DE102004056991B4

DE102004056991B4 - Bauelement zur Störwellenunterdrückung in Zündanlagen und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102004056991B4
Application number: DE200410056991
Authority: DE
Inventors: Udo Mai; Roman Schichl; Johann Frei
Original assignee: Vogt Electronic AG
Current assignee: Vogt Electronic AG
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2024-11-26
Also published as: DE102004056991A1

Abstract

Bauelement zur Störstrahlungsreduzierung in Hochspannungszündanlagen (150) mit:
einer auf einen starren, weichmagnetischen Kern (101; 201; 301; 401; 501) aufgebrachten Wicklung (102; 202; 302; 402) zur Dämpfung hochfrequenter Störwellenkomponenten;
einem sich verjüngenden Anschlussteil ohne scharfkantige Bereiche zur Kontaktierung einer Hochspannungszuleitung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrische Zündanlagen und darin verwendete Komponenten, die zum periodischen Hervorrufen einer Glimmentladung und/oder Bogenentladung in einem Verbrennungsraum eingesetzt werden, wie dies beispielsweise in mit Zündkerzen betriebenen Verbrennungsmaschinen der Fall ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Komponenten, die zur Unterdrückung der beim Zündvorgang entstehenden Störwellen verwendet werden.
Bei vielen konventionellen Zündanlagen, die zur periodischen Erzeugung einer Glimmentladung und/oder Bogenentladung dienen, wird die für die Entladung erforderliche Hochspannung, die unter Umständen 15 kV oder mehr betragen kann, in einer entsprechenden Anordnung, beispielsweise einer Zündspule erzeugt und wird dann über geeignete Zündkabel zu der Funkenstrecke, beispielsweise eine Zündkerze im Verbrennungszylinder eines Verbrennungsmotors, geführt. Hierbei werden typischerweise in jedem Zündkabel in zeitlich korrelierter Weise im Wesentlichen periodisch Hochspannungspulse übertragen, die dann beim Einsetzen der Ionisierung und Plasmabildung in der Funkenstrecke zu einem entsprechenden Stromfluss in dem Zündkabel über die Funkenstrecke führen. Beim Einsetzen der Glimmentladung und/oder der Bogenentladung verringert sich der Gesamtwiderstand in sehr rascher Weise, so dass ein entsprechender steilflankiger Stromimpuls auftritt, der somit auch die Quelle einer äußerst breitbandigen Störwellenerzeugung ist. Diese breitbandigen Strom- und Spannungsimpulse können über entsprechende Signal- und/oder Versorgungsleitungen anderer, sich in der Nähe befindlicher elektronischer Komponenten ausbreiten und somit zu einer Störung des Betriebs dieser Komponenten führen. Als Beispiel seien hier nur die zahlreichen elektronischen Komponenten wie Steuereinheiten, Sensorelemente und dergleichen genannt, die in einem modernen Fahrzeug in unmittelbarer Nähe des Verbrennungsmotors angeordnet sind. Da insbesondere immer mehr sicherheitsrelevante Komponenten eines Fahrzeuges elektronisch gesteuert und überwacht werden, kann ein hoher und breitbandiger Störwellenanteil zu gravierenden Sicherheitsmängeln führen, insbesondere wenn sich die Störwellenerzeugung im Laufe der Zeit durch Verschleiß oder andere Umwelteinflüsse verändert, so dass ggf. in den elektronischen Komponenten eingesetzte Störwellenschutzvorrichtungen weniger wirksam sind. Insbesondere können die durch den raschen Aufbau der Glimmentladung und/oder der Bogenentladung entstehenden breitbandigen Störwellen über die Hochspannungszuleitungen der Zündanlage sehr effizient als Störstrahlung ausgesendet werden, so dass auch galvanisch getrennte elektronische Komponenten und insbesondere Kommunikationseinrichtungen unter Umständen empfindlich gestört werden können.
Um die Ausbreitung der Störwellen über die Zündkabel zu reduzieren, werden häufig Widerstände in den Zündkerzen eingebaut und/oder es werden Widerstandskabel für die Verteilung der Hochspannung verwendet. Des weiteren werden bei bestimmten Lösungen abgeschirmte Zündkerzenstecker und/oder abgeschirmte Hochspannungskabel verwendet, um damit die Abstrahlung der breitbandigen Störwellen zu verringern. Derartig abgeschirmte Zuleitungen sind jedoch in der Herstellung äußerst aufwendig und sind auch im praktischen Einsatz, beispielsweise in Fahrzeugen aufgrund beispielsweise mechanischer Einwirkungen, relativ störanfällig. Ferner besteht weiterhin eine gewisse Tendenz, die Störwellen über kapazitive Ankopplung und/oder über Masseleitungen in andere Komponenten einzukoppeln. Bei der Verwendung von Widerständen in der Zündleitung können vorhandene Streukapazitäten ausgenutzt werden, um einen Tiefpass zu bilden und damit auf diese Weise die Störwellen entsprechend zu dämpfen. Um jedoch bei einem vorgegebenen Kapazitätswert der Streukapazität, die beispielsweise in der Größenordnung von einigen 10 pF liegen kann, eine effiziente Dämpfung insbesondere hochfrequenter Komponenten zu erreichen, muss der Widerstandswert jedoch relativ groß gewählt werden und führt damit nicht nur zu einer Bedämpfung der hochfrequenten Anteile, sondern erzeugt auch einen Spannungsabfall auf Grund des bei der Ausbildung der Glimmentladung und/oder der Bogenentladung hervorgerufenen Stromflusses. Dieser an dem Widerstand hervorgerufene Spannungsabfall mit der einhergehenden Verlustleistung muss beim Betreiben der Zündanlage berücksichtigt werden, so dass in der Regel, obwohl eine gewisse Strombegrenzung des Funkenstromes erwünscht sein kann, der Widerstand nicht beliebig groß gemacht werden kann, so dass damit auch die Bedämpfung der hochfrequenten Komponenten nur zu einem geringen Maße erreicht werden kann. Ferner wird bei der Verwendung von Widerstandszündkabeln zwar einerseits der auftretende Spannungsabfall über die gesamte Kabellänge verteilt, jedoch ergibt sich daraus auch eine nicht sehr effiziente „lokalisierte" Bedämpfung der Störwellen an der Quelle ihrer Entstehung, d. h. der Zündkerze, so dass sich auch bei einem relativ hohen Widerstand in Verbindung mit den über die Kabellänge verteilten parasitären Kapazitäten eine gewisse Einkopplung in das Zündkabel und damit eine Ausstrahlung von Störwellen ergibt.
Angesichts dieser Sachlage ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Maßnahmen bereitzustellen, die ein effizientes Bedämpfen von Störwellen in Zündanlagen ermöglichen, wobei einige oder mehrere der zuvor genannten Nachteile behoben oder zumindest verringert werden können.
Diese Aufgabe wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung gelöst durch ein Bauelement zur Störstrahlungsreduzierung in Hochspannungszündanlagen, wobei das Bauelement eine auf einen starren, weichmagnetischen Kern aufgebrachte Wicklung zur Bedämpfung hochfrequenter Störwellenkomponenten aufweist.
Auf Grund der Wicklung auf dem weichmagnetischen Kern weist das Bauelement eine wesentliche größere induktive Komponente, im Vergleich zu etwaigen parasitären Induktivitäten eines ohmschen Widerstandes oder eines Widerstandsdrahtes, auf, so dass sich ein frequenzabhängiges Verhalten des Dämpfungswiderstands ergibt, der insbesondere bei höheren Frequenzen zu einer deutlich höheren Dämpfung beitragen kann, wobei die niederfrequenten Komponenten, die für das Aufrechterhalten des Zündstromes erwünscht sind, nur wenig gedämpft werden. Ferner ermöglicht die Verwendung eines starren weichmagnetischen Kernes eine robuste und formstabile Bauweise, so dass die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Bauelements im Wesentlichen während des Betriebs stabil bleiben, wobei insbesondere somit eine relativ kompakte Bauweise des gesamten Bauelements möglich ist. Auf Grund dieser kompakten Bauweise lässt sich das Bauelement in unmittelbarer Nähe der Störquelle, beispielsweise in unmittelbarer Nähe der Elektroden der Zündkerze, anordnen, so dass eine Einkopplung der Störwellen in möglicherweise verwendete Zündkabel und damit deren Antennenwirkung deutlich verringert wird. Des weiteren kann durch die Verwendung eines weichmagnetischen Kerns und dessen Bewicklung auf bewährte Fertigungstechniken zurückgegriffen werden, so dass eine kostengünstige Massenproduktion von induktiven Entstörbauelementen mit einer relativ hohen Induktivität bei hoher Spannungsfestigkeit möglich ist. Druckschrifttlich bekannt ist eine solche Drossel etwa aus DE-H 14540 VIII a/27a⁴ – 24.5.1956.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Bauelement ferner einen ohmschen Widerstand auf, um niederfrequente und hochfrequente Störwellenkomponenten und einen Gleichspannungsanteil der Hochspannung in gewünschter Weise zu dämpfen. Durch die Verwendung eines ohmschen Widerstandes, der vorzugsweise in Reihe zur Induktivität der Wicklung liegt, kann beispielsweise der Funkenstrom in gewünschter Weise begrenzt werden, so dass sich ein gewünschtes Verhalten der Entladung an den Elektroden ergibt, ohne dass damit die Dämpfung hochfrequenter Komponenten beeinträchtigt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der weichmagnetische Kern aus einem Material mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 10⁴ Ohm × Meter oder größer aufgebaut. Das Verwenden eines äußerst hochohmigen weichmagnetischen Materials, beispielsweise eines Ferritmaterials, ermöglicht es, relativ kompakte Abmessungen für den weichmagnetischen Kern zu erreichen, wobei ein möglicher Stromfluss während des Spannungsabfalls über der Wicklung auf Grund des hohen spezifischen Widerstands äußerst gering ist. Insbesondere kann auf Grund des hohen spezifischen Widerstandes auf aufwendige Isoliermaßnahmen für die Wicklung und das Kernmaterial verzichtet werden, wodurch sich die Herstellung deutlich vereinfacht und sich die damit verbundenen Kosten reduzieren lassen. Des weiteren lassen sich mit dem hochohmigen Material moderat große magnetisch wirksame Querschnittsflächen verwirklichen, so dass in Verbindung mit einer geeigneten effektiven Länge eine hohe Induktivität und damit eine gewünschte Bedämpfung hoher Frequenzkomponenten ermöglicht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zumindest ein Teil der Wicklung als Widerstandsdraht zur Einstellung der Größe des ohmschen Widerstands des Bauelements ausgeführt. Durch die Verwendung eines Widerstandsdrahtes kann somit unabhängig von dem Induktivitätswert der gewünschte ohmsche Anteil des Bauteilelements eingestellt werden, indem eben für eine vorgegebene Wicklungszahl und bei vorgegebenen geometrischen Abmessungen des weichmagnetischen Kerns ein entsprechendes Widerstandsmaterial ausgewählt wird.
Vorzugsweise ist die Wicklung über die gesamte Länge des Kerns hinweg ausgedehnt, was insbesondere bei der Verwendung eines Widerstandsdrahtes für die gesamte Wicklung von Vorteil ist, da somit der Spannungsabfall durch den Widerstand über die gesamte Länge des weichmagnetischen Kernes verteilt wird. Insbesondere im Zusammenwirken mit dem hohen spezifischen Widerstand des weichmagnetischen Kernes kann damit eine hohe Durchschlagssicherheit bei dennoch kompakter Bauweise gewährleistet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die effektive Länge des Kerns so bemessen, dass dieser in einer Hochspannungszuleitung benachbart zu der Funkenstrecke anbringbar ist, um damit eine Einspeisung von hochfrequenten Störwellen in die Hochspannungsleitung zu reduzieren. Wie zuvor bereits erwähnt ist, ist es vorteilhaft, die Störwellen möglichst nahe am Entstehungsort zu dämpfen, so dass eine möglichst geringe Einkopplung an die Zuleitungen, die ansonsten als Antennen wirken können, erfolgt. Hierbei ist die Bemessung des weichmagnetischen Kernes so zu verstehen, dass eine maximale Abmessung davon, beispielsweise bei einer linearen Anordnung dessen Länge, kleiner als ungefähr 10 cm ist, so dass das Bauelement an der gewünschten Stelle in die Hochspannungszuleitung eingefügt werden kann. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass der weichmagnetische Kern als eine starre Komponente ausgeführt ist, so dass eine insgesamt sehr kompakte Bauweise erreichbar ist, da hierbei das induktive Verhalten, möglicherweise in Verbindung mit dem ohmschen Verhalten, unabhängig von der Verformung und der Lage der zumeist flexiblen Zuleitungen im Wesentlichen stabil bleibt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Bauelement ein Anschlussteil zur Kontaktierung einer Hochspannungszuleitung auf. Mittels des Anschlussteiles lässt sich somit eine zuverlässige und rasche Verbindung zu einer Hochspannungszuleitung und/oder zu einer anderen Komponente, beispielsweise der Zündkerze, der Zündanlage realisieren. Dadurch wird ein hohes Maß an Flexibilität bei der Verwendung des Bauelements erreicht, da dieses sowohl in Verbindung mit konventionellen Zuleitungen und auch in bereits bestehenden Anlagen verwendet werden kann und auch bei werksseitiger Montage in neu hergestellten Komponenten effizient einsetzbar ist. Insbesondere ermöglicht es das Anschlussteil, das Bauelement bei Bedarf rasch von den anderen Komponenten der Zündanlage abzunehmen, wenn dies bei Wartung, Reparatur und dergleichen erforderlich ist.
Vorteilhafterweise ist das Anschlussteil im Wesentlichen ohne scharfkantige Bereiche ausgebildet, um somit eine Feldstärkenerhöhung gering zu halten. D. h., vor und während der Glimmentladung und/oder Bogenentladung liegt in der Regel eine hohe Spannung an dem Bauelement an, so dass sich entsprechend hohe elektrische Felder ausbilden. Durch das Vermeiden scharfkantiger Bereiche wird die Erzeugung von Feldstärkespitzen zuverlässig verhindert oder deutlich reduziert, so dass keine Gefahr einer Koronaentladung besteht. Eine entsprechende Gestaltung lässt sich durch das Vermeiden von Kanten in der Geometrie des Anschlussteiles erreichen, wobei bei unvermeidlichen Übergängen diese mit einem ausreichenden Krümmungsradius abgerundet werden und die Oberfläche entsprechend behandelt werden können, so dass keine hohen Feldstärken auftreten können.
Vorteilhafterweise ist der weichmagnetische Kern im Wesentlichen ohne abrupte Bereiche ausgebildet, um eine Feldstärkeüberhöhung an den Windungen gering zu halten. Insbesondere im Zusammenwirken mit dem speziell geformten Anschlussteil ergibt sich eine besonders hohe Zuverlässigkeit des Bauteils, selbst wenn durch ungünstige äußere Bedingungen, wie sie beispielsweise in einem Motorraum auf Grund von Temperatur, Feuchtigkeit, Kontamination und dergleichen vorherrschen können, nur ein geringes Maß für die Wahrscheinlichkeit von Koronaentladungen ergibt. D.h. durch eine entsprechende, abgerundete Formgebung des Anschlussteiles und/oder des weichmagnetischen Kernes wird eine entsprechende Feldverteilung erreicht, so dass aufgrund der geringen Neigung für Koronaentladungen ein höheres Maß an Sicherheit erzielt wird, auch wenn beispielsweise ungewünschte und ungewollte Lufteinschlüsse in einem das Bauelement umgebenden Isoliermaterial vorhanden sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Anschlussteil ohne Überlappung eines elektrisch leitenden Bereichs davon mit dem weichmagnetischen Kern verbunden. Auf Grund dieser Anordnung bleibt der Einfluss des Anschlussteiles auf die magnetischen Eigenschaften des Kerns relativ gering, da beispielsweise eine mögliche Wirkung des Anschlussteils als Kurzschlusswindung des Kernes und damit dessen magnetische Beeinträchtigung vermieden werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform weist der weichmagnetische Kern zwei Stirnflächen auf und das Anschlussteil besitzt eine den Kernstirnflächen angepasste Anschlussstirnfläche und ist mit dieser mit dem weichmagnetischen Kern verbunden. Auf diese Weise ergibt sich eine Verbindung des Anschlussteils und des Kernes, die keine großen Unstetigkeiten im Anschlussbereich und damit im Feldverlauf hervorruft, wobei der Einfluss auf das magnetische Verhalten des Kernes gering ist. Beispielsweise kann das Anschlussteil mit dem Kern verklebt werden, so dass sich durch die angepassten Stirnflächen eine zuverlässige Verbindungsfläche erreichen lässt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Kern geradlinig ausgebildet. Mit dieser Konfiguration lässt sich eine kompakte Bauform verwirklichen, wobei insbesondere die Hochspannungsfestigkeit des gesamten Bauelements relativ hoch ist, da insbesondere der Aufbau der Wicklung mit eventuellen Anschlussteilen so sein kann, dass die gesamte magnetische effektive Länge auch gleich dem geometrischen Abstand der Anschlussteile entspricht und damit der Spannungsabfall über die gesamte Länge erfolgt.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Kern in Bezug auf die effektive Länge mindestens einen gekrümmten Bereich auf, dessen Krümmungsradius ausreichend bemessen ist, so dass eine Feldstärkenüberhöhung im Bereich der Krümmung für die in der Zündanlage auftretenden Spannungen keine Koronaentladung hervorruft.
Durch diese geometrische Gestaltung des magnetischen Kernes kann somit eine unter Umständen kompaktere Bauweise erreicht werden, indem beispielsweise bei einer gegebenen effektiven magnetischen Länge die Längsabmessung des Bauelements merklich verringert werden kann. Somit ergibt sich ein höheres Maß an Gestaltungsfreiheit zur Anpassung des Bauelements für die Verwendung in diversen Zündanlagen. Beispielsweise kann es für eine Elektroden-nahe Montage des Bauelements von Vorteil sein, eine von der Stabform abweichende Gestaltung des weichmagnetischen Kernes vorzusehen, um damit ein höheres Maß an mechanischer Gesamtstabilität zu erzielen. Des weiteren kann es vorteilhaft sein, von der Stabform abzuweichen, um das erfindungsgemäße Bauelement besser an bestehende Komponenten, beispielsweise an eine Zündkerze, anzupassen. Insbesondere kann eine von der Stabform abweichende Gestaltung in eine Zündkerze effizienter integriert werden, ohne deren prinzipiellen Aufbau eingehender modifizieren zu müssen oder um deren Handhabbarkeit deutlicher zu beeinträchtigen.
In einer Ausführungsform ist der Kern als ein Ringkern vorgesehen. Die Verwendung eines Ringkernes ermöglicht einen streuarmen, magnetisch effizienten und kompakten Aufbau, der somit zu einem kompakteren Gesamtaufbau beitragen kann. Hierbei kann insbesondere der als Ringkern vorgesehene magnetische Kern in unmittelbarer Nähe der Zündkerze bei hoher mechanischer Stabilität vorgesehen werden. Ferner kann durch die gerundete Gestaltungsform des Kernes dieser auch in die Zündkerze integriert oder unmittelbar an einem Montagebereich der Zündkerze angebracht werden. Der Ringkern muss hierbei nicht notwendigerweise geschlossen sein, wobei jedoch entsprechende Abschlussbereiche des Ringkernes entsprechend geformt sind, so dass auftretende Feldverläufe zu keinem Überschlag führen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind für den Ringkern an den Feldverlauf beim Anlegen der Hochspannung angepasste leitende Kernanschlussteile an im Wesentlichen diametral gegenüberliegenden Positionen des Ringkerns angeordnet. Dieser hochspannungsfeste Aufbau trägt dazu bei, dass die beim Durchbruch der Funkenstrecke auftretende hohe Spannung trotz der Krümmung des Ringkernes ausreichend beabstandet ist, um damit einen Durchschlag innerhalb des Bauelements zuverlässig zu vermeiden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein minimaler Abstand jeweils zweier benachbarter Windungen der Wicklung im Wesentlichen konstant. Durch die Vorgabe eines minimalen Abstandes, der eine ausreichende Isolationsstrecke zwischen zwei benachbarten Windungen bei der vorgegebenen auftretenden Hochspannung gewährleistet ist zum einen ein zuverlässiger Betrieb sichergestellt, während ein im Wesentlichen konstantes Beibehalten dieses minimalen Abstandes eine effiziente Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Wicklerraumes und eine Vereinfachung beim Aufbringen der Wicklung ermöglicht.
In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung weisen die Leiter der Wicklung individuell eine Lackisolationsschicht auf. Durch die Verwendung eines bereits vorisolierten Leiter ergibt sich ein insgesamt höheres Maß an Zuverlässigkeit für die Hochspannungswicklung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Bauelement eine kapazitive Komponente auf, die elektrisch mit der Wicklung verbunden ist und mit einer Anschlusseinrichtung versehen ist, die eine Kontaktierung mit einem definierten Potential ermöglicht.
Durch das Vorsehen einer kapazitiven Komponente, d. h. einer Kapazität zusätzlich zu möglichen parasitären Kapazitäten, die sich durch den Aufbau der Wicklung und dessen weichmagnetischen Kernes ergeben, kann ein verbessertes Zündverhalten in Verbindung mit einer effizienten Unterdrückung von Störwellen erreicht werden. Der Vorgang des Zündens lässt sich in der Regel in drei Abschnitte aufteilen, wobei in einem ersten Abschnitt beim Erreichen der Durchbruchspannung zwischen den Elektroden der Zündkerze ein äußerst hoher Strom von bis zu 100 Ampere innerhalb weniger Nanosekunden fließt, der sich im Wesentlichen aus der Kapazität der Zündkerze speist. Hierbei verringert sich die Spannung von etwa 10 000 Volt auf einige wenige 100 Volt und fällt dann in einer weiteren Phase, die man als Bogenentladung bezeichnen kann, auf einen Wert von ungefähr 100 Volt ab, worauf ein Spannungsanstieg auf einige 100 Volt während einer sogenannten Glimmentladung folgt, während der Strom im Wesentlichen bei wenigen 10 Milliampere liegt. Während der Bogenentladung, die bis zu einige 100 Nanosekunden dauern kann und während der Anfangsphase der sich anschließenden Glimmentladung wird die erforderliche elektrische Leistung im Wesentlichen aus der Induktivität der Zündanlage geliefert. Der Wirkungsgrad einer Zündanlage kann verbessert werden, wenn der wesentliche Energieeintrag in den Verbrennungsraum hauptsächlich während der sehr kurzen Durchbruchsphase geschieht, wobei jedoch in einigen Systemen die Kapazität der Zündkerze als zu gering und die Induktivität, die für eine Bedämpfung hochfrequenter Störungen erwünscht ist, als zu groß erachtet werden kann, um die benötigte Energie innerhalb weniger Nanosekunden bereitzustellen. Die kapazitive Komponente des erfindungsgemäßen Bauteiles, die vorzugsweise elektrisch zwischen der induktiven Komponente, die durch die Wicklung und den weichmagnetischen Kern im Wesentlichen bestimmt ist, und der Zündkerze angeordnet ist, kann vor dem Erreichen der Durchbruchspannung Energie speichern. Auf diese Weise lässt sich während der kurzen Durchbruchsphase die dafür benötigte Energie wirkungsvoll aus der kapazitiven Komponente in den Verbrennungsraum einspeisen, wobei hierbei auch, auf Grund der Nähe der kapazitiven Komponente zu der Zündkerze, ein relativ induktionsarmer Aufbau erreicht werden kann, da durch die vorher beschriebene Formgebung des weichmagnetischen Kernes und der Wicklung ein sehr kompakter Aufbau in der Nähe der Zündkerze erreichbar ist. Somit kann beim Erzeugen eines Hochspannungszündimpulses das erfindungsgemäße Bauelement große Einschaltspitzen während einer Anfangsphase des Impulses auf Grund der induktiven Komponente vermeiden, so dass die kapazitive Komponente zwar rasch aber ohne größere Erzeugung von Störwellen aufgeladen wird. Beim Erreichen der Durchbruchspannung wird dann ein wesentlicher Anteil der erforderlichen elektrischen Energie von der kapazitiven Komponente induktionsarm an die Glühkerze geliefert, so dass sich ein hoher Wirkungsgrad zum Einspeisen elektrischer Energie in den Gasraum ergibt. Bei den auftretenden hohen Spannungs- und Stromimpulsen innerhalb weniger Nanosekunden werden die auftretenden hochfrequenten Störwellen wirkungsvoll durch die durch die Wicklung und den weichmagnetischen Kern gebildete induktive Komponente gedämpft, so dass eine Einkopplung in die Zündkabel gering bleibt. Ferner kann durch die im Vergleich zu konventionellen Zündkabeln größere induktive Komponente eine weitere Speisung während des Glimmentladungsbereiches über die induktive Komponente erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform weist die kapazitive Komponente einen Kapazitätswert im Bereich von ca. 10 bis 100 pF auf. Mit diesem Kapazitätswert lässt sich eine effiziente Speisung der für den Durchbruch erforderlichen elektrischen Energie erreichen, während dennoch ein kompakter und elektrisch zuverlässiger Aufbau für die in einer Zündanlage auftretenden hohen Spannungen möglich ist. Beispielsweise kann die kapazitive Komponente als ein koaxialer Kondensator vorgesehen werden, dessen innere Elektrode mit ausreichendem Abstand an dem weichmagnetischen Kern angebracht ist, sofern die innere Elektrode geeignet gestaltet ist, um nicht als Kurzschlusswindung zu fungieren, oder die innere Elektrode kann an einer dielektrischen Verlängerung des Kerns angebracht werden, so dass sich eine mechanisch äußerst stabile und dennoch kompakte und elektrisch zuverlässige Anordnung ergibt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements zur Störwellenunterdrückung in einer Zündanlage bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte: Ermitteln eines gewünschten Widerstandswertes bei einer festgelegten Störwellenfrequenz, Ermitteln der Windungszahl und der Werte magnetischer Parameter eines starren weichmagnetischen Kernes für eine induktive Komponente auf der Grundlage des gewünschten Widerstandswertes und eines vorgegebenen minimalen Abstands zweier benachbarter Windungen der Wicklung. Ferner umfasst das Verfahren das Bewickeln des weichmagnetischen Kerns mit den ermittelten magnetischen Parameterwerten entsprechend der ermittelten Windungszahl, wobei ein Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Windungen größer oder gleich als der vorgegebene minimale Abstand ist.
Gemäß diesem Herstellungsverfahren kann somit durch Variieren der magnetischen Eigenschaften des weichmagnetischen Kernes und der Windungszahl die Induktivität des erfindungsgemäßen Bauelementes auf der Grundlage eines vorgegebenen frequenzabhängigen Widerstandes in gewünschter Weise eingestellt werden, wobei ferner ein minimaler Abstand zwischen benachbarten Wicklungswindungen eingehalten wird, so dass die Hochspannungsfestigkeit des Bauelements gewährleistet bleibt. Durch die Vorgabe eines gewünschten Widerstandswertes bei einer speziellen Frequenz lässt sich somit das Dämpfungsverhalten des erfindungsgemäßen Bauelements für spezielle Anwendungen hin optimieren. Beispielsweise kann durch die Auswahl des Kernmaterials in Kombination mit der Auswahl der Geometrie des weichmagnetischen Kernes die Windungszahl so ermitteln, dass ein gewünschtes frequenzselektives Dämpfungsverhalten erreicht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Bestimmen parasitärer und/oder anderer Kapazitäten der Zündanlage zumindest für einen repräsentativen Betriebszustand und das Ermitteln der Windungszahl und der magnetischen Parameter auf der Grundlage der bestimmten (parasitären) Kapazitäten. Durch diese Maßnahme gelingt es noch effizienter, eine erhöhte Störwellenunterdrückung zu erreichen, da insbesondere die induktive Komponente und gewünschtenfalls auch die ohmsche Komponente des erfindungsgemäßen Bauelements gezielt unter Berücksichtigung der in der Zündanlage auftretenden Kapazitäten eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann eine äußerst effiziente Unterdrückung einer oder mehrerer Frequenzbereiche erreicht werden.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen wird auf der Grundlage der vorher beschriebenen Verfahren der Wert einer zusätzlichen kapazitiven Komponente des Bauelements ermittelt. Dadurch ist es möglich, die verteilten Streukapazitäten der Zündanlage wirkungsvoller von dem Ort der Entstehung der Störwellen zu entkoppeln, da höhere Induktivitätswerte für das erfindungsgemäße Bauelement möglich sind, ohne dadurch das Zündverhalten zu beeinträchtigen, da ausreichend elektrische Energie während des kurzen Durchbruchs von der zusätzlichen kapazitiven Komponente geliefert wird. Insbesondere kann die kapazitive Komponente so bemessen werden, dass sich eine höhere Einspeisung an elektrischer Energie und damit ein höherer Wirkungsgrad der Zündanlage ergibt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und sind auch in der weiteren detaillierten Beschreibung dargelegt, in der Bezug genommen wird auf die folgenden Zeichnungen. In diesen Zeichnungen zeigen:
1 schematisch eine Zündanlage mit einem erfindungsgemäßen Bauelement, das in unmittelbarer Nachbarschaft einer Zündkerze angeordnet ist;
2a eine perspektivische Ansicht eines geradlinigen Bauelements mit induktiver Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung;
2b bis 2c Bereiche des Bauelements aus 2a, wobei unterschiedliche Ausführungsformen für ein Anschlussteil dargestellt sind;
2d eine weitere erläuternde Ausführungsform für ein Anschlussteil zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung;
3 schematisch eine Ausführungsform mit gekrümmtem weichmagnetischen Kern;
4a schematisch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements, wobei eine zusätzliche kapazitive Komponente in einer im Wesentlichen linearen Anordnung vorgesehen ist;
4b eine Ausführungsform, in der die induktive Komponente in einer ringförmigen Anordnung um die kapazitive Komponente herum angeordnet ist; und
5 schematisch eine Ausführungsform, in der das erfindungsgemäße Bauelement unmittelbar an der Zündkerze angebracht ist.
Mit Bezug zu den Figuren werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 zeigt schematisch eine Zündanlage 150, wie sie typischerweise für Wärmekraftanlagen mit Zündkerzen, beispielsweise Ottomotoren, und dergleichen verwendet wird. Die Zündanlage 150 umfasst eine Vorrichtung 151 zum Erzeugen eines Hochspannungszündimpulses, wobei die Vorrichtung 151 diverse Komponenten, wie Spulen, Kondensatoren, Transformatoren, mechanische und elektronische Schaltkomponenten aufweisen kann, die der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. Ferner umfasst die Zündanlage 150 eine oder mehrere Verbindungsleitungen 152, die im Aufbau so ausgebildet ist, um das Zuführen von Hochspannungen beispielsweise im Bereich von 10000 bis 50000 Volt zu einer Zündkerze 154 zu ermöglichen. Die Verbindungsleitung 152 besitzt in der Regel einen gewissen ohmschen Widerstand und weist eine gewisse geringe Streuinduktivität sowie entsprechende Streukapazitäten 153, die über die Leitung verteilt sind, auf. Wie eingangs bereits erwähnt ist, kann der ohmsche Widerstand der Leitung 152 so eingestellt sein, um eine gewisse Bedämpfung hochfrequenter Komponenten zu erreichen, ohne jedoch den Strom während der Glimmentladungsphase zu stark zu reduzieren. Ferner ist in der Zündanlage 150 ein Zuleitung 152 große induktive Komponente aufweist, in der Nachbarschaft der Zündkerze 154 vorgesehen. Hierbei erlaubt der mechanisch starre Aufbau des Bauelements 100 eine Montage des Bauelements 100 in unmittelbarer Nähe der Zündkerze 154, wobei die elektrischen Eigenschaften des Bauelements 100 im Wesentlichen beibehalten werden, unabhängig von der Art und Weise, wie die Verbindungsleitung 152 in der Zündanlage 150 verlegt ist. Insbesondere kann sich auf Grund äußerer Bedingungen sowie einer Positionsänderung der Leitung 152 auch deren Hochfrequenzverhalten als Folge einer Änderung der Streukapazitäten 153 verändern, während die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Bauelements 100 im Wesentlichen beibehalten werden, insbesondere wenn dieses an oder in der Nähe der Zündkerze 154 fixiert ist.
Beim Betrieb der Zündanlage 150 werden periodisch Hochspannungsimpulse über die Zuleitung 152 an die Zündkerze 154 geliefert, wobei insbesondere die parasitären Kapazitäten 153, die auch an der Zündkerze 154 vorhanden sind, zunächst auf die Durchbruchspannung aufgeladen werden, die dann zu einem Durchbruch an Elektroden der Zündkerze mit einer entsprechenden Plasmabildung führt. Während dieses Durchbruches fließen relativ hohe Ströme, bis zu 100 Ampere, wobei sich insbesondere die Kapazität an der Zündkerze 154 entlädt und damit ihre elektrische Energie über die Zündkerzenelektroden und das Plasma in den Gasraum abgibt. Beim Durchbruch tritt auch ein großer Spannungssprung von etwa 10 000 Volt bis 100 Volt auf, der in Verbindung mit den hohen Strömen während der kurzen Phase des Durchbruchs, die einige Nanosekunden andauert, einen hohen Anteil an hochfrequenten Störwellen erzeugt. Auf Grund des relativ hohen Widerstandes bei hohen Frequenzen auf Grund der großen induktiven Komponente, die das Bauelement 100 auf Grund der auf dem weichmagnetischen Kern 101 aufgebrachten Wicklung 102 besitzt, wird die Einkopplung dieser Störwellen in die Verbindungsleitung 152 effizient gedämpft, da sich in Verbindung mit den parasitären Kapazitäten 153 eine Tiefpassfilterfunktion ergibt, die auf Grund der größeren induktiven Komponente des Bauelements 100 deutlich intensiver ist als in konventionellen Zündkabeln. Nach erfolgter Entladung der Kapazität der Zündkerze 154 kann die in der Induktivität des erfindungsgemäßen Bauelements 100 gespeicherte Energie weiterhin effizient an die Zündkerze 154 übertragen werden und damit die Phase der Bogenentladung und der sich anschließenden Glimmentladung speisen. Hierbei kann das Bauelement 100 einen gewünschten ohmschen Widerstandsbereich aufweisen, der in einer Ausführungsform durch den spezifischen Widerstand der leitenden Komponente gegeben ist, die die Wicklung 102 bildet. Auf diese Weise kann eine für die Zündanlage 150 gewünschte ohmsche Komponente in dem Bauelement 100 verwirklicht werden, so dass beispielsweise die Verbindungsleitung 152 als eine gut leitende Kupferleitung aufgebaut sein kann, um damit unter Umständen besser die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Leitung 152 einstellen zu können. Beispielsweise können auf Grund eines dünneren Kernmaterials, da dieses beispielsweise leitfähiger ausgebildet sein kann, eine Reduzierung der Streukapazitäten 153 erreicht werden, die dann auch bei sich ändernden Umgebungsbedingungen, wie Feuchtigkeit, Lage im Motorraum, und dergleichen eine geringere Neigung zum Ändern des Kapazitätswerts aufweisen können. Da somit das elektrische Verhalten der Zündanlage 154 deutlicher von dem erfindungsgemäßen Bauelement 100 auf Grund seiner ohmschen und induktiven Komponenten bestimmt ist, lässt sich auch eine deutlich effizientere Anpassung der elektrischen Werte der Zündanlage 150 zur Verbesserung der Störwellenunterdrückung erreichen, als dies ohne das Bauelement der Fall ist.
2a zeigt perspektivisch ein erfindungsgemäßes Bauelement 200, wie es beispielsweise in der Zündanlage 150 für das Bauelement 100 in 1 verwendbar ist. Das Bauelement 200 besitzt eine im Wesentlichen lineare Konfiguration mit einem weichmagnetischen Kern 201, auf den eine Wicklung 202 aufgebracht ist, die sich über eine Länge 203 erstreckt. In dem gezeigten Beispiel erstreckt sich die Wicklung 202 im Wesentlichen über die vollständige Länge des Kerns 201, so dass die Länge 203 der Wicklung der effektiven Länge des Kerns 201 entspricht. Der weichmagnetische Kern 201 ist aus einem festen Material hergestellt, so dass dieser formstabil ist und besitzt eine Permeabilität, die größer als eins ist. Insbesondere kann das Material des Kerns 201 ein Ferritmaterial sein, das in Verbindung mit einer moderat hohen Permeabilität auch einen äußerst hohen spezifischen Widerstand aufweist, so dass bei einem Spannungsabfall über die Länge 203 hinweg bei vorgegebener Querschnittsfläche lediglich ein vernachlässigbarer Stromfluss auftritt. In besonderen Ausführungsformen weist das weichmagnetische Kernmaterial einen spezifischen Widerstand von größer als 10⁴ Ohm × Meter und in einer speziellen Ausführungsform von 10 Ohm × Meter oder größer auf. Mit einem entsprechenden Kernmaterial lässt sich beispielsweise mit einem Wert von 5 bis 10 cm für die Länge 203 bei einer Querschnittsfläche von ungefähr 0,3 cm² zuverlässig ein Durchschlag bei den in Zündanlagen üblicherweise auftretenden Spannungen vermeiden. Der weichmagnetische Kern 201 kann eine Isolierung in Form eines Isolationslackes aufweisen, wobei jedoch auf Grund des hohen spezifischen Widerstandes die Wicklung 202 auch ohne eine entsprechende Lackisolierung des Kerns 201 auf diesem aufgebracht sein kann. Die Wicklung 202 kann aus einem beliebigen geeigneten leitenden Material in Form eines Drahtes, einer Litze oder eines Bandes aufgebaut sein, etwa aus Kupfer, Edelstahl, Widerstandsmaterial, Kohlefaserkomponenten, und dergleichen. In einer besonderen Ausführungsform ist die Wicklung 202 aus einem Widerstandsdrahtmaterial aufgebaut, um der Wicklung 202 eine gewünschte ohmsche Widerstandskomponente zu verleihen. Das leitende Material der Wicklung 202 kann eine individuelle Isolation für die einzelnen Windungen aufweisen, um damit eine gewisse Grundisolierung gegenüber dem Kern 201 zu erreichen und um die Oberfläche der Wicklung, d. h. der einzelnen Windungen, möglichst glatt zu gestalten, um beispielsweise Vorteile beim Vergießen des Bauelements 200 durch eine effizientere Verteilung des Vergussmaterials zu erreichen. Beispielsweise kann eine Lackisolierung für die Wicklung 202 vorgesehen sein. In einigen Ausführungsformen kann die Wicklung 202 auch in dem Kernmaterial des Kerns 202 eingebettet sein, indem beispielsweise der Kern 201 entsprechend ausgebildete Rillen oder Vertiefungen aufweist. Damit ergibt sich eine störunanfällige Konfiguration während des Herstellungsprozesses, da bei der Fertigung des Bauelements 200 die Wicklung 202 durch das Kernmaterial 201 gut geschützt ist.
Die Formgebung des Kernmaterials 201 ist ferner so gestaltet, dass nur geringe Feldstärkeüberhöhungen über die gesamte Länge 203 hinweg auftreten. In der gezeigten Ausführungsform weist hierzu der Kern 201 einen im Wesentlichen runden Querschnitt auf, der über die effektive Länge 203 hinweg im Wesentlichen konstant bleibt. In anderen Ausführungsformen können jedoch andere Querschnittsformen verwendet werden, beispielsweise oval, elliptisch, im Wesentlichen rechteckig oder quadratisch, wobei hierbei keine scharfkantigen Übergänge gebildet werden, so dass auch bei „rechteckigen", „quadratischen" oder ähnlichen Querschnittskonfigurationen nur gerundete Kanten und Übergänge auftreten. Das Bauelement 200 weist ferner ein Anschlussteil 204 auf, das zumindest teilweise aus einem leitfähigen Material hergestellt ist. In der gezeigten Ausführungsform ist das Bauelement 200 mit zwei Anschlussteilen 204 dargestellt, so dass beispielsweise der Anschluss an eine Zündkerze sowie an eine Verbindungsleitung möglich ist. In anderen Ausführungsformen kann das Bauelement 200 jedoch bereits in einer der zuvor genannten Komponente integriert sein, so dass lediglich ein Anschlussteil 204 oder gar kein Anschlussteil erforderlich ist. In der gezeigten Ausführungsform weist das Anschlussteil 204 einen leicht konischen Verlauf auf, wobei ein Übergang 204a zu dem weichmagnetischen Kern 201 so ausgebildet ist, dass das Anschlussteil 204 mit einer entsprechend angepassten Stirnfläche mit einer gezeigten Ausführungsform weist das Anschlussteil 204 einen leicht konischen Verlauf auf, wobei ein Übergang 204a zu dem weichmagnetischen Kern 201 so ausgebildet ist, dass das Anschlussteil 204 mit einer entsprechend angepassten Stirnfläche mit einer entsprechenden Stirnfläche des Kerns 201 verbunden ist. In diesem Falle der einander angepassten Konturen kann das Anschlussteil 204 vollständig aus einem leitenden Material hergestellt sein, ohne dass eine negative Auswirkung auf das magnetische Verhalten des Kerns 201 zu erwarten ist. In anderen Ausführungsformen weist das Anschlussteil 204 einen dielektrischen Bereich auf, der dann mit dem Kern 201 überlappen kann, um eine einfache und zuverlässige mechanische Verbindung zu dem Kern 201 herzustellen, ohne dass der mit dem Kern überlappende Bereich 201 des Anschlussteiles 204 eine Kurzschlusswindung bildet. Die Fixierung des Anschlussteiles 204 an dem weichmagnetischen Kern 201 kann beispielsweise mittels eines Klebers erfolgen, wobei die Klebung vorteilhafterweise so ausgebildet ist, dass keine Spitzen an dem Anschlussbereich 204a auftreten. Der Anfang oder das Ende der Wicklung 202, das in der Figur als 202a bezeichnet ist, kann mit dem Anschlussteil 204 durch eine beliebige geeignete Befestigungsart, beispielsweise durch Verschweißung, verbunden sein. Hierbei kann auch eine Bearbeitung des Endes 202a so erfolgen, dass eine Quetschung mit anschließender Verschweißung oder Verlötung durchgeführt wird, um damit mögliche Erhebungen an der Oberfläche des Endbereichs 202a zu vermeiden. Auch kann in dem Anschlussteil 204 eine entsprechende Einkerbung vorgesehen werden, in die der Endbereich 202 eingeführt ist, so dass der Endbereich 202a dann verlötet, verschweißt oder verklebt werden kann.
2b bis 2c zeigen schematische einige Ausführungsformen für die Anpassung des Anschlussteils 204 an den weichmagnetischen Kern 201.
2b zeigt einen Teil des Bauelements 200, wobei das Anschlussteil 204 einen ersten Bereich 204c mit verrundeter Eintrittskante und einen zweiten Bereich 204b aufweist, der an dem Anschlussbereich 204a mit der entsprechenden Stirnfläche an die entsprechende Stirnfläche des Kerns 201 angebracht ist. Hierbei verjüngt sich der Bereich 204b von dem Anschlussbereich 204a in Richtung auf den ersten Bereich 204c, so dass der kleinere Durchmesser des Bereichs 204c, der beispielsweise an die Gegebenheiten eines anzuschließenden Hochspannungskabels oder einer Zündkerze angepasst ist, auf den für das magnetische Verhalten des Kerns 201 erforderlichen Größendurchmesser hin angepasst wird, ohne dass störende Feldstärkenspitzen an den entsprechenden Übergängen auftreten können. Ferner sollte beachtet werden, dass in der in 2b dargestellten Bauweise die Bereiche 204c und 204b vollständig aus leitendem Material hergestellt sein können. In anderen Ausführungsformen kann beispielsweise ein nicht leitender Bereich, der in 2b als 204d dargestellt ist, so vorgesehen sein, um einen Teil des Kerns 201 für eine verbesserte mechanische Festigkeit zu umschließen, ohne dass der mit dem Kern 201 überlappende Bereich des dielektrischen Materials 204d eine Kurzschlusswicklung bildet.
In 2b ist ferner die Wicklung 202 so dargestellt, dass diese einen minimalen Abstand 203a jeweils zweier benachbarter Wicklungen aufweist, wobei dieser minimale Abstand, der einer gewünschten Isolationsstrecke entspricht, über die gesamte Länge 203 (siehe 2a) hinweg im Wesentlichen konstant ist. Auf diese Weise wird die zur Verfügung stehende Länge des Kerns 201 im Hinblick auf die Anzahl der möglichen Windungen sowie deren Zuverlässigkeit im Hinblick auf Hochspannungsüberschläge optimal ausgenutzt.
2c zeigt den Anschlussbereich 204 in einer variierten Weise, wobei sich die Verjüngung des Bereichs 204b nicht auf die gesamte Länge des Bereichs 204b verteilt. Ferner ist in dem Bereich 204b eine Vertiefung 205 eingearbeitet, in der der Endbereich 202a der Wicklung 202 eingeführt ist. In einer speziellen Ausführungsform ist dabei die Vertiefung 205 so gestaltet, dass der Endbereich 202a im Wesentlichen vollständig in den Bereich 204b eingebettet ist, so dass sich mittels eines Lotes oder eines Klebers eine nahezu planare Oberfläche des Bereichs 204b oder zumindest eine Oberfläche ohne hervortretende scharfkantige Bereiche ergibt, so dass sich auch im Bereich des Endes 202a eine Oberflächengestalt ergibt, die ein Auftreten von Feldstärkeüberhöhungen reduziert.
Fig. zeigt schematisch ein weiteres erläuterndes Ausführungsbeispiel des Bauelements 200 zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung, wobei das Anschlussteil 204 so ausgeführt ist, dass auch der Bereich 204b eine im Wesentlichen gleichbleibende Querschnittsfläche entlang der Längsrichtung aufweist, die der Kontur des Kernes 201 so angepasst ist, dass keine scharfkantigen Feldstärkespitzen erzeugende Übergänge im Bereich 204a entstehen. Ferner ist in diesem erläuternden Ausführungsbeispiel ebenso wie in dem Beispiel aus 2b der minimale Abstand 203a, der bei den auftretenden Spannungsabfällen einen Überschlag zwischen benachbarten Windungen der Wicklung 202 verhindert, konstant über die gesamte Länge 203 angeordnet, wobei in Es sollte beachtet werden, dass die mit Bezug zu den 2a bis 2d vorgestellten Ausführungsbeispiele in beliebiger Weise miteinander kombinierbar sind, so dass je nach Bauteilerfordernissen, Anwendungszwecken, Herstellungsverfahren und dergleichen eine geeignete Konfiguration ausgewählt werden kann. Beispielsweise kann die Vertiefung 205 (2c) in allen bisher beschriebenen Ausführungsformen an einem oder beiden Anschlussteilen 204 vorgesehen werden, um damit eine zuverlässigere und hochspannungsstabilere Verbindung von dem Anschlussteil 204 zu der Wicklung 202 herzustellen. Des weiteren können Kanten 204d an der Eintrittskante des Bereichs 204c und entsprechende Kanten am Innendurchmesser der Öffnungen 204e (siehe 2a) abgerundet sein, um damit das Auftreten eventueller Feldstärkeüberhöhungen in diesen Bereichen zu reduzieren oder zu vermeiden.
Bei der Herstellung des Bauelements 200 kann zunächst eine Frequenz oder ein Frequenzbereich festgelegt werden, für den eine möglichst hohe Bedämpfung gewünscht wird, ohne dadurch niederfrequente Komponenten des Zündstroms nachteilig zu beeinflussen. Wie eingangs bereits erwähnt wurde, ist eine wesentliche Quelle von Störwellen der Stromimpuls und der dabei auftretende Spannungsabfall während der Durchbruchsphase, in der sich ein leitendes Plasma zwischen den Elektroden der Zündkerze ausbildet. Die dabei auftretenden Störwellen können in den Frequenzbereich bis einige 100 MHz reichen, so dass zunächst ein entsprechend hoher Dämpfungswiderstand bei einer gewünschten Frequenz festgelegt werden kann. Ferner kann auch von vornherein ein gewünschter Gleichspannungswiderstand ermittelt werden, der zur Begrenzung des Funkenstromes dienen kann. Aus diesen Werten lässt sich somit dann die erforderliche Induktivität des Bauelements 200 festlegen. Anhang dieser ermittelten Induktivität und der zu erwartenden Strombelastung des Bauelements 200 lassen sich sodann magnetische Parameter des Kerns 201 ermitteln, wobei sich dann mit einer entsprechenden Windungszahl die für die zu erwartende Strombelastung geeignete Induktivität ergibt. Beispielsweise lässt sich aus einem gewünschten minimalen Abstand zweier benachbarter Windungen der aufzubringenden Wicklung 202 eine minimale Gesamtlänge 203 der Wicklung 202 bestimmen, wobei bei einer linearen Konfiguration des Bauelements 200 diese sich ergebende Länge 203 auch die effektive magnetische Länge repräsentieren kann, um damit die Gesamtabmessung des Bauelements klein zu halten. Auf der Grundlage der Länge 203 lässt sich somit dann ein geeignetes weichmagnetisches Material auswählen, das einerseits bei dem erforderlichen Querschnitt in Verbindung mit der festgelegten Windungszahl die erforderliche Induktivität erzeugt und andererseits für den erforderlichen effektiven Querschnitt einen ausreichend hohen Widerstand über die Länge 203 ergibt, so dass kein Kurzschluss der Hochspannung über das Kernmaterial erfolgen kann. Da sich die einzelnen Größen, etwa Windungszahl, Abmessungen des Kerns 201, relative Permeabilität des Kernmaterials und dessen spezifischer Widerstand gegenseitig beeinflussen, kann es gegebenenfalls erforderlich sein, mehrere Berechnungsdurchläufe auszuführen, um für die vorgegebenen Größen, wie Induktivität und minimaler Abstand zwischen benachbarten Windungen die weiteren Größen zu bestimmen. Beispielsweise lässt sich mit einem Kernmaterial mit der Bezeichnung FI242 von der Fa. Vogt bei einer effektiven Länge 203 von etwa 5 cm und einem Kernquerschnitt von 0,5 cm² mit einer Windungszahl von 100 eine Induktivität von ca. einigen 100 μH erreichen. Hierbei besitzt der Kern 201 einen Widerstand von mehr als 10 Megaohm, so dass sich bei einem Spannungsabfall von 10 000 Volt ein Strom von weniger als 1 Milliampere ergäbe. Zu anderen geeigneten Kernmaterialien gehört das Material FI292 der Fa. Vogt.
Nach erfolgter Festlegung der magnetischen Parameter und damit der geometrischen Abmessungen des Kerns 201 kann die erforderliche Leiterlänge der Wicklung 202 bestimmt werden, woraufhin ein Leiter, beispielsweise ein Draht, ein Band, oder ein anderes geeignetes Material mit einem passenden spezifischen Widerstand ausgewählt werden kann, um den gewünschten ohmschen Widerstand des Bauelements 200 einzustellen. Daraufhin kann der Kern 201 durch Verpressen und Sintern des geeigneten Kernmaterials hergestellt und bewickelt werden und anschließend werden die Anschlussteile 204 mit einer geeigneten Form hergestellt und an dem Kern 201 so befestigt, dass entsprechend scharfkantige, feldstärkespitzenerzeugende Übergänge vermieden werden. Das Befestigen der Anschlussteile 204 kann beispielsweise durch Verkleben erfolgen, wobei zuvor, während oder nach der Befestigung des Anschlussteils 204 die Endbereiche 202a der Wicklung 202 befestigt werden, beispielsweise durch Verschweißen, Verlöten oder Verkleben. Abschließend kann eine geeignete Ummantelung gebildet werden, beispielsweise durch Vergießen des Bauelements 200 mit einem entsprechenden isolierenden Material, wobei vorzugsweise Verfahren eingesetzt werden, die die Anzahl von Lufteinschlüssen in dem Isolationsmaterial gering halten, um damit keine Koronaentladung entstehen zu lassen.
Vorzugsweise werden bei der Bestimmung der elektrischen Eigenschaften, d.h. der Induktivität möglicherweise in Kombination mit dem ohmschen Widerstand, des Bauelements 200 auch die Eigenschaften anderer Komponenten, etwa der Zündkabel und/oder der Zündkerze, in Form der entsprechenden Kapazitäten berücksichtigt. Auf diese Weise lässt sich das Filterverhalten, das durch die induktive Komponente des erfindungsgemäßen Bauelements ein stark frequenzabhängiges Verhalten aufweist, auf gewisse Frequenzen und Frequenzbereiche ohne Änderung der restlichen Komponenten einstellen.
3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements 300, wobei ein Kern 301, auf dem eine Wicklung 302 aufgebracht ist, einen gekrümmten Bereich besitzt, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in Form eines Ringkerns vorgesehen ist. Das Bauelement 300 weist ferner an dem Ringkern 301 angebrachte Anschlussteile 304 auf, deren Formgebung wiederum so gestaltet ist, dass scharfkantige Übergänge im Wesentlichen vermieden werden, um damit Bereiche mit erhöhter Feldstärke im Wesentlichen zu vermeiden. Insbesondere sind in einem Kontaktbereich 304a das Anschlussteil 304 und der Ringkern 301 in ihrer Kontur einander so angepasst, dass keine feldstärkeüberhöhenden Bereiche auftreten. Die Wicklung 302 kann mit den Anschlussteilen 304 so verbunden sein, wie dies auch mit Bezug zu den Ausführungsformen in den 2a bis 2c beschrieben ist. Die Wicklung 302 ist so auf den Kern 301 aufgebracht, dass sich an dessen inneren Radius ein minimaler Abstand 302a ergibt, der den Erfordernissen der Spannungsfestigkeit genügt. Vorzugsweise ist dabei der minimale Abstand 302a zwischen zwei benachbarten Windungen im Wesentlichen konstant. Ferner ist in der dargestellten Ausführungsform die Wicklung 302 lediglich über eine Hälfte des Ringkerns 301 ausgeführt, so dass sich ein maximaler Abstand zwischen den beiden diametral gegenüberliegenden Anschlussteilen 304 ergibt, der ausreichend ist, um Spannungsdurchschläge zwischen den beiden Anschlussteilen 304 zu vermeiden. Da sich bei der Ringkernanordnung im Vergleich zur Stabanordnung der 2a bis 2c bei gleicher effektiver magnetischer Länge des Ringkerns 301 im Vergleich zum Kern 201 eine kompaktere Abmessung in Richtung der Anschlussteile ergibt, kann die Ausführung aus 3 bei gewissen Anwendungszwecken vorteilhafter sein, wenn eine hohe mechanische Stabilität und geringer Abstand zur Zündkerze erforderlich ist. Da unter Umständen die magnetischen Parameter des Ringkerns 301 eine höhere Induktivität bei gleicher oder geringerer Windungszahl im Vergleich zur linearen Anordnung ermöglichen können, kann auf Grund der geringeren Anzahl an Windungen eine bessere Isolierung des Wicklungsleiter erfolgen, so dass ggf. die Anforderungen an den spezifischen Widerstand des Kernmaterials des Ringkerns 301 nicht wesentlich höher sein müssen als in der linearen Konfiguration. Hinsichtlich der weiteren Eigenschaften, beispielsweise hinsichtlich des ohmschen Widerstandes des Bauelements 300, dessen Bauweise und der Auswahl der Parameter zur Herstellung des Bauelements 300 gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug für das Bauelement 300 dargelegt sind.
Wie zuvor bereits erwähnt ist, kann es vorteilhaft sein, im Hinblick auf eine Verbesserung des Zündverhaltens und/oder eine Verbesserung der Störwellenunterdrückung, eine zusätzliche kapazitive Komponente in Verbindung mit einer Induktivität vorzusehen.
4a zeigt eine Ausführungsform, in der ein erfindungsgemäßes Bauelement 400 einen weichmagnetischen starren Kern 401 aufweist, auf welchem eine Wicklung 402 aufgebracht ist, um dem Bauelement 400 eine induktive Komponente zu verleihen, wie dies bereits auch in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschrieben ist. Des weiteren umfasst das Bauelement 400 eine kapazitive Komponente 410, die in der dargestellten Ausführungsform als ein koaxialer Kondensator ausgeführt ist. Die kapazitive Komponente 410 weist eine erste, innere Elektrode 411, die aus einem geeigneten leitenden Material, beispielsweise Metall, aufgebaut ist. Die innere Elektrode 411 ist von einem Dielektrikum 413 umgeben, das mit einer geeigneten relativen Permittivität und einer Dicke vorgesehen ist, um ein Durchschlagen bei den auftretenden Hochspannungen zu vermeiden. Geeignete Materialien sind hierfür aus dem Bereich der Hochspannungskondensatoren bekannt. Um das Dielektrikum 413 herum ist eine äußere Elektrode 412 ausgebildet, die zumindest teilweise einen Anschlussbereich 412a aufweist, um damit die Elektrode 412 auf ein Bezugspotential zu legen. Ferner ist eine Isolierung 414 vorgesehen, die das Bauelement 400 im Wesentlichen umhüllen kann, wobei jedoch zumindest der Bereich 412a zugänglich bleibt. Ferner sind Anschlussteile 404 an beiden Enden des Bauelements 400 vorgesehen, so dass dieses mit entsprechenden Zuleitungen und/oder Zündkerzen und dergleichen verbindbar sind. Hinsichtlich der Formgebung der Anschlussteile 404 gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit den entsprechenden Teilen 304, 204 dargelegt sind.
Bei der Gestaltung des Bauelements 400 wird vorteilhafterweise der kapazitive Wert der Komponente 410, der beispielsweise im Bereich von 10 pF bis etwa 100 pF liegen kann, berücksichtigt, um das gewünschte störwellenunterdrückende Verhalten und/oder Zündverhalten zu erreichen. Obwohl das Bauelement 400 in 4a zunächst in seinem Anschlussverhalten symmetrisch erscheint, ist es dennoch vorteilhaft, das Bauelement 400 mit der kapazitiven Komponente 410 zu der Zündkerze hin anzuordnen, so dass beim Betrieb einer Zündanlage, die in der kapazitiven Komponente 410 gespeicherte Energie induktionsarm an die Zündkerze übertragen werden kann. Des weiteren bildet die kapazitive Komponente 410 im Zusammenwirken mit der Induktivität, die durch den Kern 401 und die Wicklung 402 bestimmt ist, einen effizienten Tiefpass, so dass bereits ein hohes Maß an Störwellenunterdrückung vor der Einkopplung in angeschlossene Zündkabel stattfindet, so dass in diesem Falle die Effizienz der Störwellenunterdrückung weniger von den parasitären Kapazitäten der Zuleitung abhängt und damit ein definierteres und genauer vorherbestimmbares Verhalten des Bauelements 400 erreichbar ist. Ferner kann auf Grund der relativ hohen Induktivität des Bauelements 400 die darin gespeicherte Energie während der Bogenentladungs- und Glimmentladungsphase abgegeben werden, wobei dennoch trotz der nun höheren Induktivität der Zuleitung eine größere Energie während der kurzen Durchbruchsphase auf Grund der kapazitiven Komponente 410 für den Zündvorgang bereitsteht.
4b zeigt eine weitere Ausführungsform des Bauelements 400, wobei die kapazitive Komponente 410 wiederum als ein koaxialer Kondensator vorgesehen ist, während die induktive Komponente mittels eines Ringkerns und einer entsprechenden Wicklung, wie dies beispielsweise in 3 gezeigt ist, erreicht wird. Auf Grund dieses Aufbaus ergibt sich eine äußerst kompakte Anordnung, die somit in unmittelbarer Nähe der Zündkerze anbringbar ist.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in der ein erfindungsgemäßes Bauelement mit induktiver Komponente 500 unmittelbar an einer Zündkerze 550 angeordnet ist. Hierbei ist ein im Wesentlichen ringförmiger Kern 501 vorgesehen, der in einem geeigneten Isolationsmaterial 553 eingebettet ist, das den Körper 551 der Zündkerze 550 zumindest teilweise umschließt. Eine Mittelelektrode 552 ist hierbei elektrisch mit der Wicklung des Bauelements 500 verbunden, während das andere Ende der Wicklung mittels eines Anschlussteiles 504 für die Verbindung mit einer entsprechenden Zuleitung ausgebildet ist. Hinsichtlich der Einzelheiten des Aufbaus des Bauelements 500 gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dargelegt sind. Insbesondere ist die Konfiguration des Bauelements 500 nicht auf eine gekrümmte Bauweise festgelegt, sondern es können auch geradlinige Konfigurationen durch eine entsprechende Verlängerung der Zündkerze 550 verwirklicht werden. Des weiteren kann das Bauelement 500 und/oder die Zündkerze 550 eine geeignet bemessene kapazitive Komponente aufweisen, um damit das Zündverhalten und/oder das Störwellenunterdrückungsverhalten zu verbessern, wie dies zuvor beschrieben ist. Auf Grund der Integration dese Bauelements 500 in die Zündkerze lässt sich eine äußerst kompakte, störunanfällige Bauweise erreichen, wobei auf Grund der räumlichen Nähe des störwellenunterdrückenden Bauelements zur eigentlichen Störquelle eine sehr effiziente Störwellenunterdrückung erreicht wird und wobei die elektrischen Parameter der Verbindungsleitung nunmehr einen geringen Fluss ausüben.
Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt ein Bauelement mit induktiver Komponente zur Störwellenunterdrückung in Zündanlagen und ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements bereit, wobei durch Verwendung eines starren weichmagnetischen Kernes ein sehr kompakter und damit in unmittelbarer Nähe der Störquelle anbringbarer Aufbau verwirklicht wird.

Claims

Bauelement zur Störstrahlungsreduzierung in Hochspannungszündanlagen (150) mit: einer auf einen starren, weichmagnetischen Kern (101; 201; 301; 401; 501) aufgebrachten Wicklung (102; 202; 302; 402) zur Dämpfung hochfrequenter Störwellenkomponenten; einem sich verjüngenden Anschlussteil ohne scharfkantige Bereiche zur Kontaktierung einer Hochspannungszuleitung.
Bauelement nach Anspruch 1, das ferner einen ohmschen Widerstand zur Dämpfung niederfrequenter und hochfrequenter Störwellenkomponenten und eines Gleichspannungsanteils der Hochspannung aufweist.
Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der weichmagnetische Kern aus einem Ferritmaterial mit einem spezifischen Widerstand von 104 Ohm·m oder größer aufgebaut ist.
Bauelement nach Anspruch 2, wobei zumindest ein Teil der Wicklung aus einem Widerstandsmaterial zur Einstellung der Größe des ohmschen Widerstands des Bauelements aufgebaut ist.
Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wicklung über die gesamte effektive Länge des Kerns verteilt ist.
Bauelement nach Anspruch 5, wobei die effektive Länge des Kerns so bemessen ist, dass dieser in einer Hochspannungszuleitung benachbart zu der Funkenstrecke anbringbar ist, um damit eine Einspeisung von hochfrequenter Störwellen in die Hochspannungszuleitung zu reduzieren.
Bauelement nach Anspruch 6, wobei die effektive Länge weniger als 10 cm beträgt.
Bauelement nach Anspruch 1, wobei das Anschlussteil geformt ist, eine Feldverteilung zu schaffen, die eine Koronaentladung vermeidet.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Kern so geformt ist, dass entlang der Wicklung keine Koronaentladung auftritt.
Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Anschlussteil ohne Überlappung eines elektrisch leitenden Bereichs davon mit dem Kern verbunden ist.
Bauelement nach Anspruch 10, wobei der Kern zwei Stirnflächen aufweist und das Anschlussteil eine an eine der Kernstirnflächen angepasste Anschlussstirnfläche aufweist und mit dieser mit dem Kern verbunden ist.
Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Kern geradlinig ausgebildet ist.
Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Kern in Bezug auf die effektive Länge mindestens einen gekrümmten Bereich aufweist, dessen Krümmungsradius ausreichend bemessen ist, so dass eine Feldstärkenüberhöhung im Bereich der Krümmung für die in der Zündanlage auftretenden Spannungen keine Koronaentladung hervorruft.
Bauelement nach Anspruch 13, wobei der Kern als Ringkern vorgesehen ist.
Bauelement nach Anspruch 14, wobei dem Feldverlauf beim Anliegen der Hochspannung angepasste leitende Kernanschlussteile an im Wesentlichen diametral gegenüberliegenden Positionen des Ringkerns angeordnet sind.
Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei ein minimaler Abstand jeweils zweier benachbarter Windungen der Wicklung im Wesentlichen konstant ist.
Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Leiter der Wicklung eine Lackisolationsschicht aufweist.
Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 17, das ferner eine kapazitive Komponente aufweist, die elektrisch mit der Wicklung verbunden ist und mit einer Anschlusseinrichtung versehen ist, die eine Kontaktierung mit einem definierten Potential ermöglicht.
Bauelement nach Anspruch 18, wobei die kapazitive Komponente eine Kapazität im Bereich von 10 bis 100 pF aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauelement zur Störwellenunterdrückung in einer Zündanlage mit den Schritten: Ermitteln eines gewünschten Widerstandwertes bei einer festgelegten Störwellenfrequenz, Ermitteln der Windungszahl und der magnetischen Parameter eines starren weichmagnetischen Kerns für eine induktive Komponente auf der Grundlage des gewünschten Widerstandwertes und eines vorgegeben minimalen Abstands zweier benachbarter Windungen und Bewickeln des weichmagnetischen Kerns mit den ermittelten magnetischen Parametern entsprechend der ermittelten Windungszahl, wobei ein Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Windungen größer oder gleich als der vorgegebene minimale Abstand ist, und Ausbilden eines sich verjüngenden Anschlussteils ohne scharfkantige Bereiche zur Kontaktierung einer Hochspannungszuleitung.
Verfahren nach Anspruch 20, das ferner umfasst: Bestimmen parasitärer Kapazitäten der Zündanlage zumindest für einen repräsentativen Betriebszustand und Ermitteln der Windungszahl und der magnetischen Parameter auf der Grundlage der bestimmten parasitären Kapazitäten.