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Zündtransformator für Brennstoff-Luft-Gemische Die Erfindung betrifft
einen Zündtransformator für Brennstoff-Luft-Gemische, der direkt auf der Zündkerze
angeordnet ist bzw. mit ihr eine bauliche Einheit bildet, wobei auf einem Eisenkern
eine Primär- und eine Sekundärwicklung aufgebracht sind, die von einem zylindrischen
Spulenkörper mit radialem Stirnflansch getragen wird, und deren niederspannungsseitiges
Ende von Primär- und Sekundärwicklung an Masse liegt, während das hochspannungsseitige
Wicklungsende durch den Spulenkörper herausgeführt wird.
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Schon seit mehr als 20 Jahren bemüht man sich um die Schaffung einer
verbesserten Zündung mit transformierten Kondensatorentladungen. Von solchen Kondensator-Entladungszündanordnungen
verspricht man sich als wesentlichsten Vorteil, daß diese eine sichere Zündung unabhängig
vom Isolationszustand der Zundfunkenstrecke gewährleisten. Damit wäre einer der
wesentlichsten Nachteile der zur Zeit gebräuchlichen Hochspannungs-(Batterie- bzw.
Magnet-)Zündungen, nämlich das unsichere Arbeiten bzw. das völlige Versagen bei
Verschmutzung der Zündfunkenstrecke durch Wasser- und Brennstoffkondensat, Öl und
Ölkohlenniederschläge, die sich bei einigen Betriebszuständen nicht vermeiden lassen,
behoben. Wenn dennoch diese vorgeschlagenen Zündanordnungen bisher keinen Eingang
in die Praxis gefunden haben, so dürfte dies damit zusammenhängen, daß weder die
Vorschläge bezüglich der konstruktiven Gestaltung der Bauelemente, noch die angegebenen
Bemessungsrichtlinien zu praktisch brauchbaren Zündanordnungen führten.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten
Zündtransformators, der mit einer Zündkerze eine bauliche Einheit bilden kann und
in dieser Kombination zu praktisch brauchbaren Kondensator-Entladungszündungen führt.
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Der erfindungsgemäße Zündtransformator ist gekennzeichnet durch einen
zweiteiligen ineinandergesteckten Spulenkörper, wobei ein Spulenkörper mit einem
radialen unteren Stirnflansch auf der Zündkerze aufsitzt und einen darauf aufgewickelten
Eisenkern und die Primärwicklung trägt, und einen zweiten darüberliegenden topfförmigen
Spulenkörper, welcher sowohl am Stirnflansch als auch am freien Ende des primären
Spulenkörpers bündig anliegend die Primärwicklung umschließt und mit einem eingezogenen
zylindrischen Ansatz des Spulenkörperbodens in das Innere des primären Spulenkörpers
eingepaßt ist.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung hat gegenüber vorbekannten Konstruktionen
den wesentlichen Vorteil, daß trotz eines sehr gedrungenen Aufbaues eine sehr hohe
Durchschlagsfestigkeit sichergestellt wird, da Wicklungspunkte hohen Potentials
mit Wicklungspunkten niederen Potentials nur über sehr lange Kriechwege miteinander
in Verbindung kommen können. Ein weiterer entscheidender Vorteil liegt auch darin,
daß der Hochspannungs-Impulstransformator eine besonders enge Windungskopplung aufweist
und sich auch sehr einfach auf den Isolierkörper der Zündkerze aufschieben läßt.
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Die einzelnen Lagen der mehrlagig ausgebildeten Hochspannungswicklung
haben vorzugsweise eine geringere axiale Ausdehnung als die Primärwicklung und sind
zum hochspannungsseitigen Ende hin treppenartig versetzt. Jede Wicklungslage der
Sekundärwicklung erstreckt sich dabei nur über einen Teil der axialen Wicklungslänge,
wobei der nicht bewickelte Teil mit einer Papierlage in Drahtstärke ausgefüllt ist.
Um Durchschläge von Lage zu Lage zu unterbinden, wechseln in der Sekundärwicklung
jeweils in gleicher axialer Richtung fortschreitend gewickelte Lagen mit mehreren
in entgegengesetzter axialer Richtung fortschreitend gewickelten Lagen ab.
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Die Primärwicklung des Hochspannungs-Impulstransformators besteht
vorzugsweise aus blankem Bandkupfer, welches zur Windungsisolation zusammen mit
einem Isolierstoff-Folienband auf den Spulenkörper gewickelt ist. Der Widerstand
der Primärwicklung sollte kleiner als der aperiodische Grenzwiderstand sein.
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Der magnetische Kreis des erfindungsgemäßen Hochspannungs-Impulstransformators
enthält lagenisolierte Wickel aus Eisenblech hoher Permeabilität, wobei ein innerer
Wickelkern innerhalb des Wickelraumes der Primärwicklung unter deren Windungen und
ein weiterer äußerer Wickelmantel außerhalb der Hochspannungswicklung vorgesehen
sein kann.
Ein weiteres Meril-mal der Erfindung ist darauf gerichtet,
daß die Sekundärwicklung von einem Hochspannungs-Zylinderkondensator umgeben ist,
dessen innerer Beleg mit dem hochspannungsseitigen Wicklungsende der Sekundärwicklung
verbunden ist, und dessen äußerer Beleg vorzugsweise an Masse liegt. Wird der erfindungsgemäße
Hochspannungs-Impulstransformator unmittelbar auf eine Zündkerze aufgesetzt, kann
der Abstand zwischen dem Zündkerzenanschluß und dem Ende der Hochspannungswicklung
des Transformators eine Vorfunkenstrecke bilden.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen
bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht sind.
In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 ein Prinzipschaltbild einer Kondensator-Entladungszündanlage
für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine, F i g. 2 in vergrößertem Maßstab einen
vertikalen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Hochspannungs-Zündtransformator
in Verbindung mit einer Zündkerze, F i g. 3 einen stark vergrößerten Querschnitt
durch einen Teil einer Lage der Primärwicklung des Transformators der F i g. 2 und
F i g. 4 ein stark vergrößertes Wicklungsschema für die Sekundärwicklung des Transformators
der F i g. 2 in Form eines radialen Schnittes.
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Die in der F i g. 1 schematisch dargestellte Zündanordnung besteht
aus einer als Rechteck dargestellten Gleichspannungsquelle 1, die etwa 450 V liefert,
einer mit gestrichelten Linien umrahmten Kontaktanordnung 2, welche die Primärenergie
auf vier Hochspannungs-Impulstransformatoren 3 verteilt, von denen jeder einem Zylinder
einer Brennkraftmaschine zugeordnet ist.
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Die Kontaktanordnung 2 enthält einen Speicherkondensator Cl, der beispielsweise
6 J groß sein und ein volles Arbeitsspiel der Zündanlage, d. h. vier Zündimpulse,
versorgen kann, ohne dabei mit seiner Spannung wesentlich abzusinken. Mit diesem
Speicherkondensator Cl sind zwei weitere, untereinander in Reihe geschaltete Impulskondensatoren
C2 und C3 parallel geschaltet. Diese Kondensatoren können eine Größe von etwa 0,5
J haben. Der Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren C2 und Cs liegt genau wie
das Gehäuse der Kontaktanordnung 2 an Masse. Die beiden anderen Klemmen der Kondensatoren
C, und C3 stehen mit den Zündverteilerkontakten K1, K2, K3 und K4 in Verbindung.
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Die Hochspannungs-Impulstransformatoren 3 sind mit einem an Masse
liegenden Gehäuse abgeschirmt. Sie enthalten eine Primärwicklung 4 und eine Sekundärwicklung
5. Eine Klemme der Wicklungen 4 und 5 liegt jeweils an Masse. Das hochspannungsseitige
Ende der Sekundärwicklung 5 ist über einen Speicherkondensator 6 mit Masse verbunden
und steht ferner mit einer einseitig an Masse liegenden Zündkerze 7 in Verbindung.
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Die Arbeitsweise der Zündanordnung der F i g. 1 ergibt sich für den
Fachmann ohne weiteres aus der Schaltung. Die Kontakte K1 bis K4 werden durch den
Zündverteiler im Wechsel geschlossen. Bei jedem Kontaktschluß entlädt sich einer
der Impulskondensatoren C., bzw. C..: Da bei solchem Kontaktschluß neben dem Entladungsstrom
des einen Kondensators auch der Ladestrom des zweiten Kondensators zum gleichen
Zeitpunkt durch die Primärwicklung des jeweiligen Impulstransformators 3 fließt,
verdoppelt sich der Eingangsimpuls. Diese Schaltung gehört an sich zum Stand der
Technik und wurde bereits im Jahre 1938 von H o o v e n vorgeschlagen.
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Die konstruktive Ausbildung des Impulstransformators ist am besten
aus der F i g. 2 zu erkennen. Der Impulstransformator besteht aus einem primären
Spulenkörper 8, einem sekundären Spulenkörper 9, einer Primärwicklung
10, einer Sekundärwicklung 11,
einem Hochspannungskondensator
12, einem inneren Eisenkern 13, einem äußeren Eisenmantel 14 und einem Transformatorgehäuse
15.
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Die beiden Spulenkörper 8 und 9 bestehen vorzugsweise
aus Thermoplasten, und zwar für geringe thermische Beanspruchung aus Polyäthylen,
Polyamid oder Polyester, für hohe Beanspruchung gegebenenfalls aus Halogenpolymerisaten.
Die Herstellung kann durch Spritzen erfolgen. Der primäre Spulenkörper 8 besteht
aus einem rohrförmigen Abschnitt und einem radial nach außen weisenden Flansch 16,
während der sekundäre Spulenkörper 9 eine topfförmige Gestalt hat und sowohl am
Stirnflansch 16 als auch am freien Ende des primären Spulenkörpers 8 bündig zur
Anlage kommt, so daß für die Primärwicklung 10 ein in sich geschlossener Wickelraum
entsteht. Der Boden des sekundären Spulenkörpers 9 ist mit einem eingezogenen zylindrischen
Ansatz 17 versehen, der in das Innere des primären Spulenkörpers 8 eingepaßt ist.
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Den oberen Abschluß für die Spulenkörper bildet ein aus dem gleichen
Isolierstoff bestehender Deckel 18, welcher bündig am Boden des sekundären Spulenkörpers
9 zur Anlage kommt und auch zur Zentrierung des Eisenmantels 14 dient. Der innere
Eisenkern 13 befindet sich innerhalb des Wickelraumes der Primärwicklung. Eisenkern
13 und Eisenmantel 14 bestehen aus zwei- oder mehrlagig gewickelten und gut isolierten
Eisenblechen von hoher Permeabilität.
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Die niederspannungsseitigen Wicklungsenden von Primärwicklung
10 und Sekundärwicklung 11 sind im Bereich des Stirnflansches 16 miteinander
verbunden und an den Massepol des Transformators angeschlossen. Der oberspannungsseitige
Anschluß der Primärwicklung 10 ist im Bereich des Stirnflansches 16 außerhalb des
Eisenmantels 14 aus dem Wickelraum der Primärwicklung herausgeführt und mit dem
Anschluß 19 verbunden, der mittels einer Glasdurchführung 20 über den oberen Gehäusedeckel
21 des Transformators herausgeführt ist. Der Hochspannungspol 22 der Sekundärwicklung
ruht in dem eingezogenen zylindrischen Ansatz 17 des sekundären Spulenkörpers 9.
Bezüglich der F i g. 2 befindet sich das hochspannungsseitige Wicklungsende der
Sekundärwicklung 11 oben. Der Hochspannungsanschluß steht einerseits mit dem Hochspannungspol
22 und andererseits mit dem inneren Beleg des Hochspannungs-Zylinderkondensators
12 in Verbindung. Der äußere Beleg des Kondensators 12 liegt an Masse.
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Das Metallgehäuse 15 ist allseitig luftdicht geschlossen. Die seitliche
Begrenzung des Gehäuses bildet ein zylindrischer Mantel, die obere Begrenzung der
Deckel 21 mit der Glasdurchführung 20 und die untere Begrenzung der Stirnflansch
16 bzw. der Ansatz 17 mit dem Hochspannungspol 22.
Der Hochspannungspol
22 des Transformators ist so angeordnet, daß der Abstand zwischen diesem und der
Anschlußelektrode 23 der Zündkerze 24 etwa 0,5 bis 1,0 mm beträgt, um auch bei sehr
schlechtem Isolationszustand die für die sichere Zündung erforderliche Vorfunkenstrecke
zu bilden.
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Zur Halterung des Transformators dient ein aus Blech gedrückter Adapter
25. Dieser Adapter 25, dessen untere als Dichtung ausgebildete Öffnung 26 durch
das Kerzengewinde 27 mit einwandfreiem Kontakt auf den Zylinderkopf 28 gepreßt wird,
gewährleistet einmal eine einwandfreie Halterung des Transformators, zum anderen
aber auch eine völlige und genügend niederohmige metallische Abschirmung des steile
und leistungsstarke Impulse führenden Hochspannungskondensatorkreises. Eine solche
Abschirmung ist erforderlich, um die Zündanordnung auch im Dezimeterwellenbereich
völlig funkstörfrei zu machen. Darüber hinaus macht die vorbeschriebene Befestigungsart
die Zündanordnung auch - und zwar ohne besondere Maßnahmen - schwallwasserfest.
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Im Kopf des Hochspannungstransformators befindet sich zur Kompensation
der wärmebedingten Volumenänderung des Füllmittels ein barometerdosenähnlicher Hohlkörper
31.
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Für die Auslegung der Primärwicklung 10 gilt einmal, daß ihr ohmscher
Widerstand klein gegenüber dem induktiven Widerstand bzw. bei genügend enger Windungskupplung
und guter Anpassung der Last auf der Sekundärseite, gegenüber dem aperiodischen
Grenzwiderstand sein soll. Ferner soll der induktive Widerstand der Primärwicklung
groß sein gegenüber dem induktiven Widerstand der Verbindungskabel zwischen Kontaktanordnung
und Impulstransformator. In Berücksichtigung dieser Forderungen und im Hinblick
auf die aus Isolationsgründen vertretbare Windungssgannung wurde eine zweilagige
Wicklung mit einem Innendurchmesser von 20 mm und einer Länge von 60 mm gewählt.
Im Inneren der Primärwicklung befindet sich als Eisenkern ein Wickel aus drei bis
vier Lagen eines 0,1 mm starken Eisenbleches hoher Permeabilität mit ausreichender
Lagenisolation. Die darüber angebrachte Wicklung besteht aus einem 5 mm breiten
Band einer 0,1 mm starken Kupferfolie. Dieses Kupferfolienband kann blank verarbeitet
werden, wenn man als Windungsisolation einen miteingewickelten 10 mm breiten Streifen
einer 30 it starken Kunststoffolie 29 verwendet.
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Diese Wickelanordnung ist schematisch in der F i g. 3 dargestellt.
Die Lagenisolation besteht aus drei Lagen der gleichen Kunststoffolie. Bei zweilagigerAnordnungmit
insgesamt zehn Windungen beginnt und endet die Wicklung am Stirnflansch 16 des primären
Spulenkörpers. Da wegen des hohen Momentanwertes (450 V - 100 A = 45 kW) die elektrodynamischen
Kräfte der Primärwicklung 10 beträchtlich sind, ist es zweckmäßig, die Isolierfolie
sowohl des Eisenkernes als auch der Wicklung vor dem Wickeln mit einem lösemittelfreien
aushärtenden Kunststofflack zu imprägnieren und dadurch die Wicklung festzulegen.
Dieser Aufbau der Primärwicklung gewährleistet bei ausreichender Berücksichtigung
aller sonstigen Forderungen ein Minimum der Ausdehnung der Primärwicklung in radialer
Richtung.
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Die Ausbildung der Sekundärwicklung ist aus der F i g. 4 zu ersehen.
Die Sekundärwicklung 11 ist zwecks enger Kopplung kürzer ausgebildet als
die Primärwicklung 10. Bei der Konstruktion der Se-. kundärwicklung wird davon ausgegangen,
daß bei eincr Windungsspannung von etwa 20 V die Isolation , eines normalen Lackdrahtes
von Windung zu Windung ausreicht, aber für die Lagenisolation ohne besondere Hilfsmittel
nicht ausreichend ist.
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Das Wickeln der Sekundärwicklung 11 beginnt ebenfalls am Stirnflansch
16 des primären Spulen- -körpers. Für die Wicklung wird ein Draht von 0,07 mm Durchmesser
mit einer Lackauftragsstärke von etwa 0;01 mm verwendet. Die hier als Beispiel gewählten
2000 Windungen verteilen sich auf insgesamt zehn Lagen. Die erste und zweite Lage,
die fünfte und sechste Lage und die neunte und zehnte Lage sind von links nach rechts
(bezüglich F i g. 4) fortschreitend gewickelt und haben eine Länge von je 4,25 cm.
Die dritte und vierte Lage sowie die siebte und achte Lage sind in entgegengesetzter
Richtung gewickelt und haben eine Länge von jeweils 3,45 cm. Die maximal mögliche
Spannung zwischen zwei benachbarten Lagenenden beträgt ausgehend von 20 V Windungsspannung
etwa 15 kV. Als Lagenisolation dienen jeweils zwei Folien aus Kunststoff von hoher
Durchschlagsfestigkeit. Geeignet ist beispielsweise eine Polyäthylenfolie von 30
#t Stärke, die eine Durchschlagsfestigkeit von 150 kV/mm hat. In jeder einzelnen
Lage ist der nicht von den Windungen eingenommene Teil mit einer Lage Papier 30
von Drahtstärke ausgefüllt. Die einzelnen Papierlagen werden so präpariert, daß
sie das Eindringen des Tränkmittels bei der Fertigstellung des Transformators nicht
behindern.
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Durch die in F i g. 4 dargestellte Wicklungsanordnung läßt sich nicht
nur etwa 30'°/o. des Isolationsvolumens bei gleicher Spannungsfestigkeit einsparen,
sondern auch die Eigenkapazität der Wicklung beträchtlich vermindern im Vergleich
zu einer üblichen mehrlagigen Zylinderspule. Fertigungstechnisch hat dieser Aufbau
auch schon den Vorteil, daß sich auf Wickelautomaten mehrere Spulen zugleich auf
einen Dorn wickeln lassen.
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Der oberspannungsseitige Beleg 12a des Hochspannungskondensators 12,
bestehend aus einer Kupferfolie, wird gegen die oberste Lage der Sekundärwicklung
11 mit derselben Anzahl von Folienlagen isoliert, wie die Lagen gegeneinander, während
die Zahl der Folienlagen zwischen den beiden Kondensatorbelegen durch die Fläche
dieser Belege und die benötigte Kapazität (etwa 40% des Energieinhaltes eines niederspannungsseitigen
Arbeitskondensators) bestimmt wird. Der äußere Kondensatorbeleg 12b ist vorzugsweise
mit Masse verbunden. Den Abschluß nach außen bildet, wie auch in F i g. 2 zu erkennen,
ein Eisenmantel 14, der genauso wie der Eisenkern 13 von drei bis vier Lagen eines
folienisolierten Eisenbleches gebildet wird.
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Die vorerwähnten Daten lassen erkennen, daß bei dem erfindungsgemäßen
Hochspannungs-Impulstransformator die Isolierstoffe weit mehr, als es sonst in der
Elektrotechnik üblich ist, beansprucht werden. Um ein zufriedenstellendes Arbeiten
des Gerätes sicherzustellen, muß daher der Impulstransformator sehr sorgfältig hergestellt
werden. Vor allem muß vor dem Imprägnieren aufs sorgfältigste alle Feuchtigkeit
entfernt werden. Die Wicklungen sind genügend lange einem ausreichend hohen Vakuum
auszusetzen, wobei es zweckmäßig ist, von innen heraus eine Stromerwärmung vorzunehmen.
Auch ist es
selbstverständlich, daß Luftnester zwischen einzelnen
Folienlagen vermieden werden müssen, da diese bei der hohen elektrischen Feldstärke
durch Ionisation die organischen Isolierstoffe rasch zerstören. Zum Unterbinden
der Luftnester können die stramm aufeinandergewickelten Folienlagen vor dem Aufbringen
mit dem Tränkmittel, beispielsweise Vaseline, benetzt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt und insbesondere sind die angegebenen räumlichen Abmessungen und auch
die elektrischen Daten lediglich als Beispiel zu werten. Der Rahmen der vorliegenden
Erfindung ist durch die nachfolgenden Patentansprüche gegeben.