DE20021530U1

DE20021530U1 - Ignition coil for internal combustion engines

Info

Publication number: DE20021530U1
Application number: DE20021530U
Authority: DE
Original assignee: Jenbacher AG
Current assignee: Innio Jenbacher GmbH and Co OG
Priority date: 1999-04-08
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2001-03-22
Anticipated expiration: 2010-03-25

Description

Beschreibung:
Die Erfindung betrifft eine Zündspule für Verbrennungsmotoren.Description:
The invention relates to an ignition coil for internal combustion engines.

Bei Zündspulen muß auf sehr begrenztem Raum eine hohe Spannung von bis zu 50 kV erzeugt werden.Ignition coils require a high voltage of up to 50 kV to be generated in a very limited space.

Um eine hohe Lebensdauer zu erreichen, muß die Spule möglichst gut isoliert werden, ideal ist ein teilentladungsfreier Aufbau. Aufgrund der elektrischen Isolation wird eine Spule mit geringer Teilentladung sehr voluminös. Die magnetischen Streufelder sind bei herkömmlichen Lösungen groß, und die magnetische Kopplung zwischen primärer und sekundärer Spule ist schlecht.In order to achieve a long service life, the coil must be insulated as well as possible; a partial discharge-free design is ideal. Due to the electrical insulation, a coil with a low partial discharge becomes very bulky. The magnetic stray fields are large in conventional solutions and the magnetic coupling between the primary and secondary coils is poor.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine im Hinblick auf die Lebensdauer und auf einen kompakten Aufbau verbesserte Zündspule zu schaffen.The object of the invention is to provide an ignition coil which is improved in terms of service life and compact design.

Erfindungsgemäß wird dies durch eine Zündspule für Verbrennungsmotoren erreicht, die durch zwei oder mehrere in einer Kaskadenschaltung hintereinander geschaltete Transformatorstufen gekennzeichnet ist, wobei die Sekundärwicklungen aller Transformatorstufen in Serie auf eine Zündkerze geschaltet sind. _t According to the invention, this is achieved by an ignition coil for internal combustion engines, which is characterized by two or more transformer stages connected in series in a cascade circuit, wherein the secondary windings of all transformer stages are connected in series to a spark plug. _t

Bei einem solchen Aufbau können die einzelnen Transformatorstufen kompakter aufgebaut werden, weil die nötige Hochspannung in mehreren Stufen erzeugt wird, wobei die einzelnen Stufen leicht gegeneinander isoliert werden können. In den jeweiligen Stufen selbst sind die Spannungen zueinander kleiner, wodurch die Abstände der Wicklungen minimiert werden können. Als Ergebnis erzielt man eine bessere magnetische Kopplung. Streufelder können reduziert werden. Bei diesem mehrstufigen Aufbau sind die notwendigen Isolationsabstände geringer, was es erlaubt, unter Beibehaltung eines verhältnismäßig kompakten Aufbaus, einen geschlossen Eisenkern bzw. allgemeiner ferromagnetischen Kern in jeder einzelnen Transformatorstufe zu verwenden. Damit kann der magnetische Fluß besser gesteuert werden. With such a design, the individual transformer stages can be constructed more compactly because the necessary high voltage is generated in several stages, whereby the individual stages can be easily insulated from one another. In the individual stages themselves, the voltages to one another are smaller, which means that the distances between the windings can be minimized. This results in better magnetic coupling. Stray fields can be reduced. With this multi-stage design, the necessary insulation distances are smaller, which allows a closed iron core or, more generally, ferromagnetic core to be used in each individual transformer stage while maintaining a relatively compact design. This allows the magnetic flux to be better controlled.

Neben einem kompakteren Aufbau zeichnet sich die erfindungsgemäße Zündspule auch durch eine höhere Lebensdauer aus, insbesondere deshalb, weil es aufgrund der geringeren Spannungen leichter ist, Teilentladungen über den Isolator zu vermeiden.In addition to a more compact design, the ignition coil according to the invention is also characterized by a longer service life, in particular because the lower voltages make it easier to avoid partial discharges via the insulator.

Außerdem erlaubt die Kaskadenschaltung eine große Freiheit bei der Dimensionierung der Zündspule, und zwar sowohl aus elektrischer Sicht als auch aus der Sicht des mechanischen Aufbaus. So ist es beispielsweise möglich, die einzelnen Transformatorstufen geometrisch in nahezu beliebiger Anordnung zueinander anzuordnen. Günstig ist eine Anordnung, bei der die einzelnen Transformatorstufen auf einer gemeinsamen gedachten Achse hintereinander &ldquor;aufgefädelt" sind. Es sind jedoch durchaus auch andere Anordnungsmöglichkeiten gegeben. Aus elektrischer Sicht kann man eine Anpassung an die jeweiligen Verhältnisse, beispielsweise durch verschiedene Übersetzungsverhältnisse in den einzelnen Transformatorstufen erzielen. Auch ist es möglich, die eingangsseitigen Transformatorstufen in Hinblick auf das Volumen des Kerns und der Drahtstärke der Wicklungen kleiner zu dimensionieren als die ausgangsseitigen Stufen, was eine kompaktere und schlankere Bauweise im Ausgangsbereich erlaubt.In addition, the cascade connection allows a great deal of freedom in the dimensioning of the ignition coil, both from an electrical point of view and from a mechanical construction point of view. For example, it is possible to arrange the individual transformer stages in almost any geometric arrangement relative to one another. An arrangement in which the individual transformer stages are "threaded" one behind the other on a common imaginary axis is advantageous. However, other arrangement options are also possible. From an electrical point of view, adaptation to the respective conditions can be achieved, for example by using different transmission ratios in the individual transformer stages. It is also possible to dimension the input-side transformer stages smaller than the output-side stages in terms of the volume of the core and the wire thickness of the windings, which allows a more compact and slimmer design in the output area.

Auch ist es möglich, die Primärwicklungen der Transformatorstufen über gesonderte Spannungsquellen zu speisen, beispielsweise über einen Kondensatorkreis oder einen Hochfrequenzzündkreis. Grundsätzlich eignet sich die erfindungsgemäße Zündspule in den unterschiedlichsten Ausgestaltungen sowohl für Kondensatorzündkreise als auch für Hochfrequenzzündkreise, wobei eine besondere Eignung für Hochfrequenzzündkreise besteht, die Frequenzen bis in den 100 kHz-Bereich übertragen kann. Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. > It is also possible to feed the primary windings of the transformer stages via separate voltage sources, for example via a capacitor circuit or a high-frequency ignition circuit. In principle, the ignition coil according to the invention is suitable in a wide variety of designs for both capacitor ignition circuits and high-frequency ignition circuits, with particular suitability for high-frequency ignition circuits that can transmit frequencies up to the 100 kHz range. Further advantages and details of the invention are explained in more detail using the following description of the figures. >

Fig. 1 zeigt schematisch den elektrischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zündspule,
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen mechanischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Zündspule in einem zentralen Längsschnitt, wobei die die einzelnen Wicklungen verbindenden Leitungen gemäß Fig. 1 der Übersichtlichkeit halber in Fig. 2 nicht dargestellt sind bzw. außerhalb der Schnittebene liegen,Fig. 1 shows schematically the electrical structure of an embodiment of an ignition coil according to the invention,
Fig. 2 shows an embodiment of a mechanical structure of an ignition coil according to the invention in a central longitudinal section, wherein the lines connecting the individual windings according to Fig. 1 are not shown in Fig. 2 for the sake of clarity or are located outside the cutting plane,

Fig. 3 zeigt in einer teilweise weggebrochenen perspektivischen Darstellung den schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer Transformatorstufe einer erfindungsgemäßen Zündspule,Fig. 3 shows in a partially broken away perspective view the schematic structure of an embodiment of a transformer stage of an ignition coil according to the invention,

Fig. 4 zeigt den elektrischen Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispieles mit zwei gesonderten Spannungsquellen.
Fig. 5 zeigt den Einbau einer erfindungsgemäßen Zündspule in einen Zylinderkopf.Fig. 4 shows the electrical structure of another embodiment with two separate voltage sources.
Fig. 5 shows the installation of an ignition coil according to the invention in a cylinder head.

Die in Fig. 1 dargestellte Zündspufe 1 weist einen primärseitigen Anschluß 2 und einen sekundärseitigen Anschluß auf, an dem die» Hochspannung zur Verfügung steht. Primärseitig kann beispielsweise ein an sich bekannter Kondensatorzündkreis oder ein Hochfrequenz-The ignition coil 1 shown in Fig. 1 has a primary-side connection 2 and a secondary-side connection at which the high voltage is available. On the primary side, for example, a known capacitor ignition circuit or a high-frequency

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zündkreis angeschlossen sein, der zu einem Spannungsimpuls in der ersten Primärwicklung 4 der ersten Transformatorstufe 5 führt. Insgesamt sind bei diesem Ausführungsbeispiel drei in einer Kaskadenschaltung hintereinander geschaltete Transformatorstufen 5, 6 und 7 vorgesehen, wobei die Sekundärwicklungen 8, 9 und 10 der Transformatorstufen 5, 6 und 7 in Serie hintereinander geschaltet sind, sodaß sich die in den einzelnen Sekundärwicklungen 8, 9 und 10 induzierten Spannungen insgesamt zur Ausgangsspannung an den Klemmen 3 addieren.ignition circuit which leads to a voltage pulse in the first primary winding 4 of the first transformer stage 5. In this embodiment, a total of three transformer stages 5, 6 and 7 are provided which are connected in series in a cascade circuit, with the secondary windings 8, 9 and 10 of the transformer stages 5, 6 and 7 being connected in series so that the voltages induced in the individual secondary windings 8, 9 and 10 add up to the output voltage at the terminals 3.

Primärseitig sind die einzelnen Transformatorstufen 5, 6 und 7 jeweils über zusammengeschaltete Primärwicklungen 11, 12 bzw. 13, 14 gekoppelt, wobei die Übersetzungsverhältnisse in den einzelnen Transformatorstufen gleich oder zur Anpassung an bestimmte Erfordernisse verschieden sein können.On the primary side, the individual transformer stages 5, 6 and 7 are each coupled via interconnected primary windings 11, 12 and 13, 14, respectively, whereby the transformation ratios in the individual transformer stages can be the same or different to adapt to specific requirements.

Der ferromagnetische Kern jeder Transformatorstufe 5, 6 und 7 ist mit 15 bezeichnet und in Fig. 1 nur schematisch dargestellt.The ferromagnetic core of each transformer stage 5, 6 and 7 is designated 15 and is shown only schematically in Fig. 1.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen tatsächlichen Aufbau mit drei hintereinander geschalteten Transformatorstufen 6, 7, wobei insbesondere ersichtlich ist, daß der ferromagnetische Kern 15 als geschlossener Kern ausgeführt ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist jede Stufe als Manteltransformator ausgeführt, bei dem die Sekundärwicklung und die Primärwicklungen konzentrisch um denselben Schenkel des ferromagnetischen Kerns 15 gewickelt sind. Dies ist besonders gut in Fig. 3 zu sehen, in der dieser Schenkel mit der Bezugsziffer 16 bezeichnet ist. Die Sekundärwicklung 8 ist innen um diesen Schenkel gewickelt, die Primärwicklungen 4 und 11 sind konzentrisch außen herumgewickelt. Von diesem Schenkel 16 stehen beiderseits je zwei Joche 17 ab, die jeweils über unbewickelte Schenkel 18 zu einem geschlossen ferromagnetischen Kreis mit dem bewickelten Schenkel 16 verbunden sind. Insgesamt ergibt sich also ein zweifach geschlossener ferromagnetischer Kern 15.Fig. 2 shows an embodiment of an actual structure with three transformer stages 6, 7 connected in series, whereby it is particularly clear that the ferromagnetic core 15 is designed as a closed core. In the embodiment shown, each stage is designed as a shell transformer in which the secondary winding and the primary windings are wound concentrically around the same leg of the ferromagnetic core 15. This can be seen particularly well in Fig. 3, in which this leg is designated with the reference number 16. The secondary winding 8 is wound inside around this leg, the primary windings 4 and 11 are wound concentrically around the outside. Two yokes 17 protrude from each side of this leg 16, which are each connected to the wound leg 16 via unwound legs 18 to form a closed ferromagnetic circuit. Overall, this results in a doubly closed ferromagnetic core 15.

Da die hinteren Transformatorstufen nicht mehr die gesamte Energie übertragen müssen, können diese kleiner ausgebildet werden, einerseits im Hinblick auf das Volumen des ferromagnetischen Kerns, aber auch auf die Tragstärke der Primärwicklungen. Dies ist in Fig. 2 angedeutet. Eine solche Bauform erlaubt unter anderem eine Materialeinsparung und bei Bedarf kompaktere Außenmaße und bietet mehr Gestaltungsmöglichkeiten im Aufbau der Zündspule. Dies kann dazu führen, daß man die Zündspule zumindest teilweise in den Freiraum 23 zwischen den Einlaß- und Auslaßventilen 24 eines Zylinderkopfes 22 einführen kann, womit eine platzsparende Unterbringung möglich ist und außerdem der Abstand zurSince the rear transformer stages no longer have to transmit all the energy, they can be made smaller, on the one hand in terms of the volume of the ferromagnetic core, but also in terms of the load-bearing capacity of the primary windings. This is indicated in Fig. 2. Such a design allows, among other things, material savings and, if required, more compact external dimensions and offers more design options in the construction of the ignition coil. This can lead to the ignition coil being able to be introduced at least partially into the free space 23 between the inlet and outlet valves 24 of a cylinder head 22, which enables space-saving accommodation and also reduces the distance to the

Zündkerze 25 verringert wird (vgl. Fig. 5). Die Zündspule 1 weist hier drei Gehäuseabschnitte 1a, 1b und 1c unterschiedlichen Durchmessers auf.Spark plug 25 is reduced (see Fig. 5). The ignition coil 1 here has three housing sections 1a, 1b and 1c of different diameters.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Primärwicklungen 4, 11, 12, 13 und 14 sowie die Sekundärwicklungen 8, 9 und 10 aller Transformatorstufen 5, 6 und 7 um eine gemeinsame gedachte Achse 19 gewickelt, wobei die einzelnen Transformatorstufen 5, 6 und 7 jeweils mit Abstand entlang dieser Achse angeordnet sind. Auf dieser Achse kann dann noch der Anschluß 3 zum Abgriff der Hochspannung angeordnet sein.In the embodiment shown in Fig. 2, the primary windings 4, 11, 12, 13 and 14 as well as the secondary windings 8, 9 and 10 of all transformer stages 5, 6 and 7 are wound around a common imaginary axis 19, with the individual transformer stages 5, 6 and 7 each arranged at a distance along this axis. The connection 3 for tapping the high voltage can then also be arranged on this axis.

Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Version mit zwei Spannungsquellen, die voneinander gesondert sind. Eine ist als Hochfrequenzzündkreis 20 ausgeführt, die andere als Kondensatorzündkreis 21. Es sind jeweils gesonderte primärseitige Anschlüsse 2a und 2b vorgesehen. Die Zündspule selbst weist wiederum drei kaskadenartig hintereinander geschaltete Transformatorstufen 5, 6 und 7 auf, wobei die Sekundärwicklungen in Serie geschaltet sind. Primärseitig speist die Spannungsquelle 20 die Primärwicklung 4 der ersten Stufe 5, während die Spannungsquelle 21 die Primärwicklung 12 der zweiten Stufe 6 speist. Diese zweite Stufe 6 ist über die Primärwicklungen 13 und 14 mit der dritten Stufe 7 gekoppelt. Der Hochfrequenzzündkreis 20 bzw. der Kondensatorzündkreis 21 braucht nicht näher beschrieben zu werden. Diese Kreise können gemäß dem Stand der Technik aufge-The embodiment shown in Fig. 4 shows a version with two voltage sources that are separate from each other. One is designed as a high-frequency ignition circuit 20, the other as a capacitor ignition circuit 21. Separate primary-side connections 2a and 2b are provided in each case. The ignition coil itself has three transformer stages 5, 6 and 7 connected in series in a cascade, with the secondary windings connected in series. On the primary side, the voltage source 20 feeds the primary winding 4 of the first stage 5, while the voltage source 21 feeds the primary winding 12 of the second stage 6. This second stage 6 is coupled to the third stage 7 via the primary windings 13 and 14. The high-frequency ignition circuit 20 and the capacitor ignition circuit 21 do not need to be described in more detail. These circuits can be set up in accordance with the state of the art.

baut sein. ,be built. ,

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, beispielsweise können auch zwei oder mehr als drei kaskadenartige Transformatorstufen verwendet werden. Auch die räumliche Anordnung der Transformatorstufen zueinander kann von der geradlinigen Ausrichtung derselben, wie sie in Beispiel 2 vorgesehen ist, abweichen.The invention is of course not limited to the embodiments shown; for example, two or more than three cascade-like transformer stages can also be used. The spatial arrangement of the transformer stages relative to one another can also deviate from the straight-line alignment thereof, as provided in Example 2.

Claims

1. Ignition coil for internal combustion engines, characterized by two or more transformer stages (5, 6, 7) connected in series in a cascade circuit, wherein the secondary windings (8, 9, 10) of all transformer stages (5, 6, 7) are connected in series to a spark plug.

2. Ignition coil according to claim 1, characterized in that at least one transformer stage (5, 6) has two primary windings (4, 11 and 12, 13 respectively), of which one (4, 12) is connected to an ignition coil input (2) or a primary winding (11) of a preceding transformer stage (5, 6), and of which the second (11, 13) is connected to the primary winding (12, 14) of a subsequent transformer stage (6, 7).

3. Ignition coil according to claim 1 or 2, characterized in that the primary windings (4, 11 to 14) and secondary windings (8, 9, 10) of the transformer stages (5, 6, 7) are each arranged in a closed ferromagnetic core (15).

4. Ignition coil according to claim 3, characterized in that at least one transformer stage (5, 6, 7) is designed as a shell transformer in which the secondary winding (8, 9, 10) and the primary winding(s) (4, 11 to 14) are wound concentrically around the same leg (16) of a ferromagnetic core, with two yokes (17) projecting from this leg (16) on both sides, which are each connected to the wound middle leg (16) via unwound legs (18) to form a closed ferromagnetic circuit.

5. Ignition coil according to one of claims 1 to 4, characterized in that the transformation ratios of the individual transformer stages (5, 6, 7) are different.

6. Ignition coil according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one subsequent transformer stage is dimensioned smaller than the preceding transformer stage with regard to the volume of the ferromagnetic core and/or the wire thickness of corresponding primary windings.

7. Ignition coil according to one of claims 1 to 6, characterized in that the primary windings 3 and secondary windings of all transformer stages are wound concentrically around a common imaginary axis, the individual transformer stages each being arranged at a distance along this axis.

8. Ignition coil according to one of claims 1 to 7, characterized in that the primary windings (4, 12) of two different transformer stages (5, 6) are fed from separate voltage sources (20, 21).

9. Ignition coil according to claim 8, characterized in that the separate voltage sources (20, 21) are designed differently, for example one as a capacitor circuit (21) and the other as a high-frequency ignition circuit (20).

10. Ignition coil according to one of claims 1 to 9, characterized in that the individual transformer stages have separate ferromagnetic cores.

11. Internal combustion engine, in the cylinder head (22) of which an elongated free space (23) is arranged between the inlet and outlet valves (24) of each cylinder, at the cylinder-side end of which the spark plug is located, characterized in that the ignition coil (25) provided specifically for each cylinder is designed to be so slim that it extends at least partially into the free space (23).