DE102018122467A1

DE102018122467A1 - Zündspule

Info

Publication number: DE102018122467A1
Application number: DE102018122467.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Fuchs; Steffen Thiess
Original assignee: Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2020-03-19
Also published as: CN112673438A; US11361900B2; EP3834216A1; EP3834216C0; US20210366651A1; WO2020053134A1; EP3834216B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündspule zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses mit einer überlagerten Hochfrequenzspannung. Die Zündspule umfasst eine primärseitig angeordnete erste Spule, eine sekundärseitig angeordnete zweite Spule, einen Magnetkern und eine dritte Spule. Die Windungen der ersten Spule und der zweiten Spule sind um den Magnetkern gewickelt. Die zweite Spule und die dritte Spule sind miteinander elektrisch verbunden. Ein Hochfrequenzanschluss zur Einspeisung einer Hochfrequenzspannung in die Zündspule ist mit der zweiten Spule und der dritten Spule elektrisch verbunden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündspule zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses mit einer überlagerten Hochfrequenzspannung.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur Integration einer Zündspule und eines Bandpassfilters.
Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich einen Motorblock mit einer integrierten Zündspule.
TECHNISCHER HINTERGRUND
In Automobilen kommen Vorrichtungen zur Zündung eines Kraftstoffgemisches, insbesondere eines Kraftstoff-Luftgemisches, zum Einsatz. Der Stand der Technik lehrt eine Vielzahl von Ausführungen für derartige Vorrichtungen. Hierbei ist der Verbrennungsprozess im Verbrennungsraum des Motors, insbesondere eines Verbrennungsmotors mit Fremdzündung durch Zündkerzen, auch als Ottomotor bekannt, weiter zu verbessern.
Eine Zündanlage bzw. eine Zündspule transformiert die Batteriespannung eines Fahrzeugs auf die gewünschte Zündspannung, um ein Zündsignal bzw. eine Zündspannung, insbesondere eine Hochvolt-Zündspannung, bereitzustellen.
Aus dem Stand der Technik ist es zur Zündung eines Kraftstoff-Luftgemisches auch bekannt, als Alternative zur Erzeugung einer reinen Hochvolt-Zündspannung eine Hochfrequenz-Plasmazündvorrichtung einzusetzen, die eine Hochvolt-Zündspannung mit einer überlagerten Hochfrequenzspannung erzeugt.
Die US 9,777,695 B2 offenbart beispielsweise eine derartige Hochfrequenz-Plasmazündvorrichtung. Hierin wird ein in einer Zündspule erzeugter Hochspannungsimpuls mit einer in einer Hochfrequenzspannungsquelle erzeugten Hochfrequenzspannung elektrisch gekoppelt.
Zwischen der Kopplungsstelle und der Hochfrequenzspannungsquelle ist ein Bandpassfilter geschaltet. Dieses Bandpassfilter ist als Serienschwingkreis aus einer Spule und einem Kondensator realisiert. Der Kondensator blockt den Gleichspannungsanteil des Hochspannungsimpulses gegenüber der Hochfrequenzspannungsquelle ab. Der Serienschwingkreis ist so dimensioniert, dass er einerseits für die Hochfrequenzspannung durchlässig ist und andererseits für Oberwellenanteile des Hochspannungsimpulses und für das Zündungsrauschen sperrend ist.
Spulen und insbesondere Hochfrequenzspulen, wie sie beispielsweise im Bandpassfilter eingesetzt werden, stellen Bauelemente dar, die einen vergleichsweise hohen Platzbedarf benötigen. Der Platz im Motorraum, insbesondere im Bereich oberhalb der Zylinderbank, ist hierfür typischerweise nicht ausreichend. Eine räumliche Trennung der Zündspule und des Bandpassfilters in zwei getrennten Gehäusen erfordert zusätzlich einen erheblichen Aufwand in der Gestaltung der Isolation in der Verbindungsleitung zwischen den beiden Gehäusen und in den erforderlichen Gehäusesteckverbinder im Hinblick auf eine Hochspannungsfestigkeit.
Dies ist ein Zustand, den es zu verbessern gilt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine möglichst kompakte Zündspule mit einer integrierten Spule eines Bandpassfilters zu schaffen, in der ein Hochspannungsimpuls erzeugt und mit einer über das Bandpassfilter eingekoppelten Hochfrequenzspannung überlagert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Zündspule mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demgemäß ist vorgesehen:

Eine Zündspule zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses mit einer überlagerten Hochfrequenzspannung umfassend
- - eine primärseitig angeordnete erste Spule,
- - eine sekundärseitig angeordnete zweite Spule,
- - einen Magnetkern und
- - eine dritte Spule,
- - wobei Windungen der ersten Spule und der zweiten Spule um den Magnetkern gewickelt sind,
- - wobei die zweite und die dritte Spule miteinander elektrisch verbunden sind,
- - wobei ein Hochfrequenzanschluss zur Einspeisung einer Hochfrequenzspannung in die Zündspule mit der zweiten Spule und der dritten Spule elektrisch verbunden ist.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis/Idee besteht darin, die Spule des Bandpassfilters möglichst raumsparend in die Zündspule zu integrieren.
Hierzu ist die sekundärseitig angeordnete Spule der Zündspule, die hierbei und im Folgenden als zweite Spule bezeichnet wird, mit einer weiteren Spule, die hierbei und im Folgenden als dritte Spule bezeichnet wird und die Spule des Bandpassfilters darstellt, elektrisch verbunden. Außerdem ist ein Hochfrequenzanschluss zur Einspeisung einer Hochfrequenzspannung in die Zündspule mit der zweiten Spule und der dritten Spule elektrisch verbunden.
Auf diese Weise können die Spulen der Zündspule und des Bandpassfilters räumlich sehr nahe zueinander positioniert werden und damit eine Zündspule mit integrierter Spule eines Bandpassfilters mit einem minimierten Platzbedarf verwirklicht werden. Außerdem ist hiermit eine Zündspule geschaffen, in der eine elektrische Kopplung eines in der Zündspule sekundärseitig erzeugten Hochspannungsimpulses mit einer überlagerten Hochfrequenzspannung realisiert. Der auf diese Weise in der Zündspule erzeugte Hochspannungsimpuls mit überlagerter Hochfrequenzspannung wird an dem Anschluss der dritten Spule aus der Zündspule elektrisch ausgekoppelt, der dem mit der zweiten Spule verbundenen Anschluss der dritten Spule gegenüberliegt.
Unter Hochfrequenzspannung wird hierbei und im Folgenden eine Wechselspannung mit einer Frequenz ab 100 kHz bis 1 GHz, bevorzugt zwischen 1 MHz und 20 MHz, verstanden. Am Hochfrequenzanschluss zwischen der zweiten und der dritten Spule kann anstelle einer Hochfrequenzspannung alternativ auch ein Hochfrequenzstrom eingespeist werden.
Ist ein Kondensator zwischen dem Hochfrequenzanschluss und der elektrischen Verbindung zwischen der zweiten Spule und der dritten Spule geschaltet und angeordnet, so ist damit eine Anordnung geschaffen, in der sowohl die Funktion der Zündspule als auch die Funktion der Bandpassfilterung realisiert und integriert ist:

Der Kondensator und die dritte Spule, die zusammen einen als Bandpassfilter wirkenden Serienschwingkreis bilden, werden so dimensioniert, dass die Frequenz einer Hochfrequenzspannung, die in einem mit dem Hochfrequenzanschluss verbundenen Hochfrequenzgenerator erzeugt wird, im Durchlassbereich des Bandpassfilters liegt. Auf diese Weise wird die Hochfrequenzspannung vom Hochfrequenzgenerator in die Zündspule additiv eingekoppelt.

Außerdem werden der Kondensator und die dritte Spule des Bandpassfilters zusätzlich so dimensioniert, dass Zündungsrauschen im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors im höherfrequenten Spektralbereich des Bandpassfilters und damit im Sperrbereich des Bandpassfilters zu liegen kommt. Das Zündungsrauschen wird durch ein derart dimensioniertes Bandpassfilter abgeblockt und gelangt somit nicht vom Verbrennungsraum zum Hochfrequenzgenerator. Die Funktionsweise des Hochfrequenzgenerators wird somit durch Zündungsrauschen nicht gestört bzw. verfälscht.
Oberwellenanteile des Hochspannungsimpulses, die in der zweiten Spule erzeugt werden und unterhalb der Grenzfrequenz eines Hochpassfilters liegen, werden durch eine geeignete Dimensionierung des Kondensators, der als Hochpassfilter für die Oberwellenanteile des Hochspannungsimpulses wirkt, gedämpft. Somit gelangen die Oberwellenanteile des Hochspannungsimpulses nicht von der zweiten Spule zum Hochfrequenzgenerator und stören bzw. verfälschen die Funktionsweise des Hochfrequenzgenerators nicht.
Der Gleichanteil des Hochspannungsimpulses wird durch den Kondensator gegenüber dem Hochfrequenzgenerator abgeblockt.
Der Magnetkern besteht aus einem weichmagnetischen Werkstoff mit einer möglichst hohen magnetischen Sättigungsflussdichte und einer hohen magnetischen Permeabilität. Dadurch wird der magnetische Fluss, der bei einem Stromfluss durch den elektrischen Leiter der Spule, bevorzugt der primärseitig angeordneten Spule, entsteht, verlustarm gebündelt und geführt. Die primärseitig angeordnete Spule wird hierbei und im Folgenden als erste Spule bezeichnet. Außerdem wird durch den Magnetkern die Induktivität der primärseitig angeordneten ersten Spule und der sekundärseitig angeordneten zweiten Spule erhöht. Durch eine hohe Permeabilität des weichmagnetischen Werkstoffes erhöht sich das Magnetfeld in der Spule, die um den Magnetkern gewickelt ist, im Vergleich zu einer Luftspule. Dadurch lässt sich die Baugröße aller Spulen, die primärseitig und sekundärseitig um den Magnetkern gewickelt sind, gegenüber einer Luftspule verkleinern. Auf diese Weise lässt sich zusätzlich der Platzbedarf einer derartigen erfindungsgemäßen Zündspule verkleinern.
Als Werkstoffe für Magnetkerne werden ferromagnetische Metalllegierungen, meist in Form von Blech oder Folie oder gebundenem Pulver, oder oxidkeramische ferrimagnetische Werkstoffe (Ferrite) eingesetzt. Zur Reduzierung von Wirbelströmen, die durch Oberwellenanteile des Hochspannungsimpulses und durch die Hochfrequenzspannung im Magnetkern erzeugt werden, setzt sich der Magnetkern bevorzugt aus gestapelten Blechen zusammen, zwischen denen elektrisch isolierende Schichten bevorzugt aus Papier oder Kunststoff angeordnet sind.
Die primärseitig angeordnete erste Spule und die sekundärseitig angeordnete zweite Spule sind derart zueinander ausgelegt, dass ein ausreichendes Spannungsübersetzungsverhältnis zwischen dem Primärkreis und dem Sekundärkreis der Zündspule realisiert ist. Um einen sekundärseitigen Hochspannungsimpuls von typischerweise mehreren 10 kV aus einem primärseitigen Spannungsimpuls von typischerweise mehreren 100 V zu transformieren, ist die Anzahl der sekundärseitigen Windungen typischerweise um den Faktor 10 bis 1000 höher als die Anzahl der primärseitigen Windungen. Um das Volumen der sekundärseitigen Spule ungefähr in der gleichen Größenordnung wie das Volumen der primärseitigen Spule zu gestalten, ist der Durchmesser des elektrischen Leiters der sekundärseitigen Spule typischerweise um den Faktor 10 bis 1000 kleiner als der Durchmesser des zur primärseitigen Spule gehörigen elektrischen Leiters auszulegen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Um die erste Spule, die zweite Spule, die dritte Spule und den Magnetkern innerhalb der Zündspule jeweils zueinander zu positionieren und zu orientieren, sind die erste Spule, die zweite Spule, die dritte Spule und der Magnetkern jeweils über ein Abstandselement aus einem elektrisch isolierenden Material miteinander verbunden.
Als Abstandselement kann beispielsweise ein Abstandshalter oder ein Spulenkörper dienen, um den die Spule gewickelt ist. Hierbei sind die einzelnen Abstandselemente zwischen der ersten Spule, der zweiten Spule, der dritten Spule und dem Magnetkern jeweils derart angeordnet und jeweils derart ausgeformt, dass die Zündspule eine möglichst kompakte Bauform aufweist und gleichzeitig möglichst geringe negative Beeinflussungen zwischen der ersten Spule, der zweiten Spule, der dritten Spule und dem Magnetkern vorliegen.
Zwischen der ersten Spule, der zweiten Spule, der dritten Spule und dem Magnetkern sowie den dazwischen angeordneten Abstandselementen befindet sich typischerweise eine ausgehärtete Vergussmasse aus einem elektrisch isolierenden Material. Als Vergussmasse wird typischerweise ein Kunstharz, bevorzugt ein Gießharz, verwendet. Die Vergussmasse dient neben der zusätzlichen Fixierung der einzelnen Spulen und des Magnetkerns zueinander vor allem der elektrischen Isolation, insbesondere der Erhöhung der Hochspannungsfestigkeit, zwischen den einzelnen Spulen.
In einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung einer erfindungsgemäßen Zündspule ist die dritte Spule an den vom Magnetkern geführten magnetischen Fluss sekundärseitig magnetisch gekoppelt. Die dritte Spule ist hierzu mit ihren einzelnen Windungen sekundärseitig um den Magnetkern gewickelt. Somit wird die Sekundärseite der Zündspule durch die serielle Verschaltung der zweiten und der dritten Spule gebildet. Der Hochspannungsimpuls wird somit sowohl in der zweiten Spule als auch in der dritten Spule erzeugt. Die serielle Verschaltung der zweiten und der dritten Spule kann auch als eine einzige Spule mit zwei Spulenbereichen betrachtet werden. Im Übergang zwischen den beiden Spulenbereichen einer derartigen einzigen Spule ist demnach ein elektrischer Kontaktanschluss, ein sogenannter Mittenanschluss, vorgesehen, der mit dem Hochfrequenzanschluss elektrisch verbunden ist.
Der Vorteil der ersten erfindungsgemäßen Ausführung ist in der sehr kompakten Bauform der Zündspule zu sehen, da für die Platzierung der dritten Spule neben dem Bauraum der Zündspule kein zusätzlicher Platzbedarf nötig ist. Die dritte Spule erfüllt in der ersten Ausführung somit eine technische Doppelfunktion. Sie dient zur Bandpassfilterung und zur Erzeugung des Hochspannungsimpulses.
In einer bevorzugten Ausprägung der ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündspule ist die dritte Spule hinsichtlich ihrer Hochfrequenzübertragungscharakteristik als Bestandteil des Bandpassfilters innerhalb des Hochfrequenzpfades optimiert:

Hierzu sind die Abstände zwischen jeweils aufeinander folgenden Windungen der dritten Spule gegenüber jeweils aufeinander folgenden Windungen der zweiten Spule vergrößert. Auf diese Weise werden die parasitären Kapazitäten innerhalb der dritten Spule gegenüber den üblichen parasitären Kapazitäten einer Spule, wie sie in der zweiten Spule verwirklicht sind, verkleinert.

Eine weitere technische Maßnahme, die parasitären Kapazitäten innerhalb der dritten Spule zu verkleinern und damit das Hochfrequenzübertragungsverhalten der dritten Spule zu verbessern, wird durch die Anwendung einer für die Hochfrequenzübertragung optimierten Wicklung der dritten Spule möglich.
Alternativ oder in Ergänzung zur Verminderung der parasitären Kapazitäten ist als weitere technische Maßnahme zur Verbesserung der Hochfrequenzübertragungscharakteristik in der dritten Spule der Drahtdurchmesser der dritten Spule größer als der Drahtdurchmesser der zweiten Spule ausgelegt. Ein Hochfrequenzstrom, der durch die Hochfrequenzspannung eingeprägt wird und aufgrund des Skineffekts einzig an der Oberfläche der Spule fließt, findet bei gegebener frequenzabhängiger Eindringtiefe des Hochfrequenzstromes in die Oberfläche der Spule eine größere Querschnittsfläche in der dritten Spule als in der zweiten Spule vor. Damit wird der für den Hochfrequenzstrom relevante ohmsche Widerstand im Oberflächenbereich des zur dritten Spule gehörigen elektrischen Leiters gegenüber dem zur zweiten Spule gehörigen elektrischen Leiter verkleinert. Dieser Effekt, der die Güte der als Hochfrequenzspule ausgebildeten dritten Spule erhöht, ist auch für die Hochfrequenzübertragungscharakteristik der dritten Spule ganz wesentlich. Somit wird der Hochfrequenzstrom verstärkt durch die dritte Spule und vermindert durch die zweite Spule fließen. Ein unerwünschtes elektrisches Einkoppeln der Hochfrequenzspannung bzw. des Hochfrequenzstroms in die zweite Spule wird auf diese Weise vorteilhaft vermindert.
Konsequenterweise erfolgt eine induktive Kopplung der Hochfrequenzspannung bzw. des Hochfrequenzstromes von der Sekundär- zur Primärseite der Zündspule hauptsächlich von der dritten Spule zur ersten Spule. Im Fall eines größeren Abstands zwischen den einzelnen Windungen der dritten Spule ist aber bautechnisch eine geringere Windungsanzahl in der dritten Spule und damit eine geringere Induktivität für die dritte Spule realisierbar, die eine geringere induktive Kopplung zwischen der dritten und der ersten Spule verursacht.
Als eine weitere technische Maßnahme zur Verbesserung der Hochfrequenzübertragungscharakteristik in der dritten Spule bietet es sich vorteilhaft an, die dritte Spule mit einer Beschichtung zu versehen, deren Impedanz geringer als die Impedanz des Grundmaterials der dritten Spule ist. Da der von der Hochfrequenzspannung getriebene Hochfrequenzstrom aufgrund des Skin-Effekts auf der Oberfläche der dritten Spule und damit primär im Bereich der Beschichtung der dritten Spule fließt, wird der Hochfrequenzstrom im Wesentlichen durch die dritte Spule und nicht durch die zweite Spule fließen, die keine derartige Beschichtung mit einer niedrigeren Impedanz aufweist. Als Beschichtungsmaterial mit einer geringeren Impedanz, d.h. mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit und/oder einer geringeren magnetischen Permeabilität, eignet sich Silber, Kupfer, Gold, Zinn, Aluminium, Wolfram, Molybdän, Titan, Zirkonium, Niobium, Tantal, Wismut, Palladium und Blei. Auch Legierungen mit einem oder mehreren dieser Materialien oder aus einem Verbundwerkstoff aus einem dieser Materialien sind geeignet.
Bei einer Zündspule sind die primärseitig angeordnete Spule und die sekundärseitig angeordnete Spule gemeinsam um einen Hauptschenkel eines Magnetkerns gewickelt. Zur Realisierung eines geschlossenen Eisenpfades für den magnetischen Fluss weist der Magnetkern mindestens einen Rückschlussschenkel und zwei, den Hauptschenkel und den Rückschlussschenkel jeweils verbindende Joche auf. Der aus dem Hauptschenkel, dem Rückschlussschenkel und den beiden Jochen zusammengesetzte Magnetkern umschließt dabei gemeinsam die primärseitig und die sekundärseitig angeordneten Spulen. In einer bevorzugten Ausbildung der Zündspule als Manteltransformator weist der Magnetkern einen Hauptschenkel, zwei Rückschlussschenkel und zwei, den Hauptschenkel und die beiden Rückschlussschenkel jeweils miteinander verbindende Joche auf. Auf diese Weise wird über den Hauptschenkel, einen Rückschlussschenkel und zwei Teilbereiche der beiden Joche jeweils ein magnetischer Teilfluss geführt.
Die primärseitig und die sekundärseitig angeordneten Spulen sind zueinander konzentrisch um den Hauptschenkel gewickelt. Bevorzugt umschließen die sekundärseitig angeordneten zweiten und dritten Spulen die primärseitig angeordnete erste Spule. Alternativ ist es aber auch möglich, dass die primärseitig angeordnete erste Spule die sekundärseitig angeordnete zweite und dritte Spule umschließt. Zur elektrischen Isolierung sind zwischen dem Magnetkern, der primärseitig angeordneten ersten Spule und der sekundärseitig angeordneten zweiten und dritten Spule jeweils Abstandselemente, d.h. Abstandshalter, Spulenkörper oder Kunststofffolien, vorgesehen.
In einer besonderen Anordnung der ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündspule umschließt die sekundärseitig angeordnete dritte Spule die sekundärseitig angeordnete zweite Spule und die primärseitig angeordnete erste Spule. Bevorzugt umschließt dabei die sekundärseitig angeordnete zweite Spule die primärseitig angeordnete erste Spule. Alternativ kann die primärseitig angeordnete erste Spule auch die sekundärseitig angeordnete zweite Spule umschließen.
Um die magnetische Kopplung zwischen der dritten Spule und der ersten Spule sowie der zweiten Spule zu minimieren, ist zwischen der dritten Spule und der zweiten Spule eine Folie aus einem leicht magnetisierbaren Material, bevorzugt aus einem Mu-Metall, angeordnet. Alternativ kann auch eine Kupferfolie angeordnet sein, in der Wirbelströme durch den in der dritten Spule fließenden Hochfrequenzstrom angeregt werden und damit das elektromagnetische Feld zwischen der dritten Spule und der zweiten Spule bzw. der ersten Spule gedämpft wird. Zur elektrischen Isolierung ist zwischen der Folie aus magnetisierbaren Material bzw. der Kupferfolie und der dritten Spule sowie der zweiten Spule jeweils eine Folie aus einem elektrisch isolierenden Material, bevorzugt aus einem Kunststoff, angeordnet.
In einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule ist die dritte Spule als Hochfrequenzspule ausgebildet. Hochfrequenzspulen sind typischerweise um einen Magnetkern aus einem Ferrit-Material gewickelt. Da Ferrite typischerweise keine hohe Hitzebeständigkeit aufweisen, sind sie für eine Anwendung in der Umgebung eines Motors mit Temperaturen um 100 °C wenig geeignet. Aus diesem Grund ist die als Hochfrequenzspule auszubildende dritte Spule bevorzugt als sogenannte Luftspule, d.h. als Spule ohne Magnetkern, ausgebildet.
In der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule ist folglich die dritte Spule nicht mehr um dem Magnetkern der Zündspule, insbesondere um den Hauptschenkel des Magnetkerns der Zündspule, gewickelt. Die dritte Spule ist in der zweiten Ausführungsform derart innerhalb der erfindungsgemäßen Zündspule positioniert und orientiert, dass die gesamte erfindungsgemäße Zündspule möglichst kompakt ausgeführt ist und somit möglichst wenig Platzbedarf benötigt. Zusätzlich ist bei der Anordnung der dritten Spule in der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule zu berücksichtigen, dass eine möglichst geringe magnetische Kopplung zwischen der dritten Spule und den Spulen der Zündspule möglich ist. Außerdem sind durch die Hochfrequenzeinspeisung in die dritte Spule möglichst geringe Hochfrequenzverluste, insbesondere Wirbelstromverluste im angrenzenden Magnetkern, anzustreben.
In einer bevorzugten ersten Untervariante der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule sind die einzelnen Windungen der als Luftspule realisierten dritten Spule jeweils seitlich beabstandet zu einer Stirnfläche des Magnetkerns positioniert. Außerdem ist die Querschnittsfläche der dritten Spule parallel zur Stirnfläche des Magnetkerns orientiert ist. Schließlich umschließt die dritte Spule mit ihren Windungen zumindest einen Bereich der ersten Spule und/oder der zweiten Spule.
Unter Stirnfläche des Magnetkerns wird hierbei und im Folgenden die Fläche des Magnetkerns verstanden, die sich jeweils an einem Ende der Längserstreckung des Magnetkerns befindet. Da die Längserstreckung des Magnetkerns dem Verlauf der beiden Bohrungen zwischen dem Hauptschenkel, den Rückschlussschenkeln und den beiden Jochen entspricht, ist die Stirnfläche des Magnetkerns die Seitenfläche des Magnetkerns, die flächenmäßig alle Bestandteile des Magnetkerns, d.h. den Hauptschenkel, den mindestens eine Rückschlussschenkel und die beiden Joche, enthält.
Indem die dritte Spule mit ihren Windungen zumindest einen Bereich der ersten Spule und/oder der zweiten Spule, nämlich den Bereich der ersten Spule und/oder der zweiten Spule, der aus dem Magnetkern herausragt, umschließt und gleichzeitig seitlich beabstandet zur Stirnfläche des Magnetkerns positioniert ist, nimmt die dritte Spule mit ihren Windungen den noch freien Platz seitlich des Magnetkerns ein, der von der ersten Spule und/oder der zweiten Spule nicht besetzt ist. Somit ist mit der ersten Untervariante der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule eine sehr platzsparende Integration der dritten Spule in die Zündspule realisiert.
Da die Querschnittsfläche der dritten Spule parallel zur Stirnfläche des Magnetkerns orientiert ist, verlaufen die Magnetfelder einer von einem Strom durchflossenen dritten Spule weitestgehend orthogonal zu den wesentlichen Magnetfeldern der ersten und der zweiten Spule, die als magnetischer Fluss im Magnetkern konzentriert und geführt sind. Auf diese Weise ist als weiterer technischer Vorteil der ersten Untervariante der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule die magnetische Kopplung zwischen der dritten Spule und der ersten bzw. der zweiten Spule minimiert.
In einer zweiten Untervariante der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule sind die einzelnen Windungen der als Luftspule realisierten dritten Spule jeweils seitlich beabstandet zu einer Stirnfläche des Magnetkerns positioniert. Die dritte Spule ist hierbei mit ihren Windungen insbesondere zu einem der beiden Rückschlussschenkel oder zu einem der beiden Joche seitlich beabstandet. Außerdem ist die Querschnittsfläche der dritten Spule senkrecht zur Stirnfläche des Magnetkerns orientiert.
Durch die Positionierung der dritten Spule seitlich beabstandet zu einer Stirnfläche des Magnetkerns, insbesondere seitlich beabstandet zu einem der beiden Rückschlussschenkel oder zu einem der beiden Joche, wird auch in der zweiten Untervariante der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule von der dritten Spule der noch freie Platz seitlich des Magnetkerns eingenommen, der von der ersten Spule und/oder der zweiten Spule nicht besetzt ist. Somit wird auch in der zweiten Untervariante der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule eine sehr kompakte Bauform realisiert.
Die magnetische Kopplung zwischen der dritten Spule und der ersten bzw. der zweiten Spule ist auch in der zweiten Untervariante der zweiten Ausführungsform minimiert, da mit Ausnahme des Übergangsbereiches zwischen dem Hauptschenkel und den beiden Jochen das Magnetfeld der dritten Spule orthogonal zu den wesentlichen Magnetfeldern der ersten und der zweiten Spule, d.h. zum magnetischen Fluss im Magnetkern, orientiert ist. Da der Übergangsbereich zwischen dem Hauptschenkel und den beiden Jochen vergleichsweise klein ist und nicht im Maximum der magnetischen Feldlinien der dritten Spule liegt, ist die magnetische Kopplung zwischen der dritten Spule und der ersten sowie der zweiten Spule sehr gering.
In einer bevorzugten Erweiterung der zweiten Untervariante der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule sind mehrere seriell miteinander verschaltete dritte Spulen seitlich beabstandet zu einer Stirnfläche des Magnetkerns positioniert. Die Querschnittsflächen aller seriell verschalteten dritten Spulen sind jeweils senkrecht zur Stirnfläche des Magnetkerns orientiert.
Da zu jedem der beiden Rückschlussschenkel und zu jedem der beiden Joche des Magnetkerns und zu jeder der beiden Stirnflächen des Magnetkerns seitlich beabstandet jeweils eine dritte Spule positionierbar ist, können auf diese Weise maximal acht dritte Spulen seriell verschaltet werden. Gegenüber einer einzigen dritten Spule ergibt sich durch die serielle Verschaltung von mehreren dritten Spulen vorteilhaft eine Erhöhung der Gesamtinduktivität. Da die dritte Spule der zweiten Untervariante vor allem wegen ihrer geringeren Querschnittsfläche und auch ihrer geringeren Windungsanzahl eine geringere Induktivität als die dritte Spule der ersten Untervariante aufweist, kann durch die serielle Verschaltung von mehreren dritten Spulen in der zweiten Untervariante dieser Nachteil ausgeglichen und unter Umständen sogar noch gegenüber der ersten Untervariante verbessert werden.
Auch in der ersten Untervariante lässt sich die Gesamtinduktivität der dritten Spule verdoppeln, wenn seitlich zu den beiden Stirnflächen des Magnetkerns jeweils eine dritte Spule positioniert ist, die seriell miteinander verschaltet sind. Die serielle Verschaltung von mehreren dritten Spulen bietet also eine Möglichkeit, die Induktivität des Bandpassfilters zu vergrößern und damit einhergehend die Kapazität des Bandpassfilters zu verkleinern. Mit einer geringeren Kapazität des Kondensators lässt sich eine hohe Dämpfung für die Oberwellenanteile des Hochspannungsimpulses durch den auch als Hochpassfilter agierenden Kondensator verwirklichen.
In einer dritten Untervariante der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule ist die dritte Spule seitlich beabstandet zur Mantelfläche der ersten und/oder der zweiten Spule positioniert. Außerdem ist die Querschnittsfläche der dritten Spule senkrecht zur Stirnfläche des Magnetkerns orientiert. Die Zündspule weist in der dritten Untervariante der zweiten Ausführungsform zwar eine geringere Kompaktheit in ihrem Bauvolumen auf, verursacht aber aufgrund des größeren Abstandes der dritten Spule zum Magnetkern geringere Wirbelstromverluste im Magnetkern, d.h. geringere Hochfrequenzverluste. Auch die magnetische Kopplung zwischen der dritten Spule und der ersten bzw. der zweiten Spule ist vermindert, da der Abstand zwischen der dritten Spule und dem Magnetkern vergleichsweise größer ist.
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn zwischen dem Hochfrequenzanschluss und der zweiten Spule eine weitere Spule geschaltet und angeordnet ist, die als Hochfrequenzspule, bevorzugt als Drosselspule, ausgebildet ist. Diese weitere Spule wird hierbei und im Folgenden als vierte Spule bezeichnet.
Eine Drosselspule weist einen induktiven Widerstand auf, der die Hochfrequenzspannung dämpft. Die Dämpfung ist abhängig von der Querschnittsfläche, der Windungsanzahl und der Spulenlänge der Drosselspule. Um Hochfrequenzverluste durch Wirbelströme, die im Magnetkern der Drosselspule bei Anliegen eine Hochfrequenzspannung entstehen, zu minimieren, ist die Drosselspule bevorzugt als Luftspule ausgebildet. Durch die Dämpfung der Hochfrequenzspannung wird vorteilhaft ein elektrisches Einkoppeln der am Hochfrequenzanschluss eingeprägten Hochfrequenzspannung in die sekundärseitig angeordnete zweite Spule der Zündspule minimiert. Dieser vorteilhafte technische Effekt tritt deutlicher bei Vorliegen von parasitären Kapazitäten zwischen der Sekundärseite der Zündspule und dem typischerweise aus einem elektrisch leitenden Material hergestellten Gehäuse der Zündspule auf.
Die vierte Spule kann äquivalent wie die dritte Spule seitlich beabstandet zu einer Stirnfläche des Magnetkerns positioniert sein. Die Querschnittsfläche der vierten Spule kann wie die dritte Spule parallel oder senkrecht zur Stirnfläche des Magnetkerns orientiert sein. Auch eine Serienschaltung von mehreren vierten Spule im Hinblick auf eine Erhöhung der Induktivität ist denkbar.
Eine weitere technische Maßnahme zur Minimierung des elektrischen Einkoppelns der Hochfrequenzspannung in die Zündspule, die in Ergänzung oder alternativ zur Verwendung der vierten Spule verfolgt werden kann, ist die Beschaltung und Anordnung eines ohmschen Widerstandes zwischen der sekundärseitig angeordneten zweiten Spule und dem Hochfrequenzanschluss. Dieser ohmsche Widerstand dämpft bei geeigneter Dimensionierung die Hochfrequenzspannung in Richtung der Zündspule. Der ohmsche Widerstand dämpft zusätzlich den durch den Hochspannungsimpuls getriebenen Zündkerzenstrom. Dieser Zündkerzenstrom, der eine Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Brennkammer verursacht, ist mit einem durch den Zündvorgang verursachten höherfrequenten Störstrom überlagert. Der im Zündkerzenstrom überlagerte höherfrequente Störstrom wird nachteilig als EMV-Störung aus der Zündkerze ausgekoppelt und über die Zuleitung der Zündkerze abgestrahlt. Da der Pegel des höherfrequenten Störstroms vom Pegel des Zündkerzenstroms abhängig ist, kann durch die Dämpfung des Zündkerzenstroms mittels des ohmschen Widerstands die EMV-Abstrahlung wirksam vermindert werden.
Schließlich existiert eine dritte Ausführungsform einer Zündspule, in der die dritte Spule seitlich beabstandet zur ersten und zur zweiten Spule positioniert ist und die Querschnittsfläche der dritten Spule bevorzugt senkrecht zu einer Stirnfläche des Magnetkerns orientiert ist. Zusätzlich ist in der dritten Ausführungsform die dritte Spule in einem Verbindungsschacht innerhalb eines Motorblocks angeordnet. Auf diese Weise beschränkt sich das Bauvolumen der Zündspule außerhalb des Motorblocks einzig auf die erste Spule, die zweite Spule und den Magnetkern und reduziert somit dem Platzbedarf für die Zündspule erheblich.
Unter einem Verbindungschacht innerhalb eines Motorblockes wird hierbei eine von der Außenoberfläche des Motorblockes in den Innenbereich des Motorblockes verlaufende Ausnehmung verstanden. Diese Ausnehmung weist ein geeignetes Querschnittsprofil, beispielsweise ein rundes Querschnittsprofil, und eine bestimmte Längserstreckung auf. Die Längserstreckung des Verbindungschachtes kann geradlinig, gekrümmt oder gewinkelt verlaufen. Der Verbindungschacht ermöglicht ein elektrisches Verbindungselement zwischen einer im Innenbereich des Motorblockes befestigten Zündkerze und einer Zündspule zu führen, die typischerweise außerhalb des Motorblockes oder unmittelbar benachbart zur Außenoberfläche des Motorblockes innerhalb des Motorblockes positioniert ist.
Durch die bevorzugt senkrechte Orientierung der Querschnittsfläche der dritten Spule zu einer Stirnfläche des Magnetkerns verläuft das Magnetfeld der dritten Spule orthogonal zu den wesentlichen Magnetfeldern der zur Zündspule gehörigen ersten und zweiten Spule, die im Magnetkern als magnetischer Fluss konzentriert und geführt sind. Somit ist die magnetische Kopplung zwischen der dritten Spule und der ersten bzw. zweiten Spule minimiert.
Da innerhalb des Verbindungsschachtes eine dritte Spule mit einer hohen Anzahl von Windungen positionierbar ist, lässt sich durch die dritte Ausführungsform der Zündspule eine dritte Spule mit einer hohen Induktivität realisieren.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:

1A ein Schaltungsdiagramm einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule,
1B ein Schaltungsdiagramm einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule,
2A eine dreidimensionale Darstellung der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule,
2B eine dreidimensionale Darstellung einer weiteren Ausprägung der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule,
2C eine dreidimensionale Darstellung einer in einem Gehäuse integrierten Anordnung aus Zündspule und Bandpassfilter,
3A eine dreidimensionale Darstellung einer ersten Untervariante der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule,
3B eine dreidimensionale Darstellung einer zweiten Untervariante der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule,
3C eine dreidimensionale Darstellung einer Erweiterung der zweiten Untervariante der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule,
3D eine dreidimensionale Darstellung einer dritten Untervariante der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule,
4A eine dreidimensionale Darstellung einer erfindungsgemäßen Zündspule mit einer ersten Ausprägung zur Minimierung des elektrischen Einkoppelns der Hochfrequenzspannung in die Primärseite der Zündspule,
4B eine dreidimensionale Darstellung einer erfindungsgemäßen Zündspule mit einer zweiten Ausprägung zur Minimierung des elektrischen Einkoppelns der Hochfrequenzspannung in die Primärseite der Zündspule,
4C eine dreidimensionale Darstellung einer erfindungsgemäßen Zündspule mit einer dritten Ausprägung zur Minimierung des elektrischen Einkoppelns der Hochfrequenzspannung in die Primärseite der Zündspule und
5 eine Querschnittsdarstellung eines Motorblockes mit integrierter erfindungsgemäßen Zündspule.

Die beiliegenden Figuren der Zeichnung sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Im Folgenden werden die Figuren zusammenhängend und übergreifend beschrieben.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Bevor die geometrische Anordnung der einzelnen Komponenten in einer erfindungsgemäßen Zündspule anhand der 2A, 2B, 3A, 3B, 3C, 3D, 4A, 4B, 4C und 5 im Detail erläutert werden, wird im Folgenden die elektrische Verschaltung der einzelnen Komponenten einer erfindungsgemäßen Zündspule bzw. einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Integration einer Zündspule und eines Bandpassfilters anhand der Schaltungsdiagramme in 1A und 1B vorgestellt:

Im Schaltungsdiagramm der 1A ist eine Anordnung zur Integration einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündspule mit einem Bandpassfilter dargestellt:
- Die erste Spule 1 ist an einem Ende über einen Gleichspannungsanschluss 2 der erfindungsgemäßen Zündspule, einen Schalter 3 mit der Elektrode einer Gleichspannungsquelle 4, bevorzugt einer Batterie, verbunden. Die andere Elektrode der Gleichspannungsquelle 3 ist mit einem Massepotenzial verbunden. Auch die weitere Elektrode der ersten Spule 1 ist über einen Masseanschluss 5 der erfindungsgemäßen Zündspule mit einem Massepotenzial verbunden. In der Phase vor dem Zünden der mit der erfindungsgemäßen Zündspule verbundenen Zündkerze 6 ist der Schalter 3 geschlossen. Durch die erste Spule 1 der erfindungsgemäßen Zündspule fließt ein Gleichstrom, der durch die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 5 getrieben ist.

Zum Zünden der Zündkerze 5 wird der Schalter 3 geöffnet und damit der Stromfluss durch die erste Spule 1 unterbrochen. Dieser Abbruch des Stromflusses induziert in der ersten Spule 1 einen Spannungsimpuls. Der Spannungspegel des Spannungsimpulses ist im Wesentlichen von der Induktivität der ersten Spule 1 und der Stromänderung in der ersten Spule 1 und damit indirekt vom Spannungspegel der Gleichspannungsquelle 4 abhängig. Der Spannungspegel des Spannungsimpulses liegt somit in der Größenordnung von einigen 100 V und ist somit für das Zünden des Brennstoff-Luft-Gemisches innerhalb der Brennkammer durch die Zündkerze 6 nicht ausreichend. Zur Verstärkung des in der ersten Spule 1 induzierten Spannungsimpulses ist in der erfindungsgemäßen Zündspule ein Transformator bzw. Übertrager mit einem Magnetkern 7 vorgesehen, um den primärseitig die Windungen der ersten Spule 1 und sekundärseitig die Windungen einer zweiten Spule 8 und einer und einer dritten Spule 9 gewickelt sind.
Ist die Anzahl der Windungen in den beiden sekundärseitig angeordneten Spulen ein Vielfaches der Anzahl der Windungen in der primärseitig angeordneten Spule, so wird der in der primärseitig angeordneten ersten Spule 1 induzierte Spannungsimpuls in einen Hochspannungsimpuls in den beiden sekundärseitig angeordneten Spulen transformiert. Um aus dem primärseitigen Spannungsimpuls in Höhe von einigen 100 V einen sekundärseitigen Hochspannungsimpuls von einigen 10 kV zu erzeugen, ist typischerweise ein Verhältnis zwischen den primärseitigen Windungen der ersten Spule 1 und den sekundärseitigen Windungen der zweiten Spule 8 und der dritten Spule 9 zwischen 10 Windungen und einigen 100 Windungen vorzusehen.
Die Ausbildung des Magnetkerns 7 und die Anordnung der ersten Spule 1, der zweiten Spule 8 und der dritten Spule 9 wird weiter unten noch detailliert erläutert.
Das eine Ende der zweiten Spule 8 und das eine Ende der dritten Spule 9 sind miteinander elektrisch verbunden. Das andere Ende der zweiten Spule 8 ist über einen weiteren Masseanschluss 10 der erfindungsgemäßen Zündspule mit einem Massepotenzial verbunden.
Das andere Ende der dritten Spule 9 ist über einen Hochspannungsanschluss 11 der erfindungsgemäßen Zündspule mit einer Elektrode der Zündkerze 6 elektrisch verbunden. Die andere Elektrode der Zündkerze 6 ist an das Massepotenzial angeschlossen.
Zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses mit einer überlagerten Hochfrequenzspannung ist ein zur erfindungsgemäßen Zündspule gehöriger Hochfrequenzanschluss 12 zur Einspeisung einer Hochfrequenzspannung mit der zweiten Spule 8 und der dritten Spule 9 elektrisch verbunden. Diese Hochfrequenzspannung überlagert sich additiv mit dem in die zweite Spule 8 und in die dritte Spule 9 transformierten Hochspannungsimpuls. Anstelle einer Hochfrequenzspannung kann am Hochfrequenzanschluss 12 auch ein Hochfrequenzstrom eingeprägt bzw. eingespeist werden. Die Hochfrequenzspannung wird in einer Hochfrequenzspannungsquelle 13 erzeugt.
Zur Ausbildung eines Bandpassfilters 14, der als Serienschwingkreis aus einer Spule und einem Kondensator realisiert ist, ist zwischen der Hochfrequenzspannungsquelle 13 und dem Hochfrequenzanschluss 12 ein Kondensator 15 geschaltet. Als Spule des Serienschwingkreises bzw. des Bandpassfilters 15 dient die dritte Spule 9.
Der Kondensator 15 dient gleichzeitig als Hochpassfilter. Seine Kapazität wird so dimensioniert, dass die Oberwellenanteile des in der zweiten Spule 8 erzeugten Hochspannungsimpulses im niederfrequenten Sperrbereich des Hochpassfilters zu liegen kommen und somit vor der Hochfrequenzspannungsquelle 13 abgeblockt werden. Schließlich ist der Kondensator 15 auch für den Gleichanteil des in der zweiten Spule 8 erzeugten Hochspannungsimpulses sperrend. Im zweiten Parametrierungsschritt wird die Induktivität der dritten Spule 9 so ausgelegt, dass in Kombination mit der im ersten Parametrierungsschritt festgelegten Kapazität des Kondensators 15 eine Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises und damit eine Mittenfrequenz des Bandpassfilters 14 vorliegt, in der die Frequenz der erzeugten Hochfrequenzspannung zu liegen kommt. Auf diese Weise ist das Bandpassfilter 14 für die erzeugte Hochfrequenzspannung durchlässig, während es für das höherfrequente Zündrauschen sperrend wirkt.
Mit der erfindungsgemäßen Zündspule gemäß 1A ist somit eine Zündspule geschaffen, die einen Hochspannungsimpuls mit einer überlagerten Hochfrequenzspannung erzeugt und gleichzeitig die Spule des Bandpassfilters aufwandsarm integriert. In der in 1A dargestellten ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündspule ist die Spule des Bandpassfilters als Teil der sekundärseitigen Wicklung einer Zündspule realisiert. Die sekundärseitige Wicklung der erfindungsgemäßen Zündspule setzt sich somit aus der seriellen Verschaltung der zweiten Spule 8 und der dritten Spule 9 zusammen. Die Erfindung deckt auch den alternativen Fall ab, dass die sekundärseitige Wicklung der erfindungsgemäßen Zündspule als eine einzige sekundärseitig angeordnete Spule umfassend zwei seriell miteinander verbundene Spulenbereiche realisiert ist. Hierbei ist im Verbindungsbereich zwischen den beiden Spulenbereichen ein sogenannter Mittenkontakt oder Mittenanschluss zur Einspeisung der Hochfrequenzspannung vorgesehen. Die Integration der Spule des Bandpassfilters in die sekundärseitige Wicklung der erfindungsgemäßen Zündspule bedingt vorteilhaft auch eine Reduzierung des Bauvolumens der Anordnung aus Zündspule und Bandpassfilter.
In einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule befindet sich die dritte Spule 9 außerhalb des Magnetkerns 7 der erfindungsgemäßen Zündspule. Um den Magnetkern 7 sind nur die Windungen der ersten Spule 1 und der zweiten Spule 8 gewickelt. Der magnetische Fluss ist im Magnetkern 7 zwischen der primärseitig angeordneten ersten Spule 1 und der sekundärseitig angeordneten zweiten Spule 8 geführt und konzentriert. Ein Großteil der induktiven Kopplung ist somit lediglich zwischen der ersten Spule 1 und der zweiten Spule 8 realisiert. Die dritte Spule 9 ist in der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule vielmehr in unmittelbarer Nachbarschaft zum Magnetkern 7 und zur ersten und zweiten Spule 1 und 8 angeordnet. Die induktive Kopplung zwischen der ersten Spule 1 und der dritten Spule 9 ist somit gegenüber der ersten Ausführungsform deutlich reduziert. Die induktive Kopplung zwischen der ersten Spule 1 und der dritten Spule 9 erfolgt hierbei lediglich über den Streufluss.
Die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule unterscheidet sich in den übrigen Details nicht von der ersten Ausführungsform. Auf eine wiederholte Beschreibung der zur ersten Ausführungsform identischen Merkmale und identischen Komponenten wird deshalb an dieser Stelle verzichtet.
Aus 2A geht eine Anordnung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule hervor:

Der Magnetkern 7 ist hierbei aus geschichteten Blechen aufgebaut, zwischen denen jeweils Schichten aus elektrisch isolierenden Material angeordnet sind. Die geschichteten Bleche sind aus einem weichmagnetischen Material, bevorzugt aus Eisen hergestellt. Durch die Schichtung der Bleche werden Wirbelströme in Längsrichtung des Magnetkerns 7 verhindert.

Der Magnetkern 7 setzt sich aus einem Hauptschenkel 16, zwei Rückschlussschenkeln 17₁ und 17₂ und zwei Jochen 18₁ und 18₂ zusammen, die die beiden Rückschlussschenkel 17₁ und 17₂ mit dem Hauptschenkel 16 verbinden. Um den Hauptschenkel 16 sind die Windungen der primärseitig angeordneten ersten Spule 1, der sekundärseitig angeordneten zweiten Spule 8 und der sekundärseitig angeordneten dritten Spule 9 gewickelt. Die Windungen der ersten Spule 1, der sekundärseitig angeordneten zweiten Spule 8 und der sekundärseitig angeordneten dritten Spule 9 sind somit jeweils durch zwei Durchführungen im Magnetkern 7 hindurchgeführt, die jeweils zwischen dem Hauptschenkel 16, einem der beiden Rückschlussschenkel 17₁ und 17₂ und jeweils einem Bereich der beiden Joche 18₁ und 18₂ in Längsrichtung des Magnetkerns 7 angeordnet sind.
Neben dieser bevorzugten Ausbildung der erfindungsgemäßen Zündspule, die auch als Manteltransformator bezeichnet wird, ist auch eine Ausbildung der Zündspule denkbar, in der der Magnetkern 7 lediglich einen einzigen Rückschlussschenkel aufweist. Eine höhere Kompaktheit der Zündspule wird in dieser Ausbildung aber auf Kosten eines höheren Streuflusses realisiert. Die Realisierung der erfindungsgemäßen Zündspule als Kerntransformator mit zwei Hauptschenkeln und zwei die beiden Hauptschenkel miteinander verbindenden Jochen ist auch denkbar. Die Windungen der primärseitig angeordneten ersten Spule 1 werden hierbei um den einen Hauptschenkel und die Windungen der sekundärseitig angeordneten zweiten und dritten Spule 8 und 9 werden um den anderen Hauptschenkel gewickelt. Eine kompaktere Wicklung der primärseitig angeordneten Windungen und der sekundärseitig angeordneten Windungen um den zugehörigen Hauptschenkel und damit eine geringere Längserstreckung der Zündspule erfordert hierbei aber aufgrund des Vorsehens von zwei Hauptschenkeln eine größere Quererstreckung der Zündspule.
Bevorzugt umschließen die Windungen der primärseitig angeordneten ersten Spule 1, wie in 2A angedeutet ist, nächst benachbart zum Hauptschenkel 16 den Hauptschenkel 16, während die Windungen der sekundärseitig angeordneten zweiten und dritten Spule 8 und 9 die Windungen der primärseitige angeordneten ersten Spule 1 umschließen. Die Windungen der zweiten und der dritten Spule 8 und 9 sind in der in 2A dargestellten ersten Ausprägung in ihrer Längserstreckungsrichtung benachbart zueinander angeordnet. Die Quererstreckung der zweiten und der dritten Spule 8 und 9 und damit auch die Quererstreckung der erfindungsgemäßen Zündspule ist in dieser Ausprägung minimiert.
Die erste Spule 1, die zweite Spule 8 und die dritte Spule 9 sind jeweils um einen Wicklungskörper aus einem elektrisch isolierenden Material gewickelt, der in 2A aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt ist. Jeder dieser Wicklungskörper dient jeweils als Abstandselement zwischen dem Magnetkern 7, der ersten Spule 1, der zweiten Spule 8 und der dritten Spule 9. Bevorzugt sind die einzelnen Wicklungskörper miteinander verbunden. Auf diese Weise können der Magnetkern 7, die erste Spule 1, die zweite Spule 8 und die dritte Spule 9 jeweils zueinander positioniert und zueinander orientiert sein. Insbesondere eine abstandsminimierte und damit bauraumminimierte Anordnung ist mit derartigen Wicklungskörpern bzw. Abstandselementen möglich.
Aus 2A ist die elektrische Verbindung zwischen der zweiten Spule 8 und der dritten Spule 9 ersichtlich, die mit dem Hochfrequenzanschluss 12 verbunden ist. Auch die beiden Massenanschlüsse 5 und 10 der ersten Spule 1 bzw. der zweiten Spule 8, der mit der ersten Spule 1 verbundene Gleichspannungsanschluss 2 und der mit dem Ausgang der dritten Spule 9 verbundene Hochspannungsanschluss 11 sind in 2A zu erkennen.
Die erfindungsgemäße Zündspule ist bevorzugt gemäß 2C in einem Gehäuse 19 angeordnet. Dieses Gehäuse 19, das in 2C gestrichelt angedeutet ist, ist bevorzugt aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Aluminium, hergestellt, um eine möglichst gute elektromagnetische Schirmwirkung zu erzielen. Auf diese Weise dringt die in die erfindungsgemäße Zündspule eingekoppelte Hochfrequenzspannung nicht in den Außenraum des Gehäuses 19 und führt damit nicht zu einer negativen Beeinflussung bzw. Zerstörung einer im Motorraum eines Fahrzeuges angeordneten Elektronik. Andererseits hat durch das Schirmungsgehäuse eine im Motorraum eines Fahrzeugs angeordnete Hochfrequenzelektronik keine negativen Auswirkungen auf den in der erfindungsgemäßen Zündspule erzeugten Hochspannungsimpuls und die in 2C nicht dargestellte Steuerelektronik der Zündspule.
In das Gehäuse 19 der erfindungsgemäßen Zündspule ist der Kondensator 15 und damit vollständig das Bandpassfilter 14 integriert. Dies führt zu einer besonders kompakten Bauform einer Anordnung zur Integration von Zündspule und Bandpassfilter. Zur besonders platzsparenden Positionierung innerhalb des Gehäuses 19 ist der Kondensator 15, wie in 2C angedeutet ist, in einem noch nicht besetzten Raum innerhalb des Gehäuses 19 seitlich beabstandet zu einer Stirnfläche des Magnetkerns 7 angeordnet. Alternativ kann der Kondensator 15 aber auch außerhalb des Gehäuses 19 angeordnet sein.
Alle Anschlüsse der erfindungsgemäßen Zündspule sind, wie in 2C angedeutet ist, aus dem Gehäuse 19 herausgeführt. Bevorzugt können für die einzelnen Anschlüsse der erfindungsgemäßen Zündspule jeweils geeignete Steckverbinder, bevorzugt Gehäusesteckverbinder, ausgebildet sein. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass der Hochfrequenzanschluss 12 der erfindungsgemäßen Zündspule, der mit der zweiten Spule 8 und der dritten Spule 9 elektrisch verbunden ist, aufgrund der Integration des Kondensators 15 in das Gehäuse 19 an den anderen Anschluss des Kondensators 15 versetzt und damit als Hochfrequenzanschluss 12' aus dem Gehäuse 19 herausgeführt ist.
Bei der Montage der erfindungsgemäßen Zündspule in das Gehäuse 19 wird zwischen dem Gehäuse 19 und der erfindungsgemäßen Zündspule und deren Zwischenräumen eine flüssige Vergussmasse 20 aus einem elektrisch isolierenden Material, bevorzugt ein Gießharz 20, insbesondere bevorzugt Polyurethan, eingeführt. Nach dem Aushärten der Vergussmasse 20 ist der Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 19 und der erfindungsgemäßen Zündspule vollständig mit der ausgehärteten Vergussmasse 20 ausgefüllt. Auf diese Weise wird die Hochspannungsfestigkeit der erfindungsgemäßen Zündspule zwischen ihren einzelnen Komponenten - Magnetkern 7, erste Spule 1, zweite Spule 8 und dritte Spule 9 - und auch zwischen den einzelnen Komponenten der erfindungsgemäßen Zündspule und dem elektrisch leitenden Gehäuse 19 zusätzlich erhöht. Außerdem ist die Beabstandung zwischen der als Hochfrequenzspule ausgebildeten dritten Spule 9 und dem elektrisch leitenden Gehäuse 19 und zwischen der dritte Spule 9 und dem typischerweise geerdeten Magnetkern 7 durch die Vergussmasse 20 so auszulegen, dass sich die parasitären Kapazitäten der dritten Spule 9 auf einem geringen Niveau befinden. Die Hochspannungsfestigkeit der als Hochfrequenzspule ausgebildeten dritten Spule 9 kann neben der Isolierung durch die Vergussmasse 20 durch eine isolierte Hochfrequenzspule, beispielsweise durch eine mit einem Kupferlackdraht hergestellte Hochfrequenzspule, zusätzlich verbessert werden. Auch die erste Spule 1 und die zweite Spule 8 kann zur Erhöhung der Hochspannungsfestigkeit mit einem Kupferlackdraht gewickelt sein.
In einer zweiten Ausprägung der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündspule gemäß 2B ist die dritte Spule 9 nicht in Längserstreckungsrichtung benachbart zur zweiten Spule 8 angeordnet, sondern umschließt die zweite Spule 8. Die dritte Spule 9 ist also in Quererstreckungsrichtung benachbart zur zweiten Spule 8 angeordnet. Die dritte Spule 9 kann hierbei auf einem Wicklungskörper gewickelt sein. Um die magnetische Kopplung zwischen der dritten Spule 9 und der ersten Spule 1 sowie der zweiten Spule 8 zu minimieren, ist zwischen der dritten Spule 9 und der zweiten Spule 8 eine Folie 26 aus einem leicht magnetisierbaren Material, bevorzugt aus einem Mu-Metall, angeordnet. Alternativ kann auch eine Kupferfolie angeordnet sein, in der Wirbelströme durch den in der dritten Spule 9 fließenden Hochfrequenzstrom angeregt werden und damit das elektromagnetische Feld zwischen der dritten Spule 9 und der zweiten Spule 8 bzw. der ersten Spule 1 gedämpft wird. Zur elektrischen Isolierung ist zwischen der Folie 26 aus magnetisierbaren Material bzw. der Kupferfolie und der dritten Spule 9 sowie der zweiten Spule 8 jeweils eine Folie aus einem elektrisch isolierenden Material, bevorzugt aus einem Kunststoff, insbesondere aus Polyurethan, angeordnet.
Auch in der ersten Ausprägung der ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündspule gemäß 2A kann im Hinblick auf eine kompaktere Bauform anstelle von Wicklungskörpern zwischen der ersten Spule 1 und der zweiten Spule 8 bzw. der dritten Spule 9 jeweils eine elektrisch isolierende Kunststofffolie angeordnet sein.
In beiden Ausprägungen der ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündspule gemäß der 2A und 2B kann die dritte Spule 9 hinsichtlich ihrer Übertragungscharakteristik, insbesondere ihrer Hochfrequenzübertragungscharakteristik, wie die zweite Spule 8 ausgelegt sein. Da die dritte Spule 9 aber von einem durch die angelegte Hochfrequenzspannung angetriebenen Hochfrequenzstrom möglichst optimal durchflossen werden soll, während ein elektrisches Einkoppeln des Hochfrequenzstroms in die zweite Spule 8 möglichst minimiert werden soll, ist eine hochfrequenztechnischen Optimierung der dritten Spule 9 anzustreben, wie im Folgenden aufgezeigt wird:

In einer ersten technischen Maßnahme werden hierzu die Abstände von jeweils aufeinanderfolgenden Windungen der dritten Spule 9 größer als die Abstände von jeweils aufeinanderfolgenden Windungen der zweiten Spule 8 ausgelegt. Somit sind die parasitären Kapazitäten, die insbesondere zwischen zwei aufeinanderfolgenden Windungen auftreten, in der dritten Spule 9 gegenüber der zweiten Spule 8 minimiert und damit die Hochfrequenzübertragungscharakteristik der dritten Spule 9 gegenüber der zweiten Spule 8 optimiert.

In einer zweiten technischen Maßnahme werden die parasitären Kapazitäten in der dritten Spule 9 durch eine besondere Wickelung des elektrischen Leiters minimiert. Die dritte Spule 9 wird hierbei beispielsweise zu einer Waben-, Korbboden-, Stern- oder Flachspule gewickelt. Auf diese Weise lässt sich das Hochfrequenzübertragungsverhalten der dritten Spule 9 gegenüber der zweiten Spule 8 optimieren. Eine zusätzliche Verbesserung des Hochfrequenzübertragungsverhalten für die dritte Spule 9 wird durch die Wicklung einer Hochfrequenzlitze als elektrischer Leiter für die dritte Spule 9 erzielt.
In einer dritten technischen Maßnahme wird der Drahtdurchmesser, d.h. der Durchmesser des elektrischen Leiters, der dritten Spule 9 größer als der Drahtdurchmesser der zweiten Spule 8 ausgelegt. Der Hochfrequenzstrom fließt aufgrund des Skin-Effekts einzig an der Oberfläche des elektrischen Leiters einer Spule und dringt ausgehend von der Oberfläche des elektrischen Leiters nur bis zu einer bestimmten Eindringtiefe, die u.a. von der Frequenz des Hochfrequenzstroms und von Materialparametern des elektrischen Leiters abhängt, in den elektrischen Leiter der Spule ein. Somit ist bei einem elektrischen Leiter mit einem größeren Durchmesser bei gleicher Eindringtiefe die Querschnittsfläche des elektrischen Leiters der Spule, in der der Hochfrequenzstrom fließt, aufgrund des größeren Umfanges größer als bei einem elektrischen Leiter mit einem kleineren Durchmesser. Auf diese Weise ist die elektrische Impedanz der dritten Spule 9, die auf den Hochfrequenzstrom wirkt, durch die zweite technische Maßnahme kleiner als bei der zweiten Spule 8. Die Hochfrequenzübertragungscharakteristik ist somit in der dritten Spule 9 gegenüber der zweiten Spule 8 verbessert.
In einer vierten technischen Maßnahme wird die dritte Spule 9 beschichtet, während die zweite Spule 8 unbeschichtet bleibt. Die Beschichtung der dritten Spule 9 weist eine geringere elektrische Impedanz als das Grundmaterial der dritten Spule 9 auf. Somit wird die Beschichtung aus einem Beschichtungsmaterial hergestellt, das eine höhere elektrische Leitfähigkeit und/oder eine geringere magnetische Permeabilität als das Grundmaterial aufweist. Der Hochfrequenzstrom, der aufgrund des Skin-Effekts im Oberflächenbereich des elektrischen Leiters der Spule fließt, trifft folglich in der dritten Spule 9 auf eine bessere Hochfrequenzübertragungscharakteristik als in der zweiten Spule 8.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Induktivität des Grundmaterials der zweiten Spule 2 um ein Vielfaches größer als die Gesamtinduktivität aus Grund- und Beschichtungsmaterial der dritten Spule 9 ist, so dass der Hochfrequenzstrom wegen der deutlich höheren Impedanz der zweiten Spule 8 bevorzugt durch die dritte Spule 9 fließt.
In der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündspule, die im Folgenden anhand der 3A, 3B, 3C und 3D vorgestellt wird, weist die dritte Spule 9 keinen Magnetkern auf und ist somit als Luftspule realisiert. Bei einer geeignet gewählten Orientierung der dritten Spule 9 zum Magnetkern 7 ist es möglich, die magnetische und induktive Kopplung zwischen der dritten Spule 9 und der primärseitige angeordneten ersten Spule 1 über den im Magnetkern 7 geführten und konzentrierten magnetischen Fluss deutlich zu minimieren. Eine magnetische und induktive Kopplung mit der ersten Spule 1 existiert nur noch über den deutlich schwächer ausgeprägten Streufluss. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündspule ist das magnetische und induktive Einkoppeln der Hochfrequenzspannung von der Sekundärseite in die Primärseite der erfindungsgemäßen Zündspule deutlich minimiert.
In der ersten Untervariante der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündspule gemäß 3A ist die als Luftspule realisierte dritte Spule 9 seitlich beabstandet zu einer Stirnfläche 21 des Magnetkerns 7 positioniert. Außerdem umschließt die dritte Spule 9 mit ihren Windungen zumindest einen Bereich der ersten Spule 1 und der dritten Spule 8, der dem aus dem Magnetkern 7 herausragenden Bereich der ersten Spule 1 und der dritten Spule 8 entspricht.
Somit nimmt die dritte Spule 9 den noch unbenutzten Raum seitlich des Magnetkerns 7 ein, der von der ersten Spule 1 und der zweiten Spule 8 nicht benutzt ist. Im Hinblick auf eine kompakte Bauform der erfindungsgemäßen Zündspule ist die dritte Spule 9 aber nah am Magnetkern 7 und an der ersten und zweiten Spule 1 und 8 positioniert. Auf diese Weise wird eine sehr kompakte und platzsparende Bauform für die erfindungsgemäße Zündspule realisiert. Selbstverständlich kann die dritte Spule 9 in der in 3A dargestellten Anordnung einer erfindungsgemäßen Zündspule nicht nur oberhalb des Magnetkerns 7, sondern auch unterhalb des Magnetkerns 7 angeordnet sein.
Schließlich ist die Querschnittsfläche der dritten Spule 9 parallel zur Stirnfläche 21 des Magnetkerns 7 orientiert. Durch diese Orientierung der dritten Spule 9 zum Magnetkern 7 verläuft das Magnetfeld der dritten Spule 9 im Wesentlichen orthogonal zur Richtung des magnetischen Flusses der ersten und der zweiten Spule 1 und 8 innerhalb des Magnetkerns 7. Einzig im Übergangsbereich zwischen dem Hauptschenkel und den beiden Jochen des Magnetkerns 7 ist die Orthogonalität in der Orientierung des Magnetfeldes der dritten Spule 9 zum Magnetfluss innerhalb des Magnetkerns 7 geringfügig nicht gegeben. Da dieser Übergangsbereich aber sehr klein ist und nicht im Maximum der magnetischen Feldstärke der dritten Spule liegt, ist eine magnetische und induktive Kopplung zwischen der dritten Spule 9 und den beiden anderen Spulen der erfindungsgemäßen Zündspule, insbesondere der primärseitig angeordneten ersten Spule 1, weitest möglich minimiert.
In einer zweiten Untervariante der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündspule ist die dritte Spule 9 ebenfalls seitlich beabstandet zu einer Stirnfläche 21 des Magnetkerns 7 positioniert. Die dritte Spule 9 ist hierbei entweder zu einem der beiden Joche oder zu einem der beiden Rückschlussschenkel des Magnetkerns 7 seitlich benachbart angeordnet. Somit nimmt die dritte Spule 9 auch in der zweiten Untervariante den noch unbenutzten Raum seitlich des Magnetkerns 7 ein, der von der ersten Spule 1 und der zweiten Spule 8 nicht benutzt ist. Auch in diesem Fall wird eine sehr kompakte Bauform für die erfindungsgemäße Zündspule erzielt.
Die Querschnittsfläche der dritten Spule 9 ist in der zweiten Untervariante senkrecht zu einer Stirnfläche 21 des Magnetkerns 7 positioniert. Auch in der zweiten Untervariante ist das Magnetfeld der dritten Spule 9 innerhalb des Magnetkerns 7 weitestgehend orthogonal zur Richtung des im Magnetkern 7 geführten und konzentrierten Magnetflusses der ersten und der zweiten Spule 1 und 8 orientiert. Einzig im Übergangsbereich zwischen dem Hauptschenkel und den beiden Jochen des Magnetkerns 7 ist die Orthogonalität zwischen dem Magnetfeld der dritten Spule 9 und dem im Magnetkern geführten Magnetfluss der ersten und der zweiten Spule 1 und 8 geringfügig nicht gegeben. Da die Spulenlänge typischerweise größer als der Drahtdurchmesser der dritten Spule 9 ist, ist die Orthogonalität zwischen dem Magnetfeld der dritten Spule 9 und dem im Magnetkern geführten Magnetfluss der ersten und der zweiten Spule 1 und 8 im Übergangsbereich zwischen dem Hauptschenkel und den beiden Jochen des Magnetkerns 7 in der zweiten Untervariante geringfügig schlechter ausgeprägt als in der ersten Untervariante. Da aber auch hier der Übergangsbereich vergleichsweise sehr klein ist und sich nicht im Maximum der magnetischen Feldstärke der dritten Spule 9 befindet, ist auch in der zweiten Untervariante der zweiten Ausführungsform die magnetische Kopplung zwischen der dritten Spule 9 und der ersten sowie der zweiten Spule 1 und 8 minimiert.
Die dritte Spule 9 weist in der zweiten Untervariante eine geringere Querschnittsfläche als in der ersten Untervariante auf und besitzt somit eine geringere Induktivität. Für die Auslegung des Bandpassfilters 14 ist, wie weiter oben schon erwähnt wurde, bei gegebener Frequenz der Hochfrequenzspannung und bei einer vergleichsweise geringen Kapazität des Kondensators 15 eine vergleichsweise hohe Induktivität für die dritte Spule 9 erforderlich ist.
Hierzu werden in einer Erweiterung der zweiten Untervariante der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündspule gemäß 3C mehrere dritte Spulen 9₁ , 9₂ , 9₃ und 9₄ seriell geschaltet. Mit jeder zusätzlich seriell verschalteten dritten Spule erhöht sich die Gesamtinduktivität einer derartigen seriellen Verschaltung von dritten Spulen um die Induktivität einer einzelnen dritten Spule.
Da an jedem Joch und an jedem Rückschlussschenkel des Magnetkerns 7 und an jeder der beiden Stirnflächen 21 des Magnetkerns 7 jeweils eine dritte Spule 9 seitlich beabstandet positioniert werden kann, sind maximal acht dritte Spulen in der erfindungsgemäßen Zündspule positionierbar und verschaltbar. Auf diese Weise lässt sich die Gesamtinduktivität einer derartigen seriellen Verschaltung von dritten Spulen um den Faktor acht gegenüber der Induktivität einer einzelnen dritten Spule vervielfachen.
Auch in der ersten Untervariante lässt sich die Induktivität der dritten Spule 9 verdoppeln, wenn seitlich beabstandet zu den beiden Stirnflächen 21 des Magnetkerns 7 jeweils eine dritte Spule positioniert ist und beide dritte Spulen zueinander seriell verschaltet sind.
In einer dritten Untervariante der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündspule gemäß 3D ist die dritte Spule 9 seitlich zur Mantelfläche der ersten Spule 1 und der zweiten Spule 8, bevorzugt seitlich zur Mantelfläche der außenseitigen angeordneten zweiten Spule 8, positioniert. Aufgrund der seitlichen Positionierung der dritten Spule 9 zur ersten und zur zweiten Spule 1 und 8 ist die Bauform der erfindungsgemäßen Zündspule in der dritten Untervariante der zweiten Ausführungsform gegenüber allen bisher vorgestellten Untervarianten und Ausführungsformen zwar geringfügig verschlechtert. Auf Kosten der geringeren Kompaktheit der erfindungsgemäßen Zündspule sind in der dritten Untervariante aber aufgrund des größeren Abstandes der dritten Spule 9 zum Magnetkern 7 geringere Wirbelstromverluste im Magnetkern 7, d.h. geringere Hochfrequenzverluste der von einem Hochfrequenzstrom durchflossenen dritten Spule 9, realisierbar. Auch die magnetische und induktive Kopplung zwischen der dritten Spule 9 und den beiden Spulen der erfindungsgemäßen Zündspule, insbesondere der primärseitig angeordneten ersten Spule 1, ist aufgrund des größeren Abstandes zwischen der dritten Spule 9 und dem Magnetkern 7 minimiert. Schließlich ist in der dritten Untervariante eine höhere Induktivität für die dritte Spule 9 verwirklichbar, da Freiräume zur Verlängerung der dritten Spule 9 und zur Vergrößerung der Querschnittsfläche der dritten Spule 9 gegeben sind.
Neben der Minimierung der magnetischen Kopplung zwischen der dritten Spule 9 und den beiden anderen Spulen der erfindungsgemäßen Zündspule, insbesondere der primärseitige angeordneten ersten Spule 1, ist zusätzlich das elektrische Einkoppeln der Hochfrequenzspannung vom Hochfrequenzanschluss 12 in die sekundärseitig angeordnete zweite Spule 8 vorteilhaft zu minimieren. Die Minimierung des elektrischen Einkoppelns der Hochfrequenzspannung vom Hochfrequenzanschluss 12 in die zweite Spule 8 wird im Folgenden anhand der 4A bis 4C im Detail erläutert:

In einer ersten Variante zur Minimierung des elektrischen Einkoppelns der Hochfrequenzspannung vom Hochfrequenzanschluss 12 in die zweite Spule 8 gemäß 4A ist zwischen dem Hochfrequenzanschluss 12 und der sekundärseitig angeordneten zweiten Spule 8 ein ohmsche Widerstand 22 geschaltet. Um eine möglichst kompakte Bauform für die erfindungsgemäße Zündspule zu erzielen, ist der ohmsche Widerstand 22 bevorzugt in einem von der ersten Spule 1, der zweiten Spule 8 und der dritten Spule 9 noch nicht benutzten Raum seitlich von einer der beiden Stirnflächen 21 des Magnetkerns 7 zu positionieren.

Der ohmsche Widerstand 22 ist so dimensioniert, dass ein von der Hochfrequenzspannung am Hochfrequenzanschluss 12 getriebener Hochfrequenzstrom derart gedämpft wird, dass durch die zweite Spule 8 nur ein vergleichsweise geringer Hochfrequenzstrom fließt. Der ohmsche Widerstand 22 ist außerdem in Relation zum ohmschen Widerstand innerhalb der zweiten Spule 8 so zu dimensionieren, dass der Hochfrequenzspannungspegel am Übergang zwischen der zweiten Spule 8 und dem ohmschen Widerstand 22 deutlich niedriger als am Hochfrequenzanschluss 12 ist.
Der ohmsche Widerstand 22 dämpft als zusätzlichen positiven Effekt auch den durch den Hochspannungsimpuls getriebenen Zündkerzenstrom. Dieser Zündkerzenstrom, der eine Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Brennkammer verursacht, ist mit einem durch den Zündvorgang verursachten höherfrequenten Störstrom überlagert. Der im Zündkerzenstrom überlagerte höherfrequente Störstrom wird nachteilig als EMV-Störung aus der Zündkerze ausgekoppelt und in der Zuleitung der Zündkerze abgestrahlt. Da der Pegel des höherfrequenten Störstroms vom Pegel des Zündkerzenstroms abhängig ist, kann durch die Dämpfung des Zündkerzenstroms mittels des ohmschen Widerstands 22 die EMV-Abstrahlung wirksam vermindert werden.
In einer zweiten Variante zur Minimierung des elektrischen Einkoppelns der Hochfrequenzspannung vom Hochfrequenzanschluss 12 in die zweite Spule 8 gemäß 4B ist eine weitere Spule 23, die hierbei und im Folgenden als vierte Spule 23 bezeichnet wird, zwischen dem Hochfrequenzanschluss 12 und der sekundärseitig angeordneten zweiten Spule 8 geschaltet. Diese vierte Spule 23 ist als Hochfrequenzspule ausgebildet und somit im Hinblick auf eine Minimierung der Hochfrequenzverluste als Luftspule realisiert. Bevorzugt ist die vierte Spule 23 als Drosselspule ausgebildet und dämpft mit ihrer induktiven Impedanz die am Hochfrequenzanschluss 12 eingespeiste Hochfrequenzspannung. Am Übergang zwischen der vierten Spule 23 und der zweiten Spule 8 liegt folglich ein Hochfrequenzspannungspegel an, der gegenüber dem Spannungspegel der Hochfrequenzspannung am Hochfrequenzanschluss 12 deutlich reduziert ist.
Im Hinblick auf eine kompakte Bauform der erfindungsgemäßen Zündspule ist die als Luftspule realisierte vierte Spule 23 in Analogie zur dritten Spule 9 in der ersten Untervariante der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündspule seitlich beabstandet zu einer Stirnfläche 21 des Magnetkerns 7 positioniert und umschließt den aus dem Magnetkern 7 herausragenden Bereich der ersten Spule 1 und der zweiten Spule 8. Gemäß 4B sind die dritte Spule 9 und die vierte Spule 23 jeweils seitlich beabstandet zu zwei verschiedenen Stirnflächen 21 des Magnetkerns 7 positioniert, sodass eine erfindungsgemäße Zündspule mit höchster Kompaktheit realisiert ist.
Die Querschnittsfläche der vierten Spule 23 ist in Analogie zur Querschnittsfläche der dritten Spule 9 parallel zu einer Stirnfläche 21 des Magnetkerns 7 orientiert. Auf diese Weise sind die Magnetfelder sowohl der dritten Spule 9 als auch der vierten Spule 23 jeweils orthogonal zur Richtung des Magnetflusses der ersten Spule 1 und der zweiten Spule 8 innerhalb des Magnetkerns 7 orientiert. Somit ist die magnetische und induktive Kopplung der dritten Spule 9 und auch der vierten Spule 23 zur ersten Spule 1 und zur zweiten Spule 8 minimiert.
Gemäß 4C kann die vierte Spule 23 in Analogie zur dritten Spule in der zweiten Untervariante der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündspule seitlich beabstandet zu einer Stirnfläche 21 des Magnetkerns 7 positioniert sein und gleichzeitig mit ihrer Querschnittfläche senkrecht zu einer Stirnfläche 21 des Magnetkerns 7 orientiert sein. Die dritte Spule 9 und die vierte Spule 23 können gemäß 4C jeweils seitlich beabstandet zu zwei verschiedenen Stirnflächen 21 des Magnetkerns 7 positioniert sein.
In Analogie zur Erweiterung der zweiten Untervariante der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündspule können im Hinblick auf eine Erhöhung der Induktivität der vierten Spule 23 mehrere vierte Spule 23 seriell verschaltet sein und platzoptimiert innerhalb der erfindungsgemäßen Zündspule angeordnet sein.
In einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündspule, die in 5 dargestellt ist, ist im Hinblick auf eine kompakte Bauform die dritte Spule 9 im Verbindungsschacht 24 eines Motorblockes 25 angeordnet. Die dritte Spule 9 ist hierbei seitlich zur Mantelfläche der ersten Spule 1 und der zweiten Spule 8, bevorzugt seitlich zur Mantelfläche der außenseitig angeordneten zweiten Spule 8, positioniert.
Die Querschnittsfläche der dritten Spule 9 ist hierbei parallel zu einer Stirnfläche 21 des Magnetkerns 7 orientiert. Auf diese Weise ist das Magnetfeld der dritten Spule 9 orthogonal zum Magnetfluss der ersten Spule 1 und der zweiten Spule 8 orientiert, der im Magnetkern 7 geführt und konzentriert ist. Somit ist die magnetische und induktive Kopplung zwischen der dritten Spule 9 und der primärseitige angeordneten ersten Spule 1 mit Ausnahme der Kopplung durch den Streufluss minimiert.
Das Gehäuse 19 der erfindungsgemäßen Zündspule, das in 5 gestrichelt angedeutet ist, ist so ausgelegt, dass es alle Komponenten der erfindungsgemäßen Zündspule enthält und in den Verbindungsschacht 24 des Motorblockes 25 einführbar ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Bezugszeichenliste

1: erste Spule
2: Gleichspannungsanschluss
3: Schalter
4: Gleichspannungsquelle
5: Masseanschluss
6: Zündkerze
7: Magnetkern
8: zweite Spule
9: dritte Spule
9₁, 9₂, 9₃, 9₄: dritte Spule
10: Masseanschluss
11: Hochspannungsanschluss
12,12': Hochfrequenzanschluss
13: Hochfrequenzspannungsquelle
14: Bandpassfilter
15: Kondensator
16: Hauptschenkel
17₁,17₂: Rückschlussschenkel
18₁,18₂: Joch
19: Gehäuse
20: Vergussmasse
21: Stirnfläche
22: ohmsche Widerstand
23: vierte Spule
24: Verbindungschacht
25: Motorblock
26: Folie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9777695 B2 [0007]

Claims

Zündspule zur Erzeugung eines Hochspannungsimpulses mit einer überlagerten Hochfrequenzspannung umfassend eine primärseitig angeordnete erste Spule (1), eine sekundärseitig angeordnete zweite Spule (8), einen Magnetkern (7) und eine dritte Spule (9; 9₁, 9₂, 9₃, 9₄), wobei Windungen der ersten Spule (1) und der zweiten Spule (8) um den Magnetkern (7) gewickelt sind, wobei die zweite Spule (8) und die dritte Spule (9; 9₁, 9₂, 9₃, 9₄) miteinander elektrisch verbunden sind, wobei ein Hochfrequenzanschluss (12) zur Einspeisung einer Hochfrequenzspannung in die Zündspule mit der zweiten Spule (8) und der dritten Spule (9; 9₁, 9₂, 9₃, 9₄) elektrisch verbunden ist.
Zündspule nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Spule (1), der zweiten Spule (8), der dritten Spule (9; 9₁, 9₂, 9₃, 9₄) und dem Magnetkern (7) jeweils ein Abstandselement aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet ist, durch das die erste Spule (1), die zweite Spule (8), die dritte Spule (9; 9₁, 9₂, 9₃, 9₄) und der Magnetkern (7) jeweils zueinander positioniert und orientiert sind.
Zündspule nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Windungen der dritten Spule (9; 9₁, 9₂, 9₃, 9₄) um den Magnetkern (7) gewickelt sind.
Zündspule nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils aufeinander folgende Windungen der dritten Spule (9; 9₁, 9₂, 9₃, 9₄) jeweils einen größeren Abstand und/oder einen größeren Drahtdurchmesser als jeweils aufeinander folgende Windungen der zweiten Spule (8) aufweisen.
Zündspule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Spule (9; 9₁, 9₂, 9₃, 9₄) die erste Spule (1) und die zweite Spule (8) umschließt und von der ersten Spule (1) bzw. der zweiten Spule (8) durch eine Folie (26) aus einem magnetisierbaren Material getrennt positioniert ist.
Zündspule nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Spule (9; 9₁, 9₂, 9₃, 9₄) als eine Hochfrequenzspule, bevorzugt als eine Luftspule, ausgebildet ist.
Zündspule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Spule (9; 9₁, 9₂, 9₃, 9₄), deren Windungen jeweils seitlich beabstandet zu einer Stirnfläche (21) des Magnetkerns (7) positioniert sind und deren Querschnittsfläche parallel zur Stirnfläche (21) des Magnetkerns (7) orientiert ist, zumindest einen Bereich der ersten Spule (1) und/oder der zweiten Spule (8) umschließt.
Zündspule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Windungen der dritten Spule (9; 9₁, 9₂, 9₃, 9₄) jeweils seitlich beabstandet zu einer Stirnfläche (21) des Magnetkerns (7) positioniert sind und deren Querschnittsfläche senkrecht zur Stirnfläche (21) des Magnetkerns (7) orientiert ist.
Zündspule nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur dritten Spule (9; 9₁, 9₂, 9₃, 9₄) eine weitere dritte Spule (9; 9₁, 9₂, 9₃, 9₄) seriell geschaltet ist, deren Windungen jeweils seitlich beabstandet zur Stirnfläche (21) des Magnetkerns (7) positioniert ist und deren Querschnittsfläche senkrecht zur Stirnfläche (21) des Magnetkerns (7) orientiert ist.
Zündspule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Spule (9; 9₁, 9₂, 9₃, 9₄) seitlich beabstandet zu einer Mantelfläche der ersten Spule (1) und/oder der zweiten Spule (8) positioniert ist und eine Längsachse der dritten Spule (9; 9₁, 9₂, 9₃, 9₄) parallel zu einer Längsachse der ersten Spule (1) und/oder der zweiten Spule (8) orientiert ist.
Zündspule nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Spule (8) und dem Hochfrequenzanschluss (12) eine vierte Spule (23) geschaltet und angeordnet ist, die als Hochfrequenzspule, bevorzugt als Drosselspule, ausgebildet ist.
Zündspule nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Windungen der vierten Spule (23) jeweils seitlich beabstandet zu einer Stirnfläche (21) des Magnetkerns (7) positioniert sind, wobei eine Querschnittsfläche der vierten Spule (23) entweder parallel oder parallel zur Stirnfläche (21) des Magnetkerns (7) orientiert ist.
Zündspule nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Spule (8) und dem Hochfrequenzanschluss (12) ein ohmscher Widerstand (22) geschaltet und angeordnet ist.
Anordnung zur Integration einer Zündspule und eines Bandpassfilters (14) umfassend die Zündspule gemäß einem der vorangehenden Ansprüche und das Bandpassfilter (14), welches einen Kondensator (15) und die dritte Spule (9; 9₁, 9₂, 9₃, 9₄) der Zündspule aufweist.
Motorblock (25) mit einer integrierten Zündspule umfassend die Zündspule gemäß Patentanspruch 1 oder 2, wobei der Motorblock (25) einen Verbindungsschacht (24) zur Verbindung der Zündspule mit einer Zündkerze aufweist, wobei eine Querschnittsfläche der dritten Spule (9; 9₁, 9₂, 9₃, 9₄) der Zündspule jeweils senkrecht zu einer Querschnittsfläche der ersten Spule (1) und/oder der zweiten Spule (8) orientiert ist, wobei die dritte Spule (9; 9₁, 9₂, 9₃, 9₄) im Verbindungsschacht (24) angeordnet ist.