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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündspule für Brennkraftmaschinen sowie ein Herstellungsverfahren für Zündspulen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung in einer Zündspule zur Erkennung einer erfolgten Zündung.
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Zündspulen sorgen in Verbrennungskraftmaschinen dafür, dass verbrennungsfähiges Gas(gemisch) zu einem vordefinierten Zeitpunkt entzündet wird. Hierzu werden im Allgemeinen in gewissem Abstand voneinander angeordnete Elektroden im Brennraum angeordnet und diese durch die Zündspule zu einem vorgegebenen Zeitpunkt mit einer Potentialdifferenz beaufschlagt, aufgrund welcher ein Zündfunke die freie Wegstrecke zwischen den Elektroden durchschlägt und dabei das Gas(gemisch) entzündet. Das Wirkprinzip und die Funktion der zur Erzeugung der notwendigen Spannungsimpulse verwendeten Primär- und Sekundärwicklungen in einer Zündspule werden im Folgenden als bekannt vorausgesetzt. Den bekannten Zündspulen ist gemeinsam, dass eine Rückmeldung des Moduls über eine erfolgte Zündung entweder gar nicht oder lediglich durch vergleichsweise komplizierte Maßnahmen bzw. Bauteile erfolgt, was zu hohen Kosten führt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Zündspule mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist gegenüber den bekannten Zündspulen den Vorteil auf, dass sie eine einfache, kostengünstige und montagefreundliche Lösung zum Erkennen einer erfolgten Zündung bereitstellt. Hierbei wird das von der Sekundärzündspule erzeugte magnetische bzw. elektrostatische Feld mittels eines benachbart zur Sekundärwicklung angeordneten Zündsensors erfasst, das resultierende elektrische Signale z. B. über eine Anschlussleitung an eine Auswerteeinheit weiterleitet und dort der Zündzeitpunkt ermittelt. Hierbei ist eine fertigungssichere Dimensionierung des Abstandes zwischen Sekundärwicklung und Zündsensor entscheidend, so dass einerseits der Eintrag des Zündsignals gesichert ist, andererseits keine Beeinträchtigung des Zündvorganges insbesondere durch ein Überspringen der Ladung des Zündimpulses auf den Zündsensor riskiert wird. Unter „benachbart” sei im Zuge der vorliegenden Erfindung daher verstanden, dass insbesondere ein funktionelles Zusammenwirken zwischen der Sekundärwicklung bzw. den durch sie erregten Feldern und dem Zündsensor gewährleistet ist. Der Zündsensor selbst und seine Anschlussleitung sind bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen Material wie z. B. Metall oder einer Metalllegierung hergestellt. Bevorzugt sind niederohmige Stofflegierungen, wie z. B. Cu-Legierungen oder Sn-Legierungen, geeignet.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Zündsensor integral mit der Gehäusewandung der Zündspule verbunden. Unter „integral” sei in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung entweder eine einstückige Fertigung (bei Bauteilen mit gleichen Materialien) oder eine teilweise Einbringung des aufzutragenden Stoffes (z. B. Metall) in das Trägermaterial (z. B. Kunststoff) verstanden. Hierbei diffundieren Anteile des einen Stoffes in insbesondere mikroskopisch kleine Kavitäten des anderen Stoffes und sorgen somit für eine permanente und stabile Verbindung, ohne weitere Haftvermittler zu erfordern.
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Indem die Anschlussleitung ebenso wie der Zündsensor erfindungsgemäß auf das Gehäusematerial aufgedampft bzw. aufgespritzt ist, können Kontaktstellen zwischen Anschlussleitung und Zündsensor entfallen, indem beide als integrale Komponente durch Aufdampfen erstellt werden. Darüber hinaus ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Zündsensorfertigung geometrische Freiheitsgrade. Insbesondere an die Spulengeometrie angepasste Strukturen sind z. B. durch eine entsprechende Gestaltung der Gehäusewandung und anschließendes Aufdampfen hochpräzise und fertigungstechnisch unkompliziert machbar.
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Weiter bevorzugt ist die Geometrie des Zündsensors an die Sekundärzündspule derart angepasst, dass der Zündsensor im Wesentlichen in Axialrichtung entlang der gesamten Länge der Sekundärwicklung liegt. Hierdurch ergibt sich ein hohes Maß an Signalsensibilität des Zündsensors für den durch die Sekundärwicklung fließenden Zündstromimpuls.
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Hierbei ist es weiter von Vorteil, den Zündsensor flächig auszugestalten, also auch in Umfangsrichtung der Spule eine gewisse Mindestabmessung des Zündsensors vorzusehen. Beispielsweise kann die Fläche des Zündsensors im Wesentlichen in einer Ebene der Projektionsfläche der Sekundärwicklung senkrecht zur Sekundärwicklung entsprechen. Die Fläche des Zündsensors kann dabei im Wesentlichen rechteckig ausgestaltet sein und beispielsweise im Falle einer im Wesentlichen zylindrisch ausgestalteten Sekundärwicklungshüllfläche diese in einem gewissen Winkelsektor ebenfalls teilzylindrisch oder zylindrisch umgeben. Hierdurch ergibt sich ein besonders hohes Maß an, Signalsensibilität des Zündsensors für den durch die Sekundärzündspule fließenden Zündstromimpuls. Alternativ kann die Fläche auch im Wesentlichen rund oder im Wesentlichen ovalförmig sein.
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Indem gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Zündsensor ebenso wie die Anschlussleitungen auf die Gehäusewand, insbesondere an einer Innenseite, aufgedampft und/oder aufgespritzt wird, ist überdies weder eine gesonderte Befestigung des Zündsensors im Gehäuse noch eine Verbindung des Zündsensors mit der elektrischen Anschlussleitung, insbesondere über oder unter der Spule, notwendig. Durch den Vorgang des Aufbringens sind die Anforderungen an die mechanische Stabilität des Zündsensors und etwaiger anderer elektrischer Bauteile (z. B. Anschlussleitungen) deutlich geringer, da diese nie unabhängig von der Gehäusewandung (z. B. während der Fertigung bzw. vor der Einbringung des Zündsensors in das Gehäuse der Zündspule) mechanisch beansprucht werden. Somit kann die Dimensionierung des Zündsensors allein den elektrischen Anforderungen entsprechend erfolgen, was wiederum Material- und Gewichtsersparnisse (insbesondere Kupfer und Isolationsmaterial) mit sich bringt. Alternativ kann der Zündsensor auch auf eine Außenseite der Gehäusewand aufgebracht werden, sollte dann jedoch gegenüber Umgebungseinflüssen geschützt werden. Bevorzugt ist jedoch eine Anbringung des Zündsensors an der Innenseite, da eine Signalstärke mit der Nähe des Zündsensors zu der hochspannungsführenden Wicklung steigt.
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Fertigungstechnisch und hinsichtlich der Resistenz gegen thermische und mechanische Beanspruchungen kann es jedoch auch von Vorteil sein, die Anschlussleitung des Zündsensors im Wesentlichen entsprechend der strukturellen Gestalt des Zündsensors selbst auszuführen. Somit ergeben sich keine bzw. geringere Querschnittsprünge zwischen dem Zündsensor und seiner Anschlussleitung und somit keine bzw. weniger kritische Schwachstellen für insbesondere thermisch induzierte Materialspannungen in den elektrischen Leiterbahnen.
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Weiter bevorzugt ist der Zündsensor derart an der Wandung des Gehäuses vorgesehen, dass der Zündsensor nicht nur im Bereich eines Mantels der Sekundärwicklung angeordnet ist, sondern auch an wenigstens einer weiteren, senkrecht zur Mantelfläche angeordneten Wandung hochgezogen ist. Hierdurch lässt sich insbesondere eine Fläche des Zündsensors vergrößern.
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Weiter bevorzugt ist die Zündspule eine Einzelfunkenspule oder eine Doppelfunkenspule. Die Zündspule kann dabei als Kompaktzündspule oder als Stabzündspule ausgebildet sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Zündspule mit den Merkmalen des Anspruchs 9 weist gegenüber den bekannten Verfahren den Vorteil auf, dass es eine einfache, kostengünstige und montagefreundliche Lösung zur Fertigung einer Vorrichtung zum Erkennen einer erfolgten Zündung in einer Zündspule bereitstellt. Die Fixierung des Zündsensors, der auch als separates Bauelement in das Gehäuse der Zündspule eingebracht werden kann, erfolgt beispielsweise durch Kleben, Nieten, Verschweißen, Verstemmen oder anderen formschlüssigen Befestigungsmethoden mit dem Kunststoff des Gehäuses. Alternativ oder zusätzlich können die Dimensionen des Zündsensors so gewählt werden, dass sich der Zündsensor im Gehäuse der Zündspule beispielsweise in dessen Kanten verklemmt und so nicht nur fixiert, sondern auch einfach und präzise positioniert werden kann. Hierfür können auch entsprechende Strukturen (z. B. Kavitäten) und beispielsweise auch Rastnasen an der Innenseite des Gehäuses vorgesehen sein.
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Bei allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, bereits die Innenseite des Gehäuses zumindest abschnittsweise äquidistant zur Hüllfläche der Sekundärwicklung zu gestalten, und so eine Positionierhilfe für den Zündsensor gegenüber der Sekundärwicklung bereitzustellen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Zündspule erfolgt das Anordnen und Fixieren durch Aufbringen, insbesondere Aufdampfen oder Aufspritzen eines Zündsensors auf die Oberfläche eines Gehäuses. Gemäß diesem Verfahren ist es möglich, metallische Strukturen wie z. B. Leiterbahnen auf nichtmetallische Trägermaterialen z. B. aus Kunststoff und Keramiken zu erzeugen. Dabei wird vorzugsweise die mit dem Zündsensor und/oder die mit Leiterbahnen zu versehende Oberfläche des Gehäuses der Zündspule lokal z. B. mittels Laser aufgeraut, um die Adhäsion des Leitermaterials, aus welchem der Zündsensor und ggf. seine Anschlussleitungen bestehen, zu gewährleisten. Anschließend wird das aufzutragende Metall geschmolzen und unter Vermittlung von Druck auf die Oberfläche aufgespritzt oder aufgedampft.
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Das Aufspritzen bzw. Aufdampfen des Metalls auf die Gehäuseoberfläche kann dabei nach Art eines Plasma-Verfahrens, Flammspritzens oder Kaltgasspritzens durchgeführt werden.
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Durch geeignete Abmessungen, Querschnitte und metallurgische Zusammensetzung können die aufgebrachten leitfähigen Elemente an ihren jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden. Bei geeigneter Prozessführung wird das Gehäuse der Zündspule nicht in Mitleidenschaft gezogen und es entstehen keine leitfähigen Metallablagerungen an unbeabsichtigten Stellen des Gehäuses.
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Nach Einbringen und/oder Auftragen des Zündsensors in das Gehäuse der Zündspule kann die Wicklungsbaugruppe in das Gehäuse eingebracht werden. Anschließend können die elektrischen Anschlüsse der Windungen sowie des Zündsensors an ihre jeweiligen Anschlüsse auf der Außenseite des Gehäuses geführt werden und die Wicklungsbaugruppe mechanisch im Gehäuse verankert werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Wicklungsbaugruppe in Gießharz gebettet wird. Selbstverständlich kann die mechanische Fixierung der Wicklungsbaugruppe auch zusätzlich zum anschließenden Verguss mit Gießharz erfolgen.
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Vorteilhaft ist ein solches Verfahren insbesondere in der Massenfertigung, wie sie bei Zündspulen für Verbrennungskraftmaschinen im Allgemeinen zum Einsatz kommt. Zudem ist das Verfahren durch Robotereinsatz gut automatisierbar. Wesentliche Vorteile liegen bei dem vorgenannten Verfahren unter Anderem in der chemie- und maskenfreien Herstellung.
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Eine erfindungsgemäße Herstellung von Zündspulen ermöglicht die kostengünstige Produktion auch kleinerer Stückzahlen, was bei immer kürzeren Produktlebenszyklen entscheidend ist. Durch die Einsparung von Kabelummantelungen und sonstigem Material sowie den Verzicht auf Chemie bei der Fertigung wird die Forderung nach umweltfreundlichen Fertigungsverfahren und Komponenten im Automobilbau Genüge getan.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine perspektivische Ansicht einer Zündspule gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Innenansicht der Zündspule gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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3a und 3b eine strukturelle Darstellung eines Zündsensors gemäß einem zweiten und dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
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4a bis 4g vorteilhafte Ausführungsformen zur Gestalt des Zündsensors.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine Zündspule 1 sowie ein ihm zugrunde liegendes Fertigungsverfahren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
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1 zeigt eine perspektivische Außenansicht einer erfindungsgemäßen Zündspule 1. Oben im Bild ist das Gehäuse 2 angeordnet, in welchem die Wicklungsbaugruppe angeordnet ist. Das Gehäuse 2 ist im Wesentlichen aus Kunststoff hergestellt, dessen Eigenschaften den Betriebsbedingungen beim Einsatz im Kraftfahrzeug genügen. Unterhalb des Gehäuses ist ein Schaft angeordnet, dessen Unterseite mit einem Zündkerzenanschluss 7 abschließt.
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2 zeigt eine Innenansicht des Gehäuses 2 der Zündspule 1. Innerhalb des Gehäuses 2 ist eine Wicklungsbaugruppe 3 angeordnet, die an ihrer Außenseite eine in einen Sekundärwicklungsträger 33 eingelassene Sekundärwicklung 32 aufweist. Innerhalb des Sekundärwicklungsträgers 33 ist koaxial eine Primärwicklung 30 in einen Primärwicklungsträger 31 eingelassen. Bevorzugt sind die Oberfläche des Primärwicklungsträgers 31 und der Primärwicklung 30 sowie die Oberfläche des Sekundärwicklungsträgers 33 und der Sekundärwicklung 32 ko-planar, fluchten also.
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Unterhalb der Wicklungsbaugruppe 3 ist ein Zündsensor 4 auf eine Innenseite 21 des Gehäuses 2 aufgespritzt. Der Zündsensor 4 ist von ebener Gestalt, wobei seine Länge (in Richtung einer Spulenlängsachse X-X) mit derjenigen des Sekundärwicklungsträgers 33 übereinstimmt. Eine Anschlussleitung 5 des Zündsensors 4 ist ebenfalls auf die Innenseite 21 des Gehäuses 2 aufgespritzt. Die Anschlussleitung 5 verläuft über die Seite, an welcher auch der Zündsensor 4 angeordnet ist, und setzt sich an der senkrecht zu dieser orientierten Stirnwand 20 des Gehäuses 2 fort, an welcher sie zur Verbindung mit elektrischer Peripherie aus dem Gehäuse 2 herausgeführt wird. Sowohl Zündsensor 4 als auch Anschlussleitung 5 sind aus leitfähigem Material, wie z. B. Kupfer, gefertigt. In 2 erkennbar weist die Anschlussleitung 5 eine geringere Materialstärke als der Zündsensor 4 auf.
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An der Stelle, an welcher die Anschlussleitung 5 zur Verbindung mit der elektrischen Peripherie aus dem Gehäuse 2 herausgeführt wird, ist an der Außenseite des Gehäuses 2 ein Stecker 6 mit einem Kontaktpin 60 vorgesehen. Der Kontaktpin 60 kann hierbei bevorzugt analog zum Zündsensor 4 und seiner Anschlussleitung 5 ebenfalls integral in die Oberfläche des Steckers 6 eingelassen und integral mit der Anschlussleitung 5 des Zündsensors 4 verbunden sein. Hierdurch entfallen weitere Fertigungsschritte und Materialstoßstellen. Die Verbindung der Anschlussleitung 5 an den Steckerpin 60 kann beispielhaft durch ”kalte Kontaktierung”, Presskontakt, Schneidklemmkontakt oder durch eine stoffschlüssige Verbindung wie z. B. Schweißen oder Löten, erfolgen.
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Die Wicklungsbaugruppe 3 ist mittels Gießharz 8 in das Gehäuse 2 eingegossen. Einerseits sorgt der Gießharz 8 für eine mechanisch dauerhafte und zuverlässige Positionierung der Wicklungsbaugruppe 3 im Gehäuse 2, andererseits kann er hinsichtlich seiner Materialeigenschaften so ausgelegt werden, dass er die elektrische Isolation und Durchschlagsfestigkeit zwischen der Primärwicklung 30 und der Sekundärwicklung 32 gewährleistet und zudem als Dielektrikum die Kapazität des durch die Sekundärwicklung 32 und den Zündsensor 4 ausgebildeten Kondensator begünstigt.
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Somit kann erfindungsgemäß eine Zündspule 1 mit einem einfach und kostengünstig herstellbaren Zündsensor 4 erhalten werden. Insbesondere bei Einzelfunkenspulen kann dabei durch eine Erkennung, ob eine in einem Zylinder angeordnete Zündspule gezündet hat, eine Position der Kurbelwelle und damit eine Phasenerkennung ausgeführt werden. Die Zündungserkennung wird hierbei durch einen kapazitiven Abgriff benachbart zur Sekundärwicklung ausgeführt, wobei der Zündsensor 4 bevorzugt integral an einer Innenseite 21 des Gehäuses 2 hergestellt ist. Falls notwendig, kann eine Fläche des Zündsensors 4 auch noch an den Wandbereichen des Gehäuses 2, die senkrecht zur Spulenlängsachse X-X sind, hochgezogen werden.
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3a zeigt eine Querschnittansicht durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches grundsätzlich ähnlich dem in 2 gezeigten ist. Jedoch liegt hierbei der Zündsensor auf einer zylindrischen Teilfläche, die koaxial zur zylinderförmigen Hüllfläche der Sekundärwicklung 32 liegt. Die Spulenlängsachse X-X der Sekundärwicklung 32 steht hier senkrecht in der Zeichnungsebene. Ein Zündsensor 4 befindet sich auf der im Wesentlichen zylindrisch ausgestalteten Innenseite 22 des Gehäuses 2. Er ist äquidistant zur zylindrischen Hüllfläche der Sekundärwicklung 32 angeordnet, indem er ebenfalls die Form eines Zylindermantelabschnittes aufweist und dabei einen Umfangswinkel α der Sekundärspulenoberfläche umgreift. Diese Gestaltung bietet ein hohes Maß an Empfindlichkeit für die Erkennung einer Zündung durch den Zündsensor.
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3b zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem der Zündsensor sowohl an einer Grundfläche als auch an zwei die Wicklungsbaugruppe 3 umgebenden Seitenflächen vorgesehen ist. Wie in 3a ist auch der Zündsensor 4 des dritten Ausführungsbeispiels an der Innenseite des Gehäuses 2 angeordnet, wodurch er besonders gut geschützt ist.
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4 zeigt gegenüber einer flächigen, rechteckigen Ausführung (4g) weitere vorteilhafte Ausführungsformen zur geometrischen Gestaltung des Zündsensors. Gezeigt werden linienförmige Leiterbahnen, welche in Mäanderform (4a und 4b), als geschlossene oder offene, runde oder im Wesentlichen rechteckige Leiterschleifen (4c, 4d, 4e und 4f) ausgeführt sind. Diese Formen sorgen dafür, dass ein größerer Bereich vom Zündsensor 4 abgegriffen wird, jedoch weniger zusammenhängendes Material zum Einsatz kommt. Hierdurch kann einerseits Material eingespart werden und andererseits thermisch induzierte Spannungen verringert werden.
