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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Zündspule für einen Ottomotor, welcher
eine Hochspannungswicklung aufweist. Weiter betrifft die Erfindung ein
Verfahren zur kapazitiven Ankopplung der Hochspannungswicklung einer
Zündspule
zu Diagnosezwecken.
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Die
Zündspule
ist diejenige Komponente der induktiven Zündanlage, welche aus der niedrigen Batteriespannung
die für
den Funkenüberschlag
an der Zündkerze
erforderliche Hochspannung erzeugt. Gespeist aus dem Gleichspannungs-Bordnetz
liefert sie Zündimpulse
für die
Zündkerze
mit der erforderlichen Hochspannung und Funkenenergie. Diese Komponente
wurde im Laufe der Zeit immer weiter entwickelt und den gestiegenen
Anforderungen an den Ottomotor angepasst.
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Bei
den für
Neuentwicklungen eingesetzten Zündspulentypen
handelt es sich im Wesentlichen um Kompaktzündspulen und Stabzündspulen.
Bei einer Kompaktzündspule
besteht der Magnetkreis aus einem O-Kern und einem I-Kern, auf dem
die Primär- und
die Sekundärwicklungen
aufgesteckt sind. Diese Anordnung wird in das Zündspulengehäuse eingebaut. Die Primärwicklung,
d.h., der mit Draht bewickelte I-Kern, wird mit dem Primärsteckanschluss elektrisch
und mechanisch verbunden. Ebenfalls verbunden wird der Wicklungsanfang
der Sekundärwicklung,
d.h., der mit Draht bewickelte Spulenkörper. Der zündkerzenseitige Anschluss der
Sekundärwicklung
befindet sich im Gehäuse
und die elektrische Kontaktierung wird bei der Montage der Wicklung
hergestellt. Aufgrund der kompakten Bauweise der Zündspule
ist ein Aufbau möglich,
bei dem die Zündspule
direkt auf die Zündkerze
montiert wird, so dass zusätzliche
Hochspannungs-Verbindungskabel entfallen. Dies ergibt eine im Vergleich
mit einer Wegbauvariante geringere kapazitive Belastung des Sekundärkreises
der Zündspule.
Zusätzlich
wird durch die Bauteilereduzierung die Funktionssicherheit erhöht, es ist
z.B. kein Marderverbiss der Zündkabel mehr
möglich.
Die Stabzündspule
ermöglicht
eine bestmögliche
Ausnutzung der Platzverhältnisse
im Motorraum. Durch die zylindrische Bauform kann der Zündkerzenschacht
als Montageraum mitbenutzt werden und ermöglicht eine bauraumoptimierte
Anordnung im Zylinderkopf. Stabzündspulen
werden immer direkt auf die Zündkerze
montiert, daher sind keinerlei zusätzliche Hochspannungs-Verbindungskabel
erforderlich. Stabzündspulen
arbeiten wie Kompaktzündspulen
nach demselben induktiven Prinzip. Aufgrund der Rotationssymmetrie
unterscheiden sie sich im Aufbau jedoch deutlich von Kompaktzündspulen.
Der auffälligste
Unterschied ist der Magnetkreis. Dieser besteht aus den gleichen Materialien,
wobei der im Zentrum liegende Stabkern hier aus verschiedenen breit
gestanzten Blechlamellen annähernd
kreisrund gestapelt und paketiert wird. Der magnetische Kreis wird über das
Rückschlussblech
als gerollte und geschlitzte Hülse
hergestellt. Im Gegensatz zu Kompaktzündspulen liegt die Primärwicklung
mit größerem Durchmesser über der Sekundärwicklung,
deren Spulenkörper
gleichzeitig den Stabkern aufnimmt.
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Heutige
Zündsysteme
sind überwiegend wartungsfrei.
Zu Diagnosezwecken, z.B. Werkstattwartung, Fehlersuche am Automotor,
Online-Überwachung,
etc., ist es jedoch zweckmäßig, eine
ordnungsgemäße Funktion
zu überprüfen. Durch
den Direkteinbau von heutigen Zündspulen
im Zylinderkopf ist eine elektrische Diagnose der Funktion jedoch
nur schwer oder nicht durchführbar.
Adapterlösungen
scheiden aufgrund beengter Einbaulagen oder Gefährdung durch Hochspannung generell
aus. Eine bekannte Lösung
stellt jedoch die kapazitive Ankopplung der Hochspannungswicklung über eine Messsonde,
z.B. in Form eines Plättchens,
dar. Diese Anordnung bildet zusammen mit der Sekundärwicklung
eine Koppelkapazität,
welche es ermöglicht,
ein entsprechendes dem Signalverlauf der erzeugten Hochspannung
der Zündspule
korrespondierendes charakteristisches Signal auszukoppeln und zu
messen.
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Bei
neueren Zündspulenkonstruktionen
ist dies teilweise nicht mehr möglich,
da aufgrund beengtem Bauraum die Zündspule nicht zugänglich oder
die Ankopplung an die Hochspannungswicklung mit einer Messsonde
nicht möglich
ist, z.B. aufgrund eines fehlenden äußeren Luftspalts der Zündspule, oder
nur durch hohen zusätzlichen
konstruktiven Aufwand lösbar
ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zündspule, die eine Überprüfung der
Funktion durch eine kapazitive Ankopplung der Hochspannungswicklung ermöglicht,
sowie ein Verfahren zur kapazitiven Ankopplung der Hochspannungswicklung
einer Zündspule
zu Diagnosezwecken anzugeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine
erfindungsgemäße Zündspule
wird durch die Merkmale von Anspruch 1 definiert, das erfindungsgemäße Verfahren
zur kapazitiven Ankopplung der Hochspannungswicklung einer Zündspule zu
Diagnosezwecken wird durch die Merkmale von Anspruch 9 definiert.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Das
Grundprinzip der erfindungsgemäßen Lösung der
Aufgabe besteht darin, in der Zündspule ein
leitfähiges,
flächiges
Bauelement vorzusehen, dass einen definierten Abstand zur Hochspannungswicklung
aufweist und das elektrisch mit einem Anschluss der Zündspule
verbunden ist. Dieses Bauelement kann in Bezug auf eine herkömmliche
Zündspule
ein zusätzliches
Bauelement sein oder es kann auch ein entsprechend ausgestaltetes
Bauelement einer herkömmlichen
Zündspule
sein, das zusätzlich erfindungsgemäß elektrisch
mit einem Anschluss der Zündspule
verbunden wird.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer
Zündspule
kann das Prinzip der kapazitiven Ankopplung der Sekundärwicklung
zu Diagnosezwecken beibehalten werden. Es wird erfindungsgemäß jedoch
ein Bauelement der Zündspule
selbst als kapazitives Koppelelement verwendet, das elektrisch mit
einem Anschluss der Zündspule
verbunden ist. Somit lässt
sich ein auswertbares Diagnosesignal auskoppeln. Dies hat einerseits
den Vorteil, diese Funktion ohne zusätzliches externes Bauelement oder
Sensorelement zu erfüllen,
andererseits lässt sich
das Diagnosesignal durch eine zusätzliche feste interne Verbindung
in der Zündspule
und den Kabelanschluss zum Steuergerät durch geeignete Mittel, z.B.
eine elektronische Schaltung oder Software, online verarbeiten,
d.h., während
des laufenden Betriebs im Motor/Fahrzeug, z.B. zur Erfüllung von OBD-Bestimmungen.
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Es
ergibt sich also insbesondere, dass eine Mess- bzw. Diagnosesignalerfassung
ohne zusätzliche
externe Bauelemente erfolgen kann, und dass das Diagnosesignal einfach
ausgekoppelt werden kann, wobei ein manueller Eingriff, z.B. das
Anlegen oder Ankoppeln der Messsonde, nicht notwendig ist. Weiter
ergeben der definierte Abstand des Bauelements zur Hochspannungswicklung
und dessen definierter Fläche
ein reproduzierbares Signal über
alle Zündspulen
eines Typs und somit besteht eine mangelhafte Signalqualität bei ungenügender,
in der Regel manuell erfolgender Ankopplung nicht mehr, wodurch
Diagnosefehler vermieden werden. Weiter ist eine dauerhafte Online-Verarbeitung
bzw. 100 %-Auswertung des Signals möglich und das Signal kann beliebig
weiterverarbeitet werden, z.B. für
die Motorsteuerung, eine Werkstatt-Diagnose, Messsysteme zur Funktionsanalyse,
die Entwicklung, die Freigabe von Zündsystemen, etc.
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Bevorzugt
ist das leitfähige,
flächige
Bauelement bis auf die Verbindung mit dem Anschluss der Zündspule
elektrisch gegen andere Elemente der Zündspule isoliert.
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Das
leitfähige,
flächige
Bauelement kann innerhalb des Gehäuses der Zündspule oder auf dem Gehäuse der
Zündspule
angeordnet sein.
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Für den Fall,
dass die Zündspule
als Kompaktzündspule
ausgebildet ist, wird das leitfähige,
flächige
Bauelement bevorzugt durch den O-Kern der Zündspule gebildet. In diesem
Fall braucht lediglich der in der Zündspule vorhandene O-Kern mit
einem Anschluss der Zündspule
verbunden werden, um eine erfindungsgemäße Zündspule zu realisieren.
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In
dem Fall, dass die erfindungsgemäße Zündspule
als Stabzündspule
ausgebildet ist, wird das leitfähige,
flächige
Bauelement bevorzugt durch den Stabkern der Zündspule gebildet. Hier braucht dann
lediglich der in der Zündspule
vorhandene Stabkern mit einem Anschluss der Zündspule verbunden werden, um
eine erfindungsgemäße Zündspule
zu realisieren.
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Das
leitfähige,
flächige
Bauelement der erfindungsgemäßen Zündspule
ist bevorzugt elektrisch potentialfrei gegenüber dem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs,
in das die Zündspule
eingebaut ist, einer Stromversorgung der Zündspule und/oder einer Masse
des Kraftfahrzeugs und/oder der Zündspule vorgesehen.
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Die
erfindungsgemäße Zündspule
ist bevorzugt direkt auf eine Zündkerze
montiert.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur kapazitiven Ankopplung der Hochspannungswicklung einer Zündspule
zu Diagnosezwecken wird ein leitfähiges, flächiges Bauelement der Zündspule,
das einen definierten Abstand zur Hochspannungswicklung aufweist
und das elektrisch mit einem Anschluss der Zündspule verbunden ist, als
kapazitives Koppelelement verwendet. Hierbei erfolgt die Ausgestaltung des
leitfähigen,
flächigen
Bauelements bevorzugt gemäß den zuvor
beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Zündspule.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung beispielhaft dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung
und die Ansprüche
enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination oder als bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
der Erfindung bezeichnet. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise
auch einzeln betrachten und/oder zur sinnvollen weiteren Kombination
zusammenfassen.
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Es
zeigen:
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1 ein
Prinzipdarstellung der Schaltung einer erfindungsgemäßen Zündspule
und eine bevorzugte Form der Ankopplung in einer ersten bevorzugten
Ausführungsform;
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2 eine
Zuordnung von Ausgangssignalen einer erfindungsgemäßen Zündspule
mit zugehörigen
Diagnosesignalen in verschiedenen Betriebszuständen;
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3 den
Aufbau einer Kompaktzündspule in
der ersten bevorzugten Ausführungsform
nach der Erfindung in zwei Schnittdarstellungen;
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4 den
Aufbau der Kompaktzündspule
in der ersten bevorzugten Ausführungsform
nach der Erfindung in Explosionsdarstellung;
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5 den
Aufbau einer Stabzündspule
nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung
im Schnitt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Zündspule nach einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Eine über
eine nicht dargestellte Zündendstufe
an eine ebenfalls nicht dargestellte Batterie angeschlossene Primär- oder
Niederspannungswicklung 1 ist über einen Magnetkern, der hier
aus einem I-Kern 2 und einem O-Kern 3 besteht,
mit einer Sekundär-
oder Hochspannungswicklung 4 gekoppelt, deren eines Ende über eine
EFU-Diode 5 mit Masse verbunden ist und deren anderes Ende über eine
Zündkerze 6 mit
Masse verbunden ist. Am O-Kern 3 ist eine Signalleitung 7 zum
Abgreifen eines Diagnosesignals angeschlossen. Bis auf die Auskopplung
des Diagnosesignals über
die Signalleitung 7, d.h., bis auf die Signalleitung 7,
handelt es sich hier also um den Aufbau einer herkömmlichen
Zündspule. 1 b)
zeigt die Auskopplung des Diagnosesignals und die dafür maßgeblichen
Komponenten der Zündspule
nochmals in Alleinstellung. Bei der Erzeugung des Hochspannungsimpulses
in der Zündspule
wird über
die gesamte Sekundärwicklung 4 (auch
als Hochspannungswicklung bezeichnet) diese Spannung aufgebaut (beginnend am
Wicklungsanfang bis zum höchsten
Spannungsniveau am Wicklungsende, d.h., dem Zündkerzenanschluss). Die Sekundärwicklungsoberfläche repräsentiert
im Wesentlichen diesen Spannungsverlauf über die Wicklungslänge. Der
O-Kern 3 mit definiertem Abstand zur Sekundärwicklungsoberfläche und definierter
Pakethöhe
bildet zusammen mit der Sekundärwicklung 4 und
dem dazwischenliegenden Isolationswerkstoff (z.B. Thermoplaste,
Vergussmasse, etc.) eine Kapazität,
die einen Koppelkondensator bildet. Das ausgekoppelte Messsignal,
d.h., das Diagnosesignal, folgt aufgrund der über die gesamte Wicklungsoberfläche verlaufenden
O-Kern-Fläche in etwa
dem gemittelten Signalverlauf auf der Sekundärwicklungsoberfläche. Das
Diagnosesignal ist phasengleich, jedoch gedämpft mit deutlich geringerem Spannungspegel.
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Das
Lamellenpaket des O-Kerns 3 ist aus Elektroblech gefertigt
und elektrisch gut leitfähig.
Die elektrische Kontaktierung des O-Kerns 3 kann beliebig über einen
Draht, PIN, eine Stromschiene, etc., d.h., eine beliebige Signalleitung 7,
nach außen
(z.B. separater Kabelanschluss) oder an den Anschlussstecker der
Zündspule
erfolgen. Somit ist es möglich, das
kapazitive ausgekoppelte Signal direkt zu erfassen.
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2 zeigt
drei verschiedene Ausgangssignale sowohl der Zündspannung U2 als
auch des Diagnosesignals. In 2a) sind
die Zündspannung
U2 und das Diagnosesignal für einen
offenen Sekundärkreis
gezeigt, also für
den Fall, dass keine Verbindung zur Zündkerze besteht, dass also
z.B. der Zündkerzenstecker
abgefallen ist. Hier handelt es sich bei der Zündspannung U2 um
einen negativen Spannungspuls mit großer Amplitude, der stark gedämpft ausschwingt.
Das Diagnosesignal verhält sich
bei vermindertem Spannungspegel entsprechend. Die 2b)
zeigt einen Normalbetrieb an einer Zündkerze, wobei eine hohe Zündspannung
besteht. Hier ist ein in Bezug auf 2a)
deutlich verminderter Pegel des negativen Spannungspulses zu erkennen,
der zunächst
auf einen geringeren Pegel abfällt,
bevor er ausschwingt. Das Diagnosesignal ist entsprechend im Pegel
vermindert. Die 2c) zeigt den Signalverlauf
der Zündspannung
U2 und des Diagnosesignals bei einem Nebenschluss
an der Zündkerze,
wobei also eine geringe Zündspannung
und ein entsprechend verringertes Diagnosesignal bestehen. Die Signalverläufe sind
bis auf die nochmals geringeren Amplituden mit denen des in 2b) gezeigten Normalbetriebs vergleichbar.
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Die 3 zeigt
eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus einer Kompaktzündspule
nach der in 1 gezeigten ersten bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung in zwei Schnittansichten. Der innerhalb des Gehäuses 9 isoliert
liegende O-Kern 3 bildet mit der Sekundärwicklung 4 einen
Kondensator. Die Kapazität
wird über
die innere Fläche
des O-Kerns 3, welche der Sekundärwicklung 4 zugewandt
ist, gebildet. Die Signalleitung 7, die eine leitfähige Verbindung
des O-Kerns 3 mit einem Anschlusskontakt 8a des
Anschlusses 8 der Zündspule
bildet, die auch als separate Verbindung ausgestaltet sein kann,
ermöglicht
die Auskopplung des kapazitiv angekoppelten Signals der Sekundärwicklung 4.
An dem Anschluss 8 sind neben dem Anschlusskontakt 8a zur
Auskopplung des Diagnosesignals noch Anschlusskontakte vorgesehen,
um die um den I-Kern 2 gewickelte Primärwicklung 1 anzuschließen sowie
die Zündspule
mit Masse und dem Zündkerzenanschluss
zu verbinden.
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Damit
der O-Kern mit der Sekundärwicklung einen
Kondensator bilden kann, ist dieser potentialfrei gegenüber dem
Bordnetz bzw. der Stromversorgung oder Masse ausgelegt. Dies ist
bei isolierten Kernen (z.B. aus Gründen des Korrosionsschutzes, elektrische
Isolation gegen Berührung),
im thermoplastischen Gehäuse
eingespritzten Kernen oder im Gehäuse eingelegten und vergossenen
Kernen möglich.
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Die 4 zeigt
eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Zündspule in einer weiteren Ausgestaltung
der ersten bevorzugten Ausführungsform.
Die gezeigte Zündspule
ist in herkömmlicher
Art und Weise aufgebaut, sie umfasst jedoch einen zusätzlichen
Primärsteckerkontakt 18a,
der im zusammengebauten Zustand mit dem erfindungsgemäß isoliert
ausgeführten
O-Kern 22 verbunden ist. Im Einzelnen umfasst die gezeigte
Kompaktzündspule
die folgenden Bauelemente: Eine Leiterplatte 11, eine Endstufe 12,
eine EFU-Diode 13, einen Sekundärspulenkörper 14, einen Sekundärdraht 15,
ein Kontaktblech 16, einen Hochspannungsbolzen 17, einen
Primärstecker 18 mit
dem Primärsteckerkontakt 18a,
um das Diagnosesignal auszukoppeln, einen Primärdraht 19, einen I-Kern 20,
einen Permanentmagneten 21, den O-Kern 22, eine
Feder 23 und einen Silikonmantel 24.
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Die 5 zeigt
den Aufbau einer erfindungsgemäßen Zündspule
nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung
im Schnitt, nämlich
einer Stabzündspule.
Diese ist bis auf einen zusätzlichen
Verbindungsdraht 31a, der den Stabkern 35 mit
dem Steckeranschluss 31 verbindet, gleich zu einer herkömmlichen
Stabzündspule
aufgebaut. Im Einzelnen umfasst die erfindungsgemäße Stabzündspule
die folgenden Bauelemente: Den Steckeranschluss 31 mit
dem Verbindungskabel 31a, eine Leiterplatte 32 mit
Zündungsendstufe,
einen Permanentmagneten 33, einen Befestigungsarm 34, den
lamellierten Elektroblechkern 35, d.h., den Stabkern, eine
Sekundärwicklung 36,
eine Primärwicklung 37,
ein Gehäuse 38,
ein Rückflussblech 39,
einen Permanentmagneten 40, einen Hochspannungsdom 41 und
einen Silikonmantel 42. Ebenfalls in 5 dargestellt
ist eine aufgesteckte Zündkerze 43.