DE102006037246A1 - Verfahren zum Betreiben einer Zündkerze eines Zündsystems sowie Zündsystem und geeignete Zündkerze - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Zündkerze eines Zündsystems sowie Zündsystem und geeignete Zündkerze Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft das Betreiben einer Zündkerze (1) eines Zündsystems in einem Verbrennungsmotor, wobei die Zündkerze (1) zwei Elektroden (2, 3) aufweist, in einen Verbrennungsraum hineinreichen kann und zwischen denen sich teilweise ein Dielektrikum (4) befindet. Es ist eine Induktivität (8) vorgesehen, die zusammen mit der aus den Elektroden (2, 3) und dem zwischen liegenden Dielektrikum (4) geformten Kapazität (5) einen Schwingkreis bildet sowie ein Hochfrequenz-Generator (10) zur Anregung des Schwingkreises. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird periodisch eine Plasmaentladung zwischen den Elektroden (2, 3) gezündet, indem der Schwingkreis resonant angeregt wird. In dem Zeitraum zwischen zwei Anregungen der Plasmaentladung wird in dem Dielektrikum (4) Verlustwärme freigesetzt, indem der Schwingkreis nichtresonant angeregt wird. Auf diese Weise können in den Verbrennungsraum hineinreichende Teile der Zündkerze (1) kontrolliert auf eine gewünschte Temperatur geheizt werden. Weiterhin werden ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Hochfrequenz-Zündsystem sowie eine geeignete Zündkerze (1) beschrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Zündkerze eines Zündsystems in einem Verbrennungsmotor, wobei die Zündkerze zwei Elektroden aufweist, die in einen Verbrennungsraum hineinreichen können und zwischen denen sich teilweise ein Dielektrikum befindet, eine Induktivität vorgesehen ist, die zusammen mit der aus den Elektroden und dem zwischen liegenden Dielektrikum geformten Kapazität einen Schwingkreis bildet und ein Generator zur Anregung des Schwingkreises vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein geeignetes Zündsystem sowie eine Zündkerze für ein solches System.
  • Zündsysteme haben in Verbrennungsmotoren die Aufgabe, das Kraftstoff-Luftgemisch im Verbrennungsraum durch das Einbringen von thermischer Energie zu einem geeigneten Zeitpunkt zu zünden. Üblicherweise ist dazu eine Zündkerze vorgesehen, die teilweise in den Brennraum hineinragt und im Wesentlichen aus zwei Elektroden besteht, zwischen denen innerhalb des Brennraums eine Plasmaentladung (Zündfunke) angeregt wird. Für eine solche Zündkerze hat sich als Grundaufbau eine konzentrische Anordnung mit einer in einem Isolationskörper geführten Innenelektrode innerhalb eines metallischen Gehäuses, das mittels eines Außengewindes in die Wandung des Brennraums eingeschraubt wird, etabliert. Im Brennraum ragt das Ende der Innenelektrode aus dem Isolationskörper heraus. An dieses freie Ende ist häufig eine oft hakenförmig ausgebildete und mit der Gehäusemasse verbundene weitere Elektrode, die Außenelektrode, herangeführt. Zwischen den Enden der beiden Elektroden wird im Betrieb der Zündfunke ausgebildet.
  • Dieser Zündfunke kann dabei durch Gleichspannung oder durch hochfrequente Wechselspannung hervorgerufen werden. Bei dem in der Praxis nach wie vor meist verbreiteten System der Gleichspannungsentladung wird der benötigte Hochspannungsim puls typischerweise induktiv durch eine Zündspule bereitgestellt. Als Folge bildet sich zwischen den Elektroden eine Bogenentladung mit mittleren Gastemperaturen von 20.000 Kelvin. Der Durchmesser einer solchen Entladung beträgt typisch wenige Zehntel Millimeter. Sie dauert meist kürzer als Millisekunden, wonach sie sowohl durch thermische Ausdehnung bei gleichzeitiger Abkühlung sowie durch den Zusammenbruch des induktiv erzeugten Hochspannungspulses abbricht. Die entstehende Plasmaentladung beim Gleichspannungs-Zündsystem ist also sowohl räumlich wie zeitlich stark lokalisiert.
  • Zündsysteme, bei denen eine Plasmaentladung über eine hochfrequente Spannung angeregt wird, sind beispielsweise aus den Druckschriften US 4446826 und WO 00/29746 bekannt. Im Gegensatz zur Gleichspannungsentladung, bei der der zeitliche Verlauf der Entladung nur schwer, bzw. bei induktiv erzeugten Hochspannungspulsen gar nicht kontrollierbar ist, lassen sich hochfrequenzerzeugte Plasmaentladungen über einen längeren Zeitraum durch einen entsprechenden Hochfrequenzspannungspuls aufrecht erhalten oder durch Variation von Amplitude und/oder Frequenz innerhalb der Pulsdauer sogar gezielt in ihrer Ausdehnung beeinflussen.
  • Zur Realisierung der Hochfrequenz-Plasmaentladung werden verschiedene Konzepte eingesetzt. Zum Einen ist bekannt, Hochfrequenz im Gigahertzbereich zum Beispiel durch ein Klystron zu erzeugen und die Zündkerze als Mikrowellenresonator mit einer λ/4-Einkopplung auszulegen. Der in den Brennraum hineinragende Teil der Elektroden stellt das lose Ende des Resonators dar, an dem sich eine gegenüber der Einkopplung um den Gütefaktor des Resonators erhöhte Hochfrequenz-Spannungsamplitude einstellt.
  • Alternativ ist bekannt, einen Schwingkreis aus den Elektroden der Zündkerze, die zueinander eine Kapazität bilden, sowie einer externen Induktivität, die in die Zündkerze integriert ist, zu formen. Die Induktivität kann dabei beispielsweise ebenfalls von einer Elektrode gebildet werden, die außerhalb des Brennraums zu einer Spule ausgeformt ist. Typische Betriebsfrequenzen einer solchen Anordnung liegen unterhalb von 100 Megahertz und sind somit technisch einfacher zu handhaben. Der in die Zündkerze integrierte Schwingkreis wird ebenfalls resonant betrieben, sodass sich eine um den Gütefaktor erhöhte Hochfrequenzspannung an den Elektroden ergibt. Gütefaktoren größer 100 sind realisierbar und ermöglichen, mit einer Anregungsamplitude von weniger als 1.000 Volt die für die Plasmaanregung notwendigen Hochfrequenz-Hochspannungsamplitude an den Elektroden bereitzustellen.
  • Von den bislang beschriebenen Systemen, bei denen sich die Plasmaentladung zwischen zwei Elektroden ausbildet, unterscheidet sich ein weiteres Zündsystem, bei dem die Zündkerze nur eine Mittelelektrode hat und als Sendeantenne für in den Brennraum einzuspeisende Mikrowellenstrahlung fungiert. Auf diese Weise werden großvolumige Mikrowellenmoden im Brennraum angeregt, wodurch ein räumlich ausgedehntes, nicht elektrodengeführtes Plasma entsteht. Eine für die Ausbildung dieser Mikrowellenmoden geeignete Brennraumgeometrie ist jedoch nicht unbedingt aus verbrennungstechnischer Sicht optimal, was bislang zu Akzeptanzproblemen dieses Zündsystems in der Automobilindustrie führte.
  • Bei allen bislang angeführten Zündsystemen liegt die Funktion des Isolators der Mittelelektrode nicht nur in der elektrischen Isolation dieser Elektrode. Der Isolator bestimmt durch seine Geometrie und Wärmeleitungseigenschaften auch die mittlere, quasi statische Temperatur der in den Brennraum hineinragenden Zündkerzenteile, die sich aufgrund des dynamischen Gleichgewichts zwischen Wärmeaufnahme aus dem heißen Brenngas und Wärmeabfuhr an die gekühlten Brennraumwände, in die die Zündkerze eingeschraubt ist, ergibt. Zündkerzen für benzinbetriebene Verbrennungsmotoren werden üblicherweise so ausgelegt, dass die mittlere Temperatur der in den Brennraum hineinragenden Teile zwischen 400 und 850 Grad Celsius liegt. Ist die Temperatur zu tief, bilden sich Ablagerungen von Verbrennungsprodukten, zum Beispiel Ruß- oder Ölkohlebeläge.
  • Ist die Temperatur zu hoch, steigt die Gefahr der vorzeitigen Selbstzündung des Brennstoff-Luftgemisches. Die gewünschte Temperatur ist dabei abhängig vom eingesetzten Brennstoff und die erreichte Temperatur abhängig von Betriebsparametern des Motors sowie der Auslegung der Zündkerze. Durch entsprechende Dimensionierung der Wärmeleitungseigenschaften der Zündkerze wird versucht, die gewünschte Temperatur zu erreichen. Im Handel sind daher Zündkerzen mit unterschiedlicher Dimensionierung der Wärmeabfuhr von den Elektroden an die gekühlten Verbrennungsraumwände erhältlich. Sie werden durch eine so genannte Wärmekennzahl klassifiziert.
  • So lange die Betriebsparameter eines Motors nur innerhalb von engen Grenzen variiert werden und der Motor nur für den Betrieb mit einer Kraftstoffart ausgelegt ist, lassen sich auf diese Weise befriedigende Ergebnisse erzielen. Probleme treten jedoch auf, wenn ein Motor mit unterschiedlichen Brennstoffen betrieben werden soll. Zu der Gruppe solcher Motoren, den so genannten Hybridmotoren, sind zum Beispiel solche, die alternativ mit Benzin oder Wasserstoff betrieben werden können. Für einen einwandfreien Betrieb des Motors mit Benzin sollte die Zündkerzentemperatur so hoch sein, dass sich auf dem Isolationskörper und den Elektroden kein Ruß absetzt. Eine Zündkerze, die so ausgelegt ist, dass sie die zur Vermeidung der Rußablagerung erforderlichen Temperaturen erreicht, führt im Wasserstoffbetrieb jedoch bereits zu Selbstzündungen. Umgekehrt ist eine Zündkerze, die sich auf eine niedrigere mittlere Temperatur einstellt, bei der im Wasserstoffbetrieb noch keine Selbstzündung erfolgt, nicht geeignet, um im Benzinbetrieb die Rußablagerung zu verhindern. Nach dem Stand der Technik ist kein Zündsystem für beide verschiedenen Brennstoffe geeignet.
  • Ein ähnliches Problem ergibt sich, wenn zwar nur eine Brennstoffsorte, diese aber unter stark unterschiedlichen Betriebsbedingungen verwendet wird. Dieses ist zum Beispiel bei den stark unterschiedlichen Betriebsmodi der Homogen- und der Schichtbeladung bei den so genannten direkt-einspritzenden (DI) Benzinmotoren der Fall.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Zündkerze eines-Zündsystems in einem Verbrennungsmotor anzugeben, durch das das Zündsystem auf einfache Weise an verschiedene, stark unterschiedliche Betriebszustände beziehungsweise Brennstoffe eines Verbrennungsmotors angepasst werden kann. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein geeignetes Zündsystem sowie eine Zündkerze für ein Zündsystem anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, ein Zündsystem nach Anspruch 5, sowie eine Zündkerze nach Anspruch 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die Grundidee der Erfindung beruht darin, die Zündkerze eines Zündsystems in einem Verbrennungsmotor so zu betreiben, dass periodisch eine Plasmaentladung zwischen den Elektroden gezündet wird und in dem Zeitraum zwischen zwei Anregungen der Plasmaentladung in dem Dielektrikum Verlustwärme freizusetzen, indem die Zündkerze mit einer Frequenz angeregt wird, wodurch die in den Verbrennungsraum hineinreichenden Teile der Zündkerze geheizt werden. Vorteilhafterweise wird dadurch die Temperatur der in den Verbrennungsraum hineinreichenden Teile der Zündkerze gezielt durch die Anregung verändert.
  • Durch die Erfindung wird ermöglicht, die Temperatur der Teile einer Zündkerze, die in den Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors hineinreichen, auf einfache Weise, nämlich nur durch Verändern elektrischer Betriebsparameter des Zündsystems, an unterschiedlichste Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors anzupassen. Unterschiedliche Betriebsbedingungen können dabei aus der alternativen Verwendung verschiedener Brennstoffe oder aber aufgrund verschiedener Verbrennungsparameter, zum Beispiel Schichtladebetrieb beziehungsweise Ho mogenladebetrieb bei direkt einspritzenden Benzinmotoren, resultieren.
  • Frei gesetzt wird die thermische Energie in den aus den Elektroden gebildeten Kondensator aufgrund der Umpolarisierung der elektrischen Dipole im Dielektrikum. Dieser Effekt ist bei technisch eingesetzten Kondensatoren meist unerwünscht, wird hier aber erfindungsgemäß vorteilhaft zum Heizen der in den Brennraum hineinragenden Teile der Zündkerze ausgenutzt. Vorteilhafterweise wird dazu ein Dielektrikum eingesetzt, das in dem verwendeten Frequenzbereich der benutzten Frequenz hohe Umpolarisierungsverluste aufweist. Ein solches Dielektrikum ist durch einen großen imaginären Anteil der komplexen elektrischen Suszeptibilitätskonstante ausgezeichnet. Vorteilhafterweise ist dieser imaginäre Anteil der elektrischen Suszeptibilitätskonstante des Dielektrikums größer als der eines eventuell in der Zündkerze zusätzlich verwendeten Isolationskörpers, um die erzeugte Wärme gezielt im Bereich des Dielektrikums freizusetzen und nicht im gesamten Volumen des Isolationskörpers.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mithilfe einer Figur näher erläutert.
  • Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Zündsystems, das zur Durchführung des Verfahrens zum Betreiben der Zündkerze geeignet ist in einer schematischen Darstellung.
  • Das Zündsystem umfasst eine Zündkerze 1, die eine Innenelektrode 2 und eine Außenelektrode 3 aufweist. Die Innenelektrode 2 ist von einem ersten Dielektrikum 4a konzentrisch umgeben. Dieses erste Dielektrikum 4a hat die Funktion eines isolierenden Grundkörpers. Entlang des äußeren Umfangs des ersten Dielektrikums 4a verläuft eine Außenelektrode 3 die in einem Bereich 3a hohlzylinderförmig ausgeführt ist und in diesem Bereich 3a das erste Dielektrikum 4a konzentrisch umschließt. Zwischen dem hohlzylinderförmigen Bereich 3a der Außenelekt rode 3 und dem ersten Dielektrikum 4a ist ein ebenfalls hohlzylinderförmiges zweites Dielektrikum 4b vorgesehen. Zwischen den Elektroden 2 und 3 wird so eine Kapazität 5 gebildet. Das erste Dielektrikum 4a ist in einem mittleren Bereich abgedichtet in ein rohrförmiges metallisches Gehäuse 9 mit Außengewinde eingebettet. Die Außenelektrode 3 ist an einem Ende elektrisch und mechanisch mit dem Gehäuse 9 verbunden. An ihrem anderen Ende ist die Außenelektrode 3 hakenförmig ausgebildet und auf das aus dem ersten Dielektrikum 4a herausragende Ende der Innenelektrode 2 zugebogen. Diese Seite der Zündkerze 1 ist dazu vorgesehen, in den Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors hineinzuragen. Auf der anderen, brennraumfernen Seite der Zündkerze 1 ist eine Spule 6 auf einem auf das erste Dielektrikum 4a auf gesteckten Spulenkörper 7 vorgesehen. Elektrisch bildet die Spule 6 eine Induktivität 8. Sie ist mit einem ihrer Anschlüsse in Serie mit der Innenelektrode 2 geschaltet. Der andere Anschluss der Spule 6 ist mit einem Anschluss des Hochfrequenz-Generators 10 verbunden, dessen zweiter Anschluss die Außenelektrode 3 kontaktiert.
  • Die in der Figur gezeigte Zündkerze 1 ist in ihrem mechanischen Aufbau an gebräuchliche, typischerweise mit Hochspannungs-Gleichspannungsimpulsen betriebene Zündkerzen angelehnt. Mit Ausnahme der hakenförmig ausgeführten Außenelektrode 3 ist sie rotationssymmetrisch um die zentral angeordnete Innenelektrode 2 aufgebaut. Wie bekannte Zündkerzen weist sie ein metallisches Gehäuse 9 mit Außengewinde auf, mit dem sie in eine entsprechende Gewindebohrung der Verbrennungsraumwand geschraubt werden kann. Aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt ist ein mit diesem Gehäuse 9 verbundener oder aus diesem Gehäuse 9 ausgeformter Vielkant zur Montage der Zündkerze 1.
  • Die Anregung einer Plasmaentladung zwischen den Spitzen der Innenelektrode 2 und der Außenelektrode 3 setzt eine entsprechend hohe Feldstärke zwischen diesen beiden Elektroden voraus. Die dazu erforderlichen hohen Spannungen zwischen der Innenelektrode 2 und der Außenelektrode 3 werden durch reso nante Anregung eines Schwingkreises durch den Hochfrequenz-Generator 10 erzeugt. Gebildet wird dieser Schwingkreis aus der Kapazität 5 zwischen den beiden Elektroden und der Induktivität 8 der Spule 6. Die Kapazität zwischen Innenelektrode 2 und Außenelektrode 3 wird zum einen dadurch erhöht, dass ein Teil der Außenelektrode 3 als Hohlzylinder 3a ausgeführt ist und zum anderen dadurch, dass zwischen den Elektroden 2 und 3 das zweite Dielektrikum 4b vorgesehen ist.
  • Im gezeigten Beispiel sind die Kapazität 5 und die Induktivität 8 elektrisch zu einem Serienschwingkreis verschaltet, wobei der Einsatz eines Parallelschwingkreises aber ebenso möglich ist. Damit der entstehende Schwingkreis eine hohe Güte aufweist, sind Ohm'sche Verlustwiderstände möglichst gering zu halten. Es ist daher sinnvoll, die Induktivität möglichst nah an der Zündkerze 1 vorzusehen, was im gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch gelingt, dass die Spule 6 auf einem entsprechenden Spulenkörper 7 auf eine Verlängerung des ersten Dielektrikums 4a außerhalb des Brennraums aufgesetzt wird. Eine solche Integration der Induktivität mit der Zündkerze 1 zu einem zündkerzenähnlichen Gebilde ist auch im Hinblick auf eine geometrische Kompatibilität zu herkömmlichen Zündkerzen wünschenswert.
  • Typischerweise ist bei der gezeigten Anordnung ein Gütefaktor größer 100 für den Schwingkreis erreichbar. Die Spannung zwischen den freiliegenden Spitzen der Elektroden 2, 3 ist um diesen Faktor höher als die Amplitude des Hochfrequenz-Generators 10. Dadurch steht bei technisch leicht erzeugbaren Amplituden von weniger als 1.000 Volt des Hochfrequenz-Generators 10 eine ausreichende Feldstärke zur Anregung der Plasmaentladung zur Verfügung.
  • Zwischen dem hohlzylinderförmigen Bereich 3a der Außenelektrode 3 und der Innenelektrode 2 ist ein Teil des Volumen des Kondensators mit dem zweiten Dielektrikum 4b gefüllt. Zu diesem Zweck weist das erste Dielektrikum 4a eine entsprechende rotationssymmetrische Vertiefung auf, die mit dem zweite Die lektrikum 4b gefüllt ist. Das zweite Dielektrikum 4b kann z.B. durch Aufdampfen oder Aufschmelzen aufgebracht werden.
  • Für das zweite Dielektrikum 4b wird sinnvollerweise ein dielektrisches Material gewählt, das sich durch hohe dielektrische Umpolarisationsverluste im Bereich der eingesetzten Hochfrequenz auszeichnet. Solche Materialien sind durch einen großen Imaginäranteil ihrer elektrischen Suszeptibilitätskonstante X auszeichnet. Eine geeignete Materialgruppe hierfür stellen zum Beispiel die Titanat-Keramiken dar.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die in dem zweiten Dielektrikum 4b frei werdende Wärme gezielt genutzt, um die Zündkerze 1, beziehungsweise ihre in den Brennraum hineinragenden Teile auf eine gewünschte Temperatur aufzuheizen. Zu diesem Zweck werden die Pausen zwischen zwei Zündungen genutzt, um über den Hochfrequenz-Generator 10 elektrische Energie nicht-resonant in den Schwingkreis einzukoppeln, sodass zwischen Innenelektrode 2 und Außenelektrode 3 eine Hochfrequenz-Amplitude anliegt, die zu klein ist, um eine Plasmazündung hervorzurufen, aber groß genug ist, um einen nennenswerten Wärmeeintrag in das zweite Dielektrikum 4b zu bewirken. Alternativ wäre es möglich, in diesen Pausen den Schwingkreis wie im Zündfall resonant, aber mit einer geringeren Amplitude anzuregen.
  • Selbstverständlich wird auch während der Plasmaanregung zur Zündung im zweite Dielektrikum 4b Wärme freigesetzt, aufgrund der verhältnismäßig kurzen Zündzeit verglichen mit der Pausenzeit zwischen zwei Zündungen ist dieser Anteil jedoch gering. Der Imaginäranteil der elektrischen Suszeptibilitätskonstante ist bei dielektrischen Materialien zudem frequenzabhängig. Es sind dielektrische Materialien bekannt, bei denen dieser Effekt im eingesetzten Frequenzbereich besonders ausgeprägt ist. Durch ein geeignet gewähltes Material für das zweite Dielektrikum 4b und geeignet gewählte Frequenzen kann erreicht werden, dass die Umpolarisationsverluste bei der zum Heizen in den Zündpausen benutzten Frequenz größer sind als bei der zur Zündung eingesetzten Frequenz. Auf diese Weise kann der Wärmeeintrag während der Zündzeit minimiert werden. Durch Variation der Betriebsparameter des Hochfrequenz-Generators 10 in den Zündpausen kann somit gezielt der Wärmeeintrag in die Zündkerze 1 und damit ihre Temperatur beeinflusst werden.
  • Durch die geometrische Auslegung der Zündkerzenspitze 1, insbesondere der Größe und Position des hohlzylinderförmigen Bereichs 3a der Außenelektrode 3 sowie das Volumen des zweiten Dielektrikums 4b kann die Temperaturverteilung der Zündkerzenspitze 1 auch gezielt eingestellt werden. Es ist beispielsweise möglich, das zweite Dielektrikum 4b in seinem Querschnitt über die Länge des hohlzylinderförmigen Bereichs 3a nicht konstant zu halten wie es im Ausführungsbeispiel gezeigt ist, sondern seinen Querschnitt für verschiedene Abstände von der Spitze der Zündkerze 1 variabel zu gestalten. Dieses wird zu Wärmeeintrag führen, der für verschiedene Abstände von der Spitze der Zündkerze 1 unterschiedlich ist. Damit ist das räumliche Temperaturprofil der Zündkerze gezielt beeinflussbar. Umgekehrt kann gegebenenfalls der gesamte Grundkörper der Zündkerze 1 aus dem zweite Dielektrikum 4b bestehen, falls ein räumliche Differenzierung des Wärmeeintrags nicht erforderlich ist. In dem Fall vereinfacht sich die Herstellung der Zündkerze 1.
  • Ein Zündsystem, das für den Einsatz unter verschiedensten Betriebsbedingungen, zum Beispiel für den Einsatz für die beiden verschiedenen Kraftstoffe Benzin und Wasserstoff geeignet ist, kann wie folgt konzipiert werden.
  • Für den Betrieb eines Verbrennungsmotors mit gasförmigem Wasserstoff wird eine Zündkerze mit einer geringeren mittleren Temperatur ihrer in den Brennraum hineinragenden Teile benötigt, als für den Betrieb mit Benzin, um Selbstentzündung beziehungsweise Verrußung zu vermeiden. Eine geeignete Zündkerze 1 wird daher so ausgelegt, dass sich bei ihrem Betrieb ohne zusätzliche Heizung in den Zündpausen die geforderte ge ringere Temperatur für den Wasserstoffbetrieb als quasistatische Temperatur einstellt. Dieses kann beispielsweise durch ein eher kurzes ersten Dielektrikum 4a als Grundkörper der Zündkerze sowie eine gute Wärmeanbindung von diesem Grundkörper auf das mit der üblicherweise gekühlten Verbrennungsraumwand in Verbindung stehende Gehäuse 9 erreicht werden. Der unvermeidliche Wärmeeintrag durch das zweite Dielektrikum 4b in der Zündphase ist dabei gegebenenfalls mit zu berücksichtigen.
  • Zum Betrieb des Motors mit Benzin wird dann in den Zündpausen vom Hochfrequenz-Generator 10 nicht-resonant elektrische Energie in den Schwingkreis eingekoppelt, sodass durch das zweite Dielektrikum 4b im Mittel soviel Wärme in die Zündkerzenspitze eingetragen wird, dass diese auf die erforderliche Temperatur geheizt wird.
  • Somit kann erfindungsgemäß der Motor unter sehr verschiedenen Betriebsbedingungen mit nur einem Zündsystem betrieben werden, da das Zündsystem auf einfache Weise, nämlich lediglich durch Einstellen geeigneter elektrischer Betriebsparameter, an die verschiedenen Betriebsbedingungen angepasst werden kann.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Zündkerze (1) eines Zündsystems in einem Verbrennungsmotor, wobei – die Zündkerze (1) zwei Elektroden (2, 3) aufweist, die in einen Verbrennungsraum hineinreichen können und zwischen denen sich teilweise ein Dielektrikum (4) befindet, – ein Frequenz-Generator (10) zur Anregung der Zündkerze vorgesehen ist, bei dem – periodisch eine Plasmaentladung zwischen den Elektroden (2, 3) gezündet wird, und – in dem Zeitraum zwischen zwei Anregungen der Plasmaentladung in dem Dielektrikum (4) Verlustwärme freigesetzt wird, indem die Zündkerze angeregt wird und auf diese Weise die in den Verbrennungsraum hineinreichenden Teile der Zündkerze (1) geheizt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eines Hochfrequenz-Zündsystems in einem Verbrennungsmotor vorliegt, wobei – die Zündkerze (1) zwei Elektroden (2, 3) aufweist, die in einen Verbrennungsraum hineinreichen können und zwischen denen sich teilweise ein Dielektrikum (4) befindet, – eine Induktivität (8) vorgesehen ist, die zusammen mit der aus den Elektroden (2, 3) und dem zwischen liegenden Dielektrikum (4) geformten Kapazität (5) einen Schwingkreis bildet und – ein Hochfrequenz-Generator (10) zur Anregung des Schwingkreises vorgesehen ist, bei dem – periodisch eine Plasmaentladung zwischen den Elektroden (2, 3) gezündet wird, indem der Schwingkreis resonant angeregt wird, und – in dem Zeitraum zwischen zwei Anregungen der Plasmaentladung in dem Dielektrikum (4) Verlustwärme freigesetzt wird, indem der Schwingkreis nicht-resonant angeregt wird und auf diese Weise die in den Verbrennungsraum hineinreichenden Teile der Zündkerze (1) geheizt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Temperatur der in den Verbrennungsraum hineinreichenden Teile der Zündkerze (1) gezielt durch die Frequenzanregung verändert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Temperatur der in den Verbrennungsraum hineinreichenden Teile der Zündkerze (1) gezielt durch die nicht-resonante Anregung des Schwingkreises verändert wird.
  5. Hochfrequenz-Zündsystem zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 2 oder 4, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, umfassend: – eine Zündkerze (1) mit zwei Elektroden (2, 3), die in einen Verbrennungsraum hineinreichen und zwischen denen sich teilweise ein Dielektrikum (4) befindet, – einer Induktivität (8), die zusammen mit der aus den Elektroden (2, 3) und dem zwischen liegenden Dielektrikum (4) geformten Kapazität (5) einen Schwingkreis bildet und – einen Hochfrequenz-Generator (10) zur Anregung des Schwingkreises, das dazu eingerichtet ist, die Zündkerze (1) gemäß einem der in den Ansprüchen 1 oder 2 angegebenen Verfahren zu betreiben.
  6. Zündkerze (1) für ein Zündsystem mit zwei Elektroden (2, 3), die geeignet sind, in einen Verbrennungsraum hineinzureichen, wobei – eine der Elektroden, die Innenelektrode (2), bis auf einen freigelassenen Abschnitt an ihrem Ende von Dielektrikum (4) umschlossen ist, das ein erstes Dielektrikum 4a sowie ein das erste Dielektrikum 4a in zumindest einem Teilbereich konzentrisch umgebendes zweites Dielektrikum (4b) aufweist und – die andere Elektrode, die Außenelektrode (3), in diesem Teilbereich hohlzylinderförmig ausgeführt ist und das zweite Dielektrikum (4b) konzentrisch umgibt.
  7. Zündkerze (1) nach Anspruch 6, bei der sich das zweite Dielektrikum (4b) durch einen überdurchschnittlich großen imaginären Anteil der elektrischen Suszeptibilitätskonstante auszeichnet.
  8. Zündkerze (1) nach Anspruch 7, bei der das zweite Dielektrikum (4b) eine Titanat-Keramik ist.
  9. Zündkerze (1) nach Anspruch 7, bei der das zweite Dielektrikum (4b) Perowskit (C350) ist.
  10. Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei der der imaginäre Anteil der elektrischen Suszeptibilitätskonstante des zweiten Dielektrikums (4b) größer ist als der des ersten Dielektrikums (4a).
  11. Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei der das Ende einer oder beider Elektroden (2, 3) in dem nicht vom Dielektrikum (4) umschlossenen Bereich hakenförmig ausgeführt ist, so dass der Abstand zwischen den beiden Elektroden (2, 3) dort verringert ist.
  12. Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei der an ihrer dem Verbrennungsraum abgewandeten Seite eine der Elektrode als eine Spule (6) mit einer Induktivität (8) ausgebildet ist.
  13. Zündkerze (1) nach Anspruch 12, bei der ein durch die Elektroden (2, 3) mit dem dazwischen liegenden Dielektrikum (4) geformter Kondensator (5) zusammen mit der Induktivität (8) der Spule (6) einen Serienschwingkreis bildet.
  14. Zündkerze (1) nach Anspruch 12, bei der der durch die Elektroden (2, 3) mit dem zwischen liegenden Dielektrikum (4) geformte Kondensator (5) zusammen mit der Induktivität (8) der Spule (6) einen Parallelschwingkreis bildet.
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