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Title:
IGNITION COIL FOR A SPARK IGNITION ENGINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/031771
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an ignition coil (10) for a spark ignition engine comprising a coil core (12) in which a primary magnetic field (Hp) is inducible by means of a primary substentially reel-shaped current-carrying winding (14). The inventive ignition coil (10) comprises a secondary substentially reel-shaped winding (16) in which a power field exciting at least one spark plug (18) can be produced by said primary magnetic field (Hp). A premagnetizing device acts on the coil core (12) in order to generate a bias magnetic field (Hp) which is opposite to the primary magnetic field (Hp). According to said invention, the premagnetizing device is provided with a bias magnetising substentially reel-shaped current-carrying winding (20).

Inventors:
WEIMERT MARKUS (DE)
SKOWRONEK TIM (DE)
Application Number:
PCT/EP2004/052122
Publication Date:
April 07, 2005
Filing Date:
September 10, 2004
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
WEIMERT MARKUS (DE)
SKOWRONEK TIM (DE)
International Classes:
F02P3/04; H01F27/38; H01F38/12; H01F29/14; (IPC1-7): H01F38/32; H01F29/14; F02P3/02
Foreign References:
US6188304B12001-02-13
GB2115986A1983-09-14
EP0431322A11991-06-12
Attorney, Agent or Firm:
ROBERT BOSCH GMBH (Stuttgart, DE)
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Claims:
Ansprüche
1. Zündspule (10) für einen Ottomotor mit einem Spulenkern (12), in welchem mittels einer stromdurchflossenen (Ip), im wesentlichen spulenförmigen Primärwicklung (14) ein Primärmagnetfeld (Hp) induzierbar ist, und einer im wesentlichen spulenförmigen Sekundärwicklung (16), in welcher durch das Primärmagnetfeld (Hp) ein zumindest ei ne Zündkerze (18) ansteuerndes Energiefeld aufbaubar ist, wobei am Spulenkern (12) eine Vormagnetisiereinrichtung zur Ausbildung eines dem Primärmagnetfeld (Hp) ent gegengerichteten Vormagnetisierungsfeld (Hv) wirksam ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormagnetisiereinrichtung eine stromdurchflossene (Iv) im wesentlichen spu lenförmige Vormagnetisierungswicklung (20) aufweist.
2. Zündspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (14) und die Vormagnetisierungswicklung (20) im wesentlichen pa rallel zueinander um den Spulenkern (12) herum gewickelt sind.
3. Zündspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromflussrich tungen des elektrischen Stromes (Ip bzw. Iv) in einander benachbarten Windungen der Primärwicklung (14) und der Vormagnetisierungswicklung (20) antiparallel ausgerich tet sind.
4. Zündspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom versorgungsanschtüsse (22, 24) der Primärwicklung (14) und der Vormagnetisierungs wicklung (20) voneinander getrennt ausgebildet sind.
5. Zündspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pri märwicklung (14) und die Vormagnetisierungswicklung (20) einen gemeinsamen Stromversorgungsanschluss (26) aufweisen.
6. Zündspule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Stromversorgungsanschluss (26) und der Vormagnetisierungswicklung (20) ein Vorwiderstand (Rv) geschaltet ist.
7. Zündspule nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Stromversorgungsanschluss (22,24 ; 26) entgegengesetztes Ende der Vormagnetisie rungswicklung (20) mit Masse (GND) verschaltet ist.
8. Zündspule nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pri märwicklung (14) und die Vormagnetisierungswicklung (20) als eine einzige mehrlagi ge Wicklung auf dem Spulenkern (12) aufgewickelt ist, wobei die mehrlagige Wicklung zur Separierung von Primärwicklung (14) und Vormagnetisierungswicklung (20) an zumindest einer Stelle aufgetrennt ist und die freien Enden zu Anschlusszwecken kon taktiert sind.
Description:
Zündspule für einen Ottomotor Stand der Technik Die Erfindung betrifft eine Zündspule für einen Ottomotor nach der im Oberbegriff des Pa- tentanspruches 1 näher definierten Art.

Eine derartige Zündspule stellt eine energieübertragende Hochspannungsquelle dar und dient im Ottomotor zur Ansteuerung einer Zündkerze, die ihrerseits das Kraftstoffgemisch im Brennraum des Motors entzündet und so die Bewegung des Kolbens und damit der Kurbel- welle einleitet.

Das Funktionsprinzip einer derartigen Zündspule ist auch bekannt unter der Bezeichnung Induktive Zündung"oder"Batteriezündung"und ist heute in nahezu allen fremdgezündeten Kraftstoffinotoren anzutreffen.

Die speicherbare magnetische Energie ist für die Zündspule wesentlich und hängt vom Auf- bau ihres Magnetitreises und dessen Materialeigenschaften ab. Der Magnetkreis besteht in der Regel aus einem ferromagnetischen Material und wird allgemein auch als"Eisenkreis"be- zeichnet. Meist setzt sich dieser aus einem Blechpaket zusammen oder ist als Metallpulver- kern ausgeführt. Da der Eisenkreis in bestimmten Ausftihrungsformen nicht durchgängig die Wicklung umschließt, sondern Lücken aufweist, die auch als Luftspalte bezeichnet werden, spricht man auch von einem"gescherten"Eisenkreis.

Bei der Ansteuerung der Zündspule durch ein Motorsteuergerät wird durch den ansteigenden Primärstrom magnetische Energie in der Zündspule gespeichert. Die Energieerhöhung setzt sich nicht beliebig weit mit der Stromerhöhung fort, sondern wird durch die Sättigungsfluss- dichte des Eisenkreises begrenzt. Das bedeutet, dass mit zunehmendem Strom das Material des Eisenlcreises nicht weiter aufmagnetisiert werden kann. Das Material ist magnetisch ge- sättigt. Diesen Zusammenhang bringt auch die sogenannte Hysteresekurve des Eisenkreises zum Ausdruck.

Um diesen physikalischen Gegebenheiten entgegenzuwirken, ist es aus der Praxis als übliche Maßnahme bekannt, einen Permanentmagneten in den Eisenkreis einzubringen. Ein solcher Permanentmagnet oder mehrere solcher Permanentmagneten werden dabei so in den Magnet- kreis integriert, dass die Richtung der Flussdichte dem Erregerfeld der stromdurchflossenen Wicklung entgegengerichtet ist. Man spricht hier auch von einer"Vormagnetisierung", da im passiven Zustand, in welchem kein elektrischer Strom fließt, bereits ein magnetischer Fluss im Eisenkreis herrscht.

Durch diese Vormagnetisierung wird es möglich, die magnetische Sättigung des Eisenkreises - bezogen auf die Höhe des Primärstromes-zu verschieben, so dass insgesamt mehr magneti- sche Energie in der Zündspule gespeichert werden kann. Dies ist in der Praxis eine gängige Maßnahme der Energieoptimierung von Zündspulen.

Bei den sogenannten Kompaktspulen ist hierfür meist ein einziger Permanentmagnet in den Eisenkreis eingebracht, wohingegen bei den sogenannten Stabspulen vorzugsweise zwei Permanentmagneten an den jeweiligen Ende des Stabkernes in den Eisenkreis eingebracht sind.

Bei den herkömmlichen Zündspulen ist jedoch von Nachteil, dass mit erheblichem ferti- gungstechnischen Aufwand der oder die Permanentmagnete in den Eisenkreis eingebaut werden müssen. Besonders bei Stabspulen ist es wichtig, dass die Kanten der Magnete vor dem Einbau entsprechend abgerundet werden, um der Gefahr von elektrischen Durchschlägen zu begegnen. Zudem muss auf die Polarität der oder des Magneten geachtet werden, da eine falsche Polarität dem gewünschten Effekt der Energiespeicherung entgegenwirlct.

Des weiteren sind Permanentmagnete temperaturabhängig, so dass es bei hohem Durchfluss und gleichzeitig hohen Temperaturen zur Entmagnetisierung eines Permanentmagneten kommen kann. Eine derartige Entmagnetisierung stellt einen irreversiblen Vorgang dar.

Die Eigenschaften eines Permanentmagneten werden vor allem durch dessen Material und die Geometrie des Aufbaus bestimmt. Ist ein Permanentmagnet in einer herkömmlichen Zünd- spule verbaut, lassen sich seine Eigenschaften nicht mehr gezielt verändern. Wenn beispiels- weise die gleiche Zündspule in einem anderen Motor, der andere Kenngrößen der Zündspule verlangt, verwendet werden soll, muss unter Umständen die Energieoptimierung der Zünd- spule verändert werden. Dabei wird die Energieoptimierung der Zündspule mittels der Vor- magnetisierung eingestellt. Zu diesem Zweck muss der Permanentmagnet ausgetauscht und durch einen Magneten mit möglicherweise veränderter Geometrie ersetzt werden.

Letzteres macht jedoch nachteilhafterweise einen konstruktiven Umbau der Zündspule erfor- derlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zündspule für einen Ottomotor zu schaffen, bei welcher die Energieoptimierung durch Anpassung der Vormagnetisierung des Eisenkrei- ses ohne gleichzeitigen konstruktiven Umbau möglich ist.

Darüber hinaus sollen bei der erfindungsgemäßen Zündspule keine Permanentmagneten zur Vormagnetisierung des Eisenkreises eingesetzt werden müssen, wobei der feuigungstechni- sche Aufwand durch umständliche Handhabung derartiger Permanentmagnete reduziert wird.

Vorteile der Erfindung Wenn bei einer Zündspule für einen Ottomotor der eingangs genannten Art, d. h. mit einem Spulenkern, in welchem mittels einer stromdurchflossenen, im wesentlichen spulenförmigen Primärwicklung ein Primärmagnetfeld induzierbar ist, und einer im wesentlichen spulenför- migen Sekundärwicklung, in welcher durch das Primärmagnetfeld ein zumindest eine Zünd- kerze ansteuerndes Energiefeld aufbaubar ist, wobei am Spulenkern eine Vormagnetisierein- richtung zur Ausbildung eines dem Primärmagnetfeld entgegengerichteten Vormagnetisie- rungsfeld wirksam ist, die Vormagnetisiereinrichtung eine stromdurchflossene, im wesentli-

chen spulenförmige Vormagnetisierungswicklung aufweist, kann durch die Vormagnetisie- rungswicklung mit Hilfe eines entsprechenden elektrischen Stromes vorteilhafterweise eine Vormagnetisierung erreicht werden.

Bei der konstruktiven Auslegung des Eisenkreises muss dementsprechend kein Permanent- magnet mehr berücksichtigt werden bzw. bei anderen Anwendungsfällen der Zündspule auch keine unterschiedlichen Magnetgeometrien.

Durch das Wegfallen der Permanentmagneten kann insbesondere bei Stabspulen der Stabkern entsprechend verlängert werden, was weitere Vorteile bei der Energieoptimierung bringt. In diesem Fall darf sich vorteilhafterweise auch die Wickellänge entsprechend vergrößern, zu- mal Windungen, die sich über Permanentmagneten befinden, physikalisch kaum wirksam sind.

Umgekehrt kann die Vormagnetisierungswicklung die einzige Möglichkeit einer Energieop- timierung darstellen, da im Falle einer geforderten Maximallänge des Stabkerns unter Um- ständen kein Platz mehr für einen Permanentmagneten vorhanden ist.

Die Vormagnetisierung mittels Zusatzwicklung ist zudem flexibel, d. h. neben der Feldrich- tung kann auch die magnetische Feldstärke über eine entsprechende Ansteuerung bei optima- ler Ausnutzung des Kernmaterials frei gewählt werden.

Durch Einbringen der Vormagnetisierungswicklung, die keine begrenzenden Eigenschaften wie ein Permanentmagnet besitzt, kann die Vormagnetisierungs-Flussdichte bis zur Sätti- gungspolarisation des Kernmaterials erhöht werden.

Dieser Vorteil gilt ebenso für eine sogenannte Kompaktspule, da hier herkömmlichcrweise das Kernmaterial nur dann optimal ausgenutzt werden kann, wenn in den magnetischen Kreis ein Permanentmagnet großer Fläche eingesetzt wird. Dies hat neben hohen Kosten auch noch großen Platzbedarf zur Folge.

Durch die Vormagnetisierungswicklung wird die erfindungsgemäße Zündspule hinsichtlich ihrer Energieausbeute sehr flexibel, wobei keine baulichen Veränderungen vorgenommen werden müssen. Vor allem bei Platzproblemen in axialer Richtung stellt daher die erfindungs-

gemäße Ausgestaltung einer Zündspule eine vorteilhafte Alternative zu Permanentmagneten dar.

Je nach Ausführungsmöglichkeit der Vormagnetisierungswicklung kann sie dadurch auch einen preislichen Vorteil gegenüber der Verwendung von Permanentmagneten haben.

Um einen möglichst guten Vormagnetisierungseffelct zu erzielen, sind die Primärwicklung und die Vormagnetisierungswicklung im wesentlichen parallel zueinander um dem Spulen- kern herum gewickelt. Dabei sollten die Stromflussrichtungen des elektrischen Stromes in einander benachbarten Windungen der Primärwicklung und der Vormagnetisierungswicklung antiparallel ausgerichtet sein.

Um eine möglichst freie Ansteuerung der Vormagnetisierungswicklung zu erreichen, können die Stromversorgungsanschlüsse der Primärwicklung und der Vormagnetisierungswicklung voneinander getrennt ausgebildet sein.

Alternativ können die Primärwicklung und die Vormagnetisierungswicklung aber auch ge- meinsam angesteuert sein und einen gemeinsamen Stromversorgungsanschluss aufweisen.

Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn zwischen dem Stromversorgungsanschluss und der Vormagnetisierungswicklung ein Vorwiderstand geschaltet ist.

Die Vormagnetisierungswicklung lässt sich je nach Ausfuhrungsfbrm der Ansteuerung ent- weder dauerhaft oder zeitweilig ansteuern und erzeugt dadurch ein magnetisches Feld, wel- ches dem Erregerfeld der Primärwicklung entgegenwirkt und dadurch den Effekt der Vor- magnetisierung hervorruft.

Bei einer geeigneten Stromansteuerung ist die Vormagnetisierung mittels zusätzlicher Wick- lung gemäß der Erfindung temperaturunabhängig.

Das dem Stromversorgungsanschluss entgegengesetzte Ende der Vormagnetisierungswick- lung kann bei einer besonders einfachen Ausfuhrungsfbrm einer Zündspule gemäß der Erfin- dung mit Masse verschaltet sein.

Ein fertigungstechnisch besonders vorteilhafter Aufbau kann dadurch erreicht werden, dass die Primärwicklung und die Vormagnetisierungswicklung als eine einzige mehrlagige Wick- lung auf dem Spulenkern aufgewickelt ist, wobei die mehrlagige Wicklung zur Separierung von Primärwicklung und Vormagnetisierungswicklung an zumindest einer Stelle aufgetrennt ist und die freien Enden zu Anschlusszwecken kontaktiert sind. Dies hat fertigungstechnisch den Vorteil, dass ein zusätzlicher Arbeitsgang eingespart wird.

Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nach- folgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen Figur 1 in vereinfachter schematischer Seitenansicht eine erfindungsgemäß ausgestaltete Zündspule, bei der eine Primärwicklung und eine Vormagnetisierungswicklung dargestellt sind ; Figur 2 eine schematische Schaltbilddarstellung eines Zündsystems mit einer separaten An- steuerung der Vormagnetisierungswicklung einer Zündspule gemäß Figur 1 ; und Figur 3 eine schematische Schaltbilddarstellung eines Zündsystems mit einer gemeinsamen Ansteuerung der Primärwicklung und der Vormagnetisierungswicklung einer Zündspule gemäß Figur 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels Die Figur 1 zeigt in vereinfachter schematischer Seitenansicht eine Zündspule 10 für einen Ottomotor eines Kraftfahrzeuges, bei der eine Primärwicklung 14 und eine Vormagnetisie- rungswicklung 20 dargestellt sind. Eine ebenfalls vorhandene Sekundärwicklung ist in be- kannter Weise ausgeführt und in Figur 1 nicht näher dargestellt.

Die Primärwicklung 14 besteht aus einem elektrisch leitfähigen, isolierten Draht, der auf einen Stabkern 12 aufgewickelt ist, wobei der Draht von einem in Figur 1 linken Ende des Stabkerns 12 in Richtung auf ein in Figur 1 rechtes Ende des Stabkerns 12 aufgewickelt ist.

Die nicht näher gezeigte Sekundärwicklung der Zündspule 10, in welcher durch ein primär- seitig erzeugtes Magnetfeld Hp ein Energiefeld induziert wird, ist angrenzend an die Primär- wicklung 14 von dieser elektrisch isoliert angebracht.

Die in Figur 1 gestrichelt dargestellte Vormagnetisierungswicklung 20 stellt in der gezeigten Ausführungsform eine komplett eigenständige Wicklung dar. Dabei ist der elektrisch leitfähi- ge, isolierte Draht der Vormagnetisierungswicklung 20 von. einem in Figur 1 linken Ende des Stablcerns 12 in Richtung auf ein in Figur 1 rechtes Ende des Stabkerns 12 aufgewickelt, wobei nahezu über den kompletten Erstreckungsbereich der Wicklungen der Draht der Vor- magnetisierungswicklung 20 in den Zwischenraum zwischen den einzelnen Windungen der Primärwicklung 14 eingelegt ist. Die Vormagnetisierungswicklung 20 und die Primärwick- lung 14 sind somit über den Großteil der Länge des Stabkernes 12 parallel gewickelt.

Der Stromfluss Iv in einer Wicklung der Vormagnetisierungswicklung 20 und der Stromfluss Ip in einer benachbarten Wicklung der Primärwicklung 14 ist antiparallel, so dass auch die sich aufbauenden Magnetfelder, ein Vormagnetisierungsfeld Hv und das primärseitige Mag- netfeld Hp, eine antiparallele Ausrichtung aufweisen. Diese Ausrichtung liefert den ge- wünschten"Vormagnetisierungseffekt" Bei der Ausführung gemäß Figur 1 ist ein Anschluss 24 zur Zuführung eines elektrischen Stroms Ip in die Primärwicklung 14 von einem Anschluss 22 zur Zuführung eines elektrischen Stroms Iv in die Vormagnetisierungswicklung 20 getrennt angeordnet. Dabei können beide Anschlüsse 22 und 24 separat über einen gemeinsamen Stecker 28 auf einen Kabelbaum eines Kraftfahrzeuges geführt werden.

In einer alternativen Ausführungsform kann die Vormagnetisierungswicklung 20 auch in die Primärwicklung 14 integriert werden. Bei der Herstellung einer derartigen"integrierten" Vormagnetisierungswicklung 20 werden in einem einzigen Aufwickelvorgang mehr Primär- windungen als notwendig auf den Stabkern 12 aufgewickelt. Anschließend werden sowohl die Primärwicklung 14 als auch die Vormagnetisierungswicklung 20 durch entsprechendes Auf- trennen und Kontaktieren der jeweiligen Drahtenden aus der zusammen aufgebrachten Wicklung separiert. Dabei können wiederum die Anschlüsse 22 und 24 der Primärwicklung 14 und der Vormagnetisierungswicklung 20 separat über einen gemeinsamen Stecker 28 auf den Kabelbaum des Kraftfahrzeuges geführt werden.

Die Figur 2 zeigt eine schematische Schaltbilddarstellung eines Zündsystems 1 mit einer separaten Ansteuerung der Vormagnetisierungswicklung 20 einer erfindungsgemäßen Zünd- spule 10 für einen Ottomotor, wobei die Zündspule 10-wie in Figur 1 gezeigt-einen Spu- lenkern 12 aufweist, auf den die Primärwicklung 14 und die Vormagnetisierungswicklung 20 aufgewickelt sind.

Hier ist eine separate Vormagnetisierungswicklungs-Ansteuerungsleitung 30 von dem vorlie- gend mit dem (nicht gezeigten) Kabelbaum des Kraftfahrzeuges verbundenen Stromanschluss 22 zum einen Ende der Vormagnetisierungswicklung 20 der Zündspule 10 geführt. Das ande- re Wicklungsende der Vormagnetisierungswicklung 20 ist auf Masse GND geschaltet.

In einem einen Steuerkreis darstellenden Primärkreis 2 des Zündsystems 1 ist eine separaten Primärwicklungs-Ansteuerungsleitung 32, die an dem primärseitigen Stromanschluss 24 beispielsweise ebenfalls mit dem (nicht gezeigten) Kabelbaum des Kraftfahrzeuges verbunden sein kann, zu einem Ende der Primärwicklung 14 der Zündspule 10 geführt. Das andere Ende der Primärwicklung 14 ist mit einem Transistor 34 verschaltet. Dieser wird an der Basis über eine Motorsteuerung 36 des Ottomotors angesteuert.

Die ebenfalls den Spulenkern 12 umgebende Sekundärwicklung 16 der Zündspule 10 ist Bestandteil eines einen Zündungskreis bildenden Sekundärkreises 3, in dem sie in bekannter Art und Weise mit einem Ende eine mit einer Masse GND verschaltete Zündkerze 18 eines Ottomotors kontaktiert.

Insbesondere dadurch, dass das Vormagnetisierungsfeld Hv nicht permanent vorhanden sein muss, ist eine derartige separate Ansteuerung der Vormagnetisierungswicklung 20 der Zünd- spule 10 praktikabel.

Die Figur 3 zeigt eine schematische Schaltbilddarstellung eines Zündsystems 1'mit einer gemeinsamen Ansteuerung der Primärwicklung 14 und der Vormagnetisierungswicklung 20.

Bei dieser Ausführung führt wie bei dem Zündsystem 1 der Figur 2 im Primärkreis die Pri- märwicklungs-Ansteuerungsleitung 32 von einem Stromanschluss 26 an einem (nicht gezeig- ten) Kabelbaum des Kraftfahrzeuges zu einem Ende der Primärwicklung 14 der Zündspule

10. Das andere Ende der Primärwicklung 14 ist mit einem Transistor 34 verschaltet, welcher an der Basis über die Motorsteuerung 36 des Ottomotors angesteuert wird.

Eine Vormagnetisierungswicklungs-Ansteuerungsleitung 30 ist hier mit dem Stromanschluss 26 der Primärwicklungs-Ansteuerungsleitung 32 verbunden, wobei die Vormagnetisierungs- wicklungs-Ansteuerungsleitung 30 von der Primärwicklungs-Ansteuerungsleitung 32 an einer Anschlussstelle 29 abzweigt und über einen Vorwiderstand Rv zum einen Ende der auf den Spulenkern 12 aufgewickelten Vormagnetisierungswicklung 20 der Zündspule 10 geführt ist.

Das andere Wicklungsende der Vormagnetisierungswicklung 20 ist auf Masse GND geschal- tet.

Die Anordnung der Sekundärwicklung 14 der Zündspule 10 und die Ausgestaltung des Se- kundärkreises 3 mit einer Zündkerze 18 eines Ottomotors entspricht im Übrigen der Ausfüh- rung nach Figur 2.

Alternativ sind noch weitere Varianten der Ansteuerung denkbar. Wichtig ist dabei jeweils, dass ein zu dem Primärfeld Hp antiparallel ausgerichtetes Vormagnetisierungsfeld Hv aufge- baut wird, um eine Energieoptimierung durch Anpassung der Vormagnetisierung des Eisen- kreises zu erreichen.