DE19833190A1 - Zündspule - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zündspule mit einer Primärspule, einer Sekundärspule und einem Kern, auf dem die Primär- und Sekundärspule angeordnet sind. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zündspule anzugeben, mit welcher eine optimalere Verbrennung erzielt werden kann. DOLLAR A Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Primär- und die Sekundärwicklung derart ausgebildet sind, um einen überwiegenden Teil der in der Zündspule gespeicherten Energie innerhalb eines Zeitraums von 20-100 musec während der Durchbruchs- und Funkenentladungsphase abzugeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündspule gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Zündspule hat allgemein die Aufgabe, die von einer Batterie bereitge­ stellte Spannung zu transformieren. Dabei wird die Zündenergie kurzzeitig gespeichert und dann über die Zündleitungen in Form eines Hochspan­ nungs-Stromstoßes an die Zündkerzen abgegeben.

Eine herkömmliche Zündspule umfaßt einen Kern aus laminiertem Eisen­ blech, auf dem sich eine Hochspannungswicklung aus dünnem und darüber eine Primärwicklung aus dickerem Kupferdraht befindet.

Ferner sind Hochleistungszündspulen bekannt, die für hohe Zündspannun­ gen und eine hohe Funkenzahl ausgelegt sind. Um eine höhere Funkenzahl je Minute bei hoher Zündspannung zu erreichen, ist es notwendig, daß der Primärstrom größer wird und außerdem schneller ansteigt. Dies kann man durch eine Verringerung des Widerstandes der Primärwicklung sowie eine Verringerung der Induktivität durch Verkleinerung der Windungszahl der Pri­ märwicklung erreichen.

Bei den meisten Zündspulen wurde versucht, diese, insbesondere die Se­ kundärseite, so auszubilden, daß eine hohe Zündspannung erreicht wird.

So ist aus der WO 97/41574 eine Zündspule bekannt, deren Sekundärwick­ lung Unterwicklungen besitzt, welche von einer Primärspule gleichzeitig er­ regt werden. Die Spannungen der einzelnen Spulen addieren sich zu einer Gesamtspannung, welche jeweils einer Zündeinheit zugeführt wird. Mit die­ ser Maßnahme läßt sich eine hohe Spannung innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums nach der Zündung erzeugen.

Bisher ist man davon ausgegangen, daß bei der Zündung des Gasgemi­ sches Vorgänge im Millisekundenbereich für die sichere Entflammung eine große Bedeutung besitzen. Dabei wird der größte Teil der Energie während der sogenannten Glimmphase bei relativ kleiner Stromstärke (z. B. 100 mA) und über relativ lange Zeit an das Gemisch übertragen. Die Temperatur wäh­ rend der Glimmphase ist bedingt durch den relativ geringen Strom niedrig.

Untersuchungen des Erfinders haben jedoch gezeigt, daß gerade die Vor­ gänge im Mikrosekundenbereich für eine sichere Entflammung und die Ent­ wicklung eines stabilen Flammenkerns ausschlaggebend sind, obwohl prin­ zipiell die Chance auf eine Entflammung der einzelnen Gasmoleküle sinkt. Die Untersuchungen haben weiter ergeben, daß in der Durchbruchs- und Funkenentladungsphase möglichst viel Energie auf das die Zündeinrichtung umgebende Gas übertragen werden soll. Dies bedeutet hohe Stromwerte. Durch die Übertragung eines Großteils der in der Zündspule gespeicherten Energie in der Durchbruchs- und Funken- bzw. Bogenentladungsphase las­ sen sich allgemein höhere Temperaturen und dadurch eine größere Anzahl von Start-Radikalen für die chemische Reaktion erzielen. Die damit verbes­ serte Entflammungsphase übt eine positive Wirkung auf eine Beschleuni­ gung der Verbrennung aus. Eine solche Wirkung kann durch die niedrigeren Temperaturen in der Glimmphase nicht erreicht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Zündspule der eingangs genannten Art anzugeben, mit welcher eine bessere Verbrennung erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmaie gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die in der Zündspule ge­ speicherte Energie möglichst schnell an das zu verbrennende Gas bzw. die Zündeinrichtung zu übertragen ist. Bei gegebener Spannung bzw. Energie muß hinsichtlich eines maximalen Stromes somit auf eine entsprechend konstruktive Ausgestaltung der Primär- und der Sekundärspule geachtet werden. Insbesondere sollte der den Strom begrenzende Innenwiderstand möglichst klein sein. Ausschlaggebend für den Widerstand bei einer Spule ist die Gesamtimpedanz, die sich aus dem ohmschen Widerstand und der Induktivität zusammensetzt. Die Gesamtimpedanz der Sekundärspule sollte erfindungsgemäß möglichst niedrig liegen, vorzugsweise unterhalb von 220 Ohm.

Da in die Gesamtimpedanz wesentlich die Induktivität mit eingeht, kann alter­ nativ die Induktivität möglichst niedrig angesetzt werden, nämlich kleiner 100 mH, insbesondere kleiner 40 mH.

Alternativ verändern sich die beiden vorgenannten Größen dann, wenn die Windungszahl auf der Sekundärspulenseite niedrig angesetzt wird, nämlich kleiner als 500 Windungen. Obwohl jedes einzelne Merkmal für sich bereits die Sekundärspule charakterisiert, kann diese natürlich auch durch eine Kombination aller drei Kenndaten festgelegt werden.

Da auch die in der Primärspule gespeicherte Energie wichtig ist und die phy­ sikalischen Formeln

und

wobei N die Windungszahl, U die induzierte Spannung, Φ den magnetischen Fluß durch beide Spulen, L die Induktivität und i den Strom in der Primär­ spule beschreibt, berücksichtigt werden müssen, sollte die Primärwicklung so gewählt werden, daß deren Impedanz bei 1000 Hz kleiner 2 Ohm und/oder deren Induktivität kleiner als 200 µH und/oder deren Windungs­ zahl kleiner 50 ist. Prinzipiell sollten

beide möglichst groß sein.

Ferner hat sich eine ringförmige oder ovale Ausbildung des Zündspulenkerns als vorteilhaft herausgestellt, wobei die Primär- und Sekundärspule winkel­ versetzt am Ring angeordnet sind. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Ring oder die ovale Ausführungsform des Ringes durch einen Luftspalt unterbrochen, der sich im Bereich der Primärspule be­ findet. Durch die Verwendung des Luftspaltes kann in der Primärspule in kürzerer Ladezeit wesentlich mehr Energie gespeichert werden, als wenn die Primärspule an einer Position außerhalb des Luftspaltbereiches angeordnet wäre. Die Induktivität der Spule über dem Luftspalt ist wesentlich geringer als die Induktivität einer Spule mit den selben Windungsdaten außerhalb des Luftspaltbereiches. Die Spule sollte daher relativ kurz gewickelt sein. Für die Sekundärspule ist die Lage außerhalb des Luftspaltes günstiger, weil dann mit einem geringeren Aufwand an Wicklungen die zur Erreichung der Zünd­ spannung notwendige Induktivität realisiert werden kann.

Aus Wirbelstromverlustgründen sollte der Kern vorzugsweise geblecht sein. Als Material für den Kern kann dabei ein nano-kristallines magnetisches Material, beispielsweise nano-kristallines Eisen oder entsprechende Eisen­ verbindungen, gewählt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figuren näher erläutert. Es zeigen die Zeichnungen in

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Zündspule mit Ringkern, Primärspule, Sekundärspule,

Fig. 2 den Zündablauf mit einer herkömmlichen Zündspule und

Fig. 3 ein Diagramm mit einem Zündablauf der erfindungsgemäßen Zündspule.

Eine erfindungsgemäße Zündspule umfaßt gemäß Fig. 1 einen ringförmigen, geblechten Eisenkern 10, auf dem eine Primärwicklung 12 und eine Sekun­ därwicklung 14, jeweils segmentförmig um den Kern angeordnet sind. Im Bereich der Primärwicklung 12 ist der Eisenkern 10 von einem Luftspalt 16 unterbrochen, in dem sich die Energie der Zündspule vor dem Zündvorgang unter anderem speichern läßt.

Die Sekundärspule 14 besitzt vorliegend 300 Windungen und weist eine In­ duktivität von 32 mH (Millihenry) auf.

Die Primärspule 12 besitzt eine Windungszahl von 30 und weist eine Indukti­ vität von 140 µH auf.

Da trotz der relativ geringen Wicklungszahl auf der Sekundärseite der Zünd­ spule eine hohe Zündspannung erreicht werden muß, ist die Windungsspan­ nung relativ groß. Daher kann kein einfacher, durch Lack isolierter Kupfer­ draht für die Zündspule verwendet werden. Vielmehr wird vorliegend ein ge­ gen diese hohe Spannung besonders isolierter Kupferdraht verwendet.

Die Enden der Primärspule 12 sind in an sich bekannter Weise mit einer Transistorzündanlage (nicht dargestellt) verbunden. Diese sollte wegen ei­ nes zu vermeidenden zusätzlichen ohmschen Widerstandes und zur Ver­ meidung von elektromagnetischer Störabstrahlung möglichst nahe an der Zündspule angeordnet werden. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Hybridzündanlage, deren Transistor nicht ummantelt ist. Die Verwen­ dung eines ungehäusten Transistors und die Aufbringung des Siliziums di­ rekt auf ein Keramikträgersubstrat begünstigt den Wärmeabfluß aus dem Transistor direkt in die Keramik, welche eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Ferner kann die Schaltgeschwindigkeit des Transistors erhöht wer­ den, wenn zusätzliche Streuinduktivitäten vermieden werden.

Beim Betrieb der Zündspule wird ein Transistor mit einer hohen Emitter- Kollektor-Spannung, vorliegend etwa 1200 V (Volt), verwendet. Der maxi­ male Schaltstrom liegt im vorliegenden Fall bei etwa 25 A. Durch die kon­ struktive Ausgestaltung der Spulen 12, 14 läßt sich bereits in der Durch­ bruchs- und Funkenentladungsphase eine hohe Energierate in das zu zün­ dende Gas umsetzen.

Der Unterschied zu herkömmlichen Systemen ist aus den Fig. 2 und 3 zu erkennen. In beiden Diagrammen wird der in der Sekundärwicklung fließen­ de Zündstrom über die Zeit aufgezeichnet.

In Fig. 3 ist der Strom bei einer herkömmlichen Hochleistungszündspule auf­ gezeichnet. Dabei entspricht jede Einheit 50 µs. Insgesamt fließt ein Strom über etwa 300 µs, was zu einer lang anhaltenden Glimm- oder Glühphase führt. Der Spitzenstrom liegt bei etwa 200 mA.

In Fig. 2 entspricht eine Einheit auf der Zeitskala dagegen 20 µs. Insgesamt fließt bei der erfindungsgemäßen Zündspule daher ein Strom über etwa 50 µs, und zwar mit einem Spitzenwert von etwa 1,2 A.

Durch diese verbesserte Energieübertragung während der Durchbruchspha­ se und in der ersten Phase der Funken- oder Bogenentladung (20 bis 100 µsek.) wird ein hoher Anteil an Ladungsträgern erzeugt, was zu einer star­ ken Hitzeentwicklung unter weiterer Zunahme der Stoßionisation führt und sich positiv auf die Flammenkernentwicklung auswirkt.

Mit den bisher entwickelten bekannten Zündspulen kann dieser Effekt nicht erreicht werden. Durch die Erfindung kann insgesamt eine verbesserte Ver­ brennung und damit eine Leistungserhöhung, eine Brennstoffreduzierung und eine Schadstoffverringerung erreicht werden.

Dazu trägt auch der Umstand bei, daß durch ein schnelleres Anbrennen des Gemisches eine optimierte Zündeinstellung bezüglich des Zündzeitpunktes möglich ist. Im vorliegenden Fall konnte der Zündzeitpunkt um 3° Kurbelwin­ kel in Richtung spät verbessert werden.

Claims (7)

1. Zündspule mit einer Primärspule, einer Sekundärspule und einem Kern, auf dem die Primär- und Sekundärspule angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Primär- und die Sekundärwicklung derart ausgebildet sind, um einen überwiegenden Teil der in der Zündspule gespeicherten Energie innerhalb eines Zeitraums von 20-100 µsec während der Durch­ bruchs- und der Funkenentladungsphase abzugeben.

2. Zündspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz der Sekundärspule bei 1000 Hz kleiner als 220 Ohm und/oder die Induktivität der Sekundärspule kleiner als 100 mH und/oder die Windungszahl der Sekundärspule kleiner als 500 ist.

3. Zündspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz der Primärwicklung bei 1000 Hz kleiner als 2 Ohm und/oder die Induktivität der Primärspule kleiner als 200 µH und/oder die Windungszahl der Primärspule kleiner als 50 ist.

4. Zündspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern ringförmig oder oval ausgebildet ist und die Primär- und Sekundärspule winkelversetzt angeordnet sind.

5. Zündspule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im ringförmig oder oval ausgebildeten Kern ein Luftspalt, vor­ zugsweise im Bereich der Primärwicklung vorgesehen ist.

6. Zündspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus nanokristalinem Material, insbesondere Eisen oder Eisenverbindungen besteht.

7. Zündspule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern geblecht ist.