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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine masseelektrodefreie Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, umfassend eine, ein Gehäuse überragende Zündelektrode, welche mit einer, in dem Gehäuse angeordneten Teslaspule elektrisch verbunden ist, wobei die Teslaspule von einer sich radial ausdehnenden Wicklung gebildet ist.
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In der Kraftfahrzeugindustrie gibt es viele Bestrebungen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches bei gleichzeitiger Beibehaltung extrem niedriger Schadstoffemissionen. Dazu werden auch neuartige Zündsysteme, sogenannte Korona-Zündsysteme entwickelt, welche neben den herkömmlichen Zündkerzen-Zündsystemen eingesetzt werden können. Bei diesen Korona-Zündsystemen wird das zur Verbrennung in Kraftfahrzeugen anstehende Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht über einen Zündfunken, sondern durch Erzeugung eines Plasmas entflammt. An der Zündelektrodenspitze tritt bei Spannungssteigerung vor dem eigentlichen Gasdurchschlag eine Vorentflammung auf – die sogenannte Koronaentladung. Dabei bilden sich Plasma-Streamer aus, die weit in den Brennraum des Verbrennungsmotors reichen. Man spricht dann auch von sogenannten Raumzündungsverfahren.
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Gemäß der
WO 2004/063560 A1 umfasst ein Korona-Zündsystem eine Teslaspule, die über eine Hochfrequenzwechselspannung in Resonanz versetzt wird. Dadurch wird an einer, in den Brennraum des Verbrennungsmotors ragenden Zündelektrodenspitze einer, mit der Teslaspule verbundenen Zündelektrode eine hohe Spannung generiert, die im Brennraum des Verbrennungsmotors ein extrem hohes elektrisches Feld erzeugt. Aufgrund des starken elektrischen Feldes wirken starke elektromagnetische Kräfte auf das Kraftstoff-Luft-Gemisch. Durch das so erzeugte Plasma lässt sich die Entflammung des Gemisches deutlich verkürzen, was einen thermodynamisch deutlich verbesserten Verbrennungsprozess als beim Einsatz einer herkömmlichen Zündkerze nach sich zieht.
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Die Teslaspule der Korona-Zündvorrichtung wird aus einer einlagigen Wicklung gebildet, welche sich radial ausdehnt, wodurch die Teslaspule eine flache Form erhält. Die einlagige Wicklung ist aus einem Kupferlackdraht mit einem runden Querschnitt ausgeführt. Die zur Erreichung der geforderten Funktion der Teslaspule notwendigen Parameter legen den Drahtdurchmesser und die Anzahl der erforderlichen Windungen fest. Dadurch wird auch die minimal mögliche Ausdehnung der Teslaspule in ihrem äußeren Durchmesser festgelegt und kann nicht weiter reduziert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine masseelektrodefreie Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges anzugeben, welcher in ihrer Baugröße an jede gewünschte Einbausituation in den Verbrennungsmotor, insbesondere den Zylinderkopf des Verbrennungsmotors, anpassbar ist, ohne dass funktionale Einbußen bei Resonanzfrequenz bzw. Hochspannungsfestigkeit der Teslaspule auftreten.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Wicklung einen unrunden Querschnitt aufweist, wobei sich insbesondere die breiten Seiten der Wicklungsabschnitte der sich radial ausdehnenden Wicklung gegenüberliegen. Dies hat den Vorteil, dass der Wicklungsdurchmesser der Teslaspule wesentlich reduziert werden kann. Dabei können die elektrischen Anforderungen an die Teslaspule wie Windungszahl, ohmscher Widerstand (Leiterquerschnitt), kapazitive Kopplung innerhalb der Wicklung und Resonanzfrequenz unverändert beibehalten werden.
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In einer Ausgestaltung ist der unrunde Querschnitt der Wicklung annähernd rechteckig oder annähernd oval ausgebildet. Ein solcher unrunder Querschnitt erweitert die Freiheitsgrade bei der geometrischen Gestaltung der Teslaspule hinsichtlich Spezifikationen und Anforderungsprofil. Darüber hinaus ist die Verwendung von unterschiedlichen leitfähigen Materialien für die Wicklung der Teslaspule möglich.
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Vorteilhafterweise besteht die Wicklung aus einem Flachdraht, welcher von einem Isolationsmaterial umgeben ist.
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Um besonders kostengünstige Wicklungen nutzen zu können, besteht der Flachdraht aus Kupfer und das Isolationsmaterial aus einer Lackschicht. Eine solche Wicklung verursacht nicht nur geringere Materialkosten sondern ist auch eifacher in der Herstellung.
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In einer Variante besteht die Wicklung aus einem Folienaufbau, bei welchem jeweils zwischen zwei elektrisch leitenden Folien eine elektrisch nicht leitende, insbesondere hochspannungsfeste, Isolationsfolie angeordnet ist. Durch die Verwendung von Folien wird die Baugröße der Teslaspule entscheidend reduziert, wobei der äußere Durchmesser der Teslaspule gegenüber dem Stand der Technik um mindestens 20% verkleinert werden kann. Dadurch lassen sich die Abmaße der masseelektrodefreien Zündvorrichtung weiter reduzieren, da insbesondere die Teslaspule die Breite der Zündvorrichtung vorgibt. Die Zündvorrichtung benötigt daher für ihren Einbau in den Zylinderkopf des Verbrennungsmotors nur einen geringen Raumbedarf.
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In einer Weiterbildung ist die Breite der elektrisch leitenden Folie größer als deren Höhe. Dadurch wird der erforderliche Leiterquerschnitt der Teslaspule erreicht, welcher notwendig ist, um die elektrischen Anforderungen der Teslaspule zu gewährleisten.
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In einer speziellen Ausführungsform beträgt ein Verhältnis der Höhe zur Breite der elektrisch leitenden Folie ungefähr 1:10. Die Anwendung eines solchen Verhältnisses ermöglicht den Einsatz von unterschiedlichen Werkstoffen für die Isolationsfolie zur Erzeugung gewünschter Wicklungskapazitäten (Dielektrikum).
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Ferner hängt die Dicke der Isolationsfolie von deren Werkstoffeigenschaften ab. Durch verschiedene Werkstoffe der Isolationsfolie können unterschiedliche thermische Anforderungen realisiert werden, was die Kosten bei der Herstellung der Teslaspule weiter reduziert. Die Isolationsfolie stellt in Abhängigkeit von der Foliendicke und der elektrischen Materialkennwerte die erforderliche Isolationsfestigkeit und Koppelkapazität zwischen den benachbarten Windungen der Wicklung der Teslaspule sicher.
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In einer Ausgestaltung ist die Breite der Isolationsfolie größer als die Breite der elektrisch leitenden Folie. Dadurch wird eine ausreichende Randisolation der Teslaspule sichergestellt, wodurch auch ein Überschlag zwischen den elektrisch leitenden Folien aufgrund hoher elektrischer Potentiale zuverlässig verhindert wird.
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Zur Verbesserung der Randisolation überragt die Isolationsfolie die elektrisch leitende Folie zu beiden Seiten der elektrisch leitenden Folie.
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In einer Weiterbildung ist die Wicklung der Teslaspule auf einem keramischen Trägerkörper angeordnet. Ein keramischer Trägerkörper hat den Vorteil, dass dieser eine hohe thermische Belastbarkeit aushält und eine verbesserte Wärmeabfuhr der während des Verbrennungsprozesses bzw. des Betriebes der Teslaspule erzeugten Verlustwärme nach außen ermöglicht. Ein solcher keramischer Trägerkörper verlängert die Einsatzdauer der Zündvorrichtung unter den extremen Umgebungsbedingungen im Verbrennungsmotor. Gleichzeitig besitzt das keramische Material eine hohe elektrische Isolationsfähigkeit, wodurch die Umgebung der Zündvorrichtung vor hohen Wechselspannungen geschützt wird.
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Vorteilhafterweise ist das, mit einem unter Druck stehenden Edelgas gefüllte und die Zündelektrode teilweise umgebende Gehäuse durch den keramischen Trägerkörper druckdicht verschlossen, wobei die Teslaspule auf der Seite des Trägerkörpers angeordnet ist, welcher der Zündelektrode zugewandt ist. Das Edelgas dient bei Drücken von > 20 bar zur Isolation der hochspannungsführenden Bauteile innerhalb der Zündvorrichtung wie der Zündelektrode und der Teslaspule. Da Keramik eine deutlich verbesserte Gasdichte gegenüber Kunststoffwerkstoffen aufweist, wird ein Druckabfall innerhalb des Gehäuses durch die Abdeckung des Gehäuses mit dem keramischen Trägerkörper zuverlässig verhindert, da dieser eine 100%ige Gasdichtheit herstellt.
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In einer weiteren Variante weist der keramische Trägerkörper auf der, der Zündelektrode entgegen gesetzten Seite mehrere Rippen auf, welche insbesondere axial zur Teslaspule ausgebildet sind. Durch diese Ausgestaltung hat der keramische Trägerkörper nicht bloß die Funktion des Trägers der Teslaspule, sondern dient gleichzeitig als Kühlkörper, wobei die von der Teslaspule abgegebene Verlustwärme infolge der Vergrößerung der Oberfläche des keramischen Trägerkörpers durch die Rippen besser an die Umgebung abgegeben wird. Neben einer verbesserten Wärmeabfuhr wird durch die Ausformung der Rippen die mechanische Stabilität des keramischen Trägerkörpers der Teslaspule verbessert.
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In einer Weiterbildung ist der keramische Trägerkörper auf der, die Rippen tragenden Seite mit einer Gehäuseabdeckung versehen, welche vorteilhafterweise loch- oder schlitzähnlich ausgebildete Öffnungen aufweist. Die Gehäuseabdeckung bildet den Abschluss der Zündvorrichtung. Die Öffnungen der Gehäuseabdeckung ermöglichen einen zuverlässigen Berührungsschutz innenliegender Bauteile der Zündvorrichtung und verhindern eine elektrische Aufladung für die außen an dem keramischen Trägerkörper angeordneten Rippen.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
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Es zeigt:
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1: Prinzipaufbau eines Korona-Zündsystems
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2: Arbeitsbereich des Korona-Zündsystems
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3: prinzipieller Aufbau der erfindungsgemäßen Zündvorrichtung
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4: ein Ausführungsbeispiel für einen Trägerkörper einer Teslaspule in der Zündvorrichtung gemäß 3
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5: radialer Aufbau einer aus Folien gebildeten Wicklung der Teslaspule.
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Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist das Funktionsprinzip eines Korona-Zündsystems dargestellt. Wie aus 1a ersichtlich, besteht ein solches Korona-Zündsystem grundsätzlich aus einem Steuergerät 1, welches über ein Hochfrequenzkabel 2 mit der Zündvorrichtung 3 verbunden ist. Die Zündvorrichtung 3 umfasst dabei eine Zündelektrode 4, welche mittig in einem Metallgehäuse 13 gelagert ist. Die Zündelektrode 4 überragt das Metallgehäuse 13 mit einer Zündelektrodenspitze 6, wobei die Zündelektrodenspitze 6 teilweise von einem Keramikisolator 5 umgeben ist und in den Brennraum 12 des Verbrennungsmotors ragt.
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In 1b sind der Aufbau der Ansteuerschaltung und deren Verbindung mit der Zündvorrichtung konkreter dargestellt. Eine Gleichspannung 7 wird auf dem Mittelabgriff eines Übertragers 8 geführt, welcher an einer Primärspule 8a des Übertragers 8 angeordnet ist. An beiden Enden der Primärspule 8a ist eine Schaltstufe 9 angeordnet. Durch die abwechselnde und schnelle Schaltung eines Schalters der Schaltstufe 9, welcher als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) bzw. als MOSFET an den beiden Enden der Primärspule 8a mit ca. 1 MHz beschaltet wird, wird in der Sekundärspule 8b des Übertragers 8 eine Wechselspannung von effektiv Ueff = 400 Volt erzeugt. Die Sekundärspule 8b des Übertragers 8 bildet mit einer Teslaspule 10 und konstruktiv bedingten Kapazitäten 11 einen Reihenresonanzkreis. Dieser Reihenresonanzkreis führt bei Resonanzfrequenzen von ca. 1 MHz zu einer Spannungsüberhöhung Uc,max am Mittelabgriff der Teslaspule 10 von bis zu +/–30 kV. Die Resonanzfrequenz ist dabei in Abhängigkeit von der Zündvorrichtung 3 geregelt. Die Spannungsüberhöhung Uc,max an der Teslaspule 10 wird der Zündelektrode 4 der Zündvorrichtung zugeführt.
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Eine Koronaeinsetzspannung, welche die Spannung ist, ab der die Raumentladungseffekte und somit auch eine Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum 12 des Verbrennungsmotors auftreten, ist prinzipiell abhängig von einer Feldüberhöhung des elektrischen Feldes an der Zündelektrodenspitze 6. Umso kleiner der Radius der Zündelektrodenspitze 6 ist, umso niedriger ist die Koronaeinsetzspannung. Vorteilhaft für ein Korona-Zündsystem sind dabei möglichst niedrige Koronaeinsetzspannungen. Dadurch werden übermäßige Belastungen der Isolationswerkstoffe, aus welchen der Keramikisolator 5 gebildet ist, vermieden.
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Die Koronaeinsetzspannung US,2 ist in 1c dargestellt und liegt vor der Funkendurchbruchspannung C, welche einen zu vermeidenden Gasentladungsbogen BE nach sich zieht.
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Der Arbeitsbereich des Korona-Zündsystems wird in 2 verdeutlicht. Dabei ist die an der Zündelektrode 4 anliegende Spannung Urms über den Druck p im Brennraum 12 des Verbrennungsmotors dargestellt. Diesen Druck p ist die Zündelektrodenspitze 6 der Zündvorrichtung 3 ausgesetzt, da die Zündvorrichtung 3, wie in 1b dargestellt, in den Brennraum 12 des Verbrennungsmotors hineinragt. In 2 ist mit der minimalen Spannung Urms,min die Koronaeinsetzspannung beschrieben, bei welcher sichtbare Plasma-Streamer 6a (1b) in den Verbrennungsmotor hineinreichen. Wird die Spannung weiter erhöht, so wird eine zweite, maximale Spannung Urms,max erreicht, welche der Funkendurchbruchspannung C in 1c entspricht und deren Auftreten einen Abbruch der Koronaentladung bewirkt. Der Arbeitsbereich des Korona-Zündsystems befindet sich demzufolge im Bereich zwischen den Spannungen Urms,min und Urms,max. Dazu muss zuverlässig sichergestellt werden, dass die maximale Spannung Urms,max nicht erreicht wird.
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In 3 ist der prinzipielle Aufbau der Zündvorrichtung 3 dargestellt, welcher zum Auslösen einer Koronazündung notwendig ist. Die Zündelektrode 4 ist dabei von dem Metallgehäuse 13 umgeben, wobei das Metallgehäuse 13 mit einem Edelgas bei einem Druck von > 20 bar gefüllt ist. Dieses Edelgas dient dabei als Isolator für die hochspannungsführende Zündelektrode 4. An ihrem einen Ende ist die Zündelektrode 4 von dem Keramikisolator 5 umgeben, auf welchen ein Stahlgehäuse 14 aufgesetzt ist. Das eine Ende der Zündelektrode 4 erstreckt sich dabei durch den Keramikisolator 5, welcher sich wiederum mittig durch das Stahlgehäuse 14 ausdehnt. Dabei überragt der Keramikisolator 5 das Stahlgehäuse 14, wobei die Zündelektrodenspitze 6 aus dem Keramikisolator 5 heraustritt. Dieser Teil der Zündvorrichtung 3 wird in den Brennraum 12 des Verbrennungsmotors eingeführt, welcher beispielsweise ein Otto- oder ein Gasmotor sein kann.
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Zur Zuführung der hochfrequenten Hochspannung zur Zündelektrode 4 ist diese mit einer Teslaspule 10 verbunden, wobei die Teslaspule 10 als Flachspule mit nur einer Wicklung ausgebildet ist, die radial um einen Hochspannungsanschluss 15 gewickelt ist und an welchen die Zündelektrode 4 mittig in der Teslaspule 10 angreift. Die elektrische Verbindung der Teslaspule 10 mit der Zündelektrode 4 erfolgt dabei über den Hochspannungsanschluss 15. Zur Zuführung einer Spannung, welche von dem Steuergerät 1 (1a) bereitgestellt wird, ist das äußere Ende der Teslaspule 10 mit einem Anschlusselement 16 verbunden, welches durch eine Gehäuseabdeckung 17 aus der Zündvorrichtung 3 hervorragt.
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Das druckdichte Metallgehäuse 13, welches die Zündelektrode 4 umgibt, wird dabei von einem Trägerkörper 18, welcher die Teslaspule 10, den Hochspannungsanschluss 15 sowie das Anschlusselement 16 trägt, abgedichtet. Zu diesem Zweck weist das Metallgehäuse 13 eine trompetenähnliche Form auf, dessen Aufweitung den Trägerkörper 18 aufnimmt. Der Trägerkörper 18 wird passgenau in die trompetenähnliche Aufweitung eingesetzt und dichtet das mit dem Edelgas gefüllte Metallgehäuse 13 gegenüber der Umwelt druckdicht ab.
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Der, die Teslaspule 10 tragende Trägerkörper 18 besteht aus Keramik und weist an seiner, der Teslaspule 10 abgewandten Seite Rippen 19 auf, wie es in 4 dargestellt ist. Auf der Seite der Rippen 19 wird auf den Keramikkörper 18 die Gehäuseabdeckung 17 geschoben, welche eine Führung 21 zur Aufnahme des, an dem Keramikkörper 18 befestigten Anschlusselementes 16 für die Spannungszufuhr von dem Steuergerät 1 aufweist. Die Gehäuseabdeckung 17 weist dabei in gleichmäßigen Abständen ausgebildete Schlitze 20 auf, welche beim Aufsetzen der Gehäuseabdeckung 17 auf den Keramikkörper 18 beabstandet den, an den Keramikkörper 18 ausgebildeten Rippen 19 gegenüberliegen. Da die Rippen 19 größere Abmessungen aufweisen als die Schlitze 20 der Gehäuseabdeckung 17, wird sichergestellt, dass keine Berührung des Keramikkörpers 18 durch die Schlitze 20 der Gehäuseabdeckung 17 möglich ist. Die Rippen 19 des Keramikkörpers 18 dienen dabei nicht nur zur verbesserten Abfuhr der, durch die Teslaspule 10 im Betrieb erzeugten Verlustwärme, sondern erhöhen auch die mechanische Stabilität des keramischen Trägerkörpers 18 und somit der gesamten Zündvorrichtung 3.
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Auf der, der Teslaspule 10 zugewandten Seite wird der Trägerkörper 18 mit einer zweiten Abdeckung beaufschlagt, welche ein Abstützelement 22 der Wicklung der Teslaspule 10 gegenüber den Vibrationen des Verbrennungsmotors darstellt. Zur Befestigung dieses Abstützelementes 22 ist axial an dem keramischen Trägerkörper 18 ein Zapfen 23 angeordnet, welcher in das Abstützelement 22 eingreift, wodurch dieses an dem Trägerkörper 18 befestigt wird.
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In 5 ist eine Ansicht des radialen Aufbaus der Wicklung der Teslaspule 10 dargestellt. Die Wicklung der Teslaspule 10 besteht dabei aus verschiedenen Folien 24, 25, wobei zwischen zwei elektrisch leitenden Folien 24 eine Isolationsfolie 25 angeordnet ist. Dabei wechseln sich die elektrisch leitende Folie 24 und die Isolationsfolie 25 alternierend ab. Die elektrisch leitende Folie 24 weist eine Breite B auf, die geringer ist als die Breite der Isolationsfolie 25. Die Isolationsfolie 25 ist dabei so ausgebildet, dass die elektrisch leitende Folie 24 zu deren beiden Enden überragt wird.
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Weiterhin ist die Höhe H der elektrisch leitenden Folie 24 wesentlich geringer als die Breite B der elektrisch leitenden Folie 24. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis der Höhe H zu der Breite B der elektrisch leitenden Folie 24 1:10. Bei einem großen Verhältnis B/H wird der erforderliche Leiterquerschnitt, der für die Teslaspule 10 und deren elektrischen Eigenschaften notwendig ist, erhalten. Die erforderliche Isolationsfestigkeit und Koppelkapazität zwischen den benachbarten Windungsabschnitten der Wicklung der Teslaspule 10, welche durch die einzelnen Abschnitte der elektrisch leitenden Folie 24 gebildet sind, wird durch die Isolationsfolie 25 erreicht, wobei diese Eigenschaften von der Foliendicke und den elektrischen Materialkennwerten der Isolationsfolie 25 abhängen.
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Die Abmessungen der Teslaspule 10, welche in Form eines solchen Folienaufbaus gestaltet ist, soll anhand des nachfolgenden Beispiels näher erläutert werden. Die Wicklung der Teslaspule 10 soll einen Soll-Querschnitt von A = 0,008 mm2 aufweisen. Zu diesem Zweck wird die Breite B der elektrisch leitenden Folie 24 mit 2 mm bemessen, woraus sich eine Höhe H der elektrisch leitenden Folie 24 von 0,004 mm ergibt. Die Isolationsfolie 25 ist dabei 3 mm lang und weist eine Dicke von 0,06 mm auf. Somit ergibt sich eine gesamte Lagenhöhe für jeden Wicklungsabschnitt der Teslaspule 10 von 0,064 mm. Mittels dieser Folienanordnung verringert sich der äußere Durchmesser der Wicklung der Teslaspule 10 gegenüber einer herkömmlichen Drahtspule um bis zu einem Drittel.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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