DE102006005792A1

DE102006005792A1 - Hochfrequenzzündanlage für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102006005792A1
Application number: DE102006005792A
Authority: DE
Inventors: Holger Prof. Dr.-Ing. Heuermann
Original assignee: Fachhochschule Aachen
Current assignee: Fachhochschule Aachen
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2026-02-08
Also published as: US7900613B2; EP1982071B1; WO2007090380A1; US20090165763A1; DE102006005792B4; EP1982071A1

Abstract

Die Erfindung beinhaltet eine neuartige Konstruktion zum Aufbau von einer Hochfrequenzzündanlage für Ottomotoren, die insbesondere dazu geeignet ist, die Eigenschaften von Kfz-Motoren in Hinblick auf Verbrauch, Leistung und Abgasemission zu verbessern. Diese HF-Zündung ist für Vergaser-, Einspritz- wie auch Direkteinspritz- und Turbo-geladene Motoren einsetzbar. Die HF-Zündung weist je nach Auslegung einen großen Zündbereich mit einer Abdeckung bis zu mehreren cm<SUP>2</SUP> auf und erlaubt die beliebige Einstellung der Zünddauer. Die Brenndauer kann aufgrund des großen Zündbereiches um Faktoren gegenüber dem Stand der Technik minimiert werden. Hervorragende Wirkungsgrade lassen sich mit dieser Zündung u. a. durch den Einsatz dielektrischer Elektroden erzielen. Die HF-Zündanlage lässt sich mittels Hochfrequenzelektronikbauelementen, die aufgrund des Telekommunikationsmarktes sehr preisgünstig verfügbar sind, und üblicher Zündkerzentechnologie sehr preiswert herstellen, zumal die Hochspannungsanforderungen deutlich geringer sind, verglichen zu klassischen Zündanlagen.

Description

Aufgabe einer Zündung ist es, das verdichtete Luft-Kraftstoffgemisch im richtigen Zeitpunkt zu entflammen und so die Verbrennung einzuleiten.

Zündanlagen in der Kraftfahrzeugtechnik haben sich zwar in vielen Details im Laufe des letzten Jahrhunderts stark verändert, aber das Grundprinzip ist wie das der beiden wichtigsten Motorkonzepte (Otto- und Dieselmotor) gleich geblieben. Beim Ottomotor wird eine Hochspannung von über 25000 V erzeugt, die an einer Zündkerze eine kurzzeitige Lichtbodenentladung zwischen Elektrode und Masse bewirkt.

Während alte Zündanlagen nur mechanische Schalter aufwiesen, werden heutzutage fast ausschließlich elektronische Transistorschalter eingesetzt. Während man früher mittels nur einer Zündspule und einem Zündverteiler arbeitete, werden heutzutage zunehmend je eine Zündspule pro Zylinder eingesetzt. Mittlerweile spricht man von einer Vollelektronischen Zündung (VZ), da nunmehr die Zündauslösung, die Zündwinkelbestimmung und die Verteilung über elektronische Schalter bzw. Komponenten erfolgt. In modernen von Mikroprozessoren gesteuerten Kennfeldzündungen wird der Zündwinkel in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Last optimiert. Die Informationen vieler Sensoren wie dem Klopfsensor, dem Motortemperatursensor und die Stellung des Drosselklappenschalters gehen zur Berechnung des optimalen Zündzeitpunktes ein.

Jedoch beruhen die Masse der Zündanlagen auf das induktive Prinzip zur Erzeugung einer Hochspannung mittels einer Zündspule. Die so genannte Hochspannungs-Kondensatorzündung (HKZ) stellt eine Ausnahme dar, die sich jedoch nicht technisch in breiter Masse durchgesetzt hat. Dieses auch als Thyristorzündung bekannte Konzept nutzt einen Thyristor und einen Kondensator zur Impulserzeugung. In der Praxis wird noch ein Zündtransformator zur Erzeugung der Hochspannung eingesetzt. Auch dieses Konzept arbeitet mit einer klassischen Zündkerze. Nachteilig ist, dass die Funkdauer nur maximal 0,3 ms beträgt und somit in Verbindung mit einer klassischen Zündkerze ein sicheres Entflammen des Luft-Kraftstoffgemisches nicht gewährleistet.

Das Grundprinzip einer Zündanlage mit Zündspule sieht wie folgt aus: Wenn bei eingeschaltetem Zündschalter der Unterbrecherkontakt geschlossen ist, fließt Strom aus der Batterie bzw. der Lichtmaschine durch die Primärwicklung der Zündspule und baut zur Energiespeicherung ein starkes Magnetfeld auf. Im Zündzeitpunkt unterbricht der Unterbrecher den Strom, die gespeicherte Magnetfeldenergie in der Spule versucht den Strom aufrecht zu erhalten und indu ziert in der Sekundärwicklung die zur Zündung notwendige Hochspannung, die über koaxiale Hochspannungskabel zur Zündkerze gelangt und dort einen Lichtbogen auslöst. Die dafür notwendige Energie liegt im Bereich von 0,2 bis 3 mJ. In der Praxis weist das Zündsystem eine gespeicherte Energie von 60 bis 120 mJ auf.

Bei dem elektrischen Signal, das zur Zündkerze gelangt, handelt es sich bei einer Betrachtung im Zeitbereich um einen so genannten Delta-Implus. Da man in der Praxis den Unterbrecherkontakt ob mechanisch oder elektronisch nicht unendlich schnell öffnen kann und das Zündsystem (insbesondere die ausgedehnte Zündspule) nicht weit in den GHz-Bereich Signale transportieren kann, handelt es sich um ein Tiefpassbegrenztes Signal. Somit weißt das Zeitsignal die Charakteristik eines Si-Impulses, der auf der Funktion sin(x)/x beruht, auf. Bei einer Betrachtung im Frequenzbereich weist ein Zündimpuls ein sehr breites Spektrum, das theoretisch bei 0 Hz beginnt und in der Praxis zu höheren Frequenzen im dreistelligen MHz-Bereich und im GHz-Bereich stark abfällt.

Schlussendlich soll mittels einer optimalen Zündung der Motor auf maximale Leistung und/oder minimaler Kraftstoffverbrauch und/oder saubere Abgaswerte bei Vermeidung des Motorklopfens optimiert werden.

Dafür sind letztlich die Position, Form (Länge) sowie der Zeitpunkt und der Zeitraum des Lichtbogens an der Zündkerze verantwortlich. Die Kennfeldzündung erlaubt nunmehr die präzise Einhaltung des Zeitpunktes. Die anderen drei Größen hängen stark von der Gestaltung der Zündkerzen und auch von der Architektur und Leistungsfähigkeit des Zündsystems ab.

Für eine verbesserte Gestaltung der Zündkerze bzw. der Verbrennung werden gelegentlich so genannte Zündkammern oder die Verwendung von zwei Zündkerzen im Zylinderkopf eingesetzt. Je länger der Abstand zwischen der Elektrode und der Masse der Zündkerze ist, desto länger ist auch der Zündfunke. Durch mehrere Massebögen an einer Zündkerze lassen sich mehrere Funkenstrecken realisieren. Man maximiert die Funkenlänge und die Anzahl der Funken für die Optimierung der Verbrennung. Dieses erfordert eine größere Hochspannung und Leistung im Zündsystem.

Der Zündfunke entflammt das Luft-Kraftstoffgemisch. Die Brenndauer wird hauptsächlich von der Flammenausbreitung (Brenngeschwindigkeit) v_B bestimmt. Die Brenngeschwindigkeit v_B liegt bei 20 bis 40 m/s. Folglich liegt die Zeit für ein Verbrennungsprozess t_B bei einem Zylinderradius r_Z von 5 cm bei rund 25 ms. Günstig für niedrigen Kraftstoffverbrauch und somit hohen Wirkungsgrad ist eine kurze Brenndauer und (relativ zur Kolbenbewegung) die richtige zeitliche Lage der Wärmefreisetzung. Letzteres lässt sich durch Kennfeldzündung einschließlich der Klopfsensoren optimieren.

Neben diesen „klassischen" Stand der Technik gibt es auch schon eine erste Arbeit, die in Richtung der hier vorgestellten HF-Zündung geht, ([3], „A Novel Spark-Plug for Improved Ignition in Engines with Gasoline Direct Injection (GDI)" von K. Linkenheil und anderen, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol 33, No. 5, Oct. 2005). Diese Arbeit beschreibt detailliert, warum eine klassische Zündung für Benzindirekteinspritzer ungenügende Resultate bittet. Als Lösung wird ein Aufbau vorgeschlagen, bei dem der Innenleiter eines koaxialen Resonators in den Zylinderraum hineinragt.

Deutlich wird in [3] auch herausgehoben, dass die Plasmabildung in zunehmend komprimierter Luft, wie es in Ottomotoren der Fall ist, eine zunehmende elektrische Feldstärke erfordert.

Kritik am Stand der Technik

Die Masse der heutigen Zündanlagen arbeitet mit einem induktiven Zündsystem (Zündspule) und einer Zündkerze (für einen Zylinder).

Der oder die Zündfunken an der einen Zündkerze pro Zylinder befinden sich im Mittelpunkt des Zylinders. Die Brenndauer hängt vom Zylinderradius ab. Moderne Motoren werden als Kurzhuber ausgelegt und weisen deshalb einen relativ großen Zylinderradius auf. Bei der Gestaltung von bisherigen Zündkerzen ist es noch nicht gelungen einen Lichtbogenbereich zu erschaffen, der um Größenordnungen die Brenndauer senkt. Könnte man die Brenndauer auf ein Drittel der Zeit senken, so würde man den Wirkungsgrad merklich verbessern und somit zu geringeren Kraftstoffverbrauch und/oder einer höheren Leistungsausbeute gelangen.

Die Zündanlage arbeitet mit extrem großen Spannungen, was insbesondere eine Hochintegration der Anlage verhindert und auch sehr viel Aufwand bei der Entwicklung der Teilkomponenten unter Verwendungen bester Materialien bedeutet.

Die Spannungsisolation ist eines von mehreren Gründen, warum eine Zündanlage nicht konsequent nach Hochfrequenzgesichtpunkten (d.h. impedanzkontrolliert) aufgebaut ist.

Die nicht vorhandene Hochfrequenz-(HF-)Tauglichkeit erfordert wiederum eine höhere Spannung.

Der Zündfunken bzw. Lichtbogen vollzieht sich komplett von der Elektrode bis zur Masse. Innerhalb eines schmalen Bereiches findet eine Ionisation des Gases (Luft-Kraftstoffgemisches) statt. Über diese ionisierte Strecke fließt ein kurzzeitiger Strom mit einer sehr großen Stromdichte. Diese große punktuelle Stromdichte bewirkt an der Zündkerzen eine große Abnutzung. Zur Verminderung dieser Abnutzung werden immer wieder verbesserte und teuere Materialien insbesondere für die Elektrode eingesetzt. Trotzdem ist die Lebensdauer einer Zündkerze auf eine Laufleistung zwischen 50000 und 80000 km begrenzt. Folglich müssen die Zündkerzen relativ häufig gewechselt werden, was insbesondere bei modernen ultrakompakten Motoren zunehmend aufwendiger ist.

Die Zündanlage weist einen relativ geringen Wirkungsgrad auf. Bei einem deutlich verbesserten Wirkungsgrad wird nicht nur der Stromverbrauch reduziert. Es muss auch viel weniger Verlustleistung in Form von Wärme abgeführt werden. Dieses erlaubt wiederum einen billigeren und höher integrierten Aufbau.

Will man eine Hochfrequenzionisation auslösen, so benötigt man eine möglichst große elektrische Feldstärke, die aus möglichst wenig Leistung generiert werden soll. Bei der Lösung in [3] findet in der Zuleitung zum Resonator keine Impedanztransformation statt, was (wie im Weiteren noch vorgestellt wird) einer hohen Feldstärkegeneration abträglich ist. Weiterhin ist das Konzept einen zusätzlichen Resonator in den Zylinder hineinragen zu lassen nicht praxisgerecht. Alternativen zum Aufbau des Resonators werden im Weiteren vorgestellt.

Darüber hinaus wurde hier der Effekt der sich ändernden Resonanzfrequenz nicht berücksichtigt (auch dieser wird im Weiteren dargelegt). Ungenügende Beschreibung der belasteten Güte des Resonators wie auch fehlende 3D-Feldsimulation tragen ebenso an eine mangelnde HF-Leistungsausbeute bei. In Summe führte dieser Ansatz zu einer Lösung, die eine Spitzenleistung von rund 600 W zur Plasmaerzeugung im Kfz-Motor benötigt und folglich nur aufwendig umsetzbar ist.

Alle bekannten Zündsysteme arbeiten mit einer metallischen Elektrode. Diese muss, damit eine gute thermische Anbindung zum Zylinderkopf aufweisen, damit die metallische Elektrode nicht zu sehr erhitzt wird und schmilzt. Diese gute thermische Ableitung reduziert deutlich den Wirkungsgrad eines Zündsystems.

Erzielbare Vorteile

Gegenstand der Erfindung ist der Aufbau einer Zündanlage basierend auf einem relativ schmalbandigen Hochfrequenzsignal (im dreistelligen MHz- und gesamten GHz-Bereich) und einem breiten fast beliebig gestaltbaren Lichtbogenbereich (Zündbereich), der nicht bis zur Masse reicht und dessen Funkendauer (Zünddauer) beliebig einstellbar ist. Die Zündkerze weist nur noch eine beliebig gestaltbare Elektrode auf. Der Zylinderkopf und der Kolben bilden die Masse.

Mittels dieser HF-Zündung lassen sich Zündkerzen gestalten, die zum Beispiel eine Doppelelektrode aufweisen und folglich zwei Zündfunkenpfade haben. Es ist sogar möglich, dass die Elektrode als Ring (Torus) mit 2/3 des Radius des Zylinders ausgestaltet ist. Das Gas wird nur um diesen Ring herum ionisiert. Es entstehen um den gesamten Ring herum Lichtbögen, die jedoch nicht zur Masse (des Zylinderkopfes oder Kolben) durchschlagen und deren Längen im cm-Bereich liegen. Mittels dieses Zündfunkens lässt sich bei gleicher Brenngeschwindigkeit die Brenndauer auf ein Drittel reduzieren. Die Zünddauer des Funkens ist nunmehr einstellbar. Dieses bewirkt eine merkliche Verbesserung des Wirkungsgrades des Motors. Dadurch, dass der Zündfunken im cm-Bereich liegt, lässt sich durch die verkürzten Wege nochmals die Brenndauer deutlich verringern.

Je höher die Frequenz des Zündsignals gewählt wird, desto kleiner kann die an der Zündkerze anliegende Spannung sein. Bereits im unteren GHz-Bereich, für den es viele preisgünstige Elektronikbausteine gibt, kann die Spannung je nach gewünschter Lichtbogenlänge auf maximal einstellige kV-Werte gesenkt werden. Diese Reduktion der maximalen Spannung erlaubt eine Umsetzung mit deutlich preisgünstigeren Materialien und Komponenten.

Dadurch, dass nur mit einem bzw. zwei schmalbandigen Hochfrequenzsignalen gearbeitet wird, ist ein HF-tauglicher Aufbau sehr einfach möglich. Beispielsweise lassen sich nunmehr lambda/2-Leitungen mit all ihren Vorteilen einsetzen. D.h. Leitungen müssen nicht den gewünschten Wellenwiderstand aufweisen. Dieses vereinfacht z.B. ein Hochfrequenzgerechtes Design der Zündkerze.

Die Elektrode strahlt nunmehr die Energie über mehrere Pfade oder eine große Fläche ab. Die elektromagnetische Energie erzeugt im ionisierten Bereich um die Elektrode einen HF-Strom, der aufgrund der Erhitzung Lichtbogenartig u.a. Strahlungsenergie im optischen Bereich abgibt. Somit erfolgt der Energieaustritt aus der Elektrode nicht mehr als Strom, sondern als elektromagnetisches Feld. Die Elektrode wird vom Funken(feld) nicht mehr belastet. Folglich muss für die Elektrode auch kein spezielles Metall eingesetzt werden. Die Zündkerze kann somit über die gesamte Lebensdauer des Kraftfahrzeuges eingesetzt werden.

Möchte man insbesondere die Verwirbelung minimieren, so kann man die Elektrode als zylinderartiges Gebilde ausgestalten, das ähnlich wie bei der klassischen Zündkerze nur leicht in den Zylinderraum hineinragt. Im Gegensatz zur herkömmlichen Zündkerze entfällt jedoch die Masseelektrode, die maßgeblich für Verwirbelungen verantwortlich ist.

Hochintegrierte und preisgünstigste Hochfrequenzleistungsverstärker für GSM-Mobilfunk-Anwendungen und Handsets weisen Wirkungsgrade von über 50% auf. Kurze Leitungen lassen sich im unteren GHz-Bereich nahezu verlustfrei realisieren. Somit ist für die HF-Zündanlage ebenfalls das Potential für ein sehr guten Wirkungsgrad und somit eine hochintegrierte Realisierbarkeit gegeben.

Im Gegensatz zu [3] bildet der Zylinderraum entweder zum Teil oder komplett den Hochfrequenzresonator. Dieses spart Aufwand und erhält den Brennraum in nahezu unveränderter Form. Ebenso ist die Gestaltung der Zündkerzen deutlich einfacher und ähnlicher zur klassischen Zündkerze, was viele praktische Vorteile mit sich bringt. Weiterhin sorgen Impedanztransformationen für eine deutlich größere elektrische Feldstärke, was hilft, die notwendigen HF-Leistungen gegenüber [3] merklich zu reduzieren. Darüber hinaus wird in Anbetracht der sich ändernden Resonanzfrequenz diese auch nachgezogen.

Die Materialwahl für den Elektrodenaufbau erlaubt neben Metall auch den Einsatz eines dielektrischen Werkstoffes. Beispielsweise kann die Elektrode aus einem keramischen Material mit einer hohen dielektrischen Konstanten und sehr hohem Schmelzpunkt bestehen. Folglich ist eine sehr gute Wärmeableitung nicht mehr erforderlich. Dadurch lässt sich ein deutlich verbesserter Wirkungsgrad erzielen.

Weitere Ausgestaltung der Erfindung

Der Einsatz von Magneten erlaubt eine weitere einfache Manipulation der Gestaltung der Funkenstrecke.

Die HF-Zündung ist nicht auf Kraftfahrzeuganwendungen beschränkt. Sie kann in jeden Bereich in dem Zündprozesse erforderlich sind eingesetzt werden.

Da die Elektrodengestaltung beliebig ist, kann die HF-Zündung im Dauerbetrieb auch als Leuchtmittel eingesetzt werden. Insbesondere in Verbindung mit Gasen, die geringe Ionisationsenergien aufweisen, lassen sich zum Beispiel effektvolle Werbeleuchten erstellen.

HF-Zündungen können somit auch die Starter in Leuchtstoffröhren ersetzen.

Selbst zur Optimierung von Sprengkörpern wäre die HF-Zündung einsetzbar.

Mittels zusätzlicher UV-Strahlung lässt sich die zum Zünden notwendige elektrische Feldstärke reduzieren.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Zündanlage für einen Zylinder,
2 Darstellung einer LC-Resonator-Zündkerze über den Zylinderkopf mit T-Form zur Erzeugung von zwei Zündfunken,
3 Darstellung einer LC-Resonator-Zündkerze über den Zylinderkopf mit Torus-Form,
4 E₀₁-Mode im Rundhohlleiter (E-Feld gestrichelt, H-Feld durchgezogen),
5 perspektivische Darstellung einer Hohlraum-Resonator-Zündkerze über den Zylinderkopf (ohne Ventile) für die Anregung des E₀₁-Modes bei unsymmetrischer Anregung,
6 perspektivische Darstellung einer Hohlraum-Resonator-Zündkerze über den Zylinderkopf (ohne Ventile) für die Anregung des E₀₁-Modes bei symmetrischer Anregung,
7 Darstellung einer Ankopplung einer dielektrischen Elektrode für die Anregung des HE₁₁-Grundmodels,
8 Darstellung einer Ankopplung einer dielektrischen Elektrode für die Anregung des E₀₁-Modes und
9 Darstellung einer TEM- oder dielektrische Zündkerze über den Zylinderkopf (ohne Ventile) für eine Funkenbildung bei symmetrischer Ansteuerung.
Beschreibung der Erfindung
Grundlagen der Hochfrequenzionisierung
Physikalische Grundlagenbücher lehren, dass die Ionisation eines Gases nur durch die Elektronenstoßionisierung, angeregt durch einen Elektronenstrahleinschuss, der thermischen Ionisierung bei extrem hohen Temperaturen (10^6K) oder der Fotoionisierung mittels ultravioletten Licht erfolgt.
Darüber hinaus hat der Erfinder im GHz-Bereich experimentalphysikalisch Aufbauten realisiert, mittels denen ionisierte Bereiche über die Einspeisung von relativ wenig hochfrequenter Energie entstanden. Diese Ergebnisse decken sich mit anderen publizierten Resultaten, die jedoch im MHz-Bereich durchgeführt wurden, ([1], „Experimente mit Hochfrequenz" von H. Chmela, Franzis-Verlag, ISBN 3-7723-5846-2). Dieses soll im Weiteren als Hochfrequenzionisierung bezeichnet werden. In [1] sind Bilder zu sehen, deren Funkenbildung über Hochfrequenzionisierung einer Anwendung als Zündung ähneln. Auch in [3] wird diese Hochfrequenzionisation nachgewiesen und herausgehoben, dass eine zusätzliche UV-Strahlung diese Ionisation bei kleineren elektrischen Feldstärken erlaubt.
Weist ein ionisiertes Gas die gleiche Anzahl von Elektronen und Ionen auf, so handelt es sich um ein im Mittel raumladungsfreies Gas und wird Plasma genannt.
Weiterhin lässt sich über die Maxwellschen Gleichungen zeigen, dass für ein ionisiertes Gas die folgenden mathematischen Zusammenhänge gelten:
Relative Dielektrizitätszahl:

er = 1 – (N e^2)/e0/m/(u^2 + w^2) (1)

Relative Leitfähigkeit:

k = (N e^2 u)/m/(u^2 + w^2) (2)

Plasmafrequenz:
wp = e(N e^2/m/e0) (3)mit den Größen:

N:: Zahl der Elektronen pro Volumen,
e:: Ladung eines Elektrons,
m:: Masse eines Elektrons,
e₀:: elektrische Feldkonstante,
u:: Frequenz der Zusammenstöße der Elektronen mit den Gasmolekülen,
w:: Frequenz des Hochfrequenzsignals.

Detaillierte Untersuchungen zeigen, dass unterhalb der Plasmafrequenz keine elektromagnetische Energie ausbreitungsfähig ist und keine Verluste im Plasma stattfinden. Hingegen weist der Raum einen reellen Feldwellenwiderstand Zf oberhalb der Plasmafrequenz auf. Zf fällt zu höheren Frequenzen ab und nähert sich exponentiell dem Freiraumwiderstand Z₀ von rund 377 W. D.h., bei höheren Frequenzen benötigt man geringere Spannungen um die gleichen Leistungen umzusetzen als bei tieferen Frequenzen.
Gleichung (2) zeigt, dass der (kleine) Widerstand und somit die Verluste mit zunehmender Frequenz steigen. Folglich lassen sich bei höheren Frequenzen die Gase besser erhitzen. Bei einer Analyse der Atmosphäre für die Transmissionseigenschaften der HF-Signale erkennt man, dass im zwei- bis dreistelligen MHz-Bereich die Strahlung nahezu gar nicht absorbiert wird, während bei 50 GHz die gesamte Strahlung als molekulare Absorbtion in Wasserstoff bzw. Sauerstoff gedämpft wird.
Im unteren MHz-Bereich kann man so genannte Tesla-Transformatoren verwenden, um damit 100W-Generatoren mit 5 kV Ausgangsspannung zu fertigen und damit 10 cm lange Funkenstrecken in Luft zu erzeugen, [1]. Der Erfinder hat bei 2,5 GHz mittels eines 50W-Senders und einer Spannung von nur 300 V bereits 1 cm lange Funkenstrecken erzeugt. Die Leistungsaufnahme lag dabei weit unter 50 W. Eine Schaltungsoptimierung fand nicht statt.
Die Erfindung beschreibt im Weiteren, wie man mittels Komponenten und Bauelementen aus dem Massenmarkt der Hochfrequenzelektronik eine Schaltung realisiert, die einer Zündsignalerzeugung entspricht, und wie eine zugehörige Zündkerze gestaltet sein muss.
Grundsätzlicher Aufbau
Gegenstand der Erfindung ist der Aufbau einer Zündanlage basierend auf einem relativ schmalbandigen Hochfrequenzsignal (im dreistelligen MHz- und gesamten GHz-Bereich) und einem breiten fast beliebig gestaltbaren Lichtbogenbereich, der nicht bis zur Masse reicht. Die Zündanlage oder kurz Zündung lässt sich in die Zündsignalerzeugung und die Zündkerze unterteilen. Die Zündkerze weist nur noch eine fast beliebig gestaltbare Elektrode auf. Der Zylinderkopf und der Kolben bilden die Masse.
Mittels dieser HF-Zündung lassen sich Zündkerzen gestalten, die zum Beispiel als Elektrode mehrere Funkenpfade oder gar einen Ring (Torus) mit 2/3 des Radius des Zylinders aufweisen. Das Gas wird nur um diesen Ring herum ionisiert. Es entsteht um den gesamten Ring herum ein Lichtbogenbereich, der jedoch nicht zur Masse (des Zylinderkopfes oder Kolben) durchschlägt. Ein Beispiel in dieser Richtung ist in [1] angegeben. Derartige gestaltete Zündkerzen sollen als LC-Resonator-Zündkerzen (kurz LCR-Zündkerzen) eingeführt werden. Für diesen Zündprozess wird ein so genannter TEM-Mode für das HF-Signal genutzt.
Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung liegt darin, dass sich die Zündfunken nicht mehr in Richtung der Massen, sondern parallel zu den beiden Masseflächen (Zylinderkopf und Kolben) ausbreiten lassen. Derartige gestaltete Zündkerzen sollen als Hohlraum-Resonator-Zündkerzen (kurz HR-Zündkerzen) eingeführt werden. Für diesen Zündprozess wird ein so genannter Hohlraumresonatormode genutzt.
Da die HF-Zündanlage sehr einfach und preisgünstig ist, wird davon ausgegangen, dass für jeden Zylinder eine eigene Anlage eingesetzt wird. Die HF-Elektronik dieser Anlage befindet sich dann am Ende des Zündkerzensteckers. Natürlich lässt sich die Erfindung auch ausgestalten, dass nur eine Schaltung zur Zünderzeugung vorhanden ist und die Energie verteilt wird. Die dazu notwendigen Maßnahmen unter Verwendung von elektronischen PIN-Dioden- oder Transistor-Schaltern sind bekannt und die zugehörigen Komponenten sind herstellbar.
Sonderformen der beiden genannten Zündkerzenformen ergeben sich durch die Verwendung von dielektrischen Elektroden, deren Einsatz im GHz-Bereich relative einfach möglich ist.
Gestaltung der Zündsignalerzeugung
Egal welches der Zündkerzenkonzepte verfolgt wird, zu Beginn der Zündung gibt es noch keine ionisierte Gemischstrecke oder -fläche. Im Anfangszustand wirkt die Zündkerze wie eine kleine Kapazität bzw. wie eine lange Resonatorstrecke. Nach unmittelbar erfolgter Ionisierung (und Zündung) vergrößert sich die Kapazität bzw. verkürzt sich die Resonatorstrecke. Folglich verändert sich nach erfolgter Zündung die Resonanzfrequenz f_r. Dieses ist insbesondere für ein System mit der LCR-Zündkerze sehr ausgeprägt.
Aus diesem Grund muss die Zündsignalerzeugung nach erfolgter Zündung in der Lage sein ein schnelles einmaliges Frequenz-Hopping von f_r1 nach f_r2 durchzuführen. Wichtig ist, dass der Ausgangswiderstand Z_aus der Zündsignalerzeugung dem Eingangswiderstand Z_ein der Zündkerze nach erfolgter Zündung entspricht bzw. konjugiert komplex angepasst ist.
Diesen Frequenzsprung kann man entweder mit einem über einer Spannung veränderbaren Oszillator (VCO: voltage controlled oscillator) oder über eine schnelle elektronische Umschaltung zwischen zwei Festoszillatoren realisieren. Da VCO's im unteren GHz-Bereich äußerst preisgünstig als Module erhältlich sind, wird man diese ggf. bevorzugen. Allgemein wurde für diese notwendige Komponente in 1 der schaltbare Oszillator 10 angegeben. Dieser wird von der Motorsteuerung kontrolliert. Das Ausgangssignal des Oszillators, das typisch im mW-Bereich liegt, wird mittels eines Leistungsverstärkers 11 in den ein- bis zweistelligen W-Bereich angehoben. Hochintegrierte elektronische Leistungsverstärker im unteren einstelligen GHz- Bereich weisen Wirkungsgrade von weit über 50% auf und sind äußerst preisgünstig und somit prädestiniert.
Damit an der Zündkerze eine möglichst große Spannung anliegt, wird eine Impedanztransformation 12 durchgeführt. Hier gibt es im HF-Fall ein sehr großes Spektrum an Schaltungen. Die preisgünstigste Schaltung besteht aus Kondensatoren und Spulen (mehrstufiger Gamma-Transformator) und kann in „Hochfrequenztechnik" von H. Heuermann, Vieweg-Verlag, ISBN 3-528-03980-9, ([2]) nachgelesen werden. Die Ausgangsimpedanz Z_aus sollte möglichst im dreistelligen Ohm oder im einstelligen kOhm-Bereich liegen.
Die Spannung an der Zündkerze berechnet sich unmittelbar aus der Ausgangsleistung des Verstärkers P_out und Z_aus: U = e(Pout Zaus). (4)
Folglich sollte ein Arbeitspunkt gewählt werden, der deutlich über der Plasmafrequenz wp liegt. Die im Anschluss folgende Hochfrequenzleitung 13 (z.B. Koaxialleitung) sollte möglichst mit dem Wellenwiderstand Z_L = Z_aus ausgelegt werden. Sie muss nicht unbedingt den Wellenwiderstand Z_L der Ausgangsimpedanz entsprechen, wenn sichergestellt ist, dass die Leitung bei den beiden Resonanzfrequenzen fr1 und fr2 der Länge von n·lambda/2 entspricht. Die hochohmigste und preisgünstigste Koaxialleitung erzielt man dadurch, dass die im Zündkerzenstecker integrierte Zündanlage nur über den Innenleiter (der Koaxialleitung) mit der Zündkerze verbunden ist. Der Außenleiter wird dann durch den Zylinderkopfdeckel bzw. Ventildeckel realisiert. Jedoch erreicht man auch bei dieser Konstruktion in der Regel noch nicht den kOhm-Bereich.
Eine weitere Abhilfe kann dadurch erzielt werden, dass ein zweiter Impedanztransformator in der Zündkerze integriert ist.
Alternativ und nur mit geringen Mehraufwand behaftet kann man die gesamte Schaltung in differentieller Leitertechnik [2] ausgelegen. In diesem Fall lässt sich z.B. in Form einer Zweidrahtleitung eine deutlich hochohmigere HF-Leitung realisieren. Jedoch wäre es für die Konstruktion vorteilhafter zwei baugleiche Zündkerzen einzusetzen. Insbesondere für die Ansteuerung der in 6 angegebenen HR-Zündkerzen wäre diese symmetrische Technik vorteilhaft.
Die LC-Resonator-Zündkerze
Eine einfache Ausführungsform der LCR-Zündkerze 20 ist in 2 dargestellt. Die Ähnlichkeit zur klassischen Zündkerze ohne Masseelektrode ist ersichtlich. Bei der LCR-Zündkerze dient nunmehr der Kolben und der Zylinderkopf 21 als Masse. Die Elektrode ist, sofern sie metallisch ausgeführt ist, im unteren, nicht mehr sichtbaren Bereich gegen Masse geschaltet. In der Praxis befindet sich die Elektrode etwas näher am Zylinderkopf als am Kolben. In diesem Fall stellen sich zwei Funkenstrecken ausgehend von den beiden Enden der Elektrode in Richtung Zylinderkopf ein. Statt eines T-Stücks ließen sich auch zwei einzelne Bögen verwenden. Diese Konstruktion würde sicherstellen, dass auch immer beide Zündfunken anliegen.
Das T kann zum Doppel-T-Stück und noch komplexeren Gebilden erweitert werden. Eine weitere mögliche Ausführungsform der LCR-Zündkerze ist in 3 dargestellt. Die Ähnlichkeit zu dem experimentellen Aufbau von [1] ist für die Gestaltung der Elektrode ersichtlich. Nachteilig an Ausführungsformen mit steigender Anzahl an Zündpfaden ist der Sachverhalt, dass um jeden Zündpfad die Erwärmung abnimmt und somit Zündung des Kraftstoffgemisches unwahrscheinli cher wird. Dieses kann nur durch eine deutliche Erhöhung der eingespeisten HF-Energie kompensiert werden.
Bei dieser Zündkerze wird der TEM-Mode als Hochfrequenzwellenleiter genutzt, [2]. Folglich lässt sich dieses Konzept über einen recht großen Frequenzbereich im MHz- und unteren GHz-Bereich umsetzen. Die Frequenzbegrenzung dieses Konzeptes setzt dann eine, wenn erste Hohlraumresonanzmode auftreten.
Die LCR-Zündkerze bildet einen LC-Resonator nach. D.h., die metallische Elektrode bildet eine Induktivität (L) und die Luftstrecke zwischen Elektrode bzw. Funkenende und Masse die Kapazität (C) nach. Die Funkenstrecke ist in erster Näherung als ohmscher Widerstand (Verbraucher) zu betrachten. Folglich ist die Kapazität im angezündeten Zustand deutlich kleiner als im gezündeten Zustand. Daraus ergeben sich für diesen LC-Serienschwingkreis die zwei verschiedenen Resonanzfrequenzen. Für die optimierung des Serienschwingkreises muss die Induktivität möglichst groß und die Kapazität möglich klein gewählt werden, was einen gewünschten großen Elektroden-Messeabstand sehr entgegen kommt.
Die geometrische Gestaltung der Elektrode hat einen hat Einfluss auf den Zündfunkenbereich und den resultierenden Eingangswiderstand Z_ein der Zündkerze. Dieser kann jedoch durch die Ankopplung des Hochfrequenzsignals an die Elektrode stark verändert werden. In [2] wie auch anderer HF-Standardliteratur sind viele Beispiele gegeben, wie sich ein LC-Schwingkreis ankoppeln lässt. Interessant sind die Stromkopplung und die magnetische Kopplung, die eine zusätzliche Impedanztransformation beinhalten kann. Bei der Stromkopplung wird der Innenleiter der Hochfrequenzleitung 13 direkt an der Elektrode im Abstand x von einigen mm oder cm des Kurzschlusses gegen Masse verbunden. Die Wahl des Abstandes x verändert stark die Ankopplung k und den Eingangswiderstand Z_ein. Bei der magnetischen Kopplung wird eine zweite gegen Masse geschaltete Induktivität in unmittelbarer Nähe zur Elektrode (im nicht sichtbaren Bereich, 3) installiert und mit dem Innenleiter der Leitung 13 verbunden. Je nach Wahl der Induktivitäten kann mit dieser Schaltung eine zusätzliche und i.d.R. gewünschte Spannungstransformation realisiert werden.
Mittels 3D-HF-Feldsimulatoren lassen sich die elektromagnetischen Felder im Zylinderinneren darstellen. Die Bereiche mit den größten elektrischen Feldstärken sind die Bereiche, in denen sich der Zündfunke ausbreitet.
Zunehmend werden in der Hochfrequenztechnik symmetrische Schaltungen mit einer Reihe von Vorteilen eingesetzt. Die umfangreichste Darstellung dieser Schaltungstechnik ist in [2] gegeben. In der Anwendung in einer Zündung hat man einerseits die Vorteile für die elektrische Schaltungstechnik, wie diese bis hin zur Kompensation des Millereffektes in [2] dargestellt sind. Andererseits ergibt sich unmittelbar eine Spannungsverdopplung und zusätzlich lassen sich hochohmigere Leitungen für die Anwendung in einer Zündung herstellen. Darüber hinaus gibt es den sehr großen Vorteil, dass sich über den Einsatz von nunmehr mindestens zwei Zündkerzen Funkbereiche realisieren lassen, die rein parallel zu den Masseflächen verlaufen. Die Masse hat das Potential von 0 V und die Funkbereiche bilden sich nur noch zwischen den beiden Elektroden aus.
Die Hohlraum-Resonator-Zündkerze
Hohlraummoden sind bestens wissenschaftlich und technisch untersucht und in vielen Komponenten wie HF-Filtern implementiert. Ab einer gewissen unteren Cutoff-Frequenz können diese Moden existieren. Sie werden in der Technik sehr gerne genutzt, da die Verluste im Metall sehr gering sind. 4 stellt einen möglichen Hohlraummode (E₀₁) vor. Dieser ist für eine Implementierung in einer Zündung sehr interessant, da das elektrische Feld die optimale Form hat. In der relativ flachen Zylinderkammer gibt es nur Feldlinien und somit Funken, die sich nur parallel zu den Masseflächen ausbreiten. Zusätzlich bilden diese Zündfunken einen Ring, der eine minimale Brenndauer sicherstellt.
Eine mögliche Ausführungsform der HR-Zündkerze zur Anregung des E₀₁-Modes ist in 5 dargestellt. 6 zeigt die Anordnung für den Fall, dass die Zündanlage in symmetrischer Schaltungstechnik ausgelegt wurde. In beiden Fällen wird das magnetische Feld durch die Schleife angeregt. Hierbei verhindert die symmetrische Lösung noch viel besser als die unsymmetrische Lösung das Auftreten anderer unerwünschter Hohlraummoden. Die HR-Zündkerze ist somit nur noch ein Koppelelement für den Resonator, der lediglich aus der Begrenzung der Metallflächen gebildet wird. Mittels der einstellbaren Kopplung k kann wiederum eine Spannungstransformation vollzogen werden. Dargestellt wird diese Transformation in [2] als Gammatransformation, die die Resonanzfrequenz leicht verstimmt. Mit zunehmendem Transformationswert nimmt die Bandbreite ab.
Bei dem vorgestellten Fall des E₀₁-Modes befinden sich die Zündfunken nur im Hohlraum und kontaktieren weder die Koppelschleifen noch die Masse. Die Funkenstrecken sind in erster Näherung als ohmscher Widerstände (Verbraucher) zu betrachten. Diese „verkleinern" den reaktiven Resonatorbe reich, so dass hier ggf. ein Frequenz-Hopping nützlich ist.
Die Wahl des Modes und die geometrische Gestaltung der Elektrode hat einen Einfluss auf den Zündfunkenbereich und den resultierenden Eingangswiderstand Z_ein der Zündkerze.
Mittels 3D-HF-Feldsimulatoren lassen sich die elektromagnetischen Felder im Zylinderinneren in der Ausrichtung und der absoluten Größe darstellen. Die Bereiche mit den größten elektrischen Feldstärken sind die Bereiche, in denen sich der Zündfunke ausbreitet.
Möchte man eine HF-Zündung in einem Ottomotor mit Benzindirekteinspritzung (GDI, s. [3]) einsetzen, so würde sich für die HR-Zündkerze der Grundmode H₁₁ anbieten. Dieser Grundmode hat den sehr großen Vorteil, dass es einen Frequenzbereich gibt, in dem nur dieser auftritt. Diese Tatsache vereinfacht sehr die Ankopplung. Vorteilhaft bei dieser HR-Zündkerze gegenüber [3] wäre, dass neben den bereits ausgeführten Verbesserungen eine Entflammung nicht nur an einem Punkt, sondern im kompletten Umfang um den Einspritzstahl einsetzen würde.
Die dielektrische Elektrode
Die bisherigen Zündkerzenauslegungen bezogen sich nur auf die Verwendung einer metallischen Elektrode. Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es, wenn man anstatt der metallischen Elektrode eine rein dielektrische Elektrode oder einen gemischten Aufbau aus einem Metallkern und einer dielektrischen Ummantelung verwendet. Verwendet man nur ein Dielektrikum (mit relativ großer dielektrischer Konstante) als Elektrode, so stricht man in der HF-Technik vom dielektrischen Draht bzw. Resonator. Beim Draht wird bevorzugt die Hybridgrundwelle HE₁₁ als Leitungsmode gewählt. Der Resonator nutzt je nach Ankopplung auch weitere verlustärmere Moden. Verwendet man einen gemischten Aufbau aus einem Metallkern und einer dielektrischen Ummantelung so entsteht ein Goubauscher Oberflächenleiter (auch Goubau-Harmsscher Leiter) der eine sehr verlustarme Übertragung im Bereich vom zweistelligen MHz-Bereich bis in den GHz-Bereich erlaubt.
Diese beiden Aufbauten (allg. dielektrische Elektrode) können anstatt der metallischen Elektroden bzw. der Koppelelemente eingesetzt werden. Hierbei ändert sich die Ankopplungsstruktur von der Leitung 13 innerhalb der Zündkerze 13. Abhängig vom gewünschten Hochfrequenzmode ist ein großes Spektrum an mechanischen Konstruktionen anwendbar. Ein Beispiel für die Anregung des Grundmodes (der ab 0 Hz ausbreitungsfähig ist) zeigt 7. Ein weiteres Beispiel zeigt 8 für die Anregung des E₀₁-Modes, dessen Implementierbarkeit sehr vorteilhaft ist.
Wie erwähnt kann die dielektrische Elektrode als Ersatz in der LC- und der HR-Zündkerze eingesetzt werden. Bei der HR-Zündkerze hat ändert sich nichts am Hohlleitermode. Lediglich die geometrische Formung des dielektrischen Drahtes muss gemäß den Einkoppelbedingungen optimiert werden. Folglich geht man von einem koaxialen Mode über auf den Mode des dielektrischen Leiters und zuletzt auf den Rundhohlleitermode. Etwas anders sieht es bei der LC-Zündkerze aus. Hier ändert sich optisch weniger. Beispielsweise zeigt 9 eine Anordnung, die mittels rein metallischen, gemischten oder rein dielektrischen Elektrodenwerkstoffen umgesetzt sein kann.
Jedoch handelt es sich bei einer metallischen Elektrode um einen LC-Schwingkreis und bei einer dielektrischen Elektrode um einen Mode eines dielektrischen Resonators.
Die in 9 gezeigte Realisierungsform erzeugt in beiden Fällen einen Zündfunken, der zwischen den beiden Elektroden verläuft. Diese Anordnung ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der HF-Zündung für Direkteinspritzer.
Bestimmung des Eingangswiderstandes Z_ein
Mittels 3D-HF-Simulatoren lassen sich die elektromagnetischen Felder und der Eingangswiderstand Z'_ein vor dem Zeitpunkt der Zündung berechnen. Simulatoren berücksichtigen die Hochfrequenzionisation und Zündung natürlich nicht. Möchte man den sich verändernden Eingangswiderstand Z_ein nach der Zündung bestimmen, so ist dieses nur über eine so genannte heiße Streuparametermessung möglich. Diese ist bekannt aus der Vermessung der elektrischen Eigenschaften von Leistungstransistoren.
Form des HF-Signales
Beim HF-Signal sind neben der reinen sinusförmigen Auslegung Optimierungen möglich. Beispielsweise lässt sich ein Plasma deutlich besser erzeugen, wenn es sich bei dem Signal um ein so genanntes Chirp-Signal handelt. D.h., dass das Signal über der Zeit in der Absolutfrequenz geändert wird. Hierbei muss die Übertragungsstrecke, wie es auch aus der Radartechnik bekannt ist, entsprechend dispersiv gestaltet werden. Nach dem Durchlauf der Übertragungsstrecke ergibt sich bei korrekter Auslegung einer Delta-Signal-förmiger Impuls mit deutlich gesteigerter elektri scher Feldstärke. Da man in der Praxis nach einer Zündung mit diesem sehr kurzen HF-Impuls den Zündfunken für einen Zeitraum aufrechterhalten möchte, lässt man nach dem Frequenzsweep eine Festfrequenz für die gewünschte Dauer stehen.
Nutzung eines Dual-Mode-Resonators
Neben den hier vorgeschlagenen Maßnahmen zur Erhöhung des elektrischen Feldes ist noch ein weiteres Verfahren jüngst publiziert wurden, ([4], „Resonatorsystem und Verfahren zur Erhöhung der belasteten Güte eines Schwingkreises" von Heuermann, H., Sadeghfam, A., Lünebach, M., Patent D102004054443.3, 16.11.2004). Will man die Resonatorspannung anheben, so gelingt dieses nur, wenn die belastete Güte verbessert wird. In [4] ist eine große Anzahl von schaltungstechnischen Lösungen enthalten, die auch hier genutzt werden können.

Claims

Hochfrequenzzündanlage für Kraftfahrzeuge zur Erzeugung von Zündfunken innerhalb eines metallisch ummantelten Hohlraumes wie den eines Kfz-Zylinders unter Nutzung eines monofrequenten oder schmalbandigen Hochfrequenzsignales im MHz- oder GHz-Bereich, dessen Frequenz ggf. über der Zeit verändert wird und das mittels eines Oszillators erzeugt wird, das mittels eines Leistungsverstärker in der Leistung angehoben wird, ggf. mittels einer Leitung transportiert und mittels einer oder mehreren reinen Elektroden-Zündkerzen beliebiger Geometrie gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, a. dass das Hochfrequenzsignal mittels eines oder mehrerer Impedanztransformatoren in der Spannung hoch gesetzt wird, b. dass sich um die Elektrode oder um die Elektroden herum mindestens ein Zündfunkenbereich, der mindestens einen Pfad oder eine 2D-Fläche abdeckt und dann viele Zündfunkenpfade enthält, ausbildet, c. dass die metallische Ummantelung des Hohlraums (z.B. Zylinderkopf, Zylinderwand und Kolben) als Masse dient, auf die der Zündfunkenbereich nicht durchschlägt, d. dass das Hochfrequenzsignal in der Zündkammer sich in einem oder mehreren Hochfrequenzmode ausbreitet.
Hochfrequenzzündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Zündkammer um ein TEM-Mode handelt, b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine unsymmetrische Schaltung handelt und nur eine Zündkerze eingesetzt wird, c. dass die Elektrode der Zündkerze einseitig gegen Masse geschaltet ist, am anderen Ende in den Zylinder hineinragt und über der üblichen Isolationstechnik für die Innenelektrode einer Zündkerze über eine elektrische Kopplung, die z.B. als Stromkopplung oder magnetische Kopplung ausgeführt sein kann, mit der Zündanlage verbunden ist.
Hochfrequenzzündanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Zündkammer um ein TEM-Mode handelt, b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine symmetrische Schaltung handelt und zwei Zündkerzen eingesetzt werden, c. dass die Elektroden der Zündkerzen einseitig gegen Masse geschaltet sind, am anderen Ende in den Zylinder hineinragen und über der üblichen Isolationstechnik für die Innenelektrode einer Zündkerze über eine elektrische Kopplung, die z.B. als Stromkopplung oder magnetische Kopplung ausgeführt sein kann, mit der Zündanlage verbunden sind.
Hochfrequenzzündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Zündkammer um ein TEM-Mode handelt, b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine unsymmetrische Schaltung handelt und nur eine Zündkerze eingesetzt wird, c. dass die Elektrode der Zündkerze einseitig als Leerlauf geschaltet ist, am anderen Ende in den Zylinder hineinragt und über der üblichen Isolationstechnik für die Innenelektrode einer Zündkerze über eine elektrische Kopplung, die z.B. als Stromkopplung oder magnetische Kopplung ausgeführt sein kann, mit der Zündanlage verbunden ist.
Hochfrequenzzündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Zündkammer um ein TEM-Mode handelt, b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine symmetrische Schaltung handelt und zwei Zündkerzen eingesetzt werden, c. dass die Elektroden der Zündkerzen einseitig als Leerlauf geschaltet sind, am anderen Ende in den Zylinder hineinragen und über der üblichen Isolationstechnik für die Innenelektrode einer Zündkerze über eine elektrische Kopplung, die z.B. als Stromkopplung oder magnetische Kopplung ausgeführt sein kann, mit der Zündanlage verbunden sind.
Hochfrequenzzündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Zündkammer um ein Rundhohlleitermode handelt und die zugehörige Frequenz so groß gewählt wurde, dass der Mode existieren kann, b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine unsymmetrische Schaltung handelt und nur eine Zündkerze eingesetzt wird, c. dass die (metallische und/oder dielektrische) Elektrode der Zündkerze im Innern des Hohlraumes die Funktionalität eines elektrischen oder magne tischen Koppelelementes hat und der üblichen Isolationstechnik für die Innenelektrode einer Zündkerze direkt mit der Zündanlage verbunden ist.
Hochfrequenzzündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Zündkammer um ein Rundhohlleitermode handelt und die zugehörige Frequenz so groß gewählt wurde, dass der Mode existieren kann, b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine symmetrische Schaltung handelt und zwei Zündkerzen eingesetzt werden, c. dass die (metallische und/oder dielektrische) Elektrode der Zündkerzen im Innern des Hohlraumes die Funktionalität elektrischer oder magnetischer Koppelelemente haben und der üblichen Isolationstechnik für die Innenelektrode einer Zündkerze direkt mit der Zündanlage verbunden sind.
Gestaltung einer Hochfrequenzzündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Zündkammer um ein Mode eines dielektrischen Wellenleiters handelt, b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine unsymmetrische Schaltung handelt und nur eine Zündkerze eingesetzt wird, c. dass die Elektrode aus einem reinen dielektrischen Werkstoff oder aus einem dielektrischen Werkstoff mit metallischer Füllung besteht, d. dass die Elektrode der Zündkerze einseitig gegen Masse geschaltet ist, am anderen Ende in den Zylinder hineinragt und in einer Isolierung mittels eines dielektrischen Werkstoffes mit kleiner die lektrischen konstante eingebettet ist und über eine elektromagnetische Kopplung, die z.B. durch die Einführung des metallischen Innenleiters in die rein dielektrische Elektrode ausgeführt sein kann, mit der Zündanlage verbunden ist.
Hochfrequenzzündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Zündkammer um ein Mode eines dielektrischen Wellenleiters handelt, b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine symmetrische Schaltung handelt und zwei Zündkerzen eingesetzt werden, c. dass die Elektrode aus einem reinen dielektrischen Werkstoff oder aus einem dielektrischen Werkstoff mit metallischer Füllung besteht, d. dass die Elektroden der Zündkerze einseitig gegen Masse geschaltet sind, am anderen Ende in den Zylinder hineinragen und in einer Isolierung mittels eines dielektrischen Werkstoffes mit kleiner dielektrischen konstante eingebettet sind und über eine elektromagnetische Kopplung, die z.B. durch die Einführung des metallischen Innenleiters in die rein dielektrische Elektrode ausgeführt sein kann, mit der Zündanlage verbunden sind.
Hochfrequenzzündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal aus dem Oszillator um ein monofrequentes Signal mit der Frequenz f₁ handelt, b. Dass nach erfolgter Zündung mittels eines monofrequenten Sinus-Signals mit der Frequenz f₂ der Zündfunke aufrechterhalten bleibt,
Hochfrequenzzündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal aus dem Oszillator um ein Chirp-Signal handelt, bei dem die aktuelle Frequenz über der Zeit variiert wird, b. dass das nachfolgende Übertragungssystem derartig dispersiv gestaltet ist, dass nach dem Durchlauf des Chirp-Signales ein Delta-ähnlicher Impuls und folglich eine große Anhebung der Spannung entsteht, c. dass nach erfolgter Zündung mittels eines monofrequenten Sinus-Signals der Zündfunke aufrechterhalten bleibt.