DE1064292B

DE1064292B - Ignition device for internal combustion engines

Info

Publication number: DE1064292B
Application number: DES47123A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Nat Helmut Dietz; Dipl-Ing Ottokar Halla
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1956-01-19
Filing date: 1956-01-19
Publication date: 1959-08-27

Description

DEUTSCHESGERMAN

Bei Brennkraftmaschinen mit elektrischer Zündung des Brennstoffluftgemisches wird meist die sogenannte Batteriezündung angewendet. Hierbei dient als Energiequelle eine Batterie, an welche über einen Unterbrecherkontakt die Primärwicklung eines Zündtransformators angeschlossen ist, welcher als Zündspule bezeichnet wird. Im Zündaugenblick wird der Primärkreis unterbrochen und die im Kern aufgespeicherte Energie in der Sekundärwicklung mit hoher Windungszahl in den hochgespannten Zündimpuls umgeformt.In internal combustion engines with electrical ignition of the fuel-air mixture, the so-called Battery ignition applied. Here, a battery serves as the energy source, to which a Interrupter contact is connected to the primary winding of an ignition transformer, which acts as an ignition coil referred to as. At the moment of ignition, the primary circuit is interrupted and the one stored in the core Energy in the secondary winding with a high number of turns in the high voltage ignition pulse reshaped.

Die Zündspule wird mit einem stabförmigen Kern ausgeführt, auf den zunächst die Sekundärwicklung und dann die Primärwicklung aufgebracht wird. Diese Anordnung ist nötig, um die in der Primärwicklung entstehende Wärme leichter ableiten zu können. Trotzdem bietet die Wärmeableitung ganz erhebliche Schwierigkeiten, da die Strombelastung der Primärwicklung sehr hoch ist, so hoch, daß sie einen dauernden Stromfluß nicht aushalten würde.The ignition coil is designed with a rod-shaped core on which the secondary winding is first placed and then the primary winding is applied. This arrangement is necessary for that in the primary winding to be able to dissipate the resulting heat more easily. Nevertheless, the heat dissipation offers quite considerable Difficulties, since the current load on the primary winding is very high, so high that they have a would not withstand continuous flow of current.

Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Zündspule ist ferner, daß bei hoher Drehzahl der Kraftmaschine der Primärstrom nicht seinen durch den ohmschen Widerstand der Primärwicklung bestimmten Endwert erreicht und damit auch die im Zündspulenkern aufgespeicherte Energie wesentlich geringer als die maximal erreichbare bleibt. Dies wirkt sich darin aus, daß bei hohen Drehzahlen die Zündimpulse schwach werden. Die Erscheinung bildet sogar eine konstruktive Grenze für die Erhöhung der Drehzahl von Verbrennungskraftmaschinen. Es ist nämlich bei der üblichen Ausführung der Zündspule nicht möglich, die für den Feldaufbau maßgebende Zeitkonstante der Primärwicklung mit vertretbarem Aufwand zu verkleinern. Dies könnte nur durch Erhöhung der Batterieleistung erfolgen, was sich jedoch im Interesse einer Kleinhaltung der Batterieanlage verbietet. Um auch bei kleinen Zündenergien genügend hohe Spannungsspitzen an der Zündkerze zu erhalten, könnte man noch die Sekundärwindungszahl erhöhen. Dies führt jedoch unter anderem zu einer sehr unwirtschaftlichen Ausbildung der Zündspule und wurde deshalb auch nicht angewendet.Another major disadvantage of the known ignition coil is that at high engine speed the primary current does not reach its final value determined by the ohmic resistance of the primary winding reached and thus also the energy stored in the ignition coil core is significantly less than that maximum achievable remains. The effect of this is that the ignition pulses are triggered at high speeds get weak. The phenomenon even forms a constructive limit for increasing the speed of internal combustion engines. With the usual design of the ignition coil, it is not possible to the time constant of the primary winding, which is decisive for the field build-up, with a reasonable amount of effort to zoom out. This could only be done by increasing the battery power, which however can in the interest of keeping the battery system small. To be sufficient even with low ignition energies To get high voltage peaks at the spark plug, you could still use the number of secondary turns raise. However, this leads, among other things, to a very uneconomical design of the ignition coil and was therefore not applied.

Zur Verringerung der Feldaufbauzeit hat man bereits den Eisenkern der Zündspule geschlossen ausgebildet. Bei einer solchen Zündspule kann man jedoch die bisher übliche Betriebsweise nicht beibehalten, da man wegen der Remanenz im wesentlichen ständig im Sättigungsgebiet arbeiten würde. Es ist daher erforderlich, die Magnetisierungseinrichtung periodisch umzukehren. Bei einer bekannten Zündspule wird zu diesem Zweck die Primärwicklung bei jedem Zündvorgang umgepolt. Eine andere bekannte Zündspule ist mit einer dauernd gleichstrom-To reduce the field build-up time, the iron core of the ignition coil has already been designed to be closed. With such an ignition coil, however, the usual mode of operation cannot be retained, because one would work essentially constantly in the saturation area because of the remanence. It is therefore necessary to periodically reverse the magnetizer. With a well-known For this purpose, the polarity of the ignition coil is reversed with each ignition process. Another well-known Ignition coil is equipped with a continuous direct current

Zündeinrichtung für BrennkraftmaschinenIgnition device for internal combustion engines

Anmelder:Applicant:

Siemens-SchuckertwerkeSiemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,Corporation,

Berlin und Erlangen,Berlin and Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. phil. nat. Helmut Dietz, Nürnberg,Dr. phil. nat. Helmut Dietz, Nuremberg,

und Dipl.-Ing. Ottokar Halla, Heckenhof bei Nürnberg, sind als Erfinder genannt wordenand Dipl.-Ing. Ottokar Halla, Heckenhof near Nuremberg, have been named as inventors

durchfiossenen Zusatzwicklung versehen, die für sich einen Sättigungszustand des Eisenkerns hervorruft, während das Zusammenwirken von Primär- und Zusatzwicklung den entgegengesetzten Sättigungszustand herbeiführt. Der Zündfunke tritt in dem Augenblick auf, in dem durch Zuschalten der Primärwicklung der Fluß umgekehrt wird. Der Stromkreis der Zusatzwicklung ist über zwei Unterbrecherkontakte geführt, deren Schließungszeiten sich überlappen. provided through-filled additional winding, which in itself causes the iron core to be saturated, while the interaction of the primary and auxiliary winding has the opposite saturation state brings about. The ignition spark occurs at the moment when the primary winding is switched on the flow is reversed. The circuit of the additional winding is via two break contacts whose closing times overlap.

Diese beiden bekannten Zündspulen haben einen wesentlichen Nachteil gemeinsam, daß nämlich die die Zündspannung induzierende Flußänderung vom Einschalten der Primärwicklung und nicht von der freien Entladung einer im Kern gespeicherten Energie herrührt. Beide wirken nach Art eines Impulstransformators durch Übersetzung des beim Einschalten entstehenden Primärimpulses in den Sekundärkreis. Bei Zündspulen ist es jedoch für eine zufriedenstellende Arbeitsweise erforderlich, daß der Zündfunken beim Unterbrechen des Primärstromes entsteht.These two known ignition coils have one major disadvantage in common, namely that the the flux change inducing the ignition voltage from the switching on of the primary winding and not from the free discharge of an energy stored in the core. Both act like a pulse transformer by translating the primary pulse generated when switching on into the secondary circuit. In ignition coils, however, it is necessary for satisfactory operation that the Ignition spark occurs when the primary current is interrupted.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine solche Arbeitsweise nur dann erzielt werden kann, wenn die dauernde Gleichstromdurchflutung wenigstens annähernd konstant gehalten wird, so daß die Kernenergie sich nur in den Sekundärkreis entladen kann und nicht auch im Kreis der Zusatzwicklung einen dort völlig nutzlosen Impuls erzeugt. The invention is based on the knowledge that such a mode of operation can only be achieved can, if the continuous direct current flow is kept at least approximately constant, so that the nuclear energy can only discharge into the secondary circuit and does not also generate a completely useless pulse in the circuit of the additional winding.

Die Erfindung geht aus von einer Zündeinrichtung für Brennkraftmaschinen mit einer Zündspule mit geschlossenem Eisenkern, die eine Primärwicklung, eine Sekundärwicklung und eine dauernd gleichstromdurchflossene Zusatzwicklung aufweist, die für sichThe invention is based on an ignition device for internal combustion engines with an ignition coil closed iron core, a primary winding, a secondary winding and a continuous direct current flowing through it Has additional winding that for itself

909 609/235909 609/235

einen Sättigungszustand des Eisenkerns hervorruft, während das Zusammenwirken von Primär- und Zusatzwicklung den entgegengesetzten Sättigungszustand herbeiführt, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzwicklung in einem vom Primärkreis unabhängigen, an eine konstante Spannungsquelle angeschlossenen Vormagnetisierungskreis mit einer Glättungsdrossel solcher Induktivität angeordnet ist, daß der bei der Zündunterbrechung des Primärkreises im Vormagnetisierungskreis induzierte Impuls weitgehend unterdrückt und die magnetische Energie des Kerns in den Sekundärkreis entladen wird.creates a saturation state of the iron core, while the interaction of primary and Additional winding brings about the opposite state of saturation, and is characterized by that the additional winding is independent of the primary circuit and connected to a constant voltage source Bias circuit is arranged with a smoothing choke of such inductance, that the pulse induced in the premagnetization circuit when the primary circuit is interrupted to a large extent suppressed and the magnetic energy of the core is discharged into the secondary circuit.

Durch die Erfindung wird gegenüber allen bekannten Zündspulen der wesentliche Fortschritt erzielt, daß der Strom im Sekundärkreis, d. h. also der Funkenstrom, für die gesamte Funkendauer konstant gehalten wird. Er bestimmt sich nämlich, wie sich auch theoretisch zeigen läßt, aus dem Betrag der konstanten Vormagnetisierungsdurchflutung und ist dieser proportional. Dagegen ist die Spannung an der Funkenstrecke völlig freigegeben und steigt so lange an, bis der Funken zündet. Änderungen des Widerstandes der Sekundärwicklung wirken sich ausschließlich auf die Dauer des Funkenstromes, nicht aber auf dessen Höhe aus; je kleiner der Widerstand, desto länger fließt der Funkenstrom.The invention achieves the essential advance over all known ignition coils, that the current in the secondary circuit, d. H. i.e. the spark current, constant for the entire spark duration is held. It is determined, as can also be shown theoretically, from the amount of the constant Pre-magnetization flux and is proportional to this. On the other hand, the tension is on the Spark gap is completely released and increases until the spark ignites. Changes in resistance the secondary winding only affect the duration of the spark current, but not its height from; the smaller the resistance, the longer the spark current flows.

Es ist einleuchtend, daß ein derartiger Zündfunken günstiger ist als die bisher üblichen, mit etwa dreieckförmigem Stromverlauf. Besonders bei armen Gemischen mit inhomogener Brennstoffverteilung sorgt ein konstanter Funkenstrom für sichere Zündung.It is obvious that such an ignition spark is more favorable than the previously usual, roughly triangular one Current curve. Especially with poor mixtures with inhomogeneous fuel distribution a constant spark current for safe ignition.

Der Erfindungsgegenstand ist nicht zu verwechseln mit bekannten Zündspulen, die zur Verbesserung des Anlaßvorganges mit Tertiärwicklungen ausgerüstet sind, wodurch beispielsweise beim Anlassen die Primärdurchflutung erhöht bzw. die Zündspule auf eine andere Steilheit der Magnetisierungslinie eingestellt werden kann. Die Vormagnetisierungswicklung der neuen Zündspule ist dauernd, also auch im Normalbetrieb, von konstantem Strom durchflossen und sorgt dafür, daß bei jedem Zündvorgang die gesamte Magnetisierungsschleife von einem Sättigungsgebiet in das andere durchfahren wird. Primär- und Vormagnetisierungsstrom stehen miteinander nur insofern in einem gewissen Zusammenhang, als die Primärdurchflutung größer als die Vormagnetisierungsdurchflutung sein muß.The subject of the invention is not to be confused with known ignition coils that are used to improve the Starting process are equipped with tertiary windings, which means, for example, when starting the Primary flow increased or the ignition coil set to a different slope of the magnetization line can be. The bias winding of the new ignition coil is permanent, i.e. also in the Normal operation, with constant current flowing through it and ensures that the entire Magnetization loop is passed through from one saturation area to the other. Primary and The bias currents are only related to one another to a certain extent as the Primary flow must be greater than the premagnetization flow.

Besonders vorteilhaft ist für die vorliegende Anordnung die Verwendung von Kernmaterialien hoher Permeabilität und annähernd rechteckförmiger Magnetisierungsschleife, da dann bereits mit geringer Primärdurchflutung die maximale Induktion erreicht werden kann. In diesem Sinne können die bekannten Texturwerkstoffe mit \^rorzugsrichtung bei besonders hohen Anforderungen an die Zündanlage als bestens geeignet bezeichnet werden. Es seien hier kaltgewalzte Silizium- und Nickeleisenbleche genannt, z. B. die unter den Warenbezeichnungen Oriented M7X und Permenorm 5000Z im Handel erhältlichen. Jedoch erzielt man in normalen Anordnungen auch mit den üblichen Kernwerkstoffen bereits gute Erfolge.The use of core materials of high permeability and an approximately rectangular magnetization loop is particularly advantageous for the present arrangement, since the maximum induction can then be achieved even with a low primary flow. In this sense, the familiar texture of materials can be referred to as \ ^r orzugsrichtung at particularly high demands on the ignition system as ideal. Cold-rolled silicon and nickel iron sheets are mentioned here, e.g. B. under the trade names Oriented M7X and Permenorm 5000Z commercially available. However, good results can be achieved in normal arrangements even with the usual core materials.

Als Blechschnitte sind von besonderem Vorteil die bekannten L-Schnitte und insbesondere U-Schnitte, deren Jochhöhe mindestens etwa doppelt so groß ist wie die Schenkelbreite und die so geschichtet sind, daß sie Kerne ergeben, bei denen Luftspalterscheinungen vermieden sind und die Eigenschaften des Kernwerkstoffes voll zur Wirkung kommen. Die Kerne können vorteilhaft so bewickelt werden, daß die Hochspannung führende Sekundärwicklung von der Niederspannungswicklung getrennt auf dem zweiten Schenkel aufgebracht ist. Damit ergeben sich gegen die gebräuchliche Anordnung, außerdem günstigere Isolations- und thermische Verhältnisse.The known L-cuts and especially U-cuts are particularly advantageous as sheet metal cuts, whose yoke height is at least about twice as large as the width of the legs and which are so layered, that they result in cores in which air gap phenomena are avoided and the properties of the Core material come into full effect. The cores can advantageously be wound so that the high-voltage secondary winding is separated from the low-voltage winding on the second Leg is applied. This also results in a more favorable arrangement compared to the conventional arrangement Insulation and thermal conditions.

Für die Glättungsdrossel genügt ein Kern für eine Leistung von einigen Watt. Entsprechende Drosselkerne sind billig und so klein, daß sie gemeinsam mit der erfindungsgemäßen Zündspule leicht in den Gehäusen Platz finden, die für die bisher üblichen Zündspulen benötigt werden. Für diesen Einbau ist noch besonders vorteilhaft, daß wegen der wesentlich geringeren Energieverluste in der Primärwicklung gegenüber den bekannten Anordnungen auch die Erwärmung der Zündspule bedeutend niedriger liegt. Die Zündspule wird auch im Dauerbetrieb höchstens handwarm, da die Windungszahl und damit der Widerstand der Primärwicklung auf einen Bruchteil der bisher verwendeten gesenkt werden kann. Es ist daher meistens notwendig, im Stromkreis der Primärwicklung einen Widerstand einzubauen, um einen zu hohen Primärstrom zu verhindern. Diesen Strombegrenzungswiderstand kann man vorteilhaft außerhalb des Zündspulengehäuses anordnen, wo seine Kühlung auf einfachste Weise möglich ist.For the smoothing choke, one core is sufficient for an output of a few watts. Corresponding choke cores are cheap and so small that they can easily be put into the housings together with the ignition coil according to the invention Find space that is required for the ignition coils that have been used up to now. For this installation is still particularly advantageous that because of the significantly lower energy losses in the primary winding compared to the known arrangements, the heating of the ignition coil is significantly lower. The ignition coil is at most lukewarm, even in continuous operation, because the number of turns and thus the Resistance of the primary winding can be reduced to a fraction of that previously used. It is therefore mostly necessary to build a resistor in the circuit of the primary winding to get one to prevent high primary current. This current limiting resistor can advantageously be used outside of the ignition coil housing where its cooling is possible in the simplest possible way.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, welches in der Zeichnung schematisch dargestellt ist.Details of the invention emerge from the following description of an exemplary embodiment, which is shown schematically in the drawing is.

Darin ist mit 1 der geschlossene Eisenkern der Zündspule bezeichnet, welcher aus U-Schnitten mit doppelter Jochbreite geschichtet ist. Auf dem linken Schenkel sind nebeneinander Primärwicklung 3 und Vormagnetisierungswicklung 2 aufgebracht, während der rechte Schenkel die Sekundärwicklung 4 trägt. Die Windungen 2 und 3 sind aneinander angeschlossen und der Verbindungspunkt ist über den Schalter 7 an den einen Pol der Batterie 6 gelegt. Das andere Ende der Primärwicklung kann mit dem Anfang der Sekundärwicklung sowie über den Strombegrenzungswiderstand 8 und den Unterbrecher 10 mit dem zweiten Pol der Batterie 6 verbunden werden. Schließlich liegt das zweite Ende der Vormagnetisierungswicklung 2 über einer Stabilisierungsdrossel 5 an dem gleichen Pol der Batterie 6. Der Unterbrecher 10 ist in üblicher Weise mit einem Kondensator 9 überbrückt und wird von einer Nockenscheibe betätigt, deren Achse 11 mit der Achse 12 des üblichen Verteilers 13 in unmittelbarer oder übersetzter Verbindung steht. Der rotierende Arm des Verteilers 13 steht mit dem Hochspannung führenden Ende der Sekundärwicklung 4 in Verbindung und überträgt die Zündimpulse auf die einzelnen Zündkerzen 14. Wie bereits angedeutet, ist die Zündspule mit der Drossel 5 in einem Gehäuse 15 untergebracht, welches die gleichen Abmessungen wie die bisher verwendeten Gehäuse und auch bis auf eine Stromzuführungsklemme für die Vormagnetisierungswicklung die gleichen Anschlüsse besitzt.It denotes the closed iron core of the ignition coil with 1, which is made up of U-cuts double yoke width is layered. On the left leg there are primary windings 3 and 3 next to each other Bias winding 2 applied, while the right leg carries the secondary winding 4. The turns 2 and 3 are connected to one another and the connection point is via the switch 7 placed on one pole of the battery 6. The other end of the primary winding can start with the Secondary winding and the current limiting resistor 8 and the interrupter 10 with the second Pole of the battery 6 are connected. Finally, the second end of the bias winding is located 2 via a stabilizing choke 5 at the same pole of the battery 6. The breaker 10 is bridged in the usual way with a capacitor 9 and is actuated by a cam disk, whose axis 11 with the axis 12 of the usual distributor 13 in direct or translated connection stands. The rotating arm of the distributor 13 is connected to the high voltage leading end of the Secondary winding 4 in connection and transmits the ignition pulses to the individual spark plugs 14. How already indicated, the ignition coil with the throttle 5 is housed in a housing 15, which is the same Dimensions like the previously used housing and also except for a power supply terminal has the same connections for the bias winding.

Es sei abschließend noch bemerkt, daß die erfindungsgemäße Zündeinrichtung nicht nur mit den üblichen Kontaktunterbrechern, sondern auch mit Halbleitern zur Unterbrechung des Primärstromkreises ausgestattet werden kann. Derartige Halbleiterunterbrecher sind bereits mehrfach vorgeschlagen worden.In conclusion, it should be noted that the ignition device according to the invention is not only compatible with the usual Contact breakers, but also with semiconductors to interrupt the primary circuit can be equipped. Such semiconductor breakers have already been proposed several times been.

Claims

Patent claims:

1. Ignition device for internal combustion engines with an ignition coil with a closed iron core,

one primary winding, one secondary winding and one additional winding through which direct current flows continuously which in itself causes the iron core to become saturated, while the The interaction of the primary and additional windings brings about the opposite saturation state, characterized in that the additional winding is in a Bias circuit connected to a constant voltage source with a smoothing choke such inductance is arranged that the ignition interruption of the primary circuit The impulse induced in the bias circuit is largely suppressed and the magnetic Energy of the core is discharged into the secondary circuit.

2. Ignition device according to claim 1, characterized in that the ignition coil core from There are L-sections with a wider yoke.

3. Ignition device according to claim 1, characterized in that the ignition coil core from U-cuts is layered, the yoke height at least about twice as large as the leg width is.

4. Ignition device according to one of claims 1 to 3, characterized in that pre-magnetization and the primary winding of the ignition coil are wound on the same leg.

5. Ignition device according to one of claims 1 to 4, characterized in that a core material high permeability and almost rectangular magnetization loop is used.

6. Ignition device according to one of the preceding claims, characterized in that the ignition coil and the switching elements required for the premagnetization in a housing, in particular from the size of the usual ignition coil housing.

Considered publications:

German Patent No. 569,656;

Swiss patents No. 119 552,
454, 223 136;

French patents Nos. 388 734, 869 760, 027 954, 1 058 103, 1 095 642;

British Patent Nos. 199 879, 334 802;

U.S. Patent Nos. 1,487,210, 1,534,384,
547 635, 1 585 402, 1 608 891.

1 sheet of drawings