-
Stand der Technik
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündspule für Brennkraftmaschinen mit einer Vorrichtung zur Anbindung der Zündspule an einen Motorblock und/oder einen Zündkerzenschacht sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Zündspule.
-
Zündspulen sorgen in Brennkraftmaschinen in Verbindung mit Zündkerzen durch einen Zündfunken dafür, dass verbrennungsfähiges Gas oder Gasgemisch zu einem vordefinierten Zeitpunkt entzündet wird. Hierzu werden im Allgemeinen in gewissem Abstand voneinander angeordnete Elektroden im Brennraum angeordnet und diese zu einem vorgegebenen Zeitpunkt mit einer Potentialdifferenz beaufschlagt, aufgrund welcher der Zündfunke die freie Wegstrecke zwischen den Elektroden durchquert und dabei das Gas oder Gasgemisch entzündet. Die Schnittstelle zwischen der Zündspule und dem Motorblock und/oder der Zündspule und dem Zündkerzenschacht ist hierbei vielen herausfordernden Bedingungen ausgesetzt, die sich durch thermische, chemische und mechanische Belastung sowohl durch den Betrieb der Brennkraftmaschine als auch durch die Witterungsbedingungen ergeben. Hierbei sind insbesondere die wechselnden Temperaturen zu nennen, die mehrere hundert Grad Celsius innerhalb weniger Sekunden betragen können.
-
Eine Zündspule hat auch unter den vorgenannten herausfordernden Bedingungen verschiedene Funktionen dauerhaft und zuverlässig zu erfüllen. Hierunter fallen einerseits eine sichere Zündung des Gases oder Gasgemisches in der Brennkammer zum Zündzeitpunkt. Mindestens ebenso wichtig ist es jedoch sicherzustellen, dass zu keinem anderen Zeitpunkt eine Zündung durch die Zündspule erfolgt, da dies zu erheblichen Belastungen der Brennkraftmaschine und im Extremfall zu ihrer Zerstörung führen kann. Daher sind an die elektrische Funktion der Zündspule und somit auch an ihre permanent einwandfreie Anbindung an ihre elektrisch relevante Peripherie höchste Anforderungen zu stellen. Zudem erfordern die in einer Brennkraftmaschine auftretenden Drücke eine sehr hohe mechanische Festigkeit der Zündspule sowie absolute Dichtheit der Verbindung zwischen Zündspule und Motorblock. Zudem ist jedoch auch eine gewisse Elastizität innerhalb dieser Verbindung erforderlich, da aufgrund extremer Temperaturwechsel und wärmebedingter Ausdehnungen ansonsten ein dauerhaft fester Sitz der Zündspule im Motorblock nicht gewährleistet ist. Überdies begrenzen die chemische Beanspruchung durch Schmiermittel und Brenngase, aber auch Umwelteinflüsse und Reinigungsmittel die Auswahl geeigneter Materialien für die Fertigung von Zündspulen, insbesondere deren Gehäusen. Bisher wurden bei Zündspulen elektrische Kontaktierungen von Drähten, Stromschienen, elektronischen Bauteilen und Abschirmblechen durch Schweißen, Löten, Schneidklemmverbindung, Klemmverbindung, Crimp-Verbindung, Druckverbindung zwischen metallischen Kontakten und leitfähigem Kleben hergestellt.
-
Im Stand der Technik herrscht daher ein Bedürfnis nach Zündspulen, deren Funktionssicherheit durch erfolgreiches bewältigen der vorstehend genannten Probleme und Aufgaben dauerhaft und kostengünstig gewährleistet ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Zündspule mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie eine einfache, kostengünstige und dauerhaft zuverlässige Lösung zum Anbinden einer Zündspule in einen Motorblock bereitstellt. Erfindungsgemäß wird hierbei eine spanfreie Verbindung zwischen Zündspule und Motorblock durch eine aus elektrisch leitfähigem Kunststoff hergestellte Anbindungsvorrichtung bereitgestellt, die zudem dauerelastisch, niederohmig und elektrisch dauerhaft ist. Die Montage der Zündspule mittels der erfindungsgemäßen Anbindungsvorrichtung ist zudem besonders einfach, da die elektrische Anbindung bereits durch das Einsetzen der Zündspule in den Motorblock erfolgt und somit keine zusätzlichen Arbeitsschritte zum Herstellen der elektrischen Verbindung erfordert. Die erfindungsgemäße Verbindung zwischen Zündspule und Motorblock ist darüber hinaus gegen Umgebungsmedien und Umwelteinflüsse geschützt und dient dem Schutz hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) durch eine zuverlässige Masseanbindung der Zündspule.
-
Unter „elektrisch leitfähigem Kunststoff” sei im Zuge der vorliegenden Erfindung ein auf einem Kunststoff basierender Werkstoff verstanden, dem zum Herstellen einer geeigneten elektrischen Leitfähigkeit elektrisch leitfähige Komponenten (beispielsweise Metallspäne) derart beigemischt sind, dass über diese ein erforderliches Maß an Ladungsaustausch durch den Kunststoffverbund stattfinden kann. Über eine zuverlässige elektrische Kontaktierung hinaus kann die erfindungsgemäße Zündspule durch die Anbindungsvorrichtung zudem wirkungsvoll gegen ein Verdrehen im Motorblock und ”Herauswandern” aus dem Motorblock gesichert werden, indem die Elastizität des Kunststoffverbunds für eine entsprechende Normalkraft zwischen der Zündspule und der Anbindungsvorrichtung sowie zwischen der Wandung des Zündkerzenschachts und der Anbindungsvorrichtung sorgt, wobei die Normalkraft in Verbindung mit den Oberflächenbeschaffenheiten (insbesondere die Reibkoeffizienten) beider Elemente zu einem geeigneten Reibschluss sorgt. Darüber hinaus ist durch die in Umfangsrichtung flächig für Anlage zwischen Anbindungsvorrichtung und Zündkerzenschachtwand und/oder zwischen Anbindungsvorrichtung und Zündspulengehäuse sorgende Vorspannung auch eine dauerhafte und zuverlässige Abdichtung des jeweiligen Ringspaltes gegen die Wechseldruckdifferenzen im Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet.
-
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung
-
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der elektrisch leitfähige Kunststoff, aus welchem die Anbindungsvorrichtung der Zündspule besteht, elastisch. Hierdurch kann eine besonders zuverlässige Vorspannkraft zwischen der Zündspule und der Wandung eines Zündkerzenschachts eines Motorblocks gewährleistet werden. Überdies wirken sich unterschiedliche thermisch bedingte Ausdehnungen der an der Verbindung beteiligten Einzelteile nicht so nachteilig auf die Stabilität der Verbindung, insbesondere der elektrischen Kontaktierung aus.
-
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Anbindungsvorrichtung eingerichtet, den elektrischen Massekontakt zwischen der Zündspule und einem Motorblock (M) herzustellen und/oder einen Spalt zwischen der Zündspule und der Wandung (90) eines Zündkerzenschachts (9) des Motorblocks (M) fluiddicht abzudichten. Indem der Motor und/oder der Motorblock eines Fahrzeugs für gewöhnlich elektrisch der Fahrzeugmasse entspricht, ist insbesondere die Kontaktierung der Zündspulenmasse mit der Fahrzeugmasse über die erfindungsgemäße Anbindungsvorrichtung und den Motorblock einfach und zuverlässig möglich. Darüber hinaus ist durch die Anbindungsvorrichtung aus elastischem Kunststoffverbund auch eine dauerhafte und zuverlässige Abdichtung des jeweiligen Ringspaltes gegen die Wechseldruckdifferenzen im Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet.
-
Im Zuge der vorliegenden Erfindung sei unter „Motor” und/oder „Motorblock” diejenige für gewöhnlich metallische Motorperipherie verstanden, in welcher die Zündspule und/oder die Zündkerze angeordnet werden, also ein massiver Körper zwischen dem Brennraum einerseits und der Außenseite mit atmosphärischem Druck andererseits.
-
Vorzugsweise umgibt die Anbindungsvorrichtung das Gehäuse der Zündspule zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, in Umfangsrichtung. Zusätzlich oder als Alternative ist die Anbindungsvorrichtung mittels elektrisch leitfähigen Klebstoffs an der Zündspule und/oder im Motorblock befestigt. Über eine zuverlässige elektrische Kontaktierung der Zündspule hinaus ist somit auch eine dauerhafte und zuverlässige Abdichtung des Zündkerzenschachts gegen die Wechseldruckdifferenzen zwischen dem Brennraum und der Außenseite und/oder dem atmosphärischen Druck gewährleistet.
-
Vorteilhaft weist die Anbindungsvorrichtung mehrere in Längserstreckungsrichtung (X-X) der Zündspule hintereinander liegende Dichtlippen auf. Diese sind bevorzugt dazu eingerichtet, sich beim Einführen in eine im Wesentlichen zylindrische Kavität, insbesondere einen Zündkerzenschacht eines Motorblocks elastisch zu verformen. Somit ist eine dauerhafte Vorspannung der Anbindungsvorrichtung einerseits gegenüber dem Zündspulengehäuse und andererseits gegenüber der Wandung des Zündkerzenschachts im Motorblock gewährleistet. Somit ergibt sich ebenfalls eine dauerhafte und zuverlässige Abdichtung des Zündkerzenschachts gegen die Wechseldruckdifferenzen zwischen dem Brennraum und der Außenseite und/oder dem atmosphärischen Druck.
-
Weiter bevorzugt ist die Anbindungsvorrichtung benachbart zu einem Hochspannungsabgang der Zündspule angeordnet. Unter „benachbart” sei im Zuge der vorliegenden Erfindung eine räumliche und funktionelle Nähe verstanden. Vorteilhafterweise kann somit eine Anlage zwischen Anbindungsvorrichtung und Hochspannungsabgang hergestellt werden, welche weiter unter Vermittlung der Anpresskraft beim Einführen der Zündspule in den Motorblock für eine sichere elektrische Verbindung sorgt.
-
Gemäß noch einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Anbindungsvorrichtung als Zwei-Komponenten-Spritzguss-Teil mit dem Gehäuse gefertigt. Entweder kann zunächst in einem ersten Arbeitsschritt die Anbindungsvorrichtung selbst hergestellt werden und in einem zweiten Arbeitsschritt das Gehäuse der Zündspule in die Anbindungsvorrichtung eingeformt (z. B. hineingespritzt) werden oder alternativ und bevorzugt zunächst in einem ersten Arbeitsschritt das Gehäuse der Zündspule hergestellt werden und in einem zweiten Arbeitsschritt die Anbindungsvorrichtung (z. B. durch Umspritzen) hergestellt werden. Insbesondere kann aber auch bei geeigneter Prozessführung ein kombinierter (also zeitgleicher) Spritzvorgang beider Komponenten in nur einer Form herangezogen werden. Durch ein Zwei-Komponentenverfahren ergibt sich ein besonders effektiver Formschluss zwischen den Komponenten Gehäuse und Anbindungsvorrichtung. Insbesondere aber nicht nur bei der Variante, bei welcher ein kombinierter (also zeitgleicher) Spritzvorgang beider Komponenten in nur einer Form herangezogen wird, wird zudem ein effektiver Stoffschluss durch Diffusion der Stoffe der Komponenten ineinander herbeigeführt.
-
Vorzugsweise umfasst der Kunststoffverbund der Anbindungsvorrichtung größtenteils Silikon und/oder Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) und/oder ein thermoplastisches Elastomer (TPE) und/oder Kunstharz und umfasst zudem elektrisch leitfähige Bestandteile, insbesondere Metallpartikel oder Graphit. Die vorgenannten Kunststoffe haben sich als geeignet herausgestellt, um durch ein adäquates Maß an Vorspannung eine dauerhafte und zuverlässige Abdichtung des Zwischenraums zwischen der Wandung des Zündkerzenschachts und der Zündspule gegen die Wechseldruckdifferenzen zwischen dem Brennraum und der Außenseite und/oder dem atmosphärischen Druck zu gewährleisten. Um ein geeignetes Maß an Elastizität des Kunststoffverbundes zu erzielen und dennoch die erforderliche elektrische Leitfähigkeit herzustellen, können dem Kunststoff bereits im granularen Zustand vor der Verarbeitung einerseits eine gewisse Elastizität gewährleistende Partikel und andererseits elektrisch leitfähige Partikel beigemischt werden.
-
Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel enthält die Zündspule weiter einen außen liegenden Magnetkern vorzugsweise in C-Form („C-Kern”), und die Anbindungsvorrichtung ist eingerichtet, den Magnetkern elektrisch mit einem Motorblock zu verbinden. Die elektrische Verbindung kann dabei bevorzugt dadurch hergestellt werden, dass ein Abschnitt der Anbindungsvorrichtung zur Anlage mit dem C-Kern gebracht wird. Hierzu kann der besagte Abschnitt der Anbindungsvorrichtung gegenüber der sonstigen Anbindungsvorrichtung in Richtung der Spulenbaugruppe bis auf Höhe des C-Kerns verlängert werden, so dass die Anbindungsvorrichtung eine asymmetrische Gestalt erhält. Hierdurch ergibt sich eine einfach herzustellende und zuverlässige Verbindung ohne Notwendigkeit zusätzlicher Teile und Fertigungsschritte.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Zündspule mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 stellt eine einfache, kostengünstig, dauerhaft zuverlässig in einem Motorblock anbindbare Zündspule bereit. Auf das Gehäuse der Zündspule wird die Anbindungsvorrichtung durch Beschichten, insbesondere Tauchen, Aufschrumpfen, Montieren, z. B. mittels Kleber, oder einen Spritzvorgang, insbesondere mittels eines Spritzgussverfahrens, aufgebracht. Insbesondere bei mehrschichtigen Verfahren zum Aufbau der Anbindungsvorrichtung kann auch die Leitfähigkeit der Außenseite der Anbindungsvorrichtung ein höheres Maß annehmen als der Grundköper (die inneren Schichten) der Anbindungsvorrichtung.
-
Bei mehrschichtigem Aufbau kann der Grundkörper, also die inneren Schichten, der Anbindungsvorrichtung zudem kompromissloser hinsichtlich einer geeigneten Vorspannung zwischen Zündspulengehäuse und Motorblock ausgelegt werden, indem dessen Elastizität nicht durch Beimischung von elektrisch leitfähigen Partikeln beeinträchtigt wird.
-
Sofern eine Kontaktierung von auf der Oberfläche des Gehäuses der Zündspule gelegenen Kontaktflächen untereinander durch die Anbindungsvorrichtung hergestellt werden soll, kann vorzugsweise die (von innen betrachtet) erste Schicht der Anbindungsvorrichtung elektrisch leitfähig ausgeführt sein, auf dieser eine Mehrzahl nicht-leitfähiger Schichten aufgebracht werden und ggf. die Außenseite wiederum durch z. B. eine leitfähige Schicht zur Kontaktierung weiterer Kontakte gebildet werden.
-
Selbstverständlich kann eine leitfähige Schicht in Längsrichtung der Zündspule auch dadurch hergestellt werden, dass leitfähige, in Umfangsrichtung verteilte Abschnitte (z. B. in Form von Längsstreifen), auf der Oberfläche der Anbindungsvorrichtung angeordnet sind.
-
Zeichnung
-
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
-
1 eine Seitenansicht einer Zündspule gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
-
2 eine Schnittdarstellung einer Zündspule gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
-
3 eine weitere Schnittdarstellung einer Zündspule gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
-
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
-
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Zündspule 1 sowie ein ihr zugrundeliegendes Fertigungsverfahren beschrieben.
-
In 1 ist ein Abschnitt einer erfindungsgemäßen Zündspule 1 dargestellt, in deren oberem Bereich sich in einem Gehäuse 2 der sogenannte Zündspulenkopf befindet. Dieser stellt einerseits die elektrische Verbindung zur Peripherie (Ansteuerkabel) der Zündspule und andererseits die interne elektrische Verbindung zu einer Spulenbaugruppe 3 zur Erzeugung des Zündfunkens dar (Spulenbaugruppe im Detail nicht dargestellt). Der Zündspulenkopf enthält in diesem Fall den Masseanschluss mit einer ersten Kontaktzone 6, welcher an die Außenseite geführt ist. In etwa an der Oberkante der ersten Kontaktzone 6 ist auch die Oberkante der Anbindungsvorrichtung 5 angeordnet, welche das Gehäuse 2 der Zündspule 1 vollständig umgibt. Während die Oberfläche der Anbindungsvorrichtung 5 in ihrem oberen Bereich im Wesentlichen zylindrisch ausgeführt ist, schließt sich nach unten eine Dichtung 50 mit Dichtlippen 51 an. Von den dargestellten drei Dichtlippen 51 weist die Obere durch eine deutlich flachere Flanke auf ihrer (im Bild) unteren Seite eine größere Querschnittsfläche auf. Diese verleiht ihr eine höhere Biegesteifigkeit als die der beiden unteren Dichtlippen, welche bei der Montage zuerst in den Zündkerzenschacht des Motorblocks eingeführt werden.
-
Eine zweite Kontaktzone 7 wird über die leitfähigen Abschnitte der Anbindungsvorrichtung 5 elektrisch mit der ersten Kontaktzone 6 verbunden. Die zweite Kontaktzone weist darüber hinaus parallel zur Längsachse X-X der Zündspule verlaufende Streifen auf, die mit der Anbindungsvorrichtung 5 in Kontakt stehen.
-
2 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Längsachse X-X durch eine erfindungsgemäße Zündspule 1. Die Spulenbaugruppe 3 ist mit einem außen liegenden Kern 30, der seiner Form wegen auch als C-Kern bezeichnet wird, ausgestattet. Der C-Kern 30 ist entsprechend nur auf der im Bild rechten Seite geschnitten und an einer C-Kern-Kontaktierung 8 mit der Anbindungsvorrichtung 5 verbunden. Die Schnittstelle der C-Kern-Kontaktierung 8 mit der Anbindungsvorrichtung 5 ist an der unteren Seite des C-Kerns 30 angeordnet, wo ein Abschnitt der Anbindungsvorrichtung 5 zwischen dem Gehäuse 2 und dem C-Kern 30 verspannt ist. Die Anbindungsvorrichtung 5 umfasst die Dichtung 50 mit den Dichtlippen 51 und stellt somit sowohl die elektrische als auch mechanische Verbindung zur Zündkerzenschachtwand 90 des Zünderkerzenschachtes 9, dar, welcher in einem Motorblock M angeordnet ist. Hierzu sind die unteren beiden Dichtlippen erheblich gegenüber der Wandung 90 des Zündkerzenschachtes 9 verpresst. Da die Anbindungsvorrichtung 5 elastisch ist, ergibt sich eine entsprechende Normalkraft auf die verspannten Bauteile, welche diese elektrisch miteinander verbindet und mechanisch zueinander in Position hält, also gegen ein Verdrehen sichert, und zusätzlich hydraulisch abdichtet.
-
3 stellt eine vergrößerte Schnittdarstellung gemäß dem Ausführungsbeispiel durch die erste Kontaktzone dar. Die erste Kontaktzone 6 wird unter Anderem über die Dichtung 50 der Anbindungsvorrichtung 5 einerseits elektrisch mit der Wandung 90 des Zündkerzenschachtes 9, andererseits mit einer zweiten Kontaktzone 7 verbunden. Hierdurch kann die Massekontaktierung der Spulenbaugruppe 3 mit dem Motorblock M vorteilhaft über die Anbindungsvorrichtung 5 der erfindungsgemäßen Zündspule 1 erfolgen und wird gleichzeitig mit der Montage der Zündspule ausgeführt.
-
Alternativ kann zusätzlich noch eine Klemmverbindung über ein Zusatzbauteil, z. B. einen motorseitigen Ventildeckel, vorgesehen sein. Die Kontaktkraft zwischen der Anbindungsvorrichtung 5 und dem Zündkerzenschacht 9 kann ferner auch über eine Vorspannung zwischen den beiden Bauteilen durch entsprechende Auswahl der Materialeigenschaften, insbesondere der Materialeigenschaften der Anbindungsvorrichtung, z. B. deren Elastizität, eingestellt werden. Weiter alternativ kann zusätzlich noch ein elektrisch leitender Klebstoff zwischen Anbindungsvorrichtung 5 und Zündkerzenschacht 9 vorgesehen sein.
-
Erfindungsgemäß erfüllt somit die elektrische Anbindungsvorrichtung 5 gleichzeitig auch noch eine Haltefunktion der Zündspule im Kerzenschacht sowie eine Abdichtungsfunktion des Kerzenschachts.
-
Die erfindungsgemäße Anbindungsvorrichtung 5 kann dabei sehr einfach und kostengünstig aufgebracht werden und ist dadurch sehr gut für eine Serienfertigung geeignet.
