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Die Erfindung bezieht sic auf ein Verfahren zum Zünden eines brennbaren Gemisches gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei bekannten derartigen Verfahren wird die zum Aufbau des elektrischen Feldes erforderliche Spannung an im wesentlichen parallel zueinander verlaufende Polflächen der Elektroden angelegt.
Werden an das Zündverfahren höhere Anforderungen gestellt, wie sich dies z. B. bei hoher Kompression, insbesondere bei hochverdichtenden Gasmotoren durch die in solchen-wällen benö- tigte hohe Zündspannung ergibt, so treten sehr erhebliche Verschleisserscheinungen an den Polflächen der Elektroden auf. Bedingt ist dieser hohe und rasche Verschleiss durch die solchen Brennkraftmaschinen erforderlichen Entladungsenergien von meist mehr als 0, 1 Joule, bei denen die Standzeit der herkömmlichen Zündkerzen meist deutlich unter 1000 Betriebsstunden der Brennkraftmaschine liegt.
Ziel der Erfindung ist es ein Verfahren der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei dem sich auch bei hohen Entladungsenergien eine lange Standzeit der Polflächen der Elektroden erreichen lässt.
Erfindungsgemäss wird dies bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Massnahmen wird erreicht, dass das sich zwischen den Elektroden ausbildende Plasma durch das Magnetfeld in eine Richtung abgedrängt wird. Dadurch kommt es zwangsläufig zu einer Vergrösserung der vom Plasma beaufschlagten Fläche der Polflächen der Elektroden, wodurch sich die belastete Fläche zwar vergrössert, aber die Belastung pro Flächeneinheit sinkt. Dies führt dazu, dass es auf den Polflächen der Elektroden zu keiner nennenswerten Ausbildung von Spitzen und Kratern kommt.
Die Plasmabahnen der Entladung werden durch das Magnetfeld aufgeweitet, da die Ionen zwischen den Stössen mit Gasmolekülen durch das Magnetfeld immer wieder in Kreisbahnen gezwungen werden und daher die Energie des Plasmas auf grössere Bereiche der Polfläche abgeladen werden.
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Dabei ergibt sich auch der Vorteil, dass ein grösserer Teil der im Plasma durch die Beschleunigung der Ionen erzeugten Energie durch die gekrümmten Ionenbahnen in dem Zündgemisch deponiert wird, sodass bei gleicher Entladungsenergie weniger Energie von den Elektroden aufgenommen werden muss und die Effektivität der Zündentladung steigt.
Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, dass es während des Aufbaus des elektrischen Feldes zu keiner Beeinflussung durch das magnetische Feld kommt und daher keine Verschiebung des Zündzeitpunktes eintritt. Ausserdem ist dadurch auch sichergestellt, dass die Plasmaentladung durch das während ihres Bestehens im Sinne einer Vergrösserung ihrer Länge durch das Magnetfeld weggedrängt wird und aufgrund der Verlängerung ihrer Spannweite erlischt, wobei sich ein Selbstregelverhalten einstellt, da mit eine Verlängerung des Weges der Plasmaentladung eine Verringerung des Stromflusses durch das Plasma einhergeht und sich daher auch die Stärke des Magnetfeldes reduziert.
Beim Erlöschen der Entladung ergibt sich durch die im Magnetfeld gespeicherte Energie eine erwünschter Nachlauf deds Magnetfeldes, da der Abbau der Energie des magnetischen Feldes Zeit benötigt.
Durch die Merkmale des Anspruches 3 wird eine höhere Stabilität und Reproduzierbarkeit der Zündentladung erreicht.
Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich bei Anwendung der im Anspruch 4 angeführten Merkmale.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens anzugeben.
Ausgehende von einer Einrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 5 werden daher die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 5 vorgeschlagen.
Durch die vorgeschlagenen Massnahmen ist sichergestellt, dass jede sich zwischen den Polflächen der Elektroden ausblldende Plasmaentladung im Sinne einer Vergrösserung ihres Entladepfades ausgelenkt wird und sich daher die Belastung der Polflächen auf eine grössere Fläche verteilt.
Durch die Merkmale des Anspruches 6 ergibt sich der Vorteil, dass es zu einer raschen Vergrösserung des Entladepfades der Plasmaentladung kommt und diese gegen das Innere des Brennraumes einer Brennnkraftmaschine getrieben wird. Dadurch kommt es zu einer raschen und vollständigen Durchzündung des brennbaren Gemisches, auch wenn dieses hoch komprimiert ist.
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Dies wird auch durch die durch die vorgeschlagene Anordnung der Polflächen der Elektroden bedingte Einschnürung der Lei- terschleife im Bereich des geringsten Abstandes zwischen den Polflächen der Elektroden unterstützt.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft die Merkmale des Anspruches 7 vorzusehen.
Durch die Merkmale des Anspruches 8 ist sichergestellt, dass sich das Magnetfeld erst mit dem Beginn der Plasmaentladung ausbildet und daher auf die Zündung der Plasmaentladung keinen Einfluss nimmt. Da der Aufbau des magnetischen Feldes Zeit beansprucht kommt das Magnetfeld erst bei bereits bestehender Plasmaentladung zur Wirkung und drängt diese in Richtung des inneren des Brennraumes.
Bei einer Einrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 9 ist es zweckmässig die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 9 vorzusehen.
Durch die vorgeschlagenen Massnahmen ist es möglich mit geringem Aufwand im Bereich der Entladestrecke zwischen den Polflächen der Elektroden ein ausreichend starkes Magnetfeld aufzubauen und den Magneten in einer diesen nur relativ gering belastenden Umgebung anzuordnen.
Durch die Merkmale des Anspruches 10 ist es möglich herkömmliche Zündkerzen gegen erfindungsgemässe Einrichtungen zu ersetzen.
Durch die Merkmale des Anspruches 11 ist sichergestellt, dass die Spule des Elektromagneten stets mit Gleichstrom beaufschlagt werden, auch wenn sich die Stromrichtung im Bereich der Plasmaentladung aufgrund von Umladungen ändert.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen :
Fig. 1 eine Stirnansicht einer erfindungsgemässen Enrichtung,
Fig. 2 und 3 zwei um 900 gedrehte Seitenansichten Elektroden-und Polanordnung der Einrichtung nach der Fig. 1,
Fig. 4 schematisch eine erfindungsgemässe Einrichtung mit einem Elektromagneten,
Fig. 5 schematische eine weitere Einrichtung mit einem Elektromagneten,
Fig. 6 bis 8 schematisch Details der Anordnung der Eek- troden einer erfindungsgemässen Einrichtung und
Fig. 9 ein Diagramm.
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Die erfindungsgemässe Einrichtung nach der Fig. 1 weist eine mit einem elektrisch leitenden Haltering, z. B. einer Gewindebuchse 1 verbundene Masse-Elektrode 2 und eine in einer Durchführung 3 aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z. B. Keramik, gehaltene und mit einer Hochspannungsquelle verbindbare Elektrode 4 auf.
Im Bereich des Spaltes zwischen den beiden Elektroden 2,4 sind zwei Pole 5,6 eines Magneten angeordnet, deren Achse im wesentlichen senkrecht zur Verbindungslinie der Mittelpunkte der Polflächen 21,41 der Elektroden 2,4 verlaufen (Fig. 2).
Dabei sind die Pole 5,6 mit den magnetischen Fluss gut leitenden Leitteilen 7,8 verbunden, die an der Innenwand der Gewindebuchse 1 anliegen, die meist aus einem nicht magnetisierbaren Material, z. B. austenitischem Stahl, hergestellt ist.
Wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, verlaufen die Polflächen 21,41 der Elektroden 2,4 in einander schneidenden ebenen, wobei die Verschneidungslinie dieser Ebenen im wesentlichen parallel zur Verbindungslinie der Magnetpole 5,6 und damit parallel zu den Feldlinien des sich zwischen den Polen 5,6 ausbildenden magnetischen Feldes. Dabei weisen die Polflächen 21,41 an ihren dem Inneren eines Brennraumes einer Brennkraftmaschine näheren Kanten 9,10 (Fig. 2) einen grösseren Abstand auf zwischen den vom Zentrum des Brennraumes entfernteren Kanten 11,12.
Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Einrichtung, bei der ein Elektromagnet vorgesehen ist. Dabei sind die Leitteile 7,8 über ein Joch 13 miteinander verbunden, das von einer Spule 14 umgeben ist. Diese Spule 14 ist im Betrieb zweckmässigerweise von einem vom Stromfluss über eine Plasmaentladung zwischen den Polflächen 21,41 der Elektroden 2,4 gesteuerten Strom durchflossen, sodass es nur dann zu einem Stromfluss durch die Spule 14 kommt, wenn eine Plasmaentladung zwischen den Elektroden stattfindet.
Bei dieser Ausführungsform sind die Pole 5,6 und die Leitteile 7,8 zweckmässigerweise aus Weicheisen hergestellt, wobei die diese Leitteile 7,8 und den keramischen Halteteil 3 umgebende Gewindebuchse 1 aus einem nicht-magnetisierbaren Material, wie z. B. austenitischer Stahl, hergestellt ist.
Bei der Ausführungsform nach der Fig. 5 ist ein Elektromagnet 15 in dem als Durchführung ausgebildeten keramischen Halteteil 3 eingebettet. Die Spule 14 ist dabei über eine Diode D1 mit einem Hochspannungsanschluss 16 verbunden, wobei
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zu dieser aus der Spule 14 und der Diode D1 gebildeten Serienschaltung eine weitere Diode D2 antiparallel geschaltet ist, wobei die Spule 14 und die Diode D2 mit der Elektrode 4 verbunden sind.
Damit ist die Spule 14 vom über die Elektroden 2,4 fliessenden Strom durchflossen, wodurch sich das magnetische Feld erst nach der Ausbildung einer Plasmaentladung zwischen den Polflächen 21,41 der Elektroden 2,4 aufbauen kann.
Dabei verlaufen die voneinander den geringsten Abstand aufweisenden Kanten 11, : 2, wie auch den grössten Abstand voneinander aufweisenden Kanten 9,10 der Polflächen 21,41 parallel zur Längsachse des Elektromagneten 15.
Die Fig. 6 bis 8 zeigen verschiedene Ausgestaltungen der Elektroden 2,4 und deren Polflächen 21, 41, die verschiedene Winkel einschliessen können, wobei diese Winkel zweckmässiger- weise zwischen 900 und'-800 liegen. Auch können die Elektroden selbst verschiedene Winkellagen z. B. 90 , wie in den Flg. 6 und 7 dargestellt oder auch 180 einschliessen, wie dies aus der Fig. 8 zu ersehen ist.
Die Fig. 9 zeigt ein Zeitdiagramm des elektrischen Feldes E zwischen den Polflächen 21, 41 der Elektroden 2,4, wobei es bei Erreichen der Feldstärke Ez zum Zeitpunkt ti zu einem Durchzünden des Spaltes zwischen den Polflächen 21,41 und damit zu einer Plasmaentladung kommt. Der damit einsetzende Stromfluss über die Elektroden 2,4 führt bei den Ausführungsformen mit Elektromagneten zu einem verzögerten Aufbau eines magnetischen Feldes B, das die Plasmasäule in Richtung der den grössten Abstand aufweisenden Kanten 9,10 der Polflächen 21,41 und damit gegen das Innere des Brennraumes drängt. Dadurch kommt es zu einem raschen Durchzünden des Gasgemisches im Brennraum.
Durch diese Verlängerung der Entladungsstrecke sinkt der Stromfluss über die Elektroden 2,4 ab, wodurch das magnetische Feld abnimmt und sich so ein Selbstregelmechanismus einstellt.
Erlischt die Entladung zum Zeitpunkt t2 so beginnt der Abbau des magnetischen Feldes B, wobei die lonislerten Gasmoleküle vom sich abbauenden Magnetfeld gegen das Innere des Brennraumes gedrängt werden.