EP1929490B1 - Stabzündtransformator zur versorgung eines zündmittels, insbesondere einer zündkerze einer brennkraftmaschine, mit einer hochspannung - Google Patents

Stabzündtransformator zur versorgung eines zündmittels, insbesondere einer zündkerze einer brennkraftmaschine, mit einer hochspannung Download PDF

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EP1929490B1
EP1929490B1 EP06778426A EP06778426A EP1929490B1 EP 1929490 B1 EP1929490 B1 EP 1929490B1 EP 06778426 A EP06778426 A EP 06778426A EP 06778426 A EP06778426 A EP 06778426A EP 1929490 B1 EP1929490 B1 EP 1929490B1
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EP
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secondary winding
winding
transformer
distance
extremity
Prior art date
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EP06778426A
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EP1929490A1 (de
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Tycho Weissgerber
Guido Bayard
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Pulse GmbH and Co KG
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Pulse GmbH
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    • 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
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    • H01F38/12—Ignition, e.g. for IC engines
    • H01F2038/122—Ignition, e.g. for IC engines with rod-shaped core
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    • 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
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/324—Insulation between coil and core, between different winding sections, around the coil; Other insulation structures

Definitions

  • the invention relates to a Stabzünd transformer for supplying an ignition means with high voltage.
  • the rod ignition transformer has a main core region about which a first inner winding and a second outer winding are arranged concentrically with the longitudinal axis of the rod ignition transformer.
  • One of the windings is a primary winding and the other winding is a secondary winding.
  • Stabzündtransformatoren are known in which the transformer core is connected to a ground potential of the motor vehicle, whereby the transformer core has this ground potential.
  • the primary coil is arranged inside coaxially around the transformer core around and the secondary coil is arranged externally around the primary coil around coaxially, wherein the secondary coil is surrounded by a jacket of insulating material outside.
  • bar ignition transformers are known in which the secondary coil is arranged on the inside around the transformer core.
  • the primary coil is arranged externally around the secondary coil, whereby these bar-type ignition transformers are also referred to as external secondary coil-bar transformers.
  • the transformer core is electrically connected to no potential, so that the potential of the transformer core due to a capacitive coupling to a center potential between the ground potential and the generated high voltage potential.
  • the insulating material of the insulating jacket is at least locally heavily stressed by arranged in the vicinity of the insulating potential-carrying components.
  • a rod ignition coil is known in which one of the windings is designed as a helical winding.
  • the known Stabzündtransformatoren generally have the disadvantage that the insulating materials used are heavily loaded locally uneven. However, the insulation capacity of the insulating material and the thickness of the insulating material must be designed according to the maximum load occurring. In addition, in a skew winding of the primary winding and / or the secondary winding by design measures to prevent slippage of individual wires become. When skew winding only a portion of the cylindrical position of a coil winding is wound with a winding wire, which then on this Location produced further layer is not wrapped back to the beginning of the first layer. The subsequently wound on the second layer third layer has the same width as the first layer, so that it is arranged offset from the first layer.
  • skew windings are also referred to as crawl windings and are particularly useful in manuals for winding machines, e.g. from winding machines of the company Marsilli described.
  • the object of the invention is to provide a bar ignition transformer for supplying an ignition means, in particular a spark plug of an internal combustion engine, with a high voltage, in which the load of the insulating material for the isolation of the secondary coil is reduced.
  • a Stabzündtransformator for supplying an ignition means, in particular a spark plug of an internal combustion engine with high voltage ensures that in the range of large potential differences, a thicker insulating material is available than in areas with lower potential differences.
  • the insulating material for the isolation of the secondary coil is subjected to less stress than conventional Stabzündtransformatoren. Pointy heavy loads of the insulating material are avoided. These strong punctual loads are caused by large local potential differences, which are also referred to as hot spots. In areas of such hot spots, the insulating material is heavily stressed.
  • the insulation of the entire Stabzündtransformators is designed for these hot spots, so that in areas with lower potential differences more insulating material is present as for the isolation of high-voltage components of the pencil ignition coil is necessary.
  • the insulation material is heavily stressed, whereby the life of the insulating material especially at these hot spots is reduced by the stress.
  • a second aspect of the invention relates to an arrangement with a combined Zündtransformator- and Zündffenech, preferably for an internal combustion engine that operates on the Otto principle.
  • the arrangement has an ignition means which has an insulating body between a spark gap formed by means of electrodes and a high voltage terminal.
  • the cross section of the insulating material decreases at least in the region of the secondary winding of the ignition transformer with increasing distance from the electrodes of the ignition means.
  • the secondary winding and the primary winding of the ignition transformer are arranged concentrically to the longitudinal axis of the insulating material.
  • the insulating body serves as a bobbin for the secondary coil of the ignition transformer.
  • a conical design and arrangement of the secondary coil of the ignition transformer is achieved in a simple manner.
  • Fig. 1 a section of a known Stabzünd transformer is shown.
  • Such Stabzündtransformatoren are for example from the documents DE 199 12 376 C2 . DE 103 60 338 A1 . DE 109 211 A1 . DE 102 56 802 D3, DE 199 02 497 A1 . DE 199 27 820 C1 such as DE 136 528 A1 known.
  • a rod ignition transformer 10 is shown, which is designed for connection to a spark plug, not shown, wherein the Stabzündtransformator 10 in the region 12 has an opening for receiving a terminal portion of a spark plug. At least the lower portion of the Stabzündtransformators 10 is inserted into a provided in a cylinder head of an internal combustion engine shaft.
  • the rod-firing transformer 10 includes a substantially cylindrical rod core 14 formed of soft magnetic iron or a magnetic material and extending along the longitudinal axis 11 of the rod ignition transformer 10.
  • a secondary winding 16 is arranged on a bobbin coaxially around the rod core 14. A winding end of the secondary winding 16 is connected to the mass of the motor vehicle serving as a reference potential.
  • the other terminal of the secondary winding 16 is connected to a high voltage terminal 18 of a spark plug.
  • Fig. 1 are the potentials and the connections the coils and the spark plug is shown only schematically outside the Stabzündtransformators 10.
  • the spaces between the primary winding 22, the secondary winding 16 and the bobbin 18 are preferably with a Cast insulating material.
  • On the insulating housing 24 may be present a return plate, which forms a magnetic circuit of the Stabzündtransformators 10 as a return element with the rod core 14. If the rod core 14 is also connected to the ground potential, the secondary winding 16 must be insulated from the rod core 14 accordingly.
  • the bobbin 18 is made of a plastic, by which the secondary winding 16 is sufficiently insulated from the rod core 14.
  • a potting compound may be filled between the bobbin 18 and the rod core 14.
  • the secondary winding 16 is electrically insulated from the primary winding 22 by the casting compound filled between these windings 16, 22.
  • the secondary winding 16, the primary winding 22, the rod core 14 and / or the housing 24 may be electrically insulated with a thermoplastic and / or a thermosetting material.
  • the thermoplastic or thermoset material is preferably applied to the component to be insulated 16, 22, 14, 24 by a spraying method.
  • a relatively uniform potential distribution from one end of the secondary winding 16 to the other end of the secondary winding 16 can be achieved, whereby only in one area large potential differences between the rod core 14 and the secondary winding 16 and between the secondary winding 16 and the primary winding 22 occur.
  • the power output stage of the control unit 26 comprises a high-power transistor, which is operated as a switch.
  • high-power transistors are in particular bipolar transistors, MOSFETs and insulated gate bipolar transistors (IGBT).
  • IGBT insulated gate bipolar transistors
  • This voltage is supplied to the high voltage terminal 20 of a first electrode of the spark plug.
  • Another second electrode of the spark plug forming a spark gap with the first electrode is permanently connected to the ground potential.
  • an arc is generated between the two electrodes, which causes ignition of the combustion chamber located in the fuel-air mixture.
  • FIG. 2 an inventive Stabzündtransformator 30 is shown, their structure and operation similar to the Stabzündtransformator 10 after Fig. 1 is. Like elements have the same reference numerals.
  • the rod core 14 in the present embodiment has a circular cross-section and extends along the longitudinal axis of the Stabzündtransformators 30.
  • the secondary winding 32 is designed as a skew winding, wherein the winding process at the top of the in Fig. 2 shown secondary winding 32 has been started.
  • the secondary winding 32 and the primary winding 22 are arranged radially about the longitudinal axis 11 of the pencil ignition coil 30.
  • the radial cross section of the secondary winding 32 increases from the upper end of the secondary winding 32 to the lower end of the secondary winding 32 toward, so that the distance of the secondary winding 32 to the lateral surface of the rod core 14 from the upper end to the lower end of the secondary winding 32 increases continuously. As a result, the isolation distance between the The lateral surface of the rod core 14 and the secondary winding 32 increases continuously.
  • the potential distribution of the secondary winding 32 from the lower end to the upper end takes place substantially uniformly over the length of the secondary winding 32, so that ground potential is present at the lower end and high-voltage potential at the upper end.
  • the rod core 14 is electrically connected to the high voltage potential.
  • the potential difference is equal to the high voltage potential of the rod core 14, since this end of the secondary winding 32 is at ground potential.
  • the secondary winding 32 Due to the oblique arrangement of the secondary winding 32, however, a relatively large distance between the inside of the secondary winding 32 and the lateral surface of the rod core 14 at the lower end of the secondary winding 32 is present, which serves as an isolation distance. In this insulation distance, either air or another insulating material, in particular an insulating resin, may be present. The introduction of insulating gases in this space is possible.
  • the flow behavior of a potting compound in a vacuum potting process relative to the rod-firing transformer 10 is provided by the funnel-shaped gap between the secondary winding 32 and the primary winding 22 the rod ignition transformer 30 after Fig. 2 improved, whereby existing residual gases can better ascend from the spaces in the Stabzündtransformator 30.
  • oblique arrangement of the secondary winding 32 of the Stabzündtransformators 30 can be achieved with the same outer geometry functional advantages.
  • a higher high voltage more energy for generating the arc or the spark generated and / or the primary current can be reduced.
  • the life of the Stabzündtransformators 30 are extended by the oblique arrangement of the secondary winding 32 considerably in consequence of the lower stress of the insulating material.
  • the secondary winding 32 is designed as a skew winding, wherein the skew winding in the region with the smallest inner cross section of the secondary winding 32 is started, so that the winding direction of the skew winding is directed against the conicity of the secondary winding 32.
  • the Konizticianswinkel and the skew angle are added, whereby adjacent turns have a lower potential difference than, for example, in cylinder windings.
  • the lacquer insulation of the winding wires is thereby not stressed so much, whereby a longer life of the enameled wire insulation is achieved and the probability of Windungs finallyn is reduced. Furthermore, thereby slipping of wires in the skew winding is prevented.
  • FIG. 3 is a side view of a Stabzündtransformator spark plug combination 40 according to the invention shown.
  • the squib transformer spark plug combination 40 has an insulative housing 48, at the top thereof a hexagonal engagement portion 50 for threading the squib transformer spark plug combination 40 into a threaded opening in a cylinder head of a motor vehicle and for torquing the spark plug spark plug combination 40 with a prescribed torque is provided.
  • an opening for inserting a lead which electrically connects the rod transformer spark plug combination 40 to the control unit 26 for driving the rod transformer.
  • On the underside of the insulating housing 48 is an external thread 42 for screwing into a spark plug opening in the cylinder head of the motor vehicle over.
  • the outer thread 42 is preferably made of a metallic material, whereby the Stabzündtransformator spark plug combination 40 is preferably connected via this external thread 42 to the ground potential of the motor vehicle when the external thread 42 is screwed into the metallic cylinder head.
  • the counter electrode 46 is electrically connected to the external thread 42 and thus to the ground potential of the motor vehicle.
  • Fig. 4 is a sectional view of the Stabzündtransformator spark plug combination 40 along the section line AA after Fig. 3 shown.
  • a primary winding 52 is arranged on the inner wall of the insulating housing 48.
  • the high voltage electrode 44 is electrically connected to a transformer core 54, the transformer core 54 and the electrical connection between the transformer core 54 and the high voltage electrode 44 being surrounded by an insulating body 56, preferably made of ceramic or porcelain.
  • the Isolierstoff Chemistry 56 serves as a bobbin for the secondary winding 58.
  • the cross section of the Isolierstoff stresses 56 continuously decreases from the lower end of the secondary winding 58 to the upper end of the secondary winding 58 back, so that the distance between the lateral surface of the secondary winding 58th and the inside of the primary winding 52 increases continuously upward.
  • the potential of the secondary winding 58 continuously increases from the lower end of the secondary winding 58 to the upper end of the secondary winding 58.
  • the transformer core 54 is electrically connected to the high voltage potential of the secondary winding 58.
  • the primary winding 52 has Gleichstromograph considered ground potential or supply voltage potential of the motor vehicle, so that in the upper part of the secondary winding 58, a large potential difference between the primary winding 52 and secondary winding 58 and the lower portion of the secondary winding 58, a small potential difference between the secondary winding 58 and the primary winding 52 occurs.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Stabzündtransformator zur Versorgung eines Zündmittels mit Hochspannung. Der Stabzündtransformator hat einen Hauptkernbereich, um den konzentrisch zur Längsachse des Stabzündtransformators eine erste innere Wicklung und eine zweite äußere Wicklung angeordnet sind. Eine der Wicklungen ist eine Primärwicklung und die andere Wicklung ist eine Sekundärwicklung.
  • Aufgrund einer angestrebten geringen Baugröße von Stabzündtransformatoren sowie der thermischen und mechanischen Beanspruchung solcher Stabzündtransformatoren im Motorraum eines Kraftfahrzeugs sind insbesondere die Isolierstoffe zur Isolation der hochspannungsführenden Elemente stark belastet. Bei einer grenzwertigen Belastung der Isolierstoffe altern diese schneller und die Lebensdauer eines solchen Stabzündtransformators ist erheblich reduziert. Ferner müssen derzeit sehr hochwertige Isolierstoffe eingesetzt werden, um die erforderliche Isolationswirkung überhaupt auf dem zur Verfügung stehenden Raum zu erreichen. Auch kann die von derzeit eingesetzten Stabzündtransformatoren erzeugte Hochspannung nicht weiter erhöht werden, wodurch die Gestaltungsfreiheit bei der Konzeption eines Zündsystems für eine Brennkraftmaschine eingeschränkt ist.
  • Es sind Stabzündtransformatoren bekannt, bei denen der Transformatorkern mit einem Massepotential des Kraftfahrzeugs verbunden ist, wodurch der Transformatorkern dieses Massepotential hat. Bei diesen bekannten Stabzündtransformatoren ist die Primärspule innenliegend koaxial um den Transformatorkern herum angeordnet und die Sekundärspule ist außen um die Primärspule herum koaxial angeordnet, wobei die Sekundärspule außen durch einen Mantel aus Isolierstoff umgeben ist.
  • Ferner sind Stabzündtransformatoren bekannt, bei denen die Sekundärspule innenliegend um den Transformatorkern herum angeordnet ist. Die Primärspule ist bei diesen Anordnungen außen um die Sekundärspule herum angeordnet, wodurch diese Stabzündtransformatoren auch als Stabzündtransformatoren mit außen liegender Sekundärspule bezeichnet werden. Der Transformatorkern ist mit keinem Potential elektrisch leitend verbunden, so dass sich das Potential des Transformatorkerns aufgrund einer kapazitiven Kopplung auf ein Mittenpotential zwischen dem Massepotential und dem erzeugten Hochspannungspotential einstellt. Bei Stabzündtransformatoren mit außen liegender Sekundärspule, die mit einem Isoliermantel umgeben ist, ist der Isolierstoff des Isoliermantels durch in der Nähe des Isoliermantels angeordneten Potential führenden Bauteilen zumindest örtlich stark beansprucht. Insbesondere beim Einbau des Stabzündtransformators in einen Zylinderkopf eines Kraftfahrzeugs, der gewöhnlich mit dem Massepotential des Kraftfahrzeugs verbunden ist, ist der Isolierstoff des Isoliermantels zumindest örtlich stark beansprucht. Solche Stabzündtransformatoren sind zum Einbau in der Nähe Potential führender Bauteile nur bedingt geeignet.
  • Aus dem Dokument FR 2 762 442 A1 ist eine Stabzündspule bekannt, bei der eine der Wicklungen als Schrägwicklung ausgeführt ist.
  • Die bekannten Stabzündtransformatoren haben allgemein den Nachteil, dass die verwendeten Isolierstoffe lokal stark ungleichmäßig belastet werden. Das Isolationsvermögen des Isolierstoffs und die Stärke des Isolierstoffs müssen jedoch entsprechend der maximal auftretenden Belastung ausgelegt werden. Darüber hinaus muss bei einer Schräglagenwicklung der Primärwicklung und/oder der Sekundärwicklung durch konstruktive Maßnahmen das Abrutschen einzelner Drähte verhindert werden. Beim Schräglagenwickeln wird nur ein Teil der Zylinderlage einer Spulenwicklung mit einem Wickeldraht gewickelt, wobei die anschließend auf diese Lage erzeugte weitere Lage nicht bis zum Anfang der ersten Lage zurück gewickelt wird. Die nachfolgend auf die zweite Lage gewickelte dritte Lage hat die gleiche Breite wie die erste Lage, so dass diese versetzt zur ersten Lage angeordnet ist.
  • Diese Schräglagenwicklungen werden auch als Pilgerschrittwicklung bezeichnet und sind insbesondere aus Handbüchern zu Wickelmaschinen, z.B. von Wickelmaschinen der Firma Marsilli, beschrieben.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stabzündtransformator zur Versorgung eines Zündmittels, insbesondere einer Zündkerze einer Brennkraftmaschine, mit einer Hochspannung anzugeben, bei dem die Belastung des Isoliermaterials zur Isolation der Sekundärspule verringert ist.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Stabzündtransformator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Durch einen Stabzündtransformator zur Versorgung eines Zündmittels, insbesondere einer Zündkerze einer Brennkraftmaschine, mit Hochspannung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 wird erreicht, dass im Bereich großer Potentialunterschiede eine dickere Isolierstoffschicht zur Verfügung steht als in Bereichen mit geringeren Potentialunterschieden. Dadurch wird der Isolierstoff zur Isolation der Sekundärspule geringer beansprucht als bei herkömmlichen Stabzündtransformatoren. Punktuell starke Belastungen des Isolierstoffs werden vermieden. Diese starken punktuellen Belastungen werden durch große örtliche Potentialunterschiede hervorgerufen, die auch als Hot Spots bezeichnet werden. In Bereichen solcher Hot Spots wird das Isoliermaterial stark beansprucht. Üblicherweise wird die Isolation des gesamten Stabzündtransformators auf diese Hot Spots ausgelegt, so dass in Bereichen mit geringeren Potentialunterschieden mehr Isoliermaterial vorhanden ist als zur Isolation der hochspannungsführenden Bauteile der Stabzündspule notwendig ist. Andererseits wird in den Bereichen der Hot Spots das Isolationsmaterial stark beansprucht, wodurch die Lebensdauer des Isolationsmaterials insbesondere an diesen Hot Spots durch die Beanspruchung reduziert ist.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer kombinierten Zündtransformator- und Zündmitteleinheit, vorzugsweise für eine Brennkraftmaschine, die nach dem Otto-Prinzip arbeitet. Die Anordnung hat ein Zündmittel, das zwischen einer mit Hilfe von Elektroden gebildeten Funkenstrecke und einem Hochspannungsanschluss einen Isolierstoffkörper hat. Der Querschnitt des Isolierstoffkörpers nimmt zumindest im Bereich der Sekundärwicklung des Zündtransformators mit zunehmender Entfernung von den Elektroden des Zündmittels ab. Um den Isolierstoffkörper sind konzentrisch zu dessen Längsachse die Sekundärwicklung und die Primärwicklung des Zündtransformators angeordnet.
  • Durch eine solche Anordnung ist eine kompakte Bauweise des Zündtransformators und der Zündmitteleinheit möglich, wobei der Isolierstoffkörper als Spulenkörper für die Sekundärspule des Zündtransformators dient. Dadurch wird auf einfache Art und Weise eine konische Ausbildung und Anordnung der Sekundärspule des Zündtransformators erreicht. Durch eine geeignete Wahl der mit der Sekundärwicklung, dem Transformatorkern und mit weiteren Elementen der Anordnung verbundenen Potentialen kann durch diese konische Ausbildung der Sekundärspule der Isolationsabstand zwischen Elementen mit großen Potentialunterschieden vergrößert werden.
  • Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden auf die in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele Bezug genommen, die an Hand spezifischer Terminologie beschrieben sind. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der Schutzumfang der Erfindung dadurch nicht eingeschränkt werden soll, da derartige Veränderungen und weitere Modifizierungen an den gezeigten Vorrichtungen sowie derartige weitere Anwendungen der Erfindung, wie sie darin aufgezeigt sind, als übliches derzeitiges oder künftiges Fachwissen eines zuständigen Fachmanns angesehen werden. Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, nämlich:
    • Fig. 1
    einen Ausschnitt eines Längsschnitts eines bekannten Stabzünd- transformators;
    Fig. 2
    einen Ausschnitt eines Längsschnitts eines erfindungsgemäßen Stabzündtransformators;
    Fig. 3
    eine Seitenansicht einer Zündtransformator-/Zündkerzen-Einheit gemäß der vorliegenden Erfindung; und
    Fig. 4
    eine Schnittdarstellung der Zündtransformator-Zündkerzen-Einheit entlang der Schnittlinie A-A nach Fig. 3.
  • In Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines bekannten Stabzündtransformators gezeigt. Solche Stabzündtransformatoren sind beispielsweise aus den Dokumenten DE 199 12 376 C2 , DE 103 60 338 A1 , DE 109 211 A1 , DE 102 56 802 D3, DE 199 02 497 A1 , DE 199 27 820 C1 sowie DE 136 528 A1 bekannt.
  • In Fig. 1 ist ein Stabzündtransformator 10 dargestellt, der zur Verbindung mit einer nicht dargestellten Zündkerze ausgebildet ist, wobei der Stabzündtransformator 10 im Bereich 12 eine Öffnung zur Aufnahme eines Anschlussbereichs einer Zündkerze hat. Zumindest der untere Bereich des Stabzündtransformators 10 wird in einen in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine vorgesehenen Schacht eingesetzt. Der Stabzündtransformator 10 umfasst einen im Wesentlichen zylindrischen Stabkern 14, der aus weichmagnetischem Eisen oder einem magnetischen Material gebildet ist und sich entlang der Längsachse 11 des Stabzündtransformators 10 erstreckt. Eine Sekundärwicklung 16 ist auf einem Spulenkörper koaxial um den Stabkern 14 angeordnet. Ein Wicklungsende der Sekundärwicklung 16 ist mit der als Bezugspotential dienenden Masse des Kraftfahrzeugs verbunden. Der andere Anschluss der Sekundärwicklung 16 ist mit einem Hochspannungsanschluss 18 einer Zündkerze verbunden. In Fig. 1 sind die Potentiale und die Anschlüsse der Spulen und der Zündkerze nur schematisch außerhalb des Stabzündtransformators 10 dargestellt. Tatsächlich befinden sich der Hochspannungsanschluss 18 der Zündkerze sowie die Masseverbindung eines Anschlusses der Sekundärwicklung 16 und die Masseverbindung eines Anschlusses einer Primärwicklung 22 in dem Gehäuse 24 des Stabzündtransformators 10. Die Zwischenräume zwischen der Primärwicklung 22, der Sekundärwicklung 16 und dem Spulenkörper 18 sind vorzugsweise mit einem Isoliermaterial vergossen.
  • Der zweite nicht mit dem Massepotential verbundene Anschluss der Primärwicklung 22 ist mit einer elektronischen Steuereinheit 26 verbunden, die eine Leistungsendstufe zum Verbinden und Trennen des mit der Steuereinheit 26 verbundenen Anschlusses der Primärwicklung 22 mit der Versorgungsspannung des Kraftfahrzeugs von beispielsweise 12 Volt Gleichspannung enthält. Am Isolierstoffgehäuse 24 kann ein Rückschlussblech anliegen, das als Rückschlusselement mit dem Stabkern 14 einen Magnetkreis des Stabzündtransformators 10 bildet. Ist der Stabkern 14 ebenfalls mit dem Massepotential verbunden, muss die Sekundärwicklung 16 entsprechend gegenüber dem Stabkern 14 isoliert werden. Vorzugsweise ist der Spulenkörper 18 aus einem Kunststoff hergestellt, durch den die Sekundärwicklung 16 gegenüber dem Stabkern 14 ausreichend isoliert ist. Zusätzlich kann zwischen dem Spulenkörper 18 und dem Stabkern 14 eine Vergussmasse eingefüllt sein. Ferner ist die Sekundärwicklung 16 gegenüber der Primärwicklung 22 durch die zwischen diese Wicklungen 16, 22 gefüllte Vergussmasse elektrisch isoliert. Alternativ oder zusätzlich können die Sekundärwicklung 16, die Primärwicklung 22, der Stabkern 14 und/oder das Gehäuse 24 mit einem thermoplastischen und/oder einem duroplastischen Werkstoff elektrisch isoliert sein. Der thermoplastische oder duroplastische Werkstoff wird vorzugsweise durch ein Spritzverfahren auf das zu isolierende Bauteil 16, 22, 14, 24 aufgebracht. Insbesondere durch eine Schräglagenwicklung und/oder eine Scheibenwicklung kann eine relativ gleichmäßige Potentialverteilung von einem Ende der Sekundärwicklung 16 zum anderen Ende der Sekundärwicklung 16 erreicht werden, wodurch nur in einem Bereich große Potentialunterschiede zwischen dem Stabkern 14 und der Sekundärwicklung 16 und zwischen der Sekundärwicklung 16 und der Primärwicklung 22 auftreten.
  • Die Leistungsendstufe der Steuereinheit 26 umfasst einen Hochleistungstransistor, der als Schalter betrieben wird. Solche Hochleistungstransistoren sind insbesondere Bipolartransistoren, MOSFETs und Isolated Gate Bipolar-Transistoren (IGBT). Durch das Einschalten der Zündendstufe, d.h. durch das Verbinden der Primärwicklung mit der Versorgungsspannung des Kraftfahrzeugs, wird durch den dadurch fließenden Primärstrom ein Magnetfluss im Stabkern 14 erzeugt. Durch Ausschalten der Zündendstufe, d.h. durch Trennen der Primärwicklung 22 von der Versorgungsspannung wird der Primärstrom unterbrochen, wodurch eine starke Änderung des durch den Primärstrom erzeugten Magnetfeldes erzeugt wird. Durch diese Änderung des Magnetfeldes wird der magnetische Fluss geändert, wodurch in der Sekundärwicklung 16 eine hohe Spannung induziert wird. Diese Spannung wird dem Hochspannungsanschluss 20 einer ersten Elektrode der Zündkerze zugeführt. Eine weitere mit der ersten Elektrode eine Funkenstrecke bildende zweite Elektrode der Zündkerze ist dauerhaft mit dem Massepotential verbunden. Beim Erreichen einer Durchbruchsspannung wird ein Lichtbogen zwischen den beiden Elektroden erzeugt, der eine Zündung des im Brennraum befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches bewirkt.
  • In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Stabzündtransformator 30 dargestellt, deren Aufbau und Funktionsweise ähnlich dem Stabzündtransformator 10 nach Fig. 1 ist. Gleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Der Stabkern 14 hat im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen kreisrunden Querschnitt und erstreckt sich entlang der Längsachse des Stabzündtransformators 30. Die Sekundärwicklung 32 ist als Schräglagenwicklung ausgeführt, wobei der Wickelprozess am oberen Ende der in Fig. 2 dargestellten Sekundärwicklung 32 begonnen worden ist. Die Sekundärwicklung 32 und die Primärwicklung 22 sind radial um die Längsachse 11 der Stabzündspule 30 angeordnet. Der radiale Querschnitt der Sekundärwicklung 32 nimmt vom oberen Ende der Sekundärwicklung 32 zum unteren Ende der Sekundärwicklung 32 hin zu, so dass der Abstand der Sekundärwicklung 32 zur Mantelfläche des Stabkerns 14 vom oberen Ende zum unteren Ende der Sekundärwicklung 32 kontinuierlich zunimmt. Dadurch wird der Isolationsabstand zwischen der Mantelfläche des Stabkerns 14 und der Sekundärwicklung 32 kontinuierlich vergrößert.
  • Die Potentialverteilung der Sekundärwicklung 32 vom unteren Ende zum oberen Ende erfolgt im Wesentlichen gleichmäßig über die Länge der Sekundärwicklung 32, so dass am unteren Ende Massepotential anliegt und am oberen Ende Hochspannungspotential. Der Stabkern 14 ist elektrisch leitend mit dem Hochspannungspotential verbunden. Dadurch ist kein Potentialunterschied zwischen dem oberen Ende der Sekundärwicklung 32, an dem die Hochspannung anliegt, und dem mit dem Hochspannungspotential verbundenen Stabkern 14 vorhanden. Am unteren Ende der Sekundärwicklung 32 ist der Potentialunterschied gleich dem Hochspannungspotential des Stabkerns 14, da dieses Ende der Sekundärwicklung 32 auf Massepotential liegt. Durch die schräge Anordnung der Sekundärwicklung 32 ist jedoch ein relativ großer Abstand zwischen der Innenseite der Sekundärwicklung 32 und der Mantelfläche des Stabkerns 14 am unteren Ende der Sekundärwicklung 32 vorhanden, der als Isolationsabstand dient. In diesem lsolationsabstand kann entweder Luft oder ein anderer Isolierstoff, insbesondere ein Isolierstoffharz, vorhanden sein. Auch das Einbringen von Isoliergasen in diesen Zwischenraum ist möglich. Zwischen der der Sekundärwicklung 32 zugewandten Innenseite der Primärwicklung 22 und der der Primärwicklung 22 zugewandten Außenseite der Sekundärwicklung 32 ist im oberen Bereich der Sekundärwicklung 32 ein relativ großer Abstand durch die konische Anordnung der Sekundärwicklung 32 vorhanden, der als Isolationsabstand zwischen der in diesem Bereich Hochspannungspotential führenden Sekundärwicklung 32 und dem Massepotential oder das Versorgungsspannungspotential des Kraftfahrzeugs aufweisenden Potentials der Primärwicklung 22 dient. Durch die schräge Anordnung der Sekundärwicklung 32 wird ein trichterförmiger Spalt zwischen der Sekundärwicklung 32 und der Primärwicklung 22 gebildet. In diesen trichterförmigen Spalt kann auf einfache Art und Weise von der Oberseite des Isolierstoffgehäuses 24 her ein Isolierstoff zwischen die Sekundärwicklung 32 und die Primärwicklung 22 eingefüllt werden. Insbesondere ist das Fließverhalten eines Vergussstoffs bei einem Vakuum-Vergussprozess gegenüber dem Stabzündtransformator 10 durch den trichterförmigen Spalt zwischen der Sekundärwicklung 32 und der Primärwicklung 22 bei dem Stabzündtransformator 30 nach Fig. 2 verbessert, wodurch vorhandene Restgase besser aus den Zwischenräumen im Stabzündtransformator 30 aufsteigen können.
  • Durch die in Fig. 2 gezeigte schräge Anordnung der Sekundärwicklung 32 des Stabzündtransformators 30 können bei gleicher Außengeometrie funktionelle Vorteile erzielt werden. Insbesondere kann eine höhere Hochspannung, mehr Energie zum Erzeugen des Lichtbogens bzw. des Funkens erzeugt und/oder der Primärstrom verringert werden. Alternativ kann bei identischen Kenndaten der Stabzündtransformatoren 10 und 30 die Lebensdauer des Stabzündtransformators 30 durch die schräge Anordnung der Sekundärwicklung 32 erheblich in Folge der geringeren Beanspruchung des Isolationsmaterials verlängert werden.
  • Die Sekundärwicklung 32 wird als Schräglagenwicklung ausgeführt, wobei mit der Schräglagenwicklung im Bereich mit dem geringsten Innenquerschnitt der Sekundärwicklung 32 begonnen wird, so dass die Wickelrichtung der Schräglagenwicklung entgegen der Konizität der Sekundärwicklung 32 gerichtet ist. Dadurch werden der Konizitätswinkel und der Schräglagenwinkel addiert, wodurch benachbarte Windungen eine geringere Potentialdifferenz zueinander haben als beispielsweise bei Zylinderwicklungen. Die Lackisolation der Wicklungsdrähte ist dadurch nicht so stark beansprucht, wodurch eine längere Lebensdauer der Lackdrahtisolation erreicht wird und die Wahrscheinlichkeit von Windungsschlüssen verringert ist. Ferner wird dadurch ein Abrutschen von Drähten bei der Schräglagenwicklung verhindert.
  • In Fig. 3 ist eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Stabzündtransformator-Zündkerzen-Kombination 40 dargestellt. Die Stabzündtransformator-Zündkerzen-Kombination 40 hat ein Isolierstoffgehäuse 48, an dessen Oberseite ein sechskantförmiger Eingriffsbereich 50 zum Einschrauben der Stabzündtransformator-Zündkerzen-Kombination 40 in eine Gewindeöffnung in einem Zylinderkopf eines Kraftfahrzeugs und zum Anzug der Stabzündspulen-Zündkerzen-Kombination 40 mit einem vorgeschriebenen Drehmoment vorgesehen ist. In der Mitte des sechskantförmigen Eingriffsbereichs ist eine Öffnung zum Einführen einer Anschlussleitung vorgesehen, die die Stabtransformator-Zündkerzen-Kombination 40 mit der Steuereinheit 26 zum Ansteuern des Stabtransformators elektrisch verbindet. An der Unterseite des Isolierstoffgehäuses 48 steht ein Außengewinde 42 zum Einschrauben in eine Zündkerzenöffnung in dem Zylinderkopf des Kraftfahrzeugs über. Von der Unterseite des Außengewindes 42 ragt eine Hochspannungselektrode 44 und eine Gegenelektrode 46. Das Außengewinde 42 ist vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, wodurch die Stabzündtransformator-Zündkerzen-Kombination 40 vorzugsweise über dieses Außengewinde 42 mit dem Massepotential des Kraftfahrzeugs verbunden ist, wenn das Außengewinde 42 in den metallischen Zylinderkopf eingeschraubt ist. Die Gegenelektrode 46 ist elektrisch mit dem Außengewinde 42 und damit mit dem Massepotential des Kraftfahrzeugs verbunden.
  • In Fig. 4 ist eine Schnittdarstellung der Stabzündtransformator-Zündkerzen-Kombination 40 entlang der Schnittlinie A-A nach Fig. 3 dargestellt. An der Innenwand des Isolierstoffgehäuses 48 ist eine Primärwicklung 52 angeordnet. Die Hochspannungselektrode 44 ist elektrisch mit einem Transformatorkern 54 verbunden, wobei der Transformatorkern 54 und die elektrische Verbindung zwischen dem Transformatorkern 54 und der Hochspannungselektrode 44 von einem lsolierstoffkörper 56 umgeben ist, der vorzugsweise aus Keramik oder Porzellan hergestellt ist. Der Isolierstoffkörper 56 dient als Spulenkörper für die Sekundärwicklung 58. Im Bereich der Sekundärwicklung 58 nimmt der Querschnitt des Isolierstoffkörpers 56 kontinuierlich von dem unteren Ende der Sekundärwicklung 58 zum oberen Ende der Sekundärwicklung 58 hin ab, so dass sich der Abstand zwischen der Mantelfläche der Sekundärwicklung 58 und der Innenseite der Primärwicklung 52 nach oben hin kontinuierlich vergrößert.
  • Durch ein geeignetes Wickelverfahren, insbesondere durch eine Ringwicklung oder eine Schräglagenwicklung, nimmt das Potential der Sekundärwicklung 58 kontinuierlich von dem unteren Ende der Sekundärwicklung 58 zum oberen Ende der Sekundärwicklung 58 hin zu. Der Transformatorkern 54 ist mit dem Hochspannungspotential der Sekundärwicklung 58 elektrisch verbunden. Dadurch ist im unteren Bereich des Transformatorkerns 54 bzw. der Sekundärwicklung 58 durch die Form des lsolierstoffkörpers 56 ein relativ großer Isolierabstand vorhanden und im oberen Bereich der Sekundärwicklung 58 ein relativ geringer Isolierabstand. Dadurch ist im Bereich großer Potentialdifferenzen zwischen Transformatorkern 54 und Sekundärwicklung 58 ein großer Isolierabstand und im Bereich geringer oder keiner Potentialunterschiede zwischen dem Transformatorkern 54 und der Sekundärwicklung 58 ein geringer Isolationsabstand vorhanden. Die Primärwicklung 52 hat gleichstrommäßig betrachtet Massepotential bzw. Versorgungsspannungspotential des Kraftfahrzeugs, so dass im oberen Bereich der Sekundärwicklung 58 eine große Potentialdifferenz zwischen Primärwicklung 52 und Sekundärwicklung 58 und im unteren Bereich der Sekundärwicklung 58 eine geringe Potentialdifferenz zwischen der Sekundärwicklung 58 und der Primärwicklung 52 auftritt. Im oberen Bereich der Sekundärwicklung 58, wie bereits erwähnt, ist ein relativ großer Isolationsabstand zwischen der Sekundärwicklung 58 und der Primärwicklung 52, und im unteren Bereich der Sekundärwicklung 58 ist ein relativ geringer Isolationsabstand zwischen der Sekundärwicklung 58 und der Primärwicklung 52 vorhanden. Durch diese unterschiedlichen Isolationsabstände wird ein keilförmiger Zwischenraum 60 zwischen der Primärwicklung 52 und der Sekundärwicklung 58 erzeugt, indem, wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben, einfach elektrisch isolierende Vergussmasse in diesen Abstand eingefüllt werden kann.
  • Obgleich in den Zeichnungen und in der vorhergehenden Beschreibung bevorzugte Ausführungsbeispiele aufgezeigt und detailliert beschrieben worden sind, sollte sie lediglich als rein beispielhaft und die Erfindung nicht einschränkend angesehen werden. Es wird darauf hingewiesen, dass nur die bevorzugten Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben sind und sämtliche Veränderungen und Modifizierungen, die derzeit und künftig im Schutzumfang der Erfindung liegen, geschützt werden sollen.
    • Bezugszeichenliste
    • 10,30
    Stabzündtransformator
    11
    Längsachse
    12
    Öffnung
    14
    Stabkern
    16
    Sekundärwicklung
    18
    Spulenkörper
    20
    Hochspannungsanschluss
    22
    Primärwicklung
    24
    Isolierstoffgehäuse
    26
    Steuereinheit
    32
    Sekundärwicklung
    40
    Stabtransformator-Zündkerzen-Kombination
    42
    Außengewinde
    44
    Hochspannungselektrode
    46
    Gegenelektrode
    48
    Isolierstoffgehäuse
    50
    sechskantförmiger Eingriffsbereich
    52
    Primärwicklung
    54
    Transformatorkern
    56
    Isolierstoffkörper
    58
    Sekundärwicklung

Claims (14)

  1. Stabzündtransformator zur Versorgung eines Zündmittels, insbesondere einer Zündkerze einer Brennkraftmaschine, mit einer Hochspannung, bei dem um einen Hauptkembereich (14) eines Transformatorkerns konzentrisch zur Längsachse (11) des Stabzündtransformators (30) eine erste innere Wicklung (32) und eine zweite äußere Wicklung (22) angeordnet sind,
    wobei eine der Wicklungen eine Primärwicklung (22) und die andere Wicklung eine Sekundärwicklung (32) ist,
    wobei der Abstand zwischen der Mantelfläche des Hauptkembereichs (14) und der Sekundärwicklung (32) an einem ersten Ende der Sekundärwicklung (32) geringer ist als der Abstand zwischen der Mantelfläche des Hauptkembereichs (14) und der Sekundärwicklung (32) an dem zweiten Ende der Sekundärwicklung (32) und/oder dass der Abstand zwischen der Mantelfläche des Hauptkembereichs (14) und der Sekundärwicklung (32) an einem ersten Ende des Transformatorkems geringer ist als der Abstand zwischen der Mantelfläche des Hauptkembereichs (14) und der Sekundärwicklung (32) an dem zweiten Ende des Hauptkembereichs (14), und wobei zumindest die Sekundärwicklung (32) als Schräglagenwicklung ausgeführt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schräglagen der Sekundärwicklung (32) entgegen der Neigung einer kegelstumpfartigen Innenfläche der Sekundärwicklung (32) gewickelt sind, wobei mit der Schrägwicklung im Bereich mit dem geringsten Innenquerschnitt der Sekundärwicklung (32) begonnen wird.
  2. Stabzündtransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Sekundärwicklung (32) derart gewickelt ist, dass das Potential in der Sekundärwicklung (32) im Wesentlichen gleichmäßig von einem axialen Ende der Sekundärwicklung (32) zum anderen axialen Ende der Sekundärwicklung (32) zunimmt.
  3. Stabzündtransformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am ersten Ende der Sekundärwicklung (32) ein Bezugspotential und am zweiten Ende der Sekundärwicklung (32) zumindest zeitweise ein zum Erzeugen einer Zündspannung erforderliches Hochspannungspotential anliegt, wobei der Hauptbereich (14) des Transformatorkems elektrisch mit dem Hochspannungspotential verbunden ist.
  4. Stabzündtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkembereich (14) des Transformatorkems eine zylinderförmige Mantelfläche hat, und dass die Wicklungen (22, 22) auf konzentrischen Kreisbahnen um die Längsachse (11) des Hauptkembereichs (14) angeordnet sind, wobei der Transformatorkern vorzugsweise ein Eisenkern ist.
  5. Stabzündtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wicklung die Sekundärwicklung (32) ist und dass die zweite Wicklung die Primärwicklung (22) ist, wobei der Abstand zwischen der Sekundärwicklung (32) und der Primärwicklung (22) am zweiten Ende der Sekundärwicklung (32) geringer ist als der Abstand zwischen der Sekundärwicklung (32) und der Primärwicklung (22) am ersten Ende der Sekundärwicklung (32) und/oder wobei der Abstand zwischen der Sekundärwicklung (32) und der Primärwicklung (22) an einem zweiten Ende der Primärwicklung (22) geringer ist als der Abstand zwischen der Sekundärwicklung (32) und der Primärwicklung (22) am ersten Ende der Primärwicklung (22).
  6. Stabzündtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stabzündtransformator (30) ein Gehäuse (24) aufweist, das zumindest im Bereich der Primärwicklung (22) und Sekundärwicklung (32) im Wesentlichen konzentrisch um diese angeordnet ist, wobei der Abstand zwischen der Sekundärwicklung (32) und der Mantelfläche des Gehäuses (24) am zweiten Ende der Sekundärwicklung (32) geringer ist als der Abstand zwischen der Sekundärwicklung (32) und der Mantelfläche des Gehäuses (24) am ersten Ende der Sekundärwicklung (32).
  7. Stabzündtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Isolierstoffkörper (56) einer Zündkerze im Inneren der Sekundärwicklung (32) angeordnet ist, und dass der Isolierstoffkörper (56) zumindest im Bereich der Sekundärwicklung (32) eine im Wesentlichen kegelstumpfartige Mantelfläche hat, wobei der Isolierstoffkörper (56) vorzugsweise ein Keramikkörper oder Porzellankörper ist.
  8. Stabzündtransformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der lsolierstoffkörper (56) einen Spulenkörper für die Sekundärwicklung (32) bildet.
  9. Anordnung mit einer kombinierten Zündtransformator- und Zündmitteleinheit, vorzugsweise für eine Brennkraftmaschine,
    mit einem Zündmittel, das zwischen einer mit Hilfe von Elektroden (44, 46) gebildeten Funkenstrecke und einem Hochspannungsanschluss einen Isolierstoffkörper hat,
    wobei der Querschnitt des Isolierstoffkörpers (56) zumindest im Bereich einer Sekundärwicklung (58) des Zündtransformators zum Hochspannungsanschluss hin mit zunehmendem Abstand von den Elektroden (44, 46) des Zündmittels verringert ist,
    wobei um den Isolierstoffkörper (56) konzentrisch zu dessen Längsachse die Sekundärwicklung (58) und die Primärwicklung (52) des Zündtransformators angeordnet sind, und
    wobei zumindest die Sekundärwicklung (58) als Schräglagenwicklung ausgeführt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Schräglagen der Sekundärwicklung (58) entgegen der Neigung einer kegelstumpfartigen Innenfläche der Sekundärwicklung (58) gewickelt sind, wobei mit der Schrägwicklung im Bereich mit dem geringsten Innenquerschnitt der Sekundärwicklung (32) begonnen wird.
  10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierstoffkörper (56) einen Spulenkörper für die Sekundärwicklung (58) bildet.
  11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Isolierstoffkörpers (56) ein weichmagnetischer Transformatorkern (14) vorgesehen ist, wobei der Isolierstoffkörper (56) vorzugsweise ein Keramikkörper oder ein Porzellankörper ist.
  12. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem Bereich ein magnetischer Mantel (Kesselmantel) um die Primärwicklung und um die Sekundärwicklung angeordnet ist, der vorzugsweise in ein Gehäuse der Anordnung integriert ist.
  13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Kraft zum Einschrauben der Anordnung in eine im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine vorgesehene Öffnung über den Mantel übertragen wird.
  14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Mantel zusammen mit einem Transformatorkern des Zündtransformators einen magnetischen Kreis bildet.
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