EP0974985A1 - Zündspule - Google Patents
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Classifications
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
- H01F38/12—Ignition, e.g. for IC engines
Definitions
- the invention relates to an ignition coil according to the preamble of the claim 1.
- An ignition coil generally has the task of being provided by a battery Transform tension.
- the ignition energy is brief stored and then on the ignition leads in the form of a high voltage surge delivered to the spark plugs.
- a conventional ignition coil comprises a core made of laminated iron sheet, on which there is a high voltage winding of thin and above there is a primary winding made of thicker copper wire.
- high-performance ignition coils are known, which are used for high ignition voltages and a high number of sparks are designed. For a higher spark count to reach per minute at high ignition voltage, it is necessary that the Primary current increases and also rises faster. You can by reducing the resistance of the primary winding and a Reduction of inductance by reducing the number of turns of the primary winding to reach.
- An ignition coil the secondary winding of which is known from WO 97/41574 Has under-windings, which are excited by a primary coil at the same time become.
- the voltages of the individual coils add up to one Total voltage, which is supplied to an ignition unit. With this Measure a high voltage within a very short period Generate period after ignition.
- the object of the invention is therefore an ignition coil of the aforementioned Specify the type with which better combustion can be achieved.
- the invention is based on the finding that the one stored in the ignition coil Energy to the gas to be burned as quickly as possible Ignition device is to be transmitted. For a given voltage or energy must therefore correspond to a maximum current accordingly constructive design of the primary and secondary coils become.
- the internal resistance limiting the current should be as small as possible.
- Decisive for the resistance with a coil is the total impedance, which results from the ohmic resistance and the Inductance.
- the total impedance of the secondary coil should according to the invention are as low as possible, preferably below 220 Ohm.
- the inductance should be set as low as possible, namely less than 100 mH, especially less than 40 mH.
- the two aforementioned variables change when the Number of turns on the secondary coil side is set low, namely less than 500 turns.
- each individual characteristic is already in its own right characterized the secondary coil, this can of course also by a Combination of all three characteristics can be determined.
- the primary winding should be chosen so that its impedance at 1000 Hz less than 2 ohms and / or whose inductance is less than 200 ⁇ H and / or whose number of turns is less than 50.
- d ⁇ / dt and di / dt should both be as large as possible.
- the ignition coil core turned out to be advantageous, wherein the primary and secondary coils offset are arranged on the ring.
- the embodiment is the ring or the oval embodiment of the ring interrupted by an air gap located in the area of the primary coil.
- the core should preferably be laminated.
- a nano-crystalline magnetic material can be used as the material for the core Material, for example nano-crystalline iron or corresponding iron compounds, to get voted.
- an ignition coil according to the invention comprises an annular, laminated iron core 10 on which a primary winding 12 and a secondary winding 14, each arranged in a segment around the core.
- a primary winding 12 and a secondary winding 14 each arranged in a segment around the core.
- the area of the primary winding 12 is the iron core 10 from an air gap 16 interrupted, in which the energy of the ignition coil before the ignition process among other things can be saved.
- the secondary coil 14 has 300 turns and has an inductance from 32 mH (millihenry).
- the primary coil 12 has a number of turns of 30 and has an inductance from 140 ⁇ H.
- the ends of the primary coil 12 are in a manner known per se with a Transistor ignition system (not shown) connected. This should be because of a additional ohmic resistance to avoid and to avoid electromagnetic interference as close as possible to the Ignition coil can be arranged.
- the use is particularly advantageous a hybrid ignition system, the transistor of which is not covered.
- the usage of a bare transistor and the application of the silicon directly on a ceramic carrier substrate favors the heat flow from the Transistor directly into the ceramic, which has a very high thermal conductivity owns. Furthermore, the switching speed of the transistor can be increased if additional leakage inductances are avoided.
- a transistor with a high emitter-collector voltage in the present case about 1200 V (volts) used.
- the maximum Switching current is about 25 A in the present case Design of the coils 12, 14 can already in the breakdown and spark discharge phase, a high energy rate in the ignited Implement gas.
- FIGS. 2 and 3 The difference to conventional systems is shown in FIGS. 2 and 3 detect.
- the flow in the secondary winding is shown in both diagrams Ignition current recorded over time.
- Fig. 3 the current is recorded in a conventional high-performance ignition coil. Each unit corresponds to 50 ⁇ s. All in all, a current flows over about 300 ⁇ s, resulting in a long-lasting glow or glow phase leads. The peak current is around 200mA.
- one unit on the time scale corresponds to 20 ⁇ s. All in all In the ignition coil according to the invention, a current therefore flows over approximately 50 ⁇ s, with a peak value of about 1.2 A.
- the invention can improve combustion overall and thus an increase in performance, a reduction in fuel and a reduction in pollutants can be achieved.
- the ignition point could be 3 ° crank angle to be improved towards late.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Zündspule mit einer Primärspule, einer Sekundärspule und einem Kern, auf dem die Primär- und Sekundärspule angeordnet sind. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zündspule anzugeben, mit welcher eine optimalere Verbrennung erzielt werden kann. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Primär- und die Sekundärwicklung derart ausgebildet sind, um einen überwiegenden Teil der in der Zündspule gespeicherten Energie innerhalb eines Zeitraums von 20 - 100 µsec während der Durchbruchs- und Funkenentladungsphase abzugeben. <IMAGE>
Description
Die Erfindung betrifft eine Zündspule gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
Eine Zündspule hat allgemein die Aufgabe, die von einer Batterie bereitgestellte
Spannung zu transformieren. Dabei wird die Zündenergie kurzzeitig
gespeichert und dann über die Zündleitungen in Form eines Hochspannungs-Stromstoßes
an die Zündkerzen abgegeben.
Eine herkömmliche Zündspule umfaßt einen Kern aus laminiertem Eisenblech,
auf dem sich eine Hochspannungswicklung aus dünnem und darüber
eine Primärwicklung aus dickerem Kupferdraht befindet.
Ferner sind Hochleistungszündspulen bekannt, die für hohe Zündspannungen
und eine hohe Funkenzahl ausgelegt sind. Um eine höhere Funkenzahl
je Minute bei hoher Zündspannung zu erreichen, ist es notwendig, daß der
Primärstrom größer wird und außerdem schneller ansteigt. Dies kann man
durch eine Verringerung des Widerstandes der Primärwicklung sowie eine
Verringerung der Induktivität durch Verkleinerung der Windungszahl der Primärwicklung
erreichen.
Bei den meisten Zündspulen wurde versucht, diese, insbesondere die Sekundärseite,
so auszubilden, daß eine hohe Zündspannung erreicht wird.
So ist aus der WO 97/41574 eine Zündspule bekannt, deren Sekundärwicklung
Unterwicklungen besitzt, welche von einer Primärspule gleichzeitig erregt
werden. Die Spannungen der einzelnen Spulen addieren sich zu einer
Gesamtspannung, welche jeweils einer Zündeinheit zugeführt wird. Mit dieser
Maßnahme läßt sich eine hohe Spannung innerhalb eines sehr kurzen
Zeitraums nach der Zündung erzeugen.
Bisher ist man davon ausgegangen, daß bei der Zündung des Gasgemisches
Vorgänge im Millisekundenbereich für die sichere Entflammung eine
große Bedeutung besitzen. Dabei wird der größte Teil der Energie während
der sogenannten Glimmphase bei relativ kleiner Stromstärke (z.B. 100 mA)
und über relativ lange Zeit an das Gemisch übertragen. Die Temperatur während
der Glimmphase ist bedingt durch den relativ geringen Strom niedrig.
Untersuchungen des Erfinders haben jedoch gezeigt, daß gerade die Vorgänge
im Mikrosekundenbereich für eine sichere Entflammung und die Entwicklung
eines stabilen Flammenkerns ausschlaggebend sind, obwohl prinzipiell
die Chance auf eine Entflammung der einzelnen Gasmoleküle sinkt.
Die Untersuchungen haben weiter ergeben, daß in der Durchbruchs- und
Funkenentladungsphase möglichst viel Energie auf das die Zündeinrichtung
umgebende Gas übertragen werden soll. Dies bedeutet hohe Stromwerte.
Durch die Übertragung eines Großteils der in der Zündspule gespeicherten
Energie in der Durchbruchs- und Funken- bzw. Bogenentladungsphase lassen
sich allgemein höhere Temperaturen und dadurch eine größere Anzahl
von Start-Radikalen für die chemische Reaktion erzielen. Die damit verbesserte
Entflammungsphase übt eine positive Wirkung auf eine Beschleunigung
der Verbrennung aus. Eine solche Wirkung kann durch die niedrigeren
Temperaturen in der Glimmphase nicht erreicht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Zündspule der eingangs genannten
Art anzugeben, mit welcher eine bessere Verbrennung erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die in der Zündspule gespeicherte
Energie möglichst schnell an das zu verbrennende Gas bzw. die
Zündeinrichtung zu übertragen ist. Bei gegebener Spannung bzw. Energie
muß hinsichtlich eines maximalen Stromes somit auf eine entsprechend
konstruktive Ausgestaltung der Primär- und der Sekundärspule geachtet
werden. Insbesondere sollte der den Strom begrenzende Innenwiderstand
möglichst klein sein. Ausschlaggebend für den Widerstand bei einer Spule
ist die Gesamtimpedanz, die sich aus dem ohmschen Widerstand und der
Induktivität zusammensetzt. Die Gesamtimpedanz der Sekundärspule sollte
erfindungsgemäß möglichst niedrig liegen, vorzugsweise unterhalb von 220
Ohm.
Da in die Gesamtimpedanz wesentlich die Induktivität miteingeht, kann alternativ
die Induktivität möglichst niedrig angesetzt werden, nämlich kleiner 100
mH, insbesondere kleiner 40 mH.
Alternativ verändern sich die beiden vorgenannten Größen dann, wenn die
Windungszahl auf der Sekundärspulenseite niedrig angesetzt wird, nämlich
kleiner als 500 Windungen. Obwohl jedes einzelne Merkmal für sich bereits
die Sekundärspule charakterisiert, kann diese natürlich auch durch eine
Kombination aller drei Kenndaten festgelegt werden.
Da auch die in der Primärspule gespeicherte Energie wichtig ist und die physikalischen
Formeln
U = N · d Φ dt
und
U = L · di dt ,
wobei N die Windungszahl, U die induzierte Spannung, Φ den magnetischen
Fluß durch beide Spulen, L die Induktivität und i den Strom in der Primärspule
beschreibt, berücksichtigt werden müssen, sollte die Primärwicklung
so gewählt werden, daß deren Impedanz bei 1000 Hz kleiner 2 Ohm
und/oder deren Induktivität kleiner als 200 µH und/oder deren Windungszahl
kleiner 50 ist. Prinzipiell sollten
dΦ / dt
und
di / dt
beide möglichst groß sein.
Ferner hat sich eine ringförmige oder ovale Ausbildung des Zündspulenkerns
als vorteilhaft herausgestellt, wobei die Primär- und Sekundärspule winkelversetzt
am Ring angeordnet sind. Gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform ist der Ring oder die ovale Ausführungsform des Ringes
durch einen Luftspalt unterbrochen, der sich im Bereich der Primärspule befindet.
Durch die Verwendung des Luftspaltes kann in der Primärspule in
kürzerer Ladezeit wesentlich mehr Energie gespeichert werden, als wenn die
Primärspule an einer Position äußerhalb des Luftspaltbereiches angeordnet
wäre. Die Induktivität der Spule über dem Luftspalt ist wesentlich geringer als
die Induktivität einer Spule mit den selben Windungsdaten außerhalb des
Luftspaltbereiches. Die Spule sollte daher relativ kurz gewickelt sein. Für die
Sekundärspule ist die Lage außerhalb des Luftspaltes günstiger, weil dann
mit einem geringeren Aufwand an Wicklungen die zur Erreichung der Zündspannung
notwendige Induktivität realisiert werden kann.
Aus Wirbelstromverlustgründen sollte der Kern vorzugsweise geblecht sein.
Als Material für den Kern kann dabei ein nano-kristallines magnetisches
Material, beispielsweise nano-kristallines Eisen oder entsprechende Eisenverbindungen,
gewählt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der
Figuren näher erläutert. Es zeigen die Zeichnungen in
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung einer Zündspule mit Ringkern, Primärspule, Sekundärspule,
- Fig. 2
- den Zündablauf mit einer herkömmlichen Zündspule und
- Fig. 3
- ein Diagramm mit einem Zündablauf der erfindungsgemäßen Zündspule.
Eine erfindungsgemäße Zündspule umfaßt gemäß Fig. 1 einen ringförmigen,
geblechten Eisenkern 10, auf dem eine Primärwicklung 12 und eine Sekundärwicklung
14, jeweils segmentförmig um den Kern angeordnet sind. Im
Bereich der Primärwicklung 12 ist der Eisenkern 10 von einem Luftspalt 16
unterbrochen, in dem sich die Energie der Zündspule vor dem Zündvorgang
unter anderem speichern läßt.
Die Sekundärspule 14 besitzt vorliegend 300 Windungen und weist eine Induktivität
von 32 mH (Millihenry) auf.
Die Primärspule 12 besitzt eine Windungszahl von 30 und weist eine Induktivität
von 140 µH auf.
Da trotz der relativ geringen Wicklungszahl auf der Sekundärseite der Zündspule
eine hohe Zündspannung erreicht werden muß, ist die Windungsspannung
relativ groß. Daher kann kein einfacher, durch Lack isolierter Kupferdraht
für die Zündspule verwendet werden. Vielmehr wird vorliegend ein gegen
diese hohe Spannung besonders isolierter Kupferdraht verwendet.
Die Enden der Primärspule 12 sind in an sich bekannter Weise mit einer
Transistorzündanlage (nicht dargestellt) verbunden. Diese sollte wegen eines
zu vermeidenden zusätzlichen ohmschen Widerstandes und zur Vermeidung
von elektromagnetischer Störabstrahlung möglichst nahe an der
Zündspule angeordnet werden. Besonders Vorteilhaft ist die Verwendung
einer Hybridzündanlage, deren Transistor nicht ummantelt ist. Die Verwendung
eines ungehäusten Transistors und die Aufbringung des Siliziums direkt
auf ein Keramikträgersubstrat begünstigt den Wärmeabfluß aus dem
Transistor direkt in die Keramik, welche eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit
besitzt. Ferner kann die Schaltgeschwindigkeit des Transistors erhöht werden,
wenn zusätzliche Streuinduktivitäten vermieden werden.
Beim Betrieb der Zündspule wird ein Transistor mit einer hohen EmitterKollektor-Spannung,
vorliegend etwa 1200 V (Volt), verwendet. Der maximale
Schaltstrom liegt im vorliegenden Fall bei etwa 25 A. Durch die konstruktive
Ausgestaltung der Spulen 12, 14 läßt sich bereits in der Durchbruchs- und Funkenentladungsphase eine hohe Energierate in das zu zündende
Gas umsetzen.
Der Unterschied zu herkömmlichen Systemen ist aus den Fig. 2 und 3 zu
erkennen. In beiden Diagrammen wird der in der Sekundärwicklung fließende
Zündstrom über die Zeit aufgezeichnet.
In Fig. 3 ist der Strom bei einer herkömmlichen Hochleistungszündspule aufgezeichnet.
Dabei entspricht jede Einheit 50 µs. Insgesamt fließt ein Strom
über etwa 300 µs, was zu einer lang anhaltenden Glimm- oder Glühphase
führt. Der Spitzenstrom liegt bei etwa 200mA.
In Fig. 2 entspricht eine Einheit auf der Zeitskala dagegen 20 µs. Insgesamt
fließt bei der erfindungsgemäßen Zündspule daher ein Strom über etwa 50
µs, und zwar mit einem Spitzenwert von etwa 1,2 A.
Durch diese verbesserte Energieübertragung während der Durchbruchsphase
und in der ersten Phase der Funken- oder Bogenentladung (20 bis 100
µsek.) wird ein hoher Anteil an Ladungsträgern erzeugt, was zu einer starken
Hitzeentwicklung unter weiterer Zunahme der Stoßionisation führt und
sich positiv auf die Flammenkernentwicklung auswirkt.
Mit den bisher entwickelten bekannten Zündspulen kann dieser Effekt nicht
erreicht werden. Durch die Erfindung kann insgesamt eine verbesserte Verbrennung
und damit eine Leistungserhöhung, eine Brennstoffreduzierung
und eine Schadstoffverringerung erreicht werden.
Dazu trägt auch der Umstand bei, daß durch ein schnelleres Anbrennen des
Gemisches eine optimierte Zündeinstellung bezüglich des Zündzeitpunktes
möglich ist. Im vorliegenden Fall konnte der Zündzeitpunkt um 3° Kurbelwinkel
in Richtung spät verbessert werden.
Claims (7)
- Zündspule mit einer Primärspule, einer Sekundärspule und einem Kern, auf dem die Primär- und Sekundärspule angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Primär- und die Sekundärwicklung derart ausgebildet sind, um einen überwiegenden Teil der in der Zündspule gespeicherten Energie innerhalb eines Zeitraums von 20 - 100 µsec während der Durchbruchs- und der Funkenentladungsphase abzugeben. - Zündspule nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Impedanz der Sekundärspule bei 1000 Hz kleiner als 220 Ohm und/oder die Induktivität der Sekundärspule kleiner als 100 mH und/oder die Windungszahl der Sekundärspule kleiner als 500 ist. - Zündspule nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Impedanz der Primärwicklung bei 1000 Hz kleiner als 2 Ohm und/oder die Induktivität der Primärspule kleiner als 200 µH und/oder die Windungszahl der Primärspule kleiner als 50 ist. - Zündspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kern ringförmig oder oval ausgebildet ist und die Primär- und Sekundärspule winkelversetzt angeordnet sind. - Zündspule nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß im ringförmig oder oval ausgebildeten Kern ein Luftspalt, vorzugsweise im Bereich der Primärwicklung vorgesehen ist. - Zündspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kern aus nanokristalinem Material, insbesondere Eisen oder Eisenverbindungen besteht. - Zündspule nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kern geblecht ist.
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| DE19833190A1 (de) | 2000-01-27 |
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