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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung für Hochfrequenzplasmazündung nach den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Zur
Entflammung von reaktionsträgen Brennstoff-Luft-Gemischen
in Verbrennungsmotoren, insbesondere von mageren oder extrem fetten Gemische
sowie Gemischen mit hohem Abgasanteil oder bei Brennstoffen, die
einen hohen Flammpunkt (z.B. komprimiertes Erdgas, CNG) aufweisen,
muss eine sehr hohe Energie in das Gasgemisch eingebracht werden
und/oder ein größeres Gemischvolumen
entflammt werden, als dies z.B. bei stöchiometrischen Benzin-Luft-Mischungen
notwendig ist.
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Eine
bekannte Zündmöglichkeit,
die diese Merkmale bietet, ist die Hochfrequenzplasmazündung, wie
sie beispielsweise in der
DE
10 2004 058 925 beschrieben wird. Dabei wird ein Schwingkreis oder
Resonator, bestehend aus einer Spule als Induktivität und einer
Kapazität
durch eine Hochfrequenzquelle resonant angeregt, bis an den die
Kapazität
darstellenden Elektroden ein Hochfrequenzplasma zündet. Das
bisher hierbei eingesetzte Design orientiert sich an dem konventioneller
Zündkerzen, d.h.
es besteht aus einer mit der Einschraubung verbundenen äußeren Masse-Elektrode
und einer isoliert eingesetzten zentralen Stabelektrode. Hierbei führt die
Einkopplung höherer
Energie bei gleichen Randbedingungen zu einem stark erhöhten Elektrodenverschleiß. Eine
dadurch bedingte kürzere Standzeit
im Vergleich zu konventionellen Zündsystemen ist für den Serieneinsatz
in Kraftfahrzeugen jedoch nachteilig.
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Bei
konventionellen, induktiv oder kapazitiv gepulst betriebenen Zündsystemen
konnten durch Kombination von Materialien mit hohem Schmelzpunkt
und Materialien guter Wärmeleitfähigkeit
die Standzeit der Zündkerzenelektroden
auf Werte von mehr als 1000 Betriebsstunden verbessert werden. Bei
der Hochfrequenzplasmazündung
in der nach dem Stand der Technik bekannten Form liegen die mit
diesen Materialien erreichten Standzeiten jedoch weit darunter,
so dass eine Optimierung von Elektrodenmaterialien keine ausreichende
Erhöhung
der Standzeiten verspricht.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zündvorrichtung
für eine
Hochfrequenzplasmazündung
anzugeben, bei der die Elektrodenbelastung deutlich reduziert ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Zündvorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Vorteilhaft
sorgt die isolierende Dielektrikumschicht auf zumindest einer der
Elektroden durch die Unterbindung eines direkten Stromflusses dafür, dass
sich keine eng begrenzten Fußpunkte
des Plasmaüberschlags
ausbilden können,
sondern dass die elektrische Leistung in der Plasmarandschicht auf eine
größere Fläche verteilt
wird. Während
z.B. einer positiven Halbwelle der anregenden Resonanzfrequenzspannung
driften Elektronen auf die Dielektrikumschicht der Elektrode positiver
Polarität.
Dadurch lädt
sich die Dielektrikumschicht lokal auf und das elektrische Potential
an der geladenen Oberfläche sinkt
lokal. Weitere Elektronen werden abgestoßen und lagern sich an anderen,
nicht oder weniger aufgeladenen Stellen der Oberfläche an.
Dieser Vorgang setzt sich solange fort, bis die Oberfläche komplett
aufgeladen ist oder die Polarität
der Elektrode sich umkehrt. Nach Umkehr der Polarität wird die Oberfläche entladen
und ggf. entgegengesetzt aufgeladen. Dadurch kann es nicht zu kleinflächigen Fußbereichen
des Plasmaüberschlags
kommen, in denen sich der gesamte Stromfluss konzentriert und in
denen das Elektrodenmaterial stark erodiert wird. Die elektrische
Leistung wird in den Plasmaüberschlag
ausschließlich
kapazitiv hochfrequent eingekoppelt. Sind beide Elektroden, sowohl
die Primärelektrode,
als auch die Sekundärelektrode
mit einer Dielektrikumschicht bedeckt, so tritt bei keiner von beiden
eine Erodierung der Elektrodenoberflächen und somit nur verminderter
Verschleiß auf.
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In
günstiger
Ausführungsform
nimmt die Dicke der Dielektrikumschicht zu einer brennraumseitigen
Elektrodenspitze der Primärelektrode
und/oder der Sekundärelektrode
ab. Die Strecke des Plasmaüberschlags
zwischen der Primärelektrode
und der Sekundärelektrode
bzw. der jeweiligen Oberfläche der
Dielektrikumschicht kann zu einer brennraumseitigen Elektrodenspitze
der Primärelektrode
und der Sekundärelektrode
zunehmen.
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Bei
einem zu den Elektrodenspitzen hin zunehmenden Überschlagsweg zündet das
Hochfrequenzplasma im Bereich einer geringen Überschlagstrecke. Die Aufladung
der Dielektrikumschicht in diesem Bereich sorgt dann dafür, dass
sich der Plasmaüberschlag
sehr schnell in Bereiche größerer Überschlagstrecke
bewegt bzw. ausbreitet und dabei an Leistung zunimmt. Dadurch wird
die Ausbreitung des Plasmaüberschlags
in einen Brennraum hinein unterstützt, und es wird gewährleistet,
dass die Plasmaleistung zu einem großen Teil im Bereich der Elektrodenspitzen
in dem Brennraum deponiert wird. Dieser Vorgang wird in vorteilhafter
Weise unterstützt, wenn
die Dicke der Dielektrikumschicht zu den Elektrodenspitzen hin abnimmt,
wodurch die lokale Kapazität
zunimmt.
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Die
Dicke der Dielektrikumschicht kann zwischen 1/10 mm und einigen
mm liegen.
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Vorteilhaft
beträgt
die Oberfläche
der dielektrikumbeschichteten Primärelektrode und/oder Sekundärelektrode
bis max. ca. 10 mm2.
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Durch
die Dicke der Dielektrikumschicht bzw. der dielektrischen Barriere
und durch die Materialeigenschaften des Dielektrikums, wie die relative
dielektrische Permittivität
sowie die kapazitiv an den Plasmaüberschlag bzw. den Resonator
gekoppelte wirksame Oberfläche
der Elektroden, kann die Kapazität
auf die nötigen
Werte für
die Zündung
des Hochfrequenzplasmas und die nötige Leistung so eingestellt
werden, dass ein Plasmaüberschlag
der gewünschten
Stärke
entsteht und anderseits eine ausreichende dielektrische Festigkeit
der Barriere unter allen Betriebsbedingungen gegeben ist und es
zu keinen Durchschlägen
durch die Dielektrikumschicht kommt. Typische Werte sind einige
wenige bis einige 10 mm2 für die Oberfläche der
zentralen Hochspannungselektrode und einige Zehntelmillimeter bis
einige Millimeter für
die Dicke der Dielektrikumschicht.
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Die
Sekundärelektrode
kann die Primärelektrode
umgebend angeordnet sein.
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In
günstiger
Ausführungsform
ist ein Zwischenraum zwischen der Primärelektrode und der Sekundärelektrode
bis auf einen oder mehrere Kanäle
mit dem Dielektrikum ausgefüllt.
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Dadurch
kann gesteuert werden, wo und mit welcher Energiedichte Plasmaüberschläge an den Elektrodenspitze
mit dem Brennraum in Kontakt kommen.
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Die
Sekundärelektrode
kann ein konzentrisch um die Primärelektrode angeordneter Zylinder sein.
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Dies
ermöglicht
einen einfachen, symmetrischen Aufbau der Zündvorrichtung.
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Die
Sekundärelektrode
kann um die Primärelektrode
mit unterschiedlichen Abständen
angeordnet sein. Insbesondere ist auch eine nicht konzentrische
Anordnung eines Zylinders um die Primärelektrode möglich.
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Durch
ein entsprechendes Elektrodendesign kann ein Spalt zwischen der äußeren Sekundärelektrode
und der inneren Primärelektrode
lokal reduziert sein, um hier bevorzugte Bedingungen für eine kapazitiv
gekoppelte Hochfrequenzplasmaentladung zu schaffen.
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In
vorteilhafter Ausführung
ist das Dielektrikum ein Glas oder eine Keramik, insbesondere Aluminiumoxid,
Aluminiumnitrid oder Bornitrid.
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Diese
Materialien zeichnen sich bei hoher Temperatur durch niedrige elektrische
Leitfähigkeit und
gute dielektrische Eigenschaften aus.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend mithilfe von Ausführungsbeispielen
anhand der beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigt
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1A im
Querschnitt den Elektrodenbereich einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung,
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1B in
brennraumseitiger Aufsicht den Elektrodenbereich der Zündvorrichtung
der 1A,
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2A im
Querschnitt den Elektrodenbereich einer weiteren erfindungsgemäßen Zündvorrichtung,
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2B in
brennraumseitiger Aufsicht den Elektrodenbereich der Zündvorrichtung
der 2A,
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3A im
Querschnitt den Elektrodenbereich einer weiteren erfindungsgemäßen Zündvorrichtung,
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3B in
brennraumseitiger Aufsicht den Elektrodenbereich der Zündvorrichtung
der 3A,
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4A im
Querschnitt den Elektrodenbereich einer weiteren erfindungsgemäßen Zündvorrichtung,
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4B in
brennraumseitiger Aufsicht den Elektrodenbereich der Zündvorrichtung
der 4A,
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5A im
Querschnitt den Elektrodenbereich einer weiteren erfindungsgemäßen Zündvorrichtung,
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5B in
brennraumseitiger Aufsicht den Elektrodenbereich der Zündvorrichtung
der 5A,
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1A zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung
im Längsschnitt
im Bereich der Elektroden mit einer Primärelektrode 1 und einer
Sekundärelektrode 2,
die die Primärelektrode 1 als
Zylinder konzentrisch umgibt. Zwischen der Primärelektrode 1 und der
Sekundärelektrode 2 ist
ein Dielektrikum 3 angeordnet. Im Bereich einer Primärelektrodenspitze 4 und
einer Sekundärelektrodenspitze 5 füllt das
Dielektrikum den Zwischenraum zwischen Primärelektrode 1 und Sekundärelektrode 2 nicht
aus und es verbleibt ein Ringspalt 6. In diesem Ringspalt 6 und
an der Primärelektrodenspitze 4 ist
die Primärelektrode 1 mit
einer Dielektrikumschicht 7 vollständig überzogen.
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1B zeigt
in brennraumseitiger Aufsicht den Elektrodenbereich der Zündvorrichtung
der 1A mit der Dielektrikumschicht 7, dem
Ringspalt 6 und der Sekundärelektrodenspitze 5.
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Die
isolierende Dielektrikumschicht 7 auf der Primärelektrode 1 sorgt
durch die Unterbindung eines direkten Stromflusses dafür, dass
sich kein eng begrenzter Fußpunkt
des Plasmaüberschlags
an der Primärelektrode 1 ausbilden
kann. Die elektrische Leistung wird auf eine größere Fläche verteilt. Durch die lokale
Aufladung der Dielektrikumschicht 7 wird ein weiterer Ladungsaufbau
an nicht oder weniger aufgeladenen Stellen der Oberfläche stattfinden. Kommt
es zum Überschlag,
kann es nicht zu kleinflächigen
Fußbereichen
des Plasmaüberschlags
kommen, in denen sich der gesamte Stromfluss konzentriert und in
denen das Elektrodenmaterial stark erodiert wird. Die elektrische
Leistung wird in den Plasmaüberschlag
ausschließlich
kapazitiv hochfrequent eingekoppelt.
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2A und 2B zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung
im Längsschnitt
im Bereich der Elektroden. Den 1A und 1B entsprechende
Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Primärelektrode 1 wird
von der zylinderförmigen
Sekundärelektrode 2 konzentrisch
umgeben. Zwischen der Primärelektrode 1 und
der Sekundärelektrode 2 ist
das Dielektrikum 3 angeordnet, das den Ringspalt 6 im
Bereich der Primärelektrodenspitze 4 und
der Sekundärelektrodenspitze 5 freilässt. In
dem Ringspalt 6 und an der Primärelektrodenspitze 4 ist
die Primärelektrode 1 mit
der Dielektrikumschicht 7 vollständig überzogen. Die Sekundärelektrode 2 ist
im Bereich der Sekundärelektrodenspitze 5 ebenfalls mit
einer Dielektrikumschicht 8 vollständig überzogen.
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2B zeigt
in brennraumseitiger Aufsicht den Elektrodenbereich der Zündvorrichtung
der 2A mit der Dielektrikumschicht 7, dem
Ringspalt 6 und der Dielektrikumschicht 8 über der
Sekundärelektrodenspitze.
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Wenn
beide Elektroden, sowohl die Primärelektrode 1, als
auch die Sekundärelektrode 2 mit
den Dielektrikumschichten 7, 8 bedeckt sind, so
tritt bei keiner von beiden eine Erodierung der Elektrodenoberflächen und
somit nur verminderter Verschleiß der Zündvorrichtung insgesamt auf.
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3A und 2B zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung
im Längsschnitt
im Bereich der Elektroden. Den 1A und 1B entsprechende
Bauteile sind wiederum mit denselben Bezugszeichen versehen. Die
Primärelektrode 1 und
die Sekundärelektrode 2 sind
konzentrisch mit dem dazwischen vorgesehenen Dielektrikum 3 angeordnet.
Die Sekundärelektrodenspitze 5 ist
entsprechend, wie bei dem Ausführungsbeispiel
in den 2A und 2B, mit
der Dielektrikumschicht 8 vollständig überzogen. Eine Primärelektrodenspitze 9 weist
eine sich konisch verjüngende
Form auf, so dass zwischen einer Dielektrikumschicht 10 der
Primärelektrodenspitze 9 und
der Dielektrikumschicht 8 der Sekundärelektrode 2 ein sich
konisch erweiternder Ringspalt 11 verbleibt.
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3B zeigt
in brennraumseitiger Aufsicht den Elektrodenbereich der Zündvorrichtung
der 3A mit der Dielektrikumschicht 7, dem
Ringspalt 11 und der Dielektrikumschicht 10.
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Bei
einem zu den Elektrodenspitzen 4, 9 hin zunehmenden Überschlagsweg
in dem konischen Ringspalt 11 zündet das Hochfrequenzplasma
im Bereich einer geringen Überschlagstrecke.
Durch die Aufladung der Dielektrikumschicht in diesem Bereich breitet
sich der Plasmaüberschlag
sehr schnell in Bereiche größerer Überschlagstrecke
aus und nimmt an Leistung zu.
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4A und 4B zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung
im Längsschnitt
im Bereich der Elektroden. Den 3A und 3B entsprechende
Bauteile sind wiederum mit denselben Bezugszeichen versehen. Die
Primärelektrode 1 und
die Sekundärelektrode 2 sind
durch das dazwischen angeordnete Dielektrikum 3 isoliert.
Die Sekundärelektrodenspitze 5 ist mit
der Dielektrikumschicht 8 vollständig überzogen. Die Primärelektrode 1 weist
eine sich zu der Primärelektrodenspitze 9 in
der Dicke verringernde Dielektrikumschicht 12 auf. Der
Ringspalt 11 erweitert sich konisch.
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4B zeigt
in brennraumseitiger Aufsicht den Elektrodenbereich der Zündvorrichtung
der 4A mit der Dielektrikumschicht 12, dem
Ringspalt 11 und der Dielektrikumschicht 10.
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Die
Verringerung der Dicke der Dielektrikumschicht 12 zu der
Primärelektrodenspitze 4 hin
verstärkt
die schnelle Ausbreitung des Plasmaüberschlags in Bereiche größerer Überschlagstrecke
in dem konischen Ringspalt 11.
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5A und 5B zeigen
ein fünftes
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung
im Längsschnitt
im Bereich der Elektroden. Den 1A und 1B entsprechende
Bauteile sind wiederum mit denselben Bezugszeichen versehen. Die
Primärelektrode 1 wird
von der zylinderförmigen
Sekundärelektrode 2 konzentrisch
umgeben und beide sind vollständig
in ein isolierendes Dielektrikum 13 eingebettet, das auch
die Primärelektrodenspitze 4 und
die Sekundärelektrodenspitze 5 überdeckt.
In dem Dielektrikum 13 sind Zündkanäle 14 ausgenommen.
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5B zeigt
in brennraumseitiger Aufsicht den Elektrodenbereich der Zündvorrichtung
der 5A mit dem Dielektrikum 13, das die Primärelektrodenspitze
und die Sekundärelektrodenspitze überdeckt
sowie drei Zündkanäle 14,
die als Bohrungen ausgeführt
sind.
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In
den Zündkanälen 14 findet
der Plasmaüberschlag
mit einer größeren Energiedichte
statt. Dadurch kann die Energiedichte und räumliche Anordnung der Plasmaüberschläge an der
Spitze der Zündvorrichtung
auf einfache Weise beeinflusst werden.
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Der
Betrieb der beschriebenen kapazitiv gekoppelten Hochfrequenzzündvorrichtungen
erfolgt wie der einer mit konventionellen Elektroden ausgestatteten
mit direktem Stromfluss, d.h. es kann unterschieden werden zwischen
der Spannungsversorgung zur Initiierung des Plasmaüberschlags
und der Energieversorgung zur Aufrechterhaltung eines leistungsstarken
Plasmaüberschlags
mit Impedanzanpassung an den Resonator nach Initiierung des Plasmaüberschlags.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Zündvorrichtungen mit Dielektrikumschichten
besteht darin, dass sie die Leistung lokal und insgesamt begrenzen.
Die plasmaseitige Oberfläche
der Dielektrikumschicht ist kapazitiv an die von ihr bedeckte Elektrode
gekoppelt, und die Impedanz dieser Kapazität CSchicht beträgt bei einer
Kreisfrequenz der anregenden Spannung ωf:
ZSchicht = 1/(ωfCSchicht). Bei gegebener Spannung U an der
Elektrode und einer niedrigen Plasmaimpedanz wird der Strom IPlasma begrenzt durch die Bedingung IPlasma < ωfCSchichtU
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- 1
- Primärelektrode
- 2
- Sekundärelektrode
- 3
- Dielektrikum
- 4
- Primärelektrodenspitze
- 5
- Sekundärelektrodenspitze
- 6
- Ringspalt
- 7
- Dielektrikumschicht
- 8
- Dielektrikumschicht
- 9
- Primärelektrodenspitze
- 10
- Dielektrikumschicht
- 11
- konischer
Ringspalt
- 12
- Dielektrikumschicht
- 13
- Dielektrikum
- 14
- Zündkanal