DE102006037039B4

DE102006037039B4 - Hochfrequenz-Zündvorrichtung

Info

Publication number: DE102006037039B4
Application number: DE200610037039
Authority: DE
Inventors: Georg Bachmaier; Robert Baumgartner; Reinhard Freitag; Thomas Dr. Hammer; Oliver Hennig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-08-08
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2010-06-24
Anticipated expiration: 2026-08-09
Also published as: DE102006037039A1; WO2008017600A1

Abstract

Hochfrequenz-Zündvorrichtung, mit einer Primärelektrode (2) und einer Sekundärelektrode (6), wobei die Primärelektrode (2) und Sekundärelektrode (6) einander zugewandte, nicht isolierte Flächen (4, 5) aufweisen, die zueinander einen kurzen Abstand gegenüber ihrer Längserstreckung bis zu einer jeweiligen Elektrodenspitze (3) zu einer Brennraumseite der Zündkerze hin aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen (4, 5) von Primärelektrode (2) und Sekundärelektrode (6) im Wesentlichen jeweils auf einer Äquipotentialfläche des elektrischen Feldes liegen, wenn eine Spannung zwischen der Primärelektrode (2) und der Sekundärelektrode (6) angelegt wird, so dass zwischen den Elektroden an jedem Ort der Elektrodenoberfläche nahezu die gleiche Feldstärken-Größe auftritt und eine untere Begrenzung eines Zündbereichs (7) existiert, indem entweder der Primärelektrode (2) oder der Sekundärelektrode (6) Isoliermaterial (10) gegenüberliegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Zündvorrichtung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Zündvorrichtung für eine Hochfrequenzplasmazündung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 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 (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.
Eine bekannte Zündmöglichkeit, die diese Merkmale bietet, ist die Hochfrequenzplasmazündung, wie sie beispielsweise in der DE 10 2004 058 925 A1 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.
Durch die hohe Temperatur wird das Elektrodenmaterial teilweise verdampft und teilweise verbrannt, d. h. in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre in flüchtige Oxide umgewandelt. Weiterhin beruht der Elektrodenverschleiß auf einer lokalen Überhitzung des Materials, so dass es in den Fußpunkten des Plasmaüberschlags zu einem mikroskopischen, explosionsartigen Verspritzen von geschmolzenem Elektrodenmaterial kommt, das sich auch auf benachbarten Isolatorflächen ablagern kann und damit dessen isolierenden Eigenschaften vermindert. Zusätzliche chemische Wechselwirkungen zwischen dem aufgespritzten flüssigen Elektrodenmaterial mit dem Material der Isolatorkeramik können bei den in Plasmanähe sehr hohen Temperaturen auch zu der völligen Zerstörung der Keramik führen.
Eine dadurch bedingte kürzere Standzeit im Vergleich zu konventionellen Zündsystemen ist für den Serieneinsatz in Kraftfahrzeugen jedoch nachteilig.
Bekannt ist bei herkömmlichen Zündkerzen, z. B. aus der DE 696 06 686 T2 , die Materialbelastung durch Aufteilen des Zündfunkens auf mehrere Elektroden zu verringern. Damit sinken die Energien in den einzelnen Zündfunken und damit die thermische Belastung der einzelnen Berührpunkte, so dass ein Verspritzen der lokal überhitzten Elektroden verhindert werden kann.
Nachteilig an dieser Lösung ist aber, dass sie aufgrund des geringen zur Verfügung stehenden Platzes, insbesondere da ein kleiner Durchmesser der Zündkerzenbohrung erwünscht ist, schwer zu realisieren ist.
Aus der DE 697 26 569 T2 ist ein Plasmazünder mit einer ersten und zweiten Elektrode bekannt, bei der die Elektroden eine gegenüberliegende, nicht isolierte Fläche zueinander aufweisen, die im Verhältnis zum Abstand der Elektroden groß ist. Ein gezündetes Plasma wird durch thermische Kräfte die Elektroden entlang getrieben.
Aus der US 5 361 737 A ist ein Gerät für eine Zündquelle für eine Verbrennungsmaschine bekannt, welches Folgendes umfasst: einen Radiofrequenzgenerator, einen Verstärker und einen koaxialen Hohlraumresonator. Der koaxiale Hohlraumresonator kann für die Verbindung mit einer Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors ausgelegt sein. Weiterhin wird offenbart, mittels Hochfrequenz ein Plasma zu erzeugen. Dieses wird ein größeres Volumen aufweisen als bei einer herkömmlichen Zündung. Ebenso wird ein damit verbundenes Verfahren bereitgestellt.
Aus der DE 102 03 649 A1 ist eine im Selbstdurchbruch betriebene Schaltfunkenstrecke beschrieben, wobei insbesondere auf ein Borda-Profil Bezug genommen wird. Die Vermessung einer solchen Funkenstrecke mit einer Kugelfunkenstrecke dient insbesondere der spannungslokalisierten Zündzuverlässigkeit. Die zu lösende Aufgabe bezieht sich auf eine möglichst homogene Feldverteilung beim Aufladen der zugehörigen Kondensatoren. Es wird allgemein eine Funkenstrecke mit einem Borda-Profil angegeben.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass das Entlanglaufen an den Elektroden nur ungleichmäßig erfolgt und schwer steuerbar ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zündkerze für eine Hochfrequenzplasmazündung anzugeben, bei der die Elektrodenbelastung deutlich reduziert ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Hochfrequenz-Zündvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorteilhaft weist bei einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung die Feldstärke zwischen den Elektroden an jedem Ort der Elektrodenoberfläche nahezu die gleiche Größe auf. Die Elektrodenflächen haben im Querschnitt ein Borda-Profil. Dadurch wird einer Verschiebung des entstehenden Plasmakanals bei einem Zündüberschlag der geringste Widerstand entgegen gesetzt. Es reichen bereits geringe Kräfte, um ein Wandern des Plasmaüberschlags zu erreichen, und der Plasmaüberschlag wird durch die thermodynamische Kraft der stark erhitzen Luft im Luftspalt zwischen der Primärelektrode und der Sekundärelektrode aus der Zündkerze in Richtung des zündfähigen Gemisches getrieben. Die lokale Elektrodenmaterialüberhitzung im Berührpunkt des Plasmaüberschlags wird verringert, indem eine örtliche Verlagerung des Berührpunkts während der Dauer des Plasmaüberschlags erfolgt. Die Belastung wird räumlich über die ganze Fläche der Primärelektrode und der Sekundärelektrode verteilt und erfolgt so kurzzeitig, dass auch eine Erhitzung des Elektrodenmaterials bis zur lokalen Verflüssigung unschädlich bleibt, wenn die Zeit zu kurz ist, um einen Materialabtrag durch Verspritzen zu bewirken. Der Berührpunkt wandert weiter und das lokal erhitzte Material kann ohne nennenswerte Verluste wieder erstarren. Durch die Erfindung können die Standzeiten erheblich gesteigert werden.
Vorteilhaft ist die Primärelektrode und/oder Sekundärelektrode am Übergang zur Elektrodenspitze abgerundet.
Dadurch wird eine Feldstärkeüberhöhung, wie beispielsweise an einer Kante einer Elektrode vermieden und der Berührpunkt des Plasmaüberschlags bleibt nicht an einer solchen Kante „hängen”.
In einer günstigen Ausführungsform ist in einem Zündbereich an dem den Elektrodenspitzen entgegen gesetzten unteren Ende der Flächen der Abstand zwischen Primärelektrode und Sekundärelektrode geringer, als es den Äquipotentialflächen entspricht.
Dadurch kann eine definierte Anfangsbedingung und insbesondere ein festgelegter Zündbereich für den Start des Plasmaüberschlags erreicht werden.
Vorteilhaft ist in einem Bereich an dem den Elektrodenspitzen entgegen gesetzten unteren Ende der Flächen ein Luftvolumen vorhanden, so dass ein Zündbereich, in dem der Plasmaüberschlag erfolgt, oberhalb des Luftvolumens liegt.
In günstiger Ausführungsform ist der Primärelektrode oder der Sekundärelektrode am unteren Ende der Flächen Isoliermaterial gegenüberliegend angeordnet.
Wenn durch die Kombination von spezieller Formgebung der zwei Elektrodenabstände zueinander und des Isolationsmaterials ein Luftspalts zwischen einer der Elektroden und Isoliermaterial entsteht, kommt es zu einer thermisch bedingten Expansion des im Luftspalt befindlichen Luftvolumens bei der Zündung des Plasmavolumens. Durch die Größe des Luftvolumens kann die Kraft bzw. Geschwindigkeit des Verschiebens des Plasmaüberschlags beeinflusst werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Primärelektrode und die Sekundärelektrode als konzentrisch angeordnete Zylinderfläche rotationssymetrisch ausgebildet.
Dadurch kann eine große Oberfläche und eine möglichst breite Verteilung der Berührpunkte des Plasmaüberschlags auf die Oberfläche erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mithilfe eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige
Figur schematisch im Querschnitt den Bereich der Elektroden einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung.
In der einzigen Figur ist schematisch im Querschnitt der Bereich der Elektroden einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung dargestellt. Eine als Mittenelektrode 1 ausgebildete Primärelektrode 2 ragt mit ihrer Elektrodenspitze 3 in einen nicht dargestellten Brennraum. Der Übergang zwischen Elektrodenspitze 3 und einer ersten Funkengleitfläche 4 ist abgerundet. Die erste Funkengleitfläche 4 liegt einer entsprechenden zweiten Funkengleitfläche 5 an einer die Primärelektrode 2 konzentrisch umgebenden Sekundärelektrode 6 gegenüber. Die Oberfläche von erster Funkengleitfläche 4 und zweiter Funkengleitfläche 5 entspricht jeweils einer Äquipotentialfläche des elektrischen Feldes, wenn eine Spannung zwischen Primärelektrode 2 und einer Sekundärelektrode 6 angelegt wird. Zwischen der Primärelektrode 2 und der Sekundärelektrode 6 ist ein Keramikisolationsmaterial 10 angeordnet. Unterhalb eines Zündbereichs 7, in dem der Abstand der ersten Funkengleitfläche 4 und der zweiten Funkengleitfläche 5 geringer ist, als es den Äquipotentialflächen entspräche, ist ein Luftvolumen 8 angeordnet, in dem der Primärelektrode 2 nur Keramikisoliermaterial 10 gegenüberliegt.
Wenn der nicht dargestellte Schwingkreis der Hochfrequenzplasmazündung angeregt wird, kommt es im Zündbereich 7 zu einem Plasmaüberschlag 9, da hier die Feldstärke durch den geringeren Abstand erhöht ist. Zugleich wird die Luft in dem Luftvolumen 8 durch das Plasma, wie auch Koronarentladungen erhitzt und treibt den Plasmaüberschlag 9 in Richtung Elektrodenspitze 3. Durch die Äquipotentialflächen der ersten Funkengleitfläche 4 und der zweiten Funkengleitfläche 5 reichen bereits geringe Kräfte, um ein Wandern des Plasmaüberschlags 9 zu erreichen, und der Plasmaüberschlag wird durch die thermische Kraft der stark erhitzen Luft im Luftspalt zwischen der Primärelektrode 2 und der Sekundärelektrode 6 aus der Zündkerze in Richtung des zündfähigen Gemisches getrieben. Zeitlich aufeinander folgende Bilder des Plasmaüberschlags 9 sind zur Verdeutlichung dargestellt.
Die Belastung wird räumlich über die ganze Fläche der Primärelektrode 2 und der Sekundärelektrode 6 verteilt und erfolgt so kurzzeitig, dass auch eine Erhitzung des Elektrodenmaterials bis zur lokalen Verflüssigung unschädlich bleibt, wenn die Zeit zu kurz ist, um einen Materialabtrag durch Verspritzen zu bewirken. Der Berührpunkt wandert weiter und das lokal erhitzte Material kann ohne nennenswerte Verluste wieder erstarren. Die Standzeiten der Zündkerze sind erheblich erhöht.

1: Mittenelektrode
2: Primärelektrode
3: Elektrodenspitze
4: erste Funkengleitfläche
5: zweite Funkengleitfläche
6: Sekundärelektrode
7: Zündbereich
8: Luftvolumen
9: Plasmaüberschlag
10: Keramikisoliermaterial

Claims

Hochfrequenz-Zündvorrichtung, mit einer Primärelektrode (2) und einer Sekundärelektrode (6), wobei die Primärelektrode (2) und Sekundärelektrode (6) einander zugewandte, nicht isolierte Flächen (4, 5) aufweisen, die zueinander einen kurzen Abstand gegenüber ihrer Längserstreckung bis zu einer jeweiligen Elektrodenspitze (3) zu einer Brennraumseite der Zündkerze hin aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen (4, 5) von Primärelektrode (2) und Sekundärelektrode (6) im Wesentlichen jeweils auf einer Äquipotentialfläche des elektrischen Feldes liegen, wenn eine Spannung zwischen der Primärelektrode (2) und der Sekundärelektrode (6) angelegt wird, so dass zwischen den Elektroden an jedem Ort der Elektrodenoberfläche nahezu die gleiche Feldstärken-Größe auftritt und eine untere Begrenzung eines Zündbereichs (7) existiert, indem entweder der Primärelektrode (2) oder der Sekundärelektrode (6) Isoliermaterial (10) gegenüberliegt.
Zündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärelektrode (2) am Übergang zur Elektrodenspitze (3) abgerundet ist.
Zündvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärelektrode (6) am Übergang zur Elektrodenspitze abgerundet ist.
Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zündbereich (7) an dem den Elektrodenspitzen (3) entgegen gesetzten unteren Ende der Flächen (4, 5) der Abstand zwischen Primärelektrode (2) und Sekundärelektrode (6) geringer ist, als es den Äquipotentialflächen entspricht.
Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich an dem den Elektrodenspitzen (3) entgegen gesetzten unteren Ende der Flächen (4, 5) ein Luftvolumen (8) vorhanden ist, so dass der Zündbereich (7), in dem ein Plasmaüberschlag (9) erfolgt, oberhalb des Luftvolumens (8) liegt.
Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärelektrode (2) und die Sekundärelektrode (6) als konzentrisch angeordnete Zylinderflächen rotationssymmetrisch ausgebildet sind.