷器体。

15.按权利要求12至14之任一项所述的结构，其特征为：一磁性的外壳(容器外壳)至少在一个区域内围绕初级绕组和次级绕组设置，该外壳优选整合到结构的壳体内。

16.按权利要求15所述的结构，其特征为：用来将该结构拧入一设置在内燃机汽缸头内的孔内的力的至少一部分通过所述外壳传递。

17.按权利要求15或16所述的结构，其特征为：所述磁性的外壳和点火变压器的变压器芯一起构成一磁路。

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