EP1540676A1 - Zundspule mit verbesserter energie bertragung - Google Patents

Zundspule mit verbesserter energie bertragung

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Publication number
EP1540676A1
EP1540676A1 EP03750558A EP03750558A EP1540676A1 EP 1540676 A1 EP1540676 A1 EP 1540676A1 EP 03750558 A EP03750558 A EP 03750558A EP 03750558 A EP03750558 A EP 03750558A EP 1540676 A1 EP1540676 A1 EP 1540676A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
winding
ignition coil
primary
section
windings
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03750558A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Horst Hendel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TE Connectivity Germany GmbH
Original Assignee
Tyco Electronics AMP GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tyco Electronics AMP GmbH filed Critical Tyco Electronics AMP GmbH
Publication of EP1540676A1 publication Critical patent/EP1540676A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/12—Ignition, e.g. for IC engines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type
    • H01F17/04—Fixed inductances of the signal type with magnetic core
    • H01F17/045—Fixed inductances of the signal type with magnetic core with core of cylindric geometry and coil wound along its longitudinal axis, i.e. rod or drum core
    • H01F2017/046—Fixed inductances of the signal type with magnetic core with core of cylindric geometry and coil wound along its longitudinal axis, i.e. rod or drum core helical coil made of flat wire, e.g. with smaller extension of wire cross section in the direction of the longitudinal axis
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2823—Wires

Definitions

  • the present invention relates to an ignition coil for ignition systems, in particular a pencil ignition coil for internal combustion engines, with at least one primary winding and at least one secondary winding, a high voltage being induced in the secondary winding when current flows in the primary winding.
  • a ferromagnetic core is partially enclosed by the primary winding and the secondary winding, and in addition one of the two windings is at least partially surrounded by the other.
  • Ignition coils of this type are usually designed to be extremely volume and weight minimized and are predominantly used in internal combustion engines in which each internal combustion cylinder is equipped with its own ignition coil and sits directly on the spark plug without complex holding elements.
  • Such ignition coils are also referred to as single-spark ignition coils or pencil-type ignition coils and must be particularly vibration-proof and temperature-resistant, since they have direct contact with the engine block which generates and heats up.
  • such a single spark ignition coil has a special magnetic circuit and can also contain an electronic switching element, for example an output stage, which is connected to the induction coils to form a unit.
  • an electronic switching element for example an output stage
  • Two plug connectors one for connecting the high-voltage connection to the spark plug and a generally four-pin plug connector for the power supply from the vehicle electrical system and the control line, complete such an ignition coil.
  • the ignition systems are controlled by the engine electronics, which determine the ignition timing from a large number of dynamic engine characteristics.
  • Single spark ignition systems of this type have the advantage over an ignition system that is fed from a single ignition coil and works according to the distributor principle that all high-voltage lines, including the mechanical drive and distributor structure, are disadvantageous in operation and wear and tear. cleanliness is subject to influence, which affect the ignition timing or impair the ignition performance.
  • the secondary current build-up in the high-voltage section takes place solely on the basis of the induction principle from the magnetic flux reduction, which is caused by switching off the primary current and the associated change in magnetic flux.
  • this current build-up and the onset of discharge do not run continuously, but in four phases, depending on the dominating physical factors. Due to the capacity of the secondary winding, the current build-up begins before the actual discharge via the spark plug electrodes immediately after the primary current reduction has started.
  • the first phase of the secondary current build-up starts without delay when the primary current reduction starts. This results in a charge shift corresponding to the capacity of the secondary winding, with the associated formation of corresponding electrical fields at the spark plug electrodes, which then cause the actual current breakdown.
  • a substantial primary current reduction is necessary, starting from the maximum value of the primary current. It is approx. 30% with a duration of action of 2 to 5 ⁇ sec and is determined by the ignition coil concept and the electronic switch, which influences the switch-off speed of the primary current.
  • the second phase of the secondary current curve is a sudden increase in the ohmic character associated with the current breakdown. It has essentially no inductive cause; rather, it results from the capacitive discharge of the charge of the secondary winding that has accumulated in the first phase.
  • the physical principle of the secondary current increase is expressed by the fact that in each phase of the increase only as much secondary ampere windings can occur as have been induced on the primary side of ampere windings because the magnetic field (originally generated by of the primary winding) occurs and cannot increase itself according to the energy conservation rate, not even with the quickest reduction in primary current.
  • the fourth phase of the secondary current curve represents the magnetic freewheeling of the iron circuit, in particular of the magnetic coil core, the mutual induction of the secondary coil decisively determining the effective duration of the magnetic freewheeling.
  • the primary winding is already de-energized in this phase and an influence on the secondary side would only be possible via capacitance, insofar as it is small due to its small size.
  • the object of the present invention is therefore to provide an improved ignition coil for ignition systems, in particular a pencil ignition coil for internal combustion engines, which ensures increased operational safety and energy efficiency and a reduced risk of overheating during operation.
  • an ignition coil for ignition system in particular a pencil ignition coil for internal combustion engines with the features of patent claim 1.
  • the present invention is based on the finding that the high thermal load on an ignition coil can be actively reduced by considering the individual heat sources and reducing the electrical and magnetic power losses at the induction coils.
  • This increase in energy transfer efficiency according to the invention is achieved by constricting the magnetic field in at least one section with a higher winding density than the remaining winding density, in which the diameter of the innermost turns is smaller than in the other winding sections.
  • a comparatively low current supply to the primary winding also relieves the thermal and electrical stress on the electronic output stage, thereby increasing operational reliability.
  • the design of the ignition coil according to the invention has the advantage of reducing the construction volume by approximately 15% compared to the currently known and comparable ignition coil concepts.
  • a conventional pot ignition coil has a construction volume of more than 300 cm 3 (diameter 5.9 cm, length 11.5 cm).
  • the pencil ignition coil in the embodiment according to the invention manages, including the high-voltage connection, with a volume of approximately 30 cm 3 (diameter approximately 2.2 cm, length 8.2 cm).
  • the solution according to the invention offers the advantage that the ignition power is subject to only relatively slight fluctuations in the entire range of the working temperature (-40 ° C. to a maximum of + 180 ° C.).
  • the secondary winding is arranged with respect to the primary winding in such a way that a section with increased winding density on one winding corresponds in the axial direction to a section with other winding density on the other winding.
  • This penetration of the volume of the two windings can significantly improve the energy transfer.
  • the primary winding and secondary winding are arranged such that the primary winding encloses the secondary winding and that the section with increased winding density is a start and / or end section of the primary winding.
  • the secondary winding is arranged in the remaining winding section of the primary winding.
  • the available volume can be used in a particularly effective manner.
  • the current density can be increased and the constriction effect on the magnetic field can be further increased.
  • the use of flat wire has the advantage over a round wire that a larger winding density can be achieved and the necessary number of turns of the primary winding can thus be produced with less resistance without requiring more winding volume.
  • the large area of the individual turns of flat wire also allows a far better heat flow to the outside than is the case with a round wire with a line or point contact of the turns with each other.
  • the ignition coil can furthermore have a soft magnetic sleeve which encloses the windings and the core.
  • a segmentation of the secondary winding can be provided to improve the dielectric strength.
  • the winding heights of these secondary segment windings can be made cascade-decreasing in the winding height.
  • the wall thicknesses of the insulation towards the primary winding are increased.
  • the at least one section with increased winding density of the primary winding can be arranged eccentrically with respect to the core and the other winding region of the primary winding.
  • start and end areas of the primary winding are designed as sections with increased winding density, it is advantageous for the magnetic field constricting effect to choose a radially offset arrangement of the eccentricity.
  • Figure 1 is a sectional view of an ignition coil according to the invention according to a first embodiment.
  • FIG. 2 shows the current curves over time of the primary side and secondary side of an ignition coil according to the invention in comparison with a conventional ignition system
  • 3 shows a schematic sectional illustration of a flat wire winding in comparison to a round wire winding
  • FIG. 4 shows a sectional illustration of an ignition coil according to the invention in accordance with a second embodiment
  • Fig. 5 shows a section through the ignition coil of Fig. 4 along the section line A-A.
  • the ignition coil 10 consists of approximately 45% highly effective insulating material 1, which is usually made of plastic with a dielectric strength of approximately 30 kV / mm and, above all, the high-voltage secondary winding 5 is electrically insulated from the other components.
  • the iron circuit which has a soft magnetic core 2 with high saturation induction and a soft magnetic sleeve 3 forming the outer shell, both of which are approximately the full length of the ignition coil 10, takes up approximately 25% of the construction volume.
  • the low-resistance primary winding 4 occupies a volume of approx. 20% and is therefore usually twice as large in volume as the high-resistance secondary winding 5 with approx. 10% share of the total volume.
  • the magnetic leakage flux is reduced in that the end outlets of the primary winding 4 are each reduced to at least half the inner diameter in the remaining area over a length of approx. 20% of the total length of the primary coil at the same time in these start and end sections 6a, 6b the magnetic field strength is increased to approximately twice by a higher number of turns in comparison to the central region of the primary coil 4.
  • the specific magnetic flux in these sections 6a, 6b can be approximately doubled.
  • the secondary winding 5 is arranged in the cavity-forming central region of the primary winding 4, and its connection ends 5c, 5d are securely embedded in the insulating material 1 and are led out to the outside below the constricting turns.
  • An efficiency-increasing effect can already be achieved by forming an area with a smaller diameter and increased winding density on one side only, in which case the end outlet 6b of the primary winding 4 facing away from the high voltage is to be preferred because of the insulation advantages.
  • the magnetic field emanating from the primary winding 4 is divided into a course in the soft magnetic core 2, which forms the main part, and a parallel course, the volume of which is limited on the one hand by the innermost turns of the primary winding 4 and on the other hand by the surface of the soft magnetic core 2.
  • the cross The cut of this parallel volume is not least due to the thick insulation walls larger than the cross section of the core 2 and accordingly a considerable increase in performance is possible due to the almost full use of this magnetic field for the energy transfer to the secondary winding 5.
  • the magnetic resistance at the magnetically open ends of the iron circuit can be compensated for and it can be achieved that the primary magnetic field increases the secondary winding 5 to a much greater extent can penetrate to effectively use this magnetic field component in energy transmission.
  • the secondary winding 5 is divided into individual segments, which is usually necessary for reasons of dielectric strength. This segmentation has a reducing effect on the mutual induction in the secondary current discharge. The result is a shortened duration of action (burning time) of the current discharge, which can become critical for a reliable ignition of the flammable gas molecules, especially if there is an inhomogeneous gas mixture or a non-ideal mixture ratio, such as in the engine start phase or in an alternating phase of the engine power tion may be the case.
  • the secondary winding 5 is designed with a comparatively small number of segments (here five by way of example) and for this purpose it is designed with the largest possible winding height.
  • the insulation strength within a segment can be maintained by a smaller winding width.
  • the winding heights of the secondary segment windings are made cascading in decreasing winding height. In accordance with the increasing high voltage from segment to segment, the wall thicknesses of the insulation towards the primary winding 4 are increased.
  • a larger winding height of the secondary winding segments also increases the positive effect of the principle of a constricted primary winding according to the invention in that the execution of a primary winding with larger diameter differences between the central region and the constricted region is possible and the secondary winding is enclosed more intensely on three sides by the primary winding 4.
  • Curves 11 and 13 mean the primary-side and secondary-side current profile on a conventional ignition coil and curves 12 and 14 the primary-side and secondary-side current profile on an ignition coil designed according to the present invention.
  • the primary current profile corresponds to the secondary current profile with the difference that the primary current has an increasing profile
  • the secondary current on the other hand, has a declining profile and the associated current strengths behave according to the product of current strength and number of turns. Otherwise, the characteristics of the current profiles are exactly mirror images, which results from the common magnetic circuit.
  • a further increase in the magnetic field constricting effect of the sections 6 with increased winding density and reduced diameter is obtained while maintaining the required insulation wall thicknesses by designing the primary coil 4 as a flat wire winding instead of a conventional round wire winding.
  • the effect of the flat wire winding constricting the magnetic flux is considerable, in particular in comparison to a round wire diameter of approximately 0.7 mm which is usually used in primary windings. If, for example, a flat wire with a diameter of approx.
  • the magnetic field can be constricted by about 15% and the efficiency of energy transmission can be increased by a similar order of magnitude , This is primarily due to the increased current density in this arrangement.
  • the individual flat wire turns also touch in a substantially larger surface area and thereby ensure better heat dissipation to the outside.
  • the magnitude of the effect constricting the magnetic field can, as shown in FIG. 4, be expanded in that the end outlets of the secondary windings 5c and 5d are led out in the shortest possible way in an axial course to the end faces of the ignition coil 10.
  • the constricting sections 6a, 6b are no longer arranged concentrically to the central axis of the soft magnetic core 2 and the remaining central region of the primary winding 4.
  • a significant proportion of the primary windings are brought closer to the iron core than in the embodiment in FIG. 1, and a corresponding increase in the magnetic constriction effect can thus be achieved.
  • the arrangement of the eccentricity of the constricting sections 6a, 6b of the primary winding which is shown in FIG. 4 and the associated sectional view of FIG. 5, is advantageous for the constricting effect, and is arranged radially offset by 180.degree.
  • the present invention is of course applicable to any other cross section, for example a rectangular cross section. Furthermore, the present invention can also be used advantageously in other transmitters, in particular in those with a reduced volume of the iron circuit.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zündspule für Zündanlagen, insbesondere eine Stabzündspule für Brennkraftmaschinen, mit mindestens einer Primärwicklung (4) und mindestens einer Sekundärwicklung (5), wobei bei Stromfluss in der Primärwicklung eine Hochspannung in der Sekundärwicklung induziert wird. Ein ferromagnetischer Kern (2) ist von der Primärwicklung und der Sekundärwicklung teilweise umschlossen und zusätzlich wird eine der beiden Wicklungen von der anderen wenigstens teilweise umgeben. Um eine verbesserte Zündspule anzugeben, die eine erhöhte Betriebssicherheit und Energieeffizienz sowie eine verringerte Gefahr der Überhitzung im Betrieb gewährleistet, weist mindestens eine der Wicklungen mindestens einen Abschnitt mit gegenüber der übrigen Wicklungsdichte erhöhter Wicklungsdichte auf, wobei der Durchmesser der innersten Windungen in dem mindestens einen Abschnitt geringer ist als der Durchmesser der innersten Windungen in den übrigen Wicklungsabschnitten.

Description

Zündspule mit verbesserter Energieübertragung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zündspule für Zündanlagen, insbesondere eine Stabzündspule für Brennkraftmaschinen, mit mindestens einer Primärwicklung und mindestens einer Sekundärwicklung, wobei bei Stromfluss in der Primärwicklung eine Hochspannung in der Sekundärwicklung induziert wird. Ein ferromagnetischer Kern ist von der Primärwicklung und der Sekundärwicklung teilweise umschlossen und zusätzlich wird eine der beiden Wicklungen von der anderen wenigstens teilweise umgeben.
Zündspulen dieser Art sind üblicherweise extrem volumen- und gewichtsminimiert gestaltet und werden vorwiegend in Brennkraftmaschinen eingesetzt, bei denen jeder Brennkraftzylinder mit einer eigenen Zündspule ausgestattet ist und direkt ohne aufwändige Halteelemente auf der Zündkerze sitzt. Solche Zündspulen werden auch als Ein- zelfunkenzündspulen oder Stabzündspulen bezeichnet und müssen besonders rüttelfest und temperaturbelastbar sein, da sie direkt mit dem Schwingungen erzeugenden und aufgeheizten Motorblock Kontakt haben.
Eine solche Einzelfunkenzündspule weist neben der primären und sekundären Indukti- onsspule einen speziellen Magnetkreis auf und kann zudem ein elektronisches Schaltelement beinhalten, beispielsweise eine Endstufe, die mit den Induktionsspulen zu einer Einheit verbunden ist. Zwei Steckverbinder, einer für die Verbindung des Hochspannungsanschlusses zur Zündkerze hin und ein in der Regel vierpoliger Steckverbinder für die Stromversorgung aus dem Bordnetz und die Ansteuerleitung, vervollständigen eine solche Zündspule. Die Ansteuerung der Zündsysteme erfolgt durch die Motorelektronik, welche aus einer Vielzahl von dynamischen Motorkenndaten den Zündzeitpunkt bestimmt.
Derartige Einzelfunken-Zündsysteme besitzen gegenüber einem Zündsystem, das aus einer einzigen Zündspule gespeist wird und nach dem Verteilerprinzip arbeitet, den Vorteil, dass sämtliche Hochspannungsleitungen einschließlich des mechanischen Antriebs- und Verteileraufbaus, der im Betrieb nachteilig einem Verschleiß sowie der Ver- unreinigung unterliegt, die den Zündzeitpunkt beeinflussen oder die Zündleistung beeinträchtigen, entfallen können.
Für solche Zündspulen gelten die im Folgenden erläuterten physikalischen Wirkprinzi- pien der Energieübertragung. Dabei wird von einer fremdbestromten Primärspule und dem damit einhergehenden Aufbau eines Magnetfeldes, der bei Primärstromunterbrechung zu einer induktiven Übertragung auf die Sekundärwicklung führt, ausgegangen.
Der sekundäre Stromaufbau im Hochspannungsteil erfolgt allein nach dem Induktions- prinzip aus der Magnetflussreduzierung, die durch das Abschalten des Primärstroms und die damit einhergehende Magnetflussänderung hervorgerufen wird. Dieser Stromaufbau und die einsetzende Entladung verläuft jedoch nicht kontinuierlich, sondern in vier Phasen, entsprechend der jeweils dominierenden physikalischen Einflussgrößen. Dabei beginnt der Stromaufbau aufgrund der Kapazität der Sekundärwicklung bereits vor der eigentlichen Entladung über die Zündkerzenelektroden unmittelbar nach dem Einsetzen der primären Stromabsenkung.
Die erste Phase des sekundären Stromaufbaus setzt verzögerungsfrei beim Start der primären Stromabsenkung ein. Dabei kommt es zu einer Ladungsverschiebung entspre- chend der Kapazität der Sekundärwicklung mit einhergehender Bildung entsprechender elektrischer Felder an den Zündkerzenelektroden, die dann den eigentlichen Stromdurchbruch bewirken. Für die Bildung der für den sekundären Stromdurchbruch nötigen elektrischen Felder ist eine erhebliche primäre Stromabsenkung erforderlich, ausgehend vom Höchstwert des Primärstroms. Sie beträgt ca. 30% mit einer Wirkdauer von 2 bis 5 μsec und wird mitbestimmt vom Zündspulenkonzept und dem elektronischen Schalter, der die Abschaltgeschwindigkeit des Primärstroms beeinflusst.
Bei verlustfreier Betrachtung sowie für einen offenen Stromkreis gilt für Induktions- und Selbstinduktionsvorgänge die Beziehung
ΔΦ Uindu = N • — oder At
Die zweite Phase des sekundären Stromverlaufs ist ein sprunghafter Anstieg ohmschen Charakters einhergehend mit dem Stromdurchbruch. Er hat im Wesentlichen keine in- duktive Ursache, vielmehr resultiert er aus der kapazitiven Entladung der in der ersten Phase angestauten Ladung der Sekundärwicklung.
In der dritten Phase des sekundären Stromanstiegs dominieren reine Induktionsvorgänge, wobei durch weitere Absenkung des Primärstroms und den dadurch bedingten An- stieg des Sekundärstroms die Magnetflussänderung als Differenz der zugehörigen Amperewindungen (Primärseite sinkt, Sekundärseite steigt) wirkt und dementsprechend verläuft der Anstieg des Sekundärstroms flacher, obwohl die Absenkung des Primärstroms zu diesem Zeitpunkt noch gleichbleibend verläuft. Erst gegen Ende der primären Stromabsenkung verflacht sich der Verlauf und der Anstieg des Sekundärstroms erreicht in einem weichen Auslauf seinen Höchstwert. Das physikalische Prinzip des sekundären Stromanstiegs kommt dadurch zum Ausdruck, dass in jeder Phase des Anstiegs immer maximal nur soviel sekundäre Amperewindungen sich einstellen können, wie zuvor pri- märseitig an Amperewindungen induziert wurden, da als Energiegröße bei der Induktion allein das Magnetfeld (ursprünglich erzeugt von der Primärwicklung) auftritt und ent- sprechend dem Energieerhaltungssatz sich selbst nicht vermehren kann, auch nicht mit noch so schneller Primärstromabsenkung.
Somit gilt für die Phase des sekundären Stromanstiegs folgender Zusammenhang mit der primären Stromabsenkung bei verlustfreier Betrachtung:
" ^sekundär X θlsekundar — pπmär X dprimar
Dieses physikalische Prinzip wirkt weitgehend unabhängig von der Geschwindigkeit der primären Schaltvorgänge, sofern ausreichend Spannung induziert wird, um die ohm- sehen Widerstände zu überwinden. Diese Abläufe entstehen außerdem unabhängig vom Vorhandensein eines Eisenkreises. Die vierte Phase des sekundären Stromverlaufs stellt das magnetische Freilaufen des Eisenkreises dar, insbesondere des magnetischen Spulenkerns, wobei die Gegeninduktion der Sekundärspule die Wirkdauer des magnetischen Freilaufens maßgeblich bestimmt. Die Primärwicklung ist in dieser Phase bereits stromlos und ein Einfluss auf die Sekundärseite wäre, sofern wegen der Kleinheit nennenswert, nur über Kapazität möglich.
Sämtliche der bisher bekannten kleinvolumigen Zündspulen, wie sie beispielsweise in der DE 199 62 279 A1 , der DE 199 27 820 C1 , der WO 99/36693, der DE 199 50 566 A1 , der EP 1 111 630 A2 oder der EP 0 959 481 A2 gezeigt sind, sind im Betrieb der Gefahr einer Überhitzung ausgesetzt. Diese resultiert aus der Eigenerwärmung vor allem durch die beträchtliche Strombelastung (15 Ampere) der Primärwicklung, aber auch durch die Verlustleistung der Sekundärwicklung. Hinzu kommt die thermische Belastung durch die relativ große Umgebungstemperatur des Motorblocks (bis 125°C). Der gerin- gere Wärmewert an kleinvolumigen Zündspulen erschwert weiter die Erreichung eines vertretbar temperierten Gleichgewichtszustands (maximal 160°C), vor allem im Dauerbetrieb mit maximaler Zündfrequenz.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 959 481 A2 ist ein Ausführungsbeispiel einer kleinvolumigen Stabzündspule bekannt, bei dem die Gefahr einer Überhitzung insbesondere der elektronischen Endstufe herabgesetzt werden soll, wodurch auch bei hohen thermischen Belastungen die Betriebssicherheit erreicht werden soll. Dabei wird der Uberhitzung passiv vorgebeugt, indem man die einzelnen Wärmequellen mittels einer Trennlücke zu entkoppeln versucht. Diese Lösung bietet allerdings den Nachteil, dass der eigentlichen Entstehung der unerwünschten Wärme nicht entgegengewirkt wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine verbesserte Zündspule für Zündanlagen, insbesondere eine Stabzündspule für Brennkraftmaschinen, anzugeben, die eine erhöhte Betriebssicherheit und Energieeffizienz sowie eine verringerte Gefahr der Überhitzung im Betrieb gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch eine Zündspule für Zündanlage, insbesondere eine Stabzündspule für Brennkraftmaschinen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die hohe Wärmebelastung einer Zündspule aktiv herabgesetzt werden kann, indem die einzelnen Wärmequellen betrachtet und die elektrischen und magnetischen Verlustleistungen an den Induktionsspulen herabgesetzt werden. Diese erfindungsgemäße Erhöhung des Energieübertragungswirkungsgrades wird durch eine Einschnürung des Magnetfeldes in mindestens einem Abschnitt mit gegenüber der übrigen Wicklungsdichte erhöhter Wicklungsdichte erzielt, in welchem der Durchmesser der innersten Windungen geringer ist als in den übrigen Wicklungsabschnitten.
Durch eine vergleichsweise niedrige Bestromung der Primärwicklung wird die elektronische Endstufe außerdem thermisch wie auch elektrisch entlastet und damit die Betriebssicherheit gesteigert. Darüber hinaus bietet die erfindungsgemäße Ausführung der Zündspule den Vorteil einer Reduzierung des Bauvolumens um etwa 15% gegenüber den derzeit bekannten und vergleichbaren Zündspulenkonzepten. So hat eine übliche Topfzündspule beispielsweise ein Bauvolumen von mehr als 300 cm3 (Durchmesser 5,9 cm, Länge 11 ,5 cm). Die Stabzündspule in der erfindungsgemäßen Ausführung kommt einschließlich des Hochspannungsanschlusses mit einem Volumen von etwa 30 cm3 aus (Durchmesser etwa 2,2 cm, Länge 8,2 cm).
Schließlich bietet die erfindungsgemäße Lösung den Vorteil, dass die Zündleistung im gesamten Bereich der Arbeitstemperatur (-40°C bis maximal +180°C) nur verhältnismäßig geringen Schwankungen unterliegt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Sekundärwicklung gegenüber der Primärwicklung so angeordnet, dass jeweils ein Abschnitt mit erhöhter Wicklungsdichte an der einen Wicklung mit einem Abschnitt übriger Wicklungsdichte an der anderen Wick- lung in axialer Richtung korrespondiert. Durch dieses Durchdringen des Volumens der beiden Wicklungen kann die Energieübertragung wesentlich verbessert werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind Primärwicklung und Sekundärwicklung so angeordnet, dass die Primärwicklung die Sekundärwicklung umschließt, und dass der Abschnitt mit erhöhter Wicklungsdichte ein Anfangs- und/oder Endabschnitt der Primärwicklung ist. Die Sekundärwicklung ist in dem übrigen Wicklungsab- schnitt der Primärwicklung angeordnet. Dies bietet den Vorteil, dass die hochohmige Sekundärwicklung in Kernnähe angeordnet ist und die niederohmige Primärwicklung, die keine besondere Isolation benötigt, außen angeordnet ist. Dadurch kann ein besonders geringer Baudurchmesser der Zündspule erreicht werden. Grundsätzlich lässt sich bereits durch das Vorsehen nur eines Abschnitts mit erhöhter Wicklungsdichte und ver- ringertem Durchmesser der innersten Windungen ein den Wirkungsgrad steigernder Effekt erzielen. Dabei wird dieser Bereich zweckmäßigerweise aufgrund der Isolationsvorteile am hochspannungsabgewandten Endauslauf der Primärwicklung vorgesehen. Sieht man dagegen sowohl im Anfangs- wie auch im Endabschnitt der Primärwicklung einen solchen Bereich mit erhöhter Wicklungsdichte und verringertem Durchmesser der innersten Windungen vor, so hat dies den Vorteil, dass die Sekundärwicklung von drei Seiten magnetisch umschlossen ist.
Sieht man an der Sekundärwicklung weiterhin eine Vorwicklung und/oder eine Endwicklung vor, die von dem Anfangs- und/oder Endabschnitt der Primärwicklung um- schlössen ist, so kann das zur Verfügung stehende Volumen in besonders effektiver Weise genutzt werden.
Verwendet man anstelle der üblichen Runddrahtwicklung eine Flachdrahtwicklung für mindestens eine der Wicklungen, so kann die Stromdichte erhöht und dadurch die Ein- schnürwirkung auf das Magnetfeld weiter erhöht werden. Der Einsatz von Flachdraht hat gegenüber einem Runddraht weiter den Vorteil, dass eine größere Wickeldichte erreichbar ist und somit die notwendige Windungszahl der Primärwicklung niederohmiger herstellbar ist, ohne mehr Wickelvolumen zu benötigen. Das großflächige Aneinanderliegen der einzelnen Windungen aus Flachdraht ermöglicht außerdem einen weit besseren Wärmefluss nach außen hin, als das bei einem Runddraht mit einer Linien- bzw. Punktberührung der Windungen untereinander der Fall ist. Um das Magnetfeld optimal zu führen, kann die Zündspule weiterhin eine weichmagnetische Hülse aufweisen, welche die Wicklungen und den Kern umschließt.
Eine Segmentierung der Sekundärwicklung kann für eine Verbesserung der Span- nungsfestigkeit vorgesehen sein.
Zur Sicherstellung der Isolationsfestigkeit zur Primärwicklung hin bei gleichzeitiger Einhaltung geringster Volumenbelegung können die Wickelhöhen dieser sekundären Segmentwicklungen kaskadenförmig abnehmend in der Wickelhöhe ausgeführt sein. Ent- sprechend der ansteigenden Hochspannung von Segment zu Segment werden die Wandstärken der Isolation zur Primärwicklung hin gesteigert.
Des weiteren kann, wenn die Endausläufe der Sekundärwicklung in einem axialen Verlauf an die Stirnseiten der Induktionsspulen herausgeführt werden, der mindestens eine Abschnitt mit erhöhter Wicklungsdichte der Primärwicklung exzentrisch mit Bezug auf den Kern und den übrigen Wicklungsbereich der Primärwicklung angeordnet sein.
Sind dabei Anfangs- und Endbereich der Primärwicklung als Abschnitte mit erhöhter Wicklungsdichte ausgeführt, ist es vorteilhaft für die magnetfeldeinschnürende Wirkung, eine radial um 180° versetzte Anordnung der Exzentrizität zu wählen.
Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten vorteilhaften Ausgestaltungen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schnittbild einer erfindungsgemäßen Zündspule gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 die zeitlichen Stromverläufe von Primärseite und Sekundärseite einer erfindungsgemäßen Zündspule im Vergleich zu einem herkömmlichen Zündsystem; Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer Flachdrahtwicklung im Vergleich zu einer Runddrahtwicklung;
Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Zündspule gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 5 einen Schnitt durch die Zündspule der Fig. 4 entlang der Schnittlinie A-A.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Zündspule 10 gemäß ei- ner ersten Ausführungsform. Wie aus dieser schematischen Darstellung ersichtlich, besteht die Zündspule 10 zu ca. 45% aus hochwirksamen Isoliermaterial 1 , das meist aus Kunststoff mit einer Durchschlagsfestigkeit von ca. 30kV/mm gefertigt wird und vor allem die hochspannungsführende Sekundärwicklung 5 von den übrigen Bestandteilen elektrisch isoliert.
Der Eisenkreis, der einen weichmagnetischen Kern 2 mit hoher Sättigungsinduktion und eine die äußere Hülle bildende weichmagnetische Hülse 3 aufweist, die beide annähernd in der vollen Länge der Zündspule 10 ausgeführt sind, beansprucht ca. 25% des Bauvolumens. Die niederohmige Primärwicklung 4 belegt ein Volumen von ca. 20% und ist damit vom Volumen her in der Regel doppelt so groß wie die hochohmige Sekundärwicklung 5 mit ca. 10% Anteil am Gesamtvolumen.
Weil zur Erreichung dieses relativ kleinen Bauvolumens sämtliche Bestandteile der Zündspule 10 in der Dimensionierung stark beschränkt sein müssen, bleibt es nicht aus, dass der weichmagnetische Kern 1 eigentlich eine Unterdimensionierung aufweist, die nur teilweise dadurch kompensiert werden kann, dass der Eisenkreis an den Stirnseiten magnetisch offen gestaltet ist. Dies hat zur Folge, dass bei der Bestromung einer herkömmlichen zylindrischen Primärspule mit ihrem gleichbleibenden und wegen der notwendigen Isolation relativ großen Durchmesser ihrer innersten Wicklungen beträchtliche magnetische Streuflüsse auftreten, die nicht nur dem Nutzfluss verloren gehen, sondern darüber hinaus diesen noch weiter schwächen, da der Streufluss dem Nutzfluss bei der Primärstromabsenkung teilweise entgegenwirkt. Der gesamte Innenraum der Primärspule führt den magnetischen Fluss, da der Eisenkern gänzlich in magnetische Sätti- gung getrieben werden muss, um die notwendige Induktion in Sekundärwicklung sicherzustellen. Um den Magnetflussumsatz zu steigern, können an den Stirnflächen des weichmagnetischen Kerns gegenpolig zum Magnetfeld der Primärwicklung 4 Dauermagnete angeordnet sein. Damit ist eine höhere Zündleistung erzielbar, die jedoch nur mit entsprechender Steigerung des Primärstroms erreichbar ist, wodurch eine erhöhte thermische Belastung auftritt. Der magnetische Streufluss ist mit dieser Methode nicht reduzierbar, im Gegenteil ist davon auszugehen, dass der magnetische Streufluss vor allem an den Endausläufen der Primärwicklung 4 aufgrund der entgegengesetzten Polung der Dauermagnete zum Primärmagnetfeld prozentual steigt.
Daher wird erfindungsgemäß der magnetische Streufluss vor allem an der Primärwicklung und insbesondere an deren Endausläufen dadurch reduziert, dass die Endausläufe der Primärwicklung 4 auf einer Länge von jeweils ca. 20% der Gesamtlänge der Primärspule auf mindestens die Hälfte des Innendurchmessers im übrigen Bereich verringert wird und gleichzeitig in diesen Anfangs- und Endabschnitten 6a, 6b die magnetische Feldstärke durch eine höhere Windungszahl im Vergleich zu dem Mittelbereich der Primärspule 4 auf ca. das Doppelte gesteigert wird. Dadurch kann der spezifische Magnet- fluss in diesen Abschnitten 6a, 6b in etwa verdoppelt werden.
Die Sekundärwicklung 5 wird erfindungsgemäß in dem hohlraumbildenden Mittelbereich der Primärwicklung 4 angeordnet, und ihre Anschlussenden 5c, 5d sind sicher in dem Isoliermaterial 1 eingebettet und werden unterhalb der einschnürenden Windungen stirnseitig nach außen herausgeführt.
Ein den Wirkungsgrad steigernder Effekt lässt sich bereits durch eine nur einseitige Ausbildung eines Bereichs mit geringerem Durchmesser und erhöhte Wicklungsdichte erzielen, wobei dann der hochspannungsabgewandte Endauslauf 6b der Primärwicklung 4 wegen der Isolationsvorteile zu bevorzugen ist.
Das von der Primärwicklung 4 ausgehende Magnetfeld teilt sich in einen Verlauf im weichmagnetischen Kern 2, der den Hauptanteil bildet und einen Parallelverlauf, dessen Volumen einerseits durch die innersten Windungen der Primärwicklung 4 und andererseits durch die Oberfläche des weichmagnetischen Kerns 2 begrenzt wird. Der Quer- schnitt dieses Parallelvolumens ist nicht zuletzt wegen der dicken Isolationswandungen größer als der Querschnitt des Kerns 2 und dementsprechend ist eine erhebliche Leistungssteigerung durch die nahezu volle Nutzung auch dieses Magnetfelds für die Energieübertragung auf die Sekundärwicklung 5 möglich. Durch die magnetfeldeinschnüren- de Wirkung und die aus der höheren Windungszahl resultierende Steigerung der magnetischen Feldstärke kann zum einen der magnetische Widerstand an den magnetisch offenen Enden des Eisenkreises ausgeglichen werden und es kann erreicht werden, dass das primäre Magnetfeld die Sekundärwicklung 5 in wesentlich größerem Maße zu durchdringen vermag, um auch diesen Magnetfeldanteil bei der Energieübertragung wirksam zu nutzen.
In der gezeigten Ausführungsform ist (ebenso wie in der zweiten Ausführungsform der Fig. 4 und 5) die Sekundärwicklung 5 in einzelne Segmente unterteilt, was üblicherweise aus Spannungsfestigkeitsgründen erforderlich ist. Diese Segmentierung hat eine redu- zierende Wirkung auf die Gegeninduktion bei der sekundären Stromentladung. Die Folge ist eine verkürzte Wirkdauer (Brenndauer) der Stromentladung, die für eine zuverlässige Entflammung der brennbaren Gasmoleküle kritisch werden kann, vor allem wenn ein inhomogenes Gasgemisch oder ein nicht ideales Mischungsverhältnis vorliegt, wie dies beispielsweise in der Motorstartphase oder in einer Wechselphase der Motorleis- tung der Fall sein kann.
Daher ist, wie in Fig. 1 gezeigt, die Sekundärwicklung 5 mit einer vergleichsweise geringen Anzahl von Segmenten (hier beispielhaft fünf) ausgeführt und diese dafür in einer möglichst großen Wickelhöhe gestaltet. Die Isolationsfestigkeit innerhalb eines Seg- mentes kann durch eine geringere Wickelbreite eingehalten werden. Zur Sicherstellung der Isolationsfestigkeit zur Primärwicklung hin bei Einhaltung geringster Volumenbelegung werden die Wickelhöhen der sekundären Segmentwicklungen kaskadenförmig abnehmend in der Wickelhöhe ausgeführt. Entsprechend der ansteigenden Hochspannung von Segment zu Segment werden die Wandstärken der Isolation zur Primärwicklung 4 hin gesteigert. Eine größere Wickelhöhe der sekundären Wicklungssegmente steigert zudem auch die positive Wirkung des erfindungsgemäßen Prinzips einer eingeschnürten Primärwicklung dadurch, dass auch die Ausführung einer Primärwicklung mit größeren Durchmesserunterschieden zwischen dem Mittelbereich und dem Einschnürbereich möglich wird und die Sekundärwicklung noch intensiver von drei Seiten durch die Primärwicklung 4 umschlossen ist.
In der Fig. 2 sind die elektrischen Kenndaten einer mit den erfinderischen Merkmalen gestalteten Zündspule im Vergleich zu bekannten Zündsystemen gleicher Kategorie als Stromdiagramm dargestellt. Dabei bedeuten die Kurven 11 uns 13 den primärseitigen und sekundärseitigen Stromverlauf an einer herkömmlichen Zündspule und die Kurven 12 und 14 den primärseitigen und sekundärseitigen Stromverlauf an einer gemäß der vorliegenden Erfindung gestalteten Zündspule. Wie aus dem Diagramm erkennbar, ent- spricht der primäre Stromverlauf charakteristisch dem sekundären Stromverlauf mit dem Unterschied, dass der Primärstrom einen ansteigenden Verlauf, der Sekundärstrom dagegen zeitlich versetzt einen abfallenden Verlauf aufweist und die dazugehörigen Stromstärken sich entsprechend dem Produkt aus Stromstärke und Windungszahl verhalten. Ansonsten ist die Charakteristik der Stromverläufe exakt spiegelbildlich, was aus dem gemeinsamen Magnetkreis resultiert.
Eine weitere Steigerung der magnetfeldeinschnürenden Wirkung der Abschnitte 6 mit erhöhter Wicklungsdichte und verringertem Durchmesser erhält man bei unveränderter Beibehaltung der erforderlichen Isolationswandstärken, indem die Primärspule 4 als Flachdrahtwicklung anstelle einer üblichen Runddrahtwicklung gestaltet ist. Wie in Fig. 3 schematisch dargestellt, ist die den Magnetfluss einschnürende Wirkung der Flachdrahtwicklung beträchtlich, insbesondere im Vergleich zu einem üblicherweise bei Primärwicklungen verwendeten Runddrahtdurchmesser von ca. 0,7 mm. Setzt man beispielsweise anstelle eines Runddrahtes mit einem Durchmesser von 0,7 mm einen Flachdraht von ca. 0,3 mm Dicke und gleicher Querschnittsfläche wie dem Runddraht ein, kann das Magnetfeld um etwa 15% eingeschnürt und der Wirkungsgrad der Energieübertragung in ähnlicher Größenordnung gesteigert werden. Dies ist vor allem auf die in dieser Anordnung erhöhte Stromdichte zurückzuführen. Wie aus Fig. 3 weiterhin erkennbar ist, berühren sich außerdem die einzelnen Flachdrahtwindungen in einem we- sentlich größeren Oberflächenbereich und gewährleisten dadurch eine bessere Wärmeabfuhr nach außen. Die Größenordnung der das Magnetfeld einschnürenden Wirkung kann, wie in Fig. 4 gezeigt, dadurch erweitert werden, dass die Endausläufe der Sekundärwicklung 5c und 5d auf kürzestem Wege in axialem Verlauf an die Stirnseiten der Zündspule 10 herausgeführt sind. Somit sind die relativ starken Isolationswandlungen rund um den Kern nicht mehr erforderlich, sondern es wird lediglich eine partielle Isolierung im Bereich der Durchführungen der sekundären Anschlussenden 5c und 5d notwendig. Es entfällt also an dem Kern 2 die massive Rundumausbildung der Isolation 3 in einem weiten Bereich. In dieser Ausführungsform sind die einschnürenden Abschnitte 6a, 6b nicht mehr konzentrisch zur Mittelachse des weichmagnetischen Kerns 2 und dem übrigen Mittelbe- reich der Primärwicklung 4 angeordnet. Es ist jedoch ein bedeutender Anteil der Primärwindungen näher an den Eisenkern herangeführt als bei der Ausführungsform der Fig. 1 und es kann damit eine entsprechende Steigerung der magnetischen Einschnürwirkung erzielt werden. Vorteilhaft für die einschnürende Wirkung ist die in Fig. 4 und der zugehörigen Schnittdarstellung der Fig. 5 gezeigte radial um 180° zueinander ver- setzte Anordnung der Exzentrizität der einschnürenden Abschnitte 6a, 6b der Primärwicklung.
Obwohl im Vorangegangenen nur zylindrische Zündspulen gezeigt wurden, ist die vorliegende Erfindung selbstverständlich auf jeden anderen Querschnitt, beispielsweise auf einen rechteckigen Querschnitt, anwendbar. Des Weiteren kann die vorliegende Erfindung auch bei anderen Übertragern, insbesondere bei solchen mit einem verringerten Volumen des Eisenkreises, vorteilhaft eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Zündspule für Zündanlagen, insbesondere Stabzündspule für Brennkraftmaschinen, mit mindestens einer Primärwicklung (4) und mindestens einer Sekundärwicklung
(5), wobei bei Stromfluss in der Primärwicklung (4) eine Hochspannung in der Sekundärwicklung (5) induziert wird, und mit einem ferromag netischen Kern (2), der von der Primärwicklung (4) und der Sekundärwicklung (5) zumindest teilweise umschlossen ist, wobei zusätzlich die eine der Wicklungen (4, 5) von der anderen wenigstens teilweise umschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Wicklungen (4, 5) mindestens einen Abschnitt (6) mit gegenüber der übrigen Wicklungsdichte erhöhter Wicklungsdichte aufweist, wo- bei der Durchmesser der innersten Windungen in dem mindestens einen Abschnitt geringer ist als der Durchmesser der innersten Windungen in den übrigen Wicklungsabschnitten (9).
2. Zündspule nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung (5) gegenüber der Primärwicklung (4) so angeordnet ist, dass jeweils ein Abschnitt mit erhöhter Wicklungsdichte an der einen Wicklung mit einem
Abschnitt übriger Wicklungsdichte an der anderen Wicklung in axialer Richtung korrespondiert.
3. Zündspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (4) die Sekundärwicklung (5) umschließt, und der mindestens eine Abschnitt mit erhöhter Wicklungsdichte ein Anfangs- und/oder Endabschnitt (6a,
6b) der Primärwicklung (4) ist und die Sekundärwicklung (5) in dem übrigen Wicklungsabschnitt (9) der Primärwicklung (4) angeordnet ist.
4. Zündspule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung (4) weiterhin eine Vorwicklung (5a) und/oder Endwicklung (5b) mit re- duzierter Wicklungsdichte aufweist, die von dem Anfangs- und/oder Endabschnitt (6a, 6b) der Primärwicklung (4) umschlossen ist.
5. Zündspule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Wicklungen (4, 5) eine Flachdrahtwicklung ist.
6. Zündspule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine weichmagnetische Hülse (3) die Wicklungen (4, 5) und den Kern (2) umschließt.
7. Zündspule nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung (5) in eine Vielzahl von einzelnen Segmenten aufgeteilt ist.
8. Zündspule nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelhöhen der einzelnen Segmente kaskadenförmig abnehmend ausgeführt sind.
9. Zündspule nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abschnitt mit erhöhter Wicklungsdichte exzentrisch mit Be- zug auf die Mittelachse der Zündspule (10) angeordnet ist.
10. Zündspule nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfangsabschnitt (6a) und der Endabschnitt (6b) der Primärspule (4) im wesentlichen um 180° versetzt exzentrisch mit Bezug auf die Mittelachse der Zündspule (10) angeordnet sind.
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