EP0591686A2 - Verbindungsteil einer Zündanlage - Google Patents

Verbindungsteil einer Zündanlage Download PDF

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EP0591686A2
EP0591686A2 EP93114204A EP93114204A EP0591686A2 EP 0591686 A2 EP0591686 A2 EP 0591686A2 EP 93114204 A EP93114204 A EP 93114204A EP 93114204 A EP93114204 A EP 93114204A EP 0591686 A2 EP0591686 A2 EP 0591686A2
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EP
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voltage
connecting part
ignition coil
spark plug
switching element
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Walter Ing.(Grad.) Benedikt
Manfred Dipl.-Ing. Vogel
Werner Dr.Dipl.-Ing. Herden
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/02—Details
    • H01T13/04—Means providing electrical connection to sparking plugs

Definitions

  • the invention relates to a connecting part of an ignition system for internal combustion engines according to the preamble of claim 1.
  • the connecting part which is formed by its use as a spark plug connector, has a high-voltage switching element in the form of a breakover diode with which the voltage supplied to the spark plug is controlled.
  • This high-voltage switching element which suddenly changes from an electrically blocking to an electrically conductive state when the breakover voltage is supplied by the ignition coil of the ignition system and acts on the downstream spark plug with a voltage jump, enables the influences of shunts on the spark plug, which cause the formation of the ignition sparks on the Electrodes of the spark plug make it difficult to largely eliminate them.
  • the prerequisite for this is that the voltage jump triggered by the high-voltage switching element reaches the ignition voltage required to form ignition sparks at the candle electrodes.
  • the voltage jump is a partial voltage of the breakover voltage, which depends on the component and the design of the high-voltage switching element.
  • the breakover voltage in turn is smaller than the output voltage of the ignition coil by a loss voltage.
  • the loss voltage that results from the capacity distribution in the ignition system is greater with respect to the location of the high-voltage switching element, the greater the sum of the upstream and the downstream capacitance , compared to the upstream capacity.
  • the high-voltage switching element In order to compensate for this loss voltage, in order to achieve a predetermined minimum ignition voltage, the high-voltage switching element must be designed for a correspondingly higher breakover voltage than the ignition voltage. As a result, the ignition coil must also provide a very high output voltage. However, high voltages pose a reliability risk because undesirable capacitive arc discharges with electrode erosion can occur on the spark plug. In addition, the high-voltage switching element and the ignition coil must be correspondingly high-voltage resistant, which leads to a high price of these components.
  • the arrangement of the insulating material housing of the connecting part is assigned an arrangement which increases the capacitance of the area between the high-voltage switching element and the connecting element and the use of a high-voltage switching element with a low breakover voltage and, as a result, also the use of an ignition coil with a low output voltage, which reduces the manufacturing costs of the ignition system.
  • the arrangement described is the connecting part of an ignition system for a multi-cylinder internal combustion engine, which, through its use, serves as a spark plug connector and in which a separate ignition unit with an ignition coil and an integrated spark plug connector is used for each cylinder.
  • the single figure shows in cross section a section of a cylinder head 11 of an internal combustion engine with an ignition unit 12, not shown in more detail, the ignition coil 13 of which is only indicated and the one spark plug connector 14 with a spark plug 17 fastened in a plug shaft 16 of the cylinder head 11 connected is.
  • the spark plug connector 14 with a longitudinal axis 18 has a cylindrical structure in the basic form with an outer sleeve 19 made of silicone rubber, an injection molded thermosetting, outer cylindrical cylindrical insulating material housing 20, into which a pin-shaped connecting element 21 and an electrically connected in series Switched, with a cylindrical outer shape provided high-voltage switching element 22, which is designed as a breakover diode, are directly embedded.
  • the spark plug 17 is screwed in the usual way into a threaded bore 27 of the cylinder head 11 and it carries at the end, opposite the connecting pin 26, a ground electrode 28 and a center electrode 29, between which, when an ignition voltage is applied there is a sparkover at the center electrode 29.
  • a distribution of capacity with a pre-capacity consisting of the capacity of the ignition coil 13 and the adjoining part of the spark plug connector 14 in front of the installation location, results along the arrangement described in the direction of the energy flow from the ignition coil 13 to the spark plug 17
  • High-voltage switching element 22 with respect to earth potential and a post-capacitance with respect to earth potential consisting of the capacitance of the part of the spark plug connector 14 between the high-voltage switching element 22 and the spark plug 17, and the capacitance of the spark plug 17.
  • a hollow cylindrical metal cup 32 is attached to the spark plug connector 14 between the connecting element 23 and the connecting part 24 on an outer side 31 of the insulating material housing 20 and a metallic, hollow cylindrical shield 34 is attached to an outer jacket 33 of the casing 19.
  • the metal cup 32 is electrically connected to the high-voltage connection via the connection element 23 Ignition coil 13 connected and the metallic screen 34, via externally attached to the screen 34 resilient tabs 36 in frictional engagement and in electrical connection with the ground potential cylinder head 11.
  • the screen 34 can also have a screen voltage, the amount of which between that of the output voltage the ignition coil 13 and the earth potential and the screen 34 can be fastened together with the ignition coil 13 via fastening elements to the cylinder head 11 which is at earth potential.
  • a capacitance is thus formed between the metal cup 32 and the screen 34, with a part of the casing 19 as a dielectric. This capacitance is greater, the greater the amount of shield voltage and the smaller the thickness of the dielectric, which is not more than 3 mm.
  • the output voltage of the ignition coil 13 is present at the connection element 23 of the spark plug connector 14 which is connected to the high-voltage connection of the ignition coil 13.
  • the connecting element 23 is connected to the high-voltage switching element 22 via the connecting element 21.
  • a voltage hereinafter referred to as a voltage jump
  • the voltage jump arrives at the connection part 24 for receiving the connection pin 26 of the spark plug 17.
  • the ignition voltage ultimately occurring leads, in a known manner, to spark ignition of a fuel-air mixture in an associated cylinder of the internal combustion engine by sparkover between the center electrode 29 and the ground electrode 28.
  • the voltage jump is a partial voltage of the breakover voltage, which depends on the component and the design of the high-voltage switching element 22.
  • the breakover voltage in turn is smaller than the output voltage of the ignition coil by a loss voltage.
  • the loss voltage can be changed by the capacitance distribution in the spark plug connector 14. It is the greater, the larger, based on the location of the high-voltage switching element 22 and in the direction of the energy flow from the ignition coil 13 to the spark plug 17, the sum of the pre-and after-capacity compared to the pre-capacity.
  • This loss voltage is reduced by a separate increase in the pre-capacitance, which is realized by the capacitance which is formed between the metal cup 32 and the screen 34 and which lies in front of the high-voltage switching element 22 in the direction of the energy flow.

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  • Spark Plugs (AREA)

Abstract

Es ist für eine Brennkraftmaschine, bei der für jeden Zylinder eine eigene Zündeinheit (12) mit einer Zündspule (13) und einem Zündkerzenstecker (14) verwendet wird, der Zündkerzenstecker (14) hinsichtlich seiner Kapazität so auszuführen, daß der Spannungsverlust zwischen der Zündspule (13) und einem im Zündkerzenstecker (14) angeordneten Hochspannungsschaltelement (22) möglichst gering ist.
Dazu ist der Zündkerzenstecker (14) so ausgestaltet, daß durch einen, an der Ausgangsspannung der Zündspule (13) angeschlossenen Metallbecher (32), der einem, auf Erdpotential liegenden metallischen Schirm (34) koaxial gegenübersteht, neben den bauteilbedingten Kapazitäten der Zündanlage, eine Zusatzkapazität gebildet ist. Diese ist im Zündkerzenstecker (14) so angeordnet, daß sie zwischen dessen Anschlußelement (23) für den Hochspannungsanschluß der Zündspule (13) und dem elektrischen Schalter (22) liegt. Durch diese Anordnung der Zusatzkapazität in dem Zündkerzenstecker (14) wird die Verlustspannung zwischen der Zündspule (13) und dem Hochspannungsschaltelement (22) abgesenkt.
Diese Anordnung wird im Automobilbau, insbesondere bei Brennkraftmaschinen, eingesetzt.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verbindungsteil einer Zündanlage für Brennkraftmaschinen entsprechend der Gattung des Patentanspruchs 1. Das Verbindungsteil, das durch seine Verwendung als Zündkerzenstecker ausgebildet ist, weist ein Hochspannungsschaltelement in Form einer Kippdiode auf, mit dem die der Zündkerze zugeleitete Spannung gesteuert wird. Dieses Hochspannungsschaltelement, das bei einer von der Zündspule der Zündanlage zugeführten Kippspannung sprungartig vom elektrisch sperrenden in einen elektrisch leitenden Zustand übergeht und die nachgeordnete Zündkerze mit einen Spannungssprung beaufschlagt, ermöglicht es, die Einflüsse von Nebenschlüssen an der Zündkerze, die die Bildung der Zündfunken an den Elektroden der Zündkerze erschweren, weitgehend zu eleminieren.
  • Voraussetzung dafür ist, daß der durch das Hochspannungsschaltelement ausgelöste Spannungssprung die zur Bildung von Zündfunken erforderliche Zündspannung an den Kerzenelektroden erreicht. Der Spannungssprung ist eine Teilspannung der Kippspannung, die bauteilspezifisch von der Ausgestaltung des Hochspannungsschaltelements abhängt. Die Kippspannung wiederum ist um eine Verlustspannung kleiner als die Ausgangsspannung der Zündspule.
  • Betrachtet man die Zündanlage entsprechend dem Energiefluß von der Zündspule ausgehend zur Zündkerze hin, so ist die Verlustspannung, die sich aufgrund der Kapazitätsverteilung in der Zündanlage ergibt, bezogen auf den Ort des Hochspannungsschaltelements um so größer, je größer die Summe der vorgelagerten mit der nachgelagerten Kapazität, gegenüber der vorgelagerten Kapazität ist.
  • Um diese Verlustspannung auszugleichen, muß, um eine vorgegebene Mindestzündspannung zu erreichen, das Hochspannungsschaltelement auf eine entsprechend höhere Kippspannung als die Zündspannung ausgelegt sein. Infolgedessen muß auch die Zündspule eine sehr hohe Ausgangsspannung bereitstellen. Hohe Spannung bilden aber ein Zuverlässigkeitsrisiko, weil unerwünschterweise kapazitive Bogenentladungen mit Elektrodenerosion an der Zündkerze auftreten können. Zudem müssen das Hochspannungschaltelement und die Zündspule entsprechend hochspannungsfest sein, was zu einem hohen Preis dieser Bauteile führt.
    • Vorteile der Erfindung
  • Bei der erfindungsgemäßen Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 wird der im Stand der Technik dargelegte Nachteil vermieden und mit einfachen Maßnahmen eine Zündanlage verwirklicht, die auf niedrigerem Spannungsniveau arbeitet.
  • Dazu ist dem Isolierstoffgehäuse des Verbindungsteils eine die Kapazität des Bereichs zwischen Hochspannungsschaltelement und Anschlußelement erhöhende Anordnung zugeordnet und die Verwendung eines Hochspannungsschaltelements mit niedriger Kippspannung und als Folge davon auch die Verwendung einer Zündspule mit geringer Ausgangsspannung ermöglicht was die Herstellkosten der Zünndanlage ermäßigt.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
    • Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur in einer Schnittdarstellung die Zündanlage ausschnittsweise in vereinfachter Form.
    • Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
  • Bei der beschriebenen Anordnung handelt es sich um das Verbindungsteil einer Zündanlage für eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, das durch seine Verwendung als Zündkerzenstecker dient und bei der für jeden Zylinder eine eigene Zündeinheit mit einer Zündspule und einem darin integrierten Zündkerzenstecker verwendet wird.
  • Die einzige Figur zeigt im Querschnitt ausschnittsweise einen Zylinderkopf 11 einer Brennkraftmaschine mit einer, in nicht näher dargestellter Weise daran befestigten Zündeinheit 12, deren eine Zündspule 13 nur angedeutet ist und deren einer Zündkerzenstecker 14 mit einer, in einem Kerzenschacht 16 des Zylinderkopfes 11 befestigten Zündkerze 17 verbunden ist.
  • Der Zündkerzenstecker 14 mit einer Längsachse 18 weist einen in der Grundform zylindrischen Aufbau auf mit einer außenliegenden, aus Silikongummi bestehenden Hülle 19, einem im Spritzgußverfahren hergestellten duroplastischen, in der Außenform zylindrischen Isolierstoffgehäuse 20, in das ein stiftförmiges Verbindungselement 21 und ein damit elektrisch in Reihe geschalteter, mit einer zylindrischen Außenform versehenes Hochspannungsschaltelement 22, das als Kippdiode ausgebildet ist, direkt eingebettet sind.
  • An dem freien Ende des Verbindungselements 21 ist ein aus dem Isolierstoffgehäuse 20 heraustretendes Anschlußelement 23 für den nicht mehr dargestellten Hochspannungsanschluß der Zündspule 13 und an dem freien Ende des Hochspannungsschaltelements 22 ein Anschlußteil 24 in dem Isolierstoffgehäuse 20 eingebettet mit an der Stirnseite des Isolierstoffgehäuses 20 angeordneter Öffnung für die Aufnahme eines Anschlußstiftes 26 der Zündkerze 17. Die Zündkerze 17 ist in üblicher Weise in einer Gewindebohrung 27 des Zylinderkopfes 11 eingeschraubt und sie trägt endseitig, dem Anschlußstift 26 entgegengesetzt, eine Masseelektrode 28 und eine Mittelelektrode 29, zwischen denen, bei Anliegen einer Zündspannung an der Mittelelektrode 29, ein Funkenüberschlag stattfindet.
  • Bezogen auf den Einbauort des Hochspannungsschaltelements 22 ergibt sich entlang der beschriebenen Anordnung in Richtung des Energieflusses von der Zündspule 13 zur Zündkerze 17 eine Kapazitätsverteilung mit einer Vorkapazität, bestehend aus der Kapazität der Zündspule 13 und des sich daran anschließenden Teils des Zündkerzensteckers 14 vor dem Einbauort des Hochspannungsschaltelements 22 gegenüber Erdpotential und einer Nachkapazität gegenüber Erdpotential, bestehend aus der Kapazität des Teils des Zündkerzensteckers 14 zwischen dem Hochspannungsschaltelement 22 und der Zündkerze 17, sowie der Kapazität der Zündkerze 17. Diese beiden Kapazitäten ergeben sich ohne eine zusätzliche Fremdbeschaltung aus der Bauart und der Anbringung am Einbauort der genannten Bauteile, insbesondere aus ihrem Abstand zum auf Erdpotential liegenden Zylinderkopf 11.
  • An dem Zündkerzenstecker 14 ist erfindungsgemäß zwischen dem Anschlußelement 23 und dem Anschlußteil 24 an einer Außenseite 31 des Isolierstoffgehäuses 20 ein hohlzylindrischer Metallbecher 32 und an einem Außenmantel 33 der Hülle 19 ein metallischer, hohlzylindrischer Schirm 34 angebracht. Der Metallbecher 32 ist über das Anschlußelement 23 elektrisch mit dem Hochspannungsanschluß der Zündspule 13 verbunden und der metallische Schirm 34 ist, über außen an dem Schirm 34 angebrachte federnde Laschen 36 in Kraftschluß und in elektrischer Verbindung mit dem auf Erdpotential liegenden Zylinderkopf 11. Prinzipiell kann der Schirm 34 auch eine Schirmspannung aufweisen, deren Betrag zwischen dem der Ausgangsspannung der Zündspule 13 und dem Erdpotential liegt und der Schirm 34 kann zusammen mit der Zündspule 13 über Befestigungselemente am auf Erdpotential liegenden Zylinderkopf 11 elektrisch leitend befestigt sein.
  • Somit ist zwischen dem Metallbecher 32 und dem Schirm 34 eine Kapazität gebildet, mit einem Teil der Hülle 19 als Dielektrikum. Diese Kapazität ist umso größer, je größer der Betrag der Schirmspannung und je geringer die Dicke des Dielektrikums, die nicht mehr als 3 mm beträgt, ist.
  • Die beschriebene Anordnungsdarstellung ergibt den folgenden Funktions- und Wirkungsablauf. Beim Betrieb der Zündanlage liegt an dem mit dem Hochspannungsanschluß der Zündspule 13 verbundenen Anschlußelement 23 des Zündkerzensteckers 14 die Ausgangsspannung der Zündspule 13 an. Das Anschlußelement 23 ist über das Verbindungselement 21 mit dem Hochspannungsschaltelement 22 verbunden. Dieses geht beim Erreichen einer Kippspannung sprungartig von einem elektrisch sperrenden Zustand in einen elektrisch leitenden Zustand reversibel über. An dem, dem Verbindungselement 21 abgewandten Ende des Hochspannungsschaltelements 22 wird beim Umschalten in den leitenden Zustand eine Spannung, im folgenden als Spannungssprung bezeichnet, abgegeben, der geringer als die Kippspannung ist. Der Spannungssprung gelangt auf das Anschlußteil 24 für die Aufnahme des Anschlußstiftes 26 der Zündkerze 17. Diese weist in ihrem Längsverlauf einen Entstörwiderstand 37 und endseitig die Mittelelektrode 29 auf, der, gesteuert durch das Hochspannungsschaltelement 22, gegenüber der auf Erdpotential liegenden benachbarten Masseelektrode 28 im Durchschaltzustand des Hochspannungsschaltelements 22 der Spannungssprung zufließt. Die letztlich auftretende Zündspannung führt in bekannter Weise durch Funkenüberschlag zwischen der Mittelelektrode 29 und der Masseelektrode 28 zu einer Entzündung eines Kraftstoffs-Luft-Gemisches in einem zugehörigen Zylinder der Brennkraftmaschine.
  • Der Spannungssprung ist eine Teilspannung der Kippspannung, die bauteilspezifisch von der Ausgestaltung des Hochspannungsschaltelements 22 abhängt. Die Kippspannung wiederum ist um eine Verlustspannung kleiner als die Ausgangsspannung der Zündspule.
  • Die Verlustspannung ist durch die Kapazitätsverteilung in dem Zündkerzenstecker 14 veränderbar. Sie ist umso größer, je größer, bezogen auf den Ort des Hochspannungsschaltelements 22 und in Richtung des Energieflusses von der Zündspule 13 zur Zündkerze 17 betrachtet, die Summe der Vor- und Nachkapazität gegenüber der Vorkapazität ist. Durch eine separate Anhebung der Vorkapazität wird diese Verlustspannung vermindert, was durch die Kapazität, die zwischen Metallbecher 32 und Schirm 34 gebildet wird und die in Richtung des Energieflusses vor dem Hochspannungsschaltelement 22 liegt, verwirklicht wird.
  • Damit lassen sich Zündanlagen realisieren, die, bei einer vorgegebenen Zündspannung, ein Hochspannungsschaltelement 22 mit niedriger Kippspannung und eine Zündspule 13 mit niedriger Ausgangsspannung aufweisen und die dadurch, bei einem Zugewinn an Betriebssicherheit, kostengünstiger zu fertigen sind.

Claims (10)

  1. Verbindungsteil einer Zündanlage, angeordnet zwischen einer Zündspule (13) und einer Zündkerze (17) zum Einbau in einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, mit einem Isolierstoffgehäuse (20), in dem ein Hochspannungsschaltelement (22), das bei Anlage einer Kippspannung von einem elektrisch sperrenden in einen elektrisch leitenden Zustand reversibel übergeht, eingebettet ist, mit einem, an einem Ende des Verbindungsteils (14) angeordneten, mit dem einen Pol des Hochspannungsschaltelements (22) verbundenen Anschlußelement (23), an dem ein Hochspannungsanschluß der Zündspule (13), der eine über der Kippspannung liegende Ausgangsspannung der Zündspule (13) führt, anschließbar ist, mit einem, an dem anderen Ende des Verbindungsteils (14) angeordneten, mit einem anderen Pol des Hochspannungsschaltelements (22) verbundenen Anschlußteil (24) für die Aufnahme eines Anschlußstiftes (26) der Zündkerze (17) und mit einer, zwischen dem Verbindungsteil (14) und dem auf Erdpotential liegenden Zylinderkopf (11) vorhandenen Kapazität, dadurch gekennzeichnet, daß dem Isolierstoffgehäuse eine die Kapazität des Bereichs zwischen Hochspannungsschaltelement (22) und Anschlußelement erhöhende Anordnung zugeordnet ist.
  2. Verbindungsteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus einem röhrenförmigen Kondensator (32, 34) besteht und dieser außerhalb des Isolierstoffgehäuses (20) angeordnet ist.
  3. Verbindungsteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (32, 34) doppelwandig ist und zwischen dem Anschlußelement (23) und dem Anschlußteil (24) an einer Außenseite (31) des Isolierstoffgehäuses (20) ein, den einen Kondensatorpol bildender Metallbecher (32) angeordnet ist, der von einem, das Dielektrikum des Kondensators bildenden Isolierstoffmantel (19) umschlossen ist und der Isolierstoffmantel (19) von einem, den anderen Kondensatorpol bildenden metallischen Schirm (34) umgeben ist.
  4. Verbindungsteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbecher (32) ein hohes Spannungspotential und der Schirm (34) ein niedriges Spannungspotential führt.
  5. Verbindungsteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbecher (32) elektrisch an der Ausgangsspannung der Zündspule (13) angeschlossen ist und der Schirm (34) eine unter der Ausgangsspannung der Zündspule (13) liegende Spannung trägt.
  6. Verbindungsteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (34) elektisch auf Erdpotential liegt.
  7. Verbindungsteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Schirm (34) federnde Laschen (36) angebracht sind, die im Kraftschluß und in elektrischer Verbindung mit dem auf Erdpotential liegenden Zylinderkopf (11) stehen.
  8. Verbindungsteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (34) zusammen mit der Zündspule (13) am Zylinderkopf (11) befestigt ist und in elektrischer Verbindung mit dem auf Erdpotential liegenden Zylinderkopf (11) steht.
  9. Verbindungsteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum als eine dünnwandige Schicht, deren Dicke weniger als 3 mm beträgt, ausgebildet ist.
  10. Verbindungsteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsteil (14) durch seine Verwendung als Zündkerzenstecker (14) dient.
EP93114204A 1992-10-09 1993-09-04 Verbindungsteil einer Zündanlage Expired - Lifetime EP0591686B1 (de)

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