DE102006037038B4 - High frequency ignition device for high frequency plasma ignition - Google Patents

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Abstract

Hochfrequenz-Zündvorrichtung für eine Hochfrequenz-Plasmazündung, mit einer Primärelektrode (1) und mehreren Sekundärelektroden (2), wobei die Sekundärelektroden (2) untereinander und gegenüber einer Sammelelektrode (5) elektrisch isoliert sind und mit der Sammelelektrode (5) jeweils kapazitiv über eine Kapazität (C) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz der Kapazität (C) im Bereich einer Anregungsfrequenz des Plasmas (6) groß ist gegenüber der Impedanz des sich beim Überschlag bildenden Plasmas (6).High-frequency ignition device for a high-frequency plasma ignition, comprising a primary electrode (1) and a plurality of secondary electrodes (2), wherein the secondary electrodes (2) are electrically insulated from one another and from a collecting electrode (5) and capacitively connected to the collecting electrode (5) Capacitance (C) are connected, characterized in that the impedance of the capacitance (C) in the region of an excitation frequency of the plasma (6) is large compared to the impedance of the forming during the flashover plasma (6).

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Zündvorrichtung für eine Hochfrequenz-Plasmazündung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The The present invention relates to a high-frequency ignition device for one High-frequency plasma ignition with the features of the preamble of claim 1.

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 (wie 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.to Ignition of inert fuel-air mixtures in internal combustion engines, in particular of lean or extremely rich mixtures as well as mixtures with a high proportion of exhaust gas or fuels that a high flash point (such as CNG compressed natural gas) must have a very high energy is introduced into the gas mixture and / or a larger mixture volume are inflamed when this z. As in stoichiometric gasoline-air mixtures necessary is.

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 Hochfrequenzplasmaüberschlag 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 insbesondere in Kraftfahrzeugen jedoch nachteilig.A known Zündmöglichkeit that offers these features is the high-frequency plasma ignition, as shown for example in the DE 10 2004 058 925 is described. In this case, a resonant circuit or resonator, consisting of a coil inductively and a capacitor excited by a high-frequency source resonant until the capacitance representing electrodes ignites a high-frequency plasma flashover. The design used so far is based on the conventional spark plug, ie it consists of an external ground electrode connected to the screwed connection and an insulated central rod electrode. The coupling of higher energy at the same boundary conditions leads to a greatly increased electrode wear. A consequent shorter service life compared to conventional ignition systems is disadvantageous for series production, especially in motor vehicles.

Bei konventionell betriebenen Zündsystemen konnte 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.at Conventionally operated ignition systems could by combining high melting point materials and materials with good thermal conductivity the life of the spark plug electrodes Values of more than 1000 operating hours can be improved. In the RF plasma ignition in the form known in the prior art are those with However, these materials reached a long service life, so that optimization of electrode materials is not sufficient increase the lifetime promises.

Ein Hauptgrund für den Zündkerzenelektrodenverschleiß ist der Materialabtrag durch eine thermische Überlastung des Elektrodenmaterials am Fußpunkt des Plasmaüberschlags.One Main reason for the spark plug electrode wear is the Material removal by a thermal overload of the electrode material at the bottom of the plasma flashover.

Eine bekannte Möglichkeit die punktuelle Belastung der Elektroden zu verringern, ist die Aufteilung des Plasmaüberschlags in zwei oder mehrere Plasmaüberschläge. Mit der Aufteilung des Plasmaüberschlags in mehrere Kanäle sinken die Energien in den einzelnen Plasmaüberschlägen und damit die thermische Belastung der einzelnen Fußpunkte. Eine solche Aufteilung eines Zündfunkens auf mehrere Masseelektroden ist für herkömmliche Zündkerzen z. B. aus der DE 696 06 686 T2 bekannt.One known way of reducing the point load on the electrodes is to divide the plasma flashover into two or more plasma flashovers. By dividing the plasma flashover into several channels, the energies in the individual plasma flashovers and thus the thermal load of the individual foot points decrease. Such a division of a spark on a plurality of ground electrodes is for conventional spark plugs z. B. from the DE 696 06 686 T2 known.

Weiterhin sind aus der DE 25 41 937 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zünden eines Brennstoffs-Luft-Gemisches bekannt. Es wird insbesondere eine Koronaelektrode zur Anreicherung von Brennstofftröpfchen dargestellt. Eine entsprechende Zündung soll zu einer Bogenentladung führen. Ein derartiges Zündsystem ist verbunden mit einer Verteilung des entsprechenden zündfähigen Gemisches auf das Gesamtsystem der Elektrode bzw. der Elektroden. Insgesamt bezieht sich die Darstellung auf Entladungsvorrichtungen allgemeiner Art. Eine Plasmaentladung wird nicht angesprochen.Furthermore, from the DE 25 41 937 A1 discloses a method and apparatus for igniting a fuel-air mixture. In particular, a corona electrode for enriching fuel droplets is shown. A corresponding ignition should lead to an arc discharge. Such an ignition system is associated with a distribution of the corresponding ignitable mixture to the entire system of the electrode or the electrodes. Overall, the illustration refers to discharge devices of a general nature. A plasma discharge is not addressed.

In der DE 38 78 336 T2 wird eine Zündkerze beschrieben, welche mittels Hilfselektroden eine Zünderleichterung erfahren soll. Dabei wird eine Hilfsfunkenstrecke gebildet, an der eine erste kapazitive Entladung hervorgerufen wird.In the DE 38 78 336 T2 a spark plug is described, which is to learn by means of auxiliary electrodes, a lighter ignition. In this case, an auxiliary spark gap is formed, at which a first capacitive discharge is caused.

Dabei ist für die Hilfsfunkenstrecke eine niedrigere Spannung notwendig als für eine normale Funkenstrecke. Eine Plasmazündung wird in dieser Druckschrift nicht offenbart.there is for the auxiliary spark gap requires a lower voltage than for a normal one Radio link. A plasma ignition is not disclosed in this document.

Nachteilig an solchen nach dem Stand der Technik bekannten Zündkerzen ist, dass ein Plasmaüberschlag sich nur schlecht und ungleichmäßig auf mehrere Plasmaüberschläge aufteilt. Ein Plasma kann in erster Linie als stark nichtlinearer Widerstand beschrieben werden. Daher bildet sich in der Regel nur ein leitender Kanal, da in einem gezündeten Plasmaüberschlag ein niedrigerer Widerstand vorliegt als in der entsprechenden Luftstrecke.adversely in such known in the art spark plugs is that a plasma flashover Only bad and uneven on several Plasma arcing divides. A plasma can be described primarily as a highly nonlinear resistor become. Therefore, usually only one conductive channel is formed, there in an ignited Plasma rollover a lower resistance than in the corresponding air gap.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zündvorrichtung für eine Hochfrequenz-Plasmazündung anzugeben, bei der die Elektrodenbelastung deutlich reduziert ist.It is therefore an object of the present invention, an ignition device for one High-frequency plasma ignition indicate that the electrode load is significantly reduced.

Diese Aufgabe wird durch eine Zündvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.These Task is by an igniter solved with the features of claim 1. Advantageous developments are in the subclaims specified.

Vorteilhaft wird bei einer erfindungsgemäßen Zündkerze durch die kapazitive Koppelung über die Kapazität C ein Stromteiler mit komplexen Widerständen für den hochfrequenten Anregegungswechselstrom der Hochfrequenzplasmazündung gebildet und im Unterschied zu einem rein ohmschen Stromteiler teilen sich die Ströme proportional zu den komplexen Widerständen auf die mehreren Sekundärelektroden auf. Sobald sich ein Plasmaüberschlag bildet, entsteht nicht bereits durch diesen ein Stromweg mit sehr niedrigem Widerstand gegenüber den anderen Möglichkeiten.Advantageously, in a spark plug according to the invention by the capacitive coupling via the capacitance C, a current divider with complex resistors for the high-frequency Anregegungswechselstrom the high-frequency plasma ignition formed and unlike a purely resistive current divider, the currents are proportional to the complex resistors on the multiple secondary electrodes. As soon as a plasma flashover forms, it does not already create a current path through it with very low resistance to the other options.

In günstiger Ausführungsform ist die Impedanz der Kapazität C im Frequenzbereich des Plasmas groß gegenüber der Impedanz des sich beim Überschlag bildenden Plasmas.In better embodiment is the impedance of the capacitance C in the frequency range of the plasma large compared to the impedance of the flashover forming plasma.

Durch richtig dimensionierte Kapazitäten C, mit denen die Sekundärelektroden an die Sammelelektrode gekoppelt sind, ist es möglich, die Impedanz der Kapazität C im Bereich der Anregungsfrequenz hoch gegenüber der Impedanz des Plasmaüberschlags zu halten. Die Impedanz der Kapazität C ist dann dominant gegenüber der des gezündeten Plasmas und somit wird die Impedanz des Systems, Plasmakanal und Kapazität C zur Koppelung, linearisiert und bildet einen komplexen Stromteiler, der auf einfache und zuverlässige Weise zu mehreren Plasmaüberschlägen führt.By properly sized capacities C, with which the secondary electrodes coupled to the collecting electrode, it is possible to increase the impedance of the capacitance C in the region high opposite the excitation frequency the impedance of the plasma flashover to keep. The impedance of the capacitance C is then dominant over the of the ignited Plasmas and thus will be the impedance of the system, plasma channel and capacity C for coupling, linearized and forms a complex flow divider, the easy and reliable Way leads to multiple plasma flashovers.

In vorteilhafter Ausführung ist die Primärelektrode im Zentrum, d. h. in der Symmetrieachse der Zündvorrichtung angeordnet.In advantageous embodiment is the primary electrode in the center, d. H. arranged in the symmetry axis of the ignition device.

Die zentrale Anordnung ermöglicht von der Mitte ausgehend mehrere Überschlagsstrecken zum Rand der Zündvorrichtung hin.The central arrangement allows starting from the middle of several rollover routes to the edge of the ignition device out.

In günstiger Ausführungsform können die mehreren Sekundärelektroden durch Schlitze getrennte Segmente eines um die Mittelelektrode angeordneten Sekundärelektrodenzylinders sein, die jeweils eine Kapazität C mit einem weiteren den Sekundärelektrodenzylinder umgebenden Sammelelektrodenzylinder als Sammelelektrode bilden.In better embodiment can the multiple secondary electrodes segments separated by slots arranged around the center electrode Secondary electrode cylinder be, each having a capacity C with another the secondary electrode cylinder form surrounding collecting electrode cylinder as collecting electrode.

Die Segmentierung der Sekundärelektrode in zwei oder mehrere Teile, von denen jeder mit der Sammelelektrode durch eine Kapazität C gekoppelt ist, ermöglicht einen einfachen Aufbau, da die einander gegenüberliegenden Flächen des Sekundärelektrodenzylinders und des Sammelelektrodenzylinders bereits die jeweilige zugeordnete Kapazität C bilden.The Segmentation of the secondary electrode in two or more parts, each of which with the collecting electrode through a capacity C is coupled a simple structure, because the opposite surfaces of the Secondary electrode cylinder and the collecting electrode cylinder already assigned to each capacity C form.

Der Sammelelektrodenzylinder kann mit der Masse der Zündvorrichtung verbunden sein.Of the Collecting electrode cylinder can with the mass of the igniter be connected.

Die Sekundärelektroden können mit der Sammelelektrode außerhalb der Zündvorrichtung kapazitiv verbunden werden.The secondary electrodes can with the collecting electrode outside the ignition device be connected capacitively.

Es ist auch denkbar, Anschlüsse aus der Zündvorrichtung heraus zu führen und die Kapazitäten C vollständig oder zum Teil außerhalb der Zündvorrichtung anzuordnen.It is also possible connections from the ignition device to lead out and the capacities C completely or partly outside the ignition device to arrange.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mithilfe eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigtThe The present invention will be described below by means of an embodiment with the attached Drawing closer explained. It shows

1 schematisch die Elektrodenanordnung einer erfindungsgemäßen Zündkerze. 1 schematically the electrode assembly of a spark plug according to the invention.

1 zeigt schematisch die Elektrodenanordnung einer erfindungsgemäßen Zündkerze. Eine Primärelektrode 1 ist in dieser Schemaansicht zentral in der Achse der erfindungsgemäßen Zündvorrichtung angeordnet. Drei Sekundärelektroden 2 bestehen hier aus durch Schlitze getrennten Segmenten eines konzentrisch zur Primärelektrode 1 angeordneten Sekundärelektrodenzylinders 3. Ein weiterer konzentrisch zur Primärelektrode 1 und außerhalb des Sekundärelektrodenzylinders 3 angeordneter Sammelelektrodenzylinder 4 dient als Sammelelektrode 5 und ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit der Masse verbunden. Die Sekundärelektroden 2 bilden mit der konzentrisch und mit Abstand angeordneten Sammelelektrode 5 jeweils eine Kapazität C, wie durch die Symbole in der Zeichnung angedeutet. 1 shows schematically the electrode assembly of a spark plug according to the invention. A primary electrode 1 is arranged centrally in the axis of the ignition device according to the invention in this schematic view. Three secondary electrodes 2 here consist of segments separated by slots concentric with the primary electrode 1 arranged secondary electrode cylinder 3 , Another concentric to the primary electrode 1 and outside the secondary electrode cylinder 3 arranged collecting electrode cylinder 4 serves as a collecting electrode 5 and is connected to the ground in the present embodiment. The secondary electrodes 2 form with the concentric and spaced collecting electrode 5 each a capacity C, as indicated by the symbols in the drawing.

Durch richtig dimensionierte Kapazitäten C, mit denen die Sekundärelektroden 2 an die Sammelelektrode 5 gekoppelt sind, ist es möglich, die Impedanz der Kapazität C im Bereich der Anregungsfrequenz hoch gegenüber der Impedanz eines zwischen der Primärelektrode 1 und der Sekundärelektrode 2 sich bildenden Plasmaüberschlags 6 zu halten. Die Impedanzen der Kapazitäten C sind dann dominant gegenüber der des gezündeten Plasmaüberschlags 6 und bilden einen Stromteiler mit komplexen Widerständen, der auf einfache und zuverlässige Weise zu mehreren Plasmaüberschlägen 6 führt.By properly dimensioned capacitances C, with which the secondary electrodes 2 to the collecting electrode 5 coupled, it is possible, the impedance of the capacitance C in the region of the excitation frequency high compared to the impedance of one between the primary electrode 1 and the secondary electrode 2 forming plasma flashover 6 to keep. The impedances of the capacitances C are then dominant over that of the ignited plasma flashover 6 and form a current divider with complex resistances, which in a simple and reliable way to several plasma flashovers 6 leads.

Dadurch kann eine hohe Standzeit der Elektroden erreicht werden, da eine punktuelle thermische Überlastung der Primärelektrode 1 und der Sekundärelektroden 2 vermieden wird. Durch eine räumliche Verteilung auf mehrere Plasmaüberschläge 6 ist eine gleichmäßigere und damit schnellere Aufheizung der Luft im Zündbereich der Zündvorrichtung möglich. Bei gleicher Standzeit ist der Einsatz von günstigern oder besser zu verarbeitenden Materialien für Primärelektrode 1 und/oder Sekundärelektroden 2 denkbar.As a result, a long service life of the electrodes can be achieved because a selective thermal overload of the primary electrode 1 and the secondary electrodes 2 is avoided. Through a spatial distribution to several plasma flashovers 6 a more even and thus faster heating of the air in the ignition of the ignition device is possible. With the same service life is the use of cheaper or better to process materials for primary electrode 1 and / or secondary electrodes 2 conceivable.

Durch die Wahl von unterschiedlichen Kapazitäten C für die einzelnen Sekundärelektroden ist auch eine Anpassung an nicht symmetrische Geometrieverhältnisse möglich.By the choice of different capacities C for the individual secondary electrodes is also an adaptation to non-symmetrical geometry ratios possible.

11
Primärelektrodeprimary electrode
22
Sekundärelektrodesecondary electrode
33
SekundärelektrodenzylinderSecondary electrode cylinder
44
SammelelektrodenzylinderCollecting electrode cylinder
55
Sammelelektrodecollecting electrode
66
PlasmaüberschlagPlasma rollover
CC
Kapazitätcapacity

Claims (6)

Hochfrequenz-Zündvorrichtung für eine Hochfrequenz-Plasmazündung, mit einer Primärelektrode (1) und mehreren Sekundärelektroden (2), wobei die Sekundärelektroden (2) untereinander und gegenüber einer Sammelelektrode (5) elektrisch isoliert sind und mit der Sammelelektrode (5) jeweils kapazitiv über eine Kapazität (C) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz der Kapazität (C) im Bereich einer Anregungsfrequenz des Plasmas (6) groß ist gegenüber der Impedanz des sich beim Überschlag bildenden Plasmas (6).High-frequency ignition device for a high-frequency plasma ignition, having a primary electrode ( 1 ) and a plurality of secondary electrodes ( 2 ), the secondary electrodes ( 2 ) with each other and with respect to a collecting electrode ( 5 ) are electrically isolated and with the collecting electrode ( 5 ) are capacitively connected via a capacitance (C), characterized in that the impedance of the capacitance (C) in the region of an excitation frequency of the plasma ( 6 ) is large compared to the impedance of the plasma forming during the flashover ( 6 ). Zündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärelektrode (1) im Zentrum, d. h. in der Symmetrieachse der Zündvorrichtung, angeordnet ist.Ignition device according to claim 1, characterized in that the primary electrode ( 1 ) is arranged in the center, ie in the symmetry axis of the ignition device. Zündvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Sekundärelektroden (2) durch Schlitze getrennte Segmente eines um die Primärelektrode (1) angeordneten Sekundärelektrodenzylinders (3) sind, die jeweils eine Kapazität (C) mit einem weiteren, den Sekundärelektrodenzylinder (3) umgeben, Sammelelektrodenzylinder (4) als Sammelelektrode (5) bilden.Ignition device according to claim 2, characterized in that the plurality of secondary electrodes ( 2 ) segments separated by slots around the primary electrode ( 1 ) arranged secondary electrode cylinder ( 3 ), each having a capacity (C) with another, the secondary electrode cylinder ( 3 ), collecting electrode cylinders ( 4 ) as a collecting electrode ( 5 ) form. Zündvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelelektrodenzylinder (4) mit der Masse der Zündvorrichtung verbunden ist.Ignition device according to claim 3, characterized in that the collecting electrode cylinder ( 4 ) is connected to the mass of the ignition device. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärelektroden mit der Sammelelektrode außerhalb der Zündvorrichtung kapazitiv verbunden werden können.detonator according to one of the preceding claims, characterized that the secondary electrodes with the collecting electrode outside the ignition device capacitively connected. Verfahren zur Erzeugung von Plasma-Überschlägen bei einer Hochfrequenz-Plasmazündvorrichtung mit einer Primärelektrode (1) und mehreren Sekundärelektroden (2) zur mehrfachen Ausbildung von Plasmafunken, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sekundärelektroden (2) untereinander und gegenüber einer Sammelelektrode (5) elektrisch isoliert werden und mit der Sammelelektrode (5) jeweils kapazitiv über eine Kapazität (C) verbunden werden und – die Kapazitäten (C), mit denen die Sekundärelektroden (2) an die Sammelelektrode (5) gekoppelt sind, derart ausgelegt werden, dass die Impedanz der Kapazität (C) im Bereich einer Anregungsfrequenz hoch ist gegenüber der Impedanz des sich beim Überschlag bildenden Plasmas (6), so dass die Impedanz der Kapazität (C) dominant ist gegenüber der des gezündeten Plasmas.Method for generating plasma flashovers in a high frequency plasma ignition device having a primary electrode ( 1 ) and a plurality of secondary electrodes ( 2 ) for the multiple formation of plasma peaks, characterized in that - the secondary electrodes ( 2 ) with each other and with respect to a collecting electrode ( 5 ) are electrically isolated and with the collecting electrode ( 5 ) are each connected capacitively via a capacitor (C) and - the capacitances (C) with which the secondary electrodes ( 2 ) to the collecting electrode ( 5 ) are designed such that the impedance of the capacitance (C) in the region of an excitation frequency is high compared to the impedance of the plasma forming during the flashover (FIG. 6 ), so that the impedance of the capacitance (C) is dominant over that of the ignited plasma.
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