DE102008035241B4

DE102008035241B4 - Internal combustion engine and method for igniting a combustion mixture in the combustion chamber of an internal combustion engine

Info

Publication number: DE102008035241B4
Application number: DE102008035241A
Authority: DE
Inventors: Robert Baumgartner; Dr. Eisen Sven; Daniel Evers; Reinhard Freitag; Dr. Hennig Oliver
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2012-11-29
Anticipated expiration: 2028-07-30
Also published as: DE102008035241A1

Abstract

Brennkraftmaschine (1) mit
– mindestens einem Brennraum (30), dem ein Brenngemisch zuführbar ist,
– einer ersten Zündeinrichtung (50) mit einer ersten Elektrode (51) und einer zweiten Elektrode (52), welche derart ausgebildet ist, dass durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen der ersten Elektrode (51) und der zweiten Elektrode (52) ein Plasmabogen (A) im Brennraum (30) erzeugbar ist,
– einer zweiten Zündeinrichtung (60) mit einer dritten Elektrode (63) und einer vierten Elektrode (65), welche derart ausgebildet ist, dass durch Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung im Brennraum (30) ein resonantes, hochfrequentes, elektrisches Feld erzeugbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Zündeinrichtung (50) und die zweite Zündeinrichtung (60) derart relativ zueinander positioniert sind, dass sich bei Erzeugung des Plasmabogens (A) durch die erste Zündeinrichtung (50) und Erzeugung des resonanten, hochfrequenten elektrischen Felds ein freies Plasmavolumen (B) im Brennraum (30) ausbildet, wobei kein Kontakt zwischen dem freien Plasmavolumen (B) und den Elektroden...Internal combustion engine (1) with
At least one combustion chamber (30) to which a fuel mixture can be fed,
- A first ignition device (50) having a first electrode (51) and a second electrode (52) which is formed such that by applying a DC voltage between the first electrode (51) and the second electrode (52) a plasma arc (A ) is producible in the combustion chamber (30),
- A second ignition device (60) having a third electrode (63) and a fourth electrode (65) which is designed such that by applying a high-frequency alternating voltage in the combustion chamber (30), a resonant, high-frequency, electric field can be generated,
characterized in that
the first ignition device (50) and the second ignition device (60) are positioned relative to one another such that when the plasma arc (A) is generated by the first ignition device (50) and the resonant, high-frequency electric field is generated, a free plasma volume (B) is generated in the Burning chamber (30) is formed, with no contact between the free plasma volume (B) and the electrodes ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Brennraum, in dem zwei Zündeinrichtungen vorgesehen sind, sowie ein Verfahren zum Zünden eines Brenngemisches im Brennraum dieser Brennkraftmaschine.The invention relates to an internal combustion engine having a combustion chamber, in which two ignition devices are provided, and a method for igniting a combustion mixture in the combustion chamber of this internal combustion engine.

Aufgrund immer strenger werdender gesetzlicher Normen für Abgasemissionen und dem immer stärker werdenden Bedarf an verbrauchsarmen Kraftfahrzeugen stellt die Verbesserung des Wirkungsgrads von Brennkraftmaschinen einen wichtigen Aspekt bei der Motorenentwicklung dar. Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren, soll dies insbesondere durch die Neuentwicklung und Optimierung von Brennverfahren, aber auch durch die Verbesserung und Neuentwicklung von Zündvorrichtungen und Zündverfahren erreicht. Die Herausforderung für moderne Zündvorrichtungen und Zündverfahren besteht darin, das im Brennraum enthaltene Brenngemisch möglichst vollständig und gleichmäßig zu verbrennen. Insbesondere Ottomotoren mit Kraftstoffdirekteinspritzung besitzen durch die Möglichkeit einer geschichteten Brenngemischaufbereitung (Schichtladung) ein hohes Potenzial an Verbrauchsreduktion. Die inhomogene Brenngemischladung im Brennraum stellt jedoch erhöhte Anforderungen an das Zündverfahren dar. Zum einen kann die Lage des zündfähigen Gemisches leicht variieren, zum anderen können sich die in das zündfähige Brenngemisch hineinragenden Elektroden einer herkömmlichen Zündkerze auf die Gemischbildung und die Verbrennung negativ auswirken. Die Zündkerze stellt ein weitverbreitetes Zündsystem für Ottomotoren dar. Nachteilig an diesem Zündsystem ist jedoch die stark limitierte räumliche Ausdehnung des Zündplasmas, welches sich ausschließlich zwischen den Elektroden ausbildet. Ferner kann die mittels der Zündkerze in den Brennraum zugeführte Energie nicht an die sich ändernden Betriebsbedingungen im Brennraum angepasst werden. Auch ist der Ort der Zündung systembedingt vorgegeben und kann nicht variiert werden. Weiterhin unterliegen die Elektroden der Zündkerze einem starken Verschleiß.Due to increasingly stringent legal standards for exhaust emissions and the ever-increasing demand for low-consumption motor vehicles, the improvement of the efficiency of internal combustion engines is an important aspect in engine development. In spark-ignited internal combustion engines, in particular gasoline engines, this is intended in particular by the new development and optimization of combustion processes, but also achieved through the improvement and redevelopment of detonators and ignition. The challenge for modern ignition devices and ignition methods is to burn the combustion mixture contained in the combustion chamber as completely and uniformly as possible. In particular gasoline engines with direct fuel injection have a high potential for consumption reduction due to the possibility of stratified combustion mixture preparation (stratified charge). On the one hand, the position of the ignitable mixture can vary slightly; on the other hand, the electrodes of a conventional spark plug protruding into the ignitable fuel mixture can have a negative effect on mixture formation and combustion. The spark plug is a widespread ignition system for gasoline engines. However, a disadvantage of this ignition system is the highly limited spatial extent of Zündplasmas, which forms exclusively between the electrodes. Furthermore, the energy supplied by means of the spark plug into the combustion chamber can not be adapted to the changing operating conditions in the combustion chamber. Also, the location of the ignition is determined by the system and can not be varied. Furthermore, the electrodes of the spark plug are subject to heavy wear.

Daneben sind die laserinduzierte Zündung sowie die Mikrowellenzündung bekannt. Nachteilig an der Mikrowellenzündung an sich ist jedoch, dass zur Erzeugung eines die Zündung auslösendem Plasmabogens bzw. Zündfunkens eine sehr hohe Energieeinkopplung notwendig ist und es auch hier zu einem starken Elektrodenverschleiß kommt.In addition, the laser-induced ignition and the microwave ignition are known. A disadvantage of the microwave ignition per se, however, is that a very high energy coupling is necessary to produce a triggering the plasma arc or Zündfunkens and it also comes here to a strong electrode wear.

Aus der DE 198 52 652 A1 ist eine Zündvorrichtung bekannt, welche brennraumseitig wie eine herkömmliche Zündkerze ausgebildet ist. Beim Anlegen einer ausreichend hohen Spannung springt zwischen einer Mittelelektrode und einer Masseelektrode ein Zündfunke über, der zur Zündung des Brenngemisches im Brennraum dient. Auf der vom Brennraum abgewandten Seite der Zündvorrichtung ist ein Hochfrequenzresonator zur Erzeugung der Zündspannung vorgesehen. Jedoch weist auch diese Vorrichtung den Nachteil auf, dass der die Verbrennung auslösende Zündfunke örtlich fest vorgegeben ist (zwischen den Elektroden der Zündkerze) und ferner die in den Brennraum einkoppelbare Energie aufgrund des Elektrodenabbrands begrenzt ist. Auch die räumliche Ausdehnung des Zündfunkens bzw. des Zündplasmas ist stark begrenzt.From the DE 198 52 652 A1 an ignition device is known, which is formed on the combustion chamber side as a conventional spark plug. When applying a sufficiently high voltage jumps between a center electrode and a ground electrode, a spark, which serves to ignite the combustion mixture in the combustion chamber. On the side facing away from the combustion chamber side of the ignition device, a high-frequency resonator for generating the ignition voltage is provided. However, this device also has the disadvantage that the spark initiating the combustion is predetermined locally (between the electrodes of the spark plug) and furthermore the energy which can be coupled into the combustion chamber is limited due to the electrode burnup. The spatial extent of the spark or Zündplasmas is severely limited.

In der Druckschrift DE 10 2005 037 256 A1 wird eine Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemisch in einem Brennraum offenbart. Die Vorrichtung weist eine Mikrowellenzündkerze mit einem Innenleiter, welcher als Elektrode anzusehen ist, und eine Vorentladungstrecke mit zwei Elektroden auf. Eine hochfrequente elektrische Energie ist über die Mikrowellenzündkerze in den Brennraum einkoppelbar und mittels einer Hilfsenergie kann zwischen den Elektroden der Vorentladungsstrecke eine Vorfunkenstrecke im Bereich des herauszubildenden Plasmas gebildet werden, wodurch ein freistehendes Plasma in dem Brennraum erzeugbar ist.In the publication DE 10 2005 037 256 A1 An apparatus for igniting an air-fuel mixture in a combustion chamber is disclosed. The device has a microwave spark plug with an inner conductor, which is to be regarded as an electrode, and a Vorentladungstrecke with two electrodes. A high-frequency electrical energy can be coupled into the combustion chamber via the microwave spark plug, and a pre-spark gap can be formed in the region of the plasma to be formed between the electrodes of the pre-discharge gap, whereby a free-standing plasma can be generated in the combustion chamber.

In der Druckschrift US 5,983,871 A1 wird eine Zündvorrichtung beschrieben, mit einer ersten Zündvorrichtung zum Erzeugen eines Zündplasmas und einer zweiten Zündvorrichtung zur Bestrahlen des Zündplasmas mit hochfrequenter elektromagnetischer Energie, wodurch das Zündplasma aufgebläht und in mehrere Einzelteile gespaltet werden kann.In the publication US 5,983,871 A1 An ignition device is described with a first ignition device for generating a Zündplasmas and a second ignition device for irradiating the Zündplasmas with high-frequency electromagnetic energy, whereby the Zündplasma can be inflated and split into several parts.

Die Druckschrift DE 10 2005 025 518 A1 offenbart eine Vorrichtung mit einer Zündeinrichtung, welche einen Hochfrequenz-Resonator mit einer Wellenleiterstruktur zum Erzeugen eines Mikrowellenplasmas im Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors aufweist. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Signalauskopplung für die Ermittlung von Änderungen der Hochfrequenzeigenschaften des Hochfrequenz-Resonators auf.The publication DE 10 2005 025 518 A1 discloses a device with an ignition device, which has a high-frequency resonator with a waveguide structure for generating a microwave plasma in the combustion chamber of an internal combustion engine. Furthermore, the device has a signal decoupling for determining changes in the high-frequency characteristics of the high-frequency resonator.

Die Druckschrift CA 2 625 789 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Zünden eines Brennstoffgemisches in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors, mit einer ersten Zündeinrichtung zum Erzeugen eines Zündplasmas durch elektrische Entladung und einer zweiten Zündeinrichtung zum Vergrößern des Zündplasmas durch Einkoppelung von Mikrowellenenergie in den Brennraum.The publication CA 2 625 789 A1 describes a device for igniting a fuel mixture in a combustion chamber of an internal combustion engine, with a first ignition device for generating a Zündplasmas by electrical discharge and a second ignition device for increasing the Zündplasmas by coupling microwave energy into the combustion chamber.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Brennkraftmaschine sowie ein Zündverfahren bereitzustellen, welches sich durch eine hohe Effizienz und Flexibilität bei der Zündung auszeichnet.It is therefore an object of the present invention to provide an internal combustion engine and an ignition method, which is characterized by a high efficiency and flexibility in the ignition.

Diese Aufgabe wird durch die Brennkraftmaschine und das Zündverfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This object is achieved by the internal combustion engine and the ignition method according to the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Eine Brennkraftmaschine gemäß dem Anspruch 1 umfasst mindestens einen Brennraum, dem ein Brenngemisch zuführbar ist. Die Brennkraftmaschine weist eine erste Zündeinrichtung mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode auf, welche derart ausgebildet ist, dass durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ein Plasmabogen im Brennraum erzeugbar ist. Eine zweite Zündeinrichtung der Brennkraftmaschine weist eine dritte Elektrode und eine vierte Elektrode auf, wobei die zweite Zündeinrichtung derart ausgebildet ist, dass durch Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung im Brennraum ein resonantes, hochfrequentes, elektrisches Feld erzeugbar ist. Die erste Zündeinrichtung und die zweite Zündeinrichtung sind derart relativ zueinander positioniert, dass sich bei Erzeugung des Plasmabogens durch die erste Zündeinrichtung und Erzeugung des resonanten, hochfrequenten elektrischen Feldes ein freies Plasmavolumen im Brennraum ausbildet, wobei kein Kontakt zwischen dem freie Plasmavolumen und den Elektroden der Zündeinrichtungen besteht.An internal combustion engine according to claim 1 comprises at least one combustion chamber to which a fuel mixture can be supplied. The internal combustion engine has a first ignition device with a first electrode and a second electrode, which is designed such that a plasma arc in the combustion chamber can be generated by applying a DC voltage between the first electrode and the second electrode. A second ignition device of the internal combustion engine has a third electrode and a fourth electrode, wherein the second ignition device is designed such that a resonant, high-frequency, electric field can be generated by applying a high-frequency alternating voltage in the combustion chamber. The first ignition device and the second ignition device are positioned relative to one another such that when the plasma arc is generated by the first ignition device and the resonant high-frequency electric field is generated, a free plasma volume is formed in the combustion chamber, with no contact between the free plasma volume and the electrodes of the ignition devices consists.

Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist darin zu sehen, durch geschickte Anordnung einer Gleichspannungszündeinrichtung, beispielsweise einer konventionellen Zündkerze, und einer weiteren Hochfrequenzzündeinrichtung, mittels der ein hochfrequentes, resonantes, elektrisches Feld im Brennraum ausgebildet werden kann, ein freies Plasmavolumen im Brennraum zu erzeugen. Das freie Plasmavolumen zeichnet sich dadurch aus, das es von den Elektroden der beiden Zündeinrichtungen räumlich getrennt ist. Mit anderen Worten besteht kein Kontakt zwischen dem freien Plasmavolumen und den Elektroden der ersten und zweiten Zündeinrichtung. Die Energie des durch die zweite Zündeinrichtung erzeugten elektrischen Feldes kann dabei variiert werden, sodass dadurch auch die Energie des freien Plasmavolumens und somit die bereitgestellte Zündenergie entsprechend den Betriebsbedingungen variiert werden kann. Da es sich um ein freies Plasmavolumen handelt, welches sich nicht unmittelbar zwischen den Elektroden einer der beiden Zündeinrichtungen ausbildet, sondern frei im Brennraum schwebt, ist der Elektrodeabbrand gering und die Gemischbildung bzw. die Verbrennung werden deutlich weniger beeinträchtigt. Ferner kann durch die Variation des elektrischen Feldes auch die räumliche Lage des freien Plasmavolumens in gewissen Grenzen variiert werden.The idea underlying the invention can be seen therein, by skillful arrangement of a direct voltage ignition device, such as a conventional spark plug, and another Hochfrequenzzündeinrichtung by means of a high-frequency resonant electric field can be formed in the combustion chamber to produce a free plasma volume in the combustion chamber. The free plasma volume is characterized in that it is spatially separated from the electrodes of the two ignition devices. In other words, there is no contact between the free plasma volume and the electrodes of the first and second igniters. The energy of the electric field generated by the second ignition device can be varied, so that thereby the energy of the free plasma volume and thus the provided ignition energy can be varied according to the operating conditions. Since it is a free plasma volume, which does not form directly between the electrodes of one of the two ignition devices, but floats freely in the combustion chamber, the Elektrodebbrand is low and the mixture formation or combustion are significantly less affected. Furthermore, the spatial position of the free plasma volume can be varied within certain limits by the variation of the electric field.

Die Brennkraftmaschine zeichnet sich demnach durch eine hohe Flexibilität hinsichtlich des Zündzeitpunktes, der in den Brennraum eingekoppelten Zündungsenergie, der räumlichen Lage des zündenden Plasmavolumens und einem geringen Verschleiß der Zündeinrichtungen bei gleichzeitig hohem Potential hinsichtlich der einkoppelbaren Zündungsenergie aus. Ferner können die Vorteile einer herkömmlichen Gleichspannungszündquelle (beispielsweise einer Zündkerze) mit denen einer Hochfrequenzzündeinrichtung (beispielsweise eine Mikrowellenzündeinrichtung) verbunden und somit der Energieverbrauch für die Zündung reduziert werden. So ist es möglich mittels der ersten Zündeinrichtung einen ersten initiierenden Plasmabogen (Zündfunken) zu erzeugen, dessen Energie ausreicht, in dem von der zweiten Zündeinrichtung erzeugten resonanten Hochfrequenzfeldes die Bildung eines freien Plasmavolumens auszulösen. Auf diese Weise kann die in die zweite Zündeinrichtung einzukoppelnde Hochfrequenzenergie zur Bildung eines Plasmavolumens deutlich reduziert werden. Andererseits wird durch das von der zweiten Zündeinrichtung erzeugte resonante Hochfrequenzfeld nicht etwa das zwischen der ersten und der zweiten Elektrode der ersten Zündeinrichtung ausgebildete Plasmavolumen aufgebläht, sondern ein von diesem Plasmabogen räumlich getrenntes Plasmavolumen erzeugt. Über die zweite Zündeinrichtung kann ein hoher Energiebetrag in den Brennraum eingekoppelt werden, welcher zu einer sicheren, räumlich ausgebreiteten und gleichmäßig verteilten Zündung des Brenngemisches führt.Accordingly, the internal combustion engine is characterized by a high degree of flexibility with regard to the ignition time, the ignition energy coupled into the combustion chamber, the spatial position of the igniting plasma volume and a low wear of the ignition devices while at the same time having a high potential with regard to the ignition energy that can be injected. Further, the advantages of a conventional DC ignition source (for example, a spark plug) can be combined with those of a high-frequency ignition device (for example, a microwave ignition device) and thus the energy consumption for the ignition can be reduced. Thus, it is possible by means of the first ignition device to generate a first initiating plasma arc (spark) whose energy is sufficient to trigger the formation of a free plasma volume in the resonant high-frequency field generated by the second ignition device. In this way, the high-frequency energy to be coupled into the second ignition device can be significantly reduced to form a plasma volume. On the other hand, the plasma volume formed between the first and the second electrode of the first ignition device is not inflated by the resonant high-frequency field generated by the second ignition device, but generates a plasma volume spatially separated from this plasma arc. About the second ignition device, a high amount of energy can be coupled into the combustion chamber, which leads to a secure, spatially spread and evenly distributed ignition of the fuel mixture.

Bei einer Ausgestaltung der Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2 handelt es sich bei der ersten Zündeinrichtung um eine Zündkerze.In one embodiment of the internal combustion engine according to claim 2, the first ignition device is a spark plug.

Bei dieser Ausgestaltung der Brennkraftmaschine wird der Initialzündfunke zur Ausbildung des freien Plasmavolumens durch eine kostengünstige, herkömmliche Zündkerze erzeugt.In this embodiment of the internal combustion engine, the initial ignition spark for generating the free plasma volume is generated by a cost-effective, conventional spark plug.

In der Ausgestaltung der Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 3 wird zur Ausbildung des resonanten, hochfrequenten, elektrischen Feldes mittels der zweiten Zündeinrichtung Mikrowellenenergie in den Brennraum eingekoppelt. Dabei ist die zweite Zündeinrichtung derart ausgebildet, dass die Einkopplung der Mikrowellenenergie auf die Impedanz des durch die erste Zündeinrichtung erzeugten Plasmabogens abgestimmt ist.In the embodiment of the internal combustion engine according to claim 3 microwave energy is coupled into the combustion chamber to form the resonant, high-frequency electric field by means of the second ignition device. In this case, the second ignition device is designed such that the coupling of the microwave energy is tuned to the impedance of the plasma arc generated by the first ignition device.

Gemäß dieser Ausgestaltung geschieht die Umsetzung der eingekoppelten Mikrowellenenergie in die Wärmeenergie des freien Plasmavolumens mit sehr hoher Effizienz. Verluste können dabei weitgehend minimiert werden. Eine derartige Anpassung könnte beispielsweise durch entsprechende geometrische Ausgestaltung der zweiten Zündeinrichtung realisiert werden. Dabei wird der Ausgangswiderstand der zweiten Zündeinrichtung an den Lastwiderstand des Plasmabogens angepasst.According to this embodiment, the implementation of the coupled-in microwave energy in the heat energy of the free plasma volume happens with very high efficiency. Losses can be largely minimized. Such an adaptation could be realized for example by appropriate geometric design of the second ignition device. In this case, the output resistance of the second ignition device is adapted to the load resistance of the plasma arc.

In der Ausgestaltung der Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 weist die zweite Zündeinrichtung einen Mikrowellenresonator auf. Dieser umfasst einen Hohlzylinder aus elektrisch leitendem Material, welcher ein offenes Ende und ein geschlossenes Ende auf, welches durch ein elektrisch leitendes Verschlusselement verschlossen ist. Der Mikrowellenresonator weist ferner eine elektrisch leitende Innenelektrode auf, welche in dem Hohlzylinder angeordnet ist und an einem Ende mit dem Verschlusselement elektrisch leitend verbunden ist. Ferner weist der Mikrowellenresonator ein Koaxialkabel auf, mittels dem eine Hochfrequenzleistung in den Mikrowellenresonator einkoppelbar ist, wobei der Außenleiter des Koaxialkabels mit dem Verschlusselement elektrisch leitend verbunden ist und ein Ende des Innenleiters des Koaxialkabels an einer Stelle des Verschlusselements elektrisch isoliert durch das Verschlusselement in den Hohlzylinder geführt ist und an einer anderen Stelle mit dem Verschlusselement elektrisch verbunden ist. In the embodiment of the internal combustion engine according to claim 4, the second ignition device on a microwave resonator. This comprises a hollow cylinder made of electrically conductive material, which has an open end and a closed end, which is closed by an electrically conductive closure element. The microwave resonator further has an electrically conductive inner electrode, which is arranged in the hollow cylinder and is electrically conductively connected at one end to the closure element. Furthermore, the microwave resonator has a coaxial cable, by means of which a high-frequency power is coupled into the microwave resonator, wherein the outer conductor of the coaxial cable is electrically conductively connected to the closure element and one end of the inner conductor of the coaxial cable at a location of the closure element electrically isolated by the closure element in the hollow cylinder is guided and electrically connected at another point with the closure element.

Durch eine derartige Ankopplung des Innenleiters des Koaxialkabels mit dem Verschlusselement bildet dieser innerhalb des Hohlzylinders einen Bogen aus, wodurch eine magnetische Antennenankopplung möglich wird. Dadurch ergibt sich eine hohe Flexibiltät bei der Einkopplung der Mikrowellenleistung in den Resonator durch Variation der Geometrie des Innenleiters des Koaxialkabels innerhalb des Resonator. Dadurch kann auch die Anpassung der Mikrowellenenergieeinkopplung in den Brennraum an die Impedanz des Plasmabogens durchgeführt werden.By such a coupling of the inner conductor of the coaxial cable with the closure element that forms an arc within the hollow cylinder, whereby a magnetic antenna coupling is possible. This results in a high flexibility in the coupling of the microwave power in the resonator by varying the geometry of the inner conductor of the coaxial cable within the resonator. As a result, the adaptation of the microwave energy input into the combustion chamber to the impedance of the plasma arc can also be carried out.

In der Ausgestaltung der Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 ist das andere Ende der Innenelektrode, d. h. das freie Endeder Innenelektrode, konisch angespitzt und schließt bündig mit dem offenen Ende des Hohlzylinders ab.In the embodiment of the internal combustion engine according to claim 5, the other end of the inner electrode, d. H. the free end of the inner electrode, conically pointed and terminates flush with the open end of the hollow cylinder.

Diese Ausgestaltung gewährleistet eine gute Energieeinkopplung in den Brennraum, wobei gleichzeitig eine Störung der Brenngemischbildung und des Zündprozesses vermieden wird.This embodiment ensures a good energy input into the combustion chamber, at the same time a disturbance of the fuel mixture formation and the ignition process is avoided.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:In the following the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment with reference to the accompanying figures. In the figures are:

1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine; 1 a schematic representation of an internal combustion engine;

2 eine Detailansicht des Brennraums der Brennkraftmaschine mit Zündeinrichtungen; 2 a detailed view of the combustion chamber of the internal combustion engine with ignition devices;

3 eine schematische Darstellung der Zündeinrichtungen. 3 a schematic representation of the ignition devices.

In 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 schematisch dargestellt. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit ist die Darstellung stark vereinfacht ausgeführt.In 1 is an internal combustion engine 1 shown schematically. For the sake of clarity, the representation is made much simpler.

Die Brennkraftmaschine 1 umfasst mindestens einen Zylinder 2 und einen in dem Zylinder 2 auf und ab bewegbaren Kolben 3. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst ferner einen Ansaugtrakt 40, in dem stromabwärts einer Ansaugöffnung 4 zum Ansaugen von Frischluft ein Luftmassensensor 5, eine Drosselklappe 6, sowie ein Saugrohr 7 angeordnet sind. Der Ansaugtrakt 40 mündet in einem durch den Zylinder 2 und den Kolben 3 begrenzten Brennraum 30. Die zur Verbrennung nötige Frischluft wird über den Ansaugtrakt 40 in den Brennraum 30 eingeleitet, wobei die Frischluftzufuhr durch Öffnen und Schließen eines Einlassventils 8 gesteuert wird. Bei der hier dargestellten Brennkraftmaschine 1 handelt es sich um eine Brennkraftmaschine 1 mit Kraftstoffdirekteinspritzung, bei der Kraftstoff über ein Einspritzventil 9 unmittelbar in den Brennraum 30 eingespritzt wird und bei der wahlweise eine geschichtete (Schichtladebetrieb) oder eine homogene (Homogenbetrieb) Brenngemischaufbereitung im Brennraum 30 möglich ist. Zur Auslösung der Verbrennung dienen eine erste Zündeinrichtung 50 und eine zweite Zündeinrichtung 60. Die Wirkungsweise und das Zusammenwirken der Zündeinrichtungen 50, 60 werden anhand der 2 und 3 näher erläutert. Die Verbrennungsabgase werden über ein Auslassventil 11 in einen Abgastrakt 16 der Brennkraftmaschine 1 abgeführt und mittels eines im Abgastrakt angeordneten Abgaskatalysators 12 gereinigt. Die Kraftübertragung an den Antriebsstrang 110 des Kraftfahrzeugs 100 geschieht über eine mit dem Kolben 3 gekoppelte Kurbelwelle 13.The internal combustion engine 1 includes at least one cylinder 2 and one in the cylinder 2 reciprocating pistons 3 , The internal combustion engine 1 further comprises an intake tract 40 in which downstream of a suction port 4 for sucking in fresh air, an air mass sensor 5 , a throttle 6 , as well as a suction tube 7 are arranged. The intake tract 40 flows in one through the cylinder 2 and the piston 3 limited combustion chamber 30 , The fresh air needed for combustion is supplied via the intake system 40 in the combustion chamber 30 initiated, the fresh air supply by opening and closing an inlet valve 8th is controlled. In the internal combustion engine shown here 1 it is an internal combustion engine 1 with direct fuel injection, with the fuel via an injection valve 9 directly into the combustion chamber 30 and, optionally, a stratified (stratified charge mode) or a homogeneous (homogeneous mode) combustible mixture preparation in the combustion chamber 30 is possible. To trigger the combustion serve a first ignition device 50 and a second ignition device 60 , The mode of action and the interaction of the ignition devices 50 . 60 be based on the 2 and 3 explained in more detail. The combustion exhaust gases are via an exhaust valve 11 in an exhaust tract 16 the internal combustion engine 1 discharged and by means of a arranged in the exhaust gas catalytic converter 12 cleaned. The power transmission to the drive train 110 of the motor vehicle 100 happens via one with the piston 3 coupled crankshaft 13 ,

Die Brennkraftmaschine 1 verfügt über ein Kraftstoffversorgungssystem, welches einen Kraftstofftank 17 sowie eine darin angeordnete Kraftstoffpumpe 18 aufweist. Der Kraftstoff wird mittels der Kraftstoffpumpe 18 über eine Versorgungsleitung 19 einem Druckspeicher 20 zugeführt. Dabei handelt es sich um einen gemeinsamen Druckspeicher 20, von dem aus die Einspritzventile 9 für mehrere Zylinder 2 mit druckbeaufschlagtem Kraftstoff versorgt werden. In der Versorgungsleitung 19 sind ferner ein Kraftstofffilter 21 und eine Hochdruckpumpe 22 angeordnet. Die Hochdruckpumpe 22 dient dazu, den durch die Kraftstoffpumpe 18 mit relativ niedrigem Druck (ca. 3 bar) geförderten Kraftstoff dem Druckspeicher 20 mit hohem Druck zuzuführen (typischerweise bis zu 150 bar).The internal combustion engine 1 has a fuel supply system, which has a fuel tank 17 and a fuel pump disposed therein 18 having. The fuel is using the fuel pump 18 via a supply line 19 a pressure accumulator 20 fed. This is a common accumulator 20 , from which the injection valves 9 for several cylinders 2 be supplied with pressurized fuel. In the supply line 19 are also a fuel filter 21 and a high pressure pump 22 arranged. The high pressure pump 22 Serves through the fuel pump 18 with relatively low pressure (about 3 bar) pumped fuel the pressure accumulator 20 at high pressure (typically up to 150 bar).

Der Brennkraftmaschine 1 ist eine Steuervorrichtung 26 zugeordnet, welche über Signal- und Datenleitungen mit allen Aktuatoren und Sensoren der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. Insbesondere ist die Steuervorrichtung 26 über Daten- und Signalleitungen mit der Kraftstoffpumpe 18, dem Luftmassensensor 5, der Drosselklappe 6, der ersten Zündeinrichtung 50, der zweiten Zündeinrichtung 60 und dem Einspritzventil 9 gekoppelt. In der Steuervorrichtung 26 sind ferner kennfeldbasierte Motorsteuerungsfunktionen (KF1 bis KF5) softwaremäßig implementiert.The internal combustion engine 1 is a control device 26 assigned, which via signal and data lines with all actuators and sensors of the internal combustion engine 1 connected is. In particular, the control device 26 about data and Signal lines with the fuel pump 18 , the air mass sensor 5 , the throttle 6 , the first ignition device 50 , the second ignition device 60 and the injection valve 9 coupled. In the control device 26 Furthermore, map-based engine control functions (KF1 to KF5) are implemented by software.

In 2 ist einer der Brennräume 30 der Brennkraftmaschine 1 vergrößert dargestellt. Der Brennraum 30 wird durch den Zylinder 2 und den Kolben 3 begrenzt. Über das bewegliche Einlassventil 8 kommuniziert der Brennraum 30 mit dem Ansaugtrakt 4. Beim Öffnen des Einlassventils 8 strömt über den Ansaugtrakt 4 Frischluft in den Brennraum 30. Mittels des Einspritzventils 9 kann dem Brennraum 30 Kraftstoff zugemessen werden, sodass sich durch Vermischung der Frischluft und des Kraftstoffes ein zündfähiges Brenngemisch bildet. Die Zündung des Brenngemisches erfolgt über die erste Zündeinrichtung 50 und die zweite Zündeinrichtung 60. Die durch die Verbrennung entstehenden Abgase werden über das bewegliche Auslassventil 11 in den Abgastrakt 16 ausgestoßen.In 2 is one of the combustion chambers 30 the internal combustion engine 1 shown enlarged. The combustion chamber 30 is through the cylinder 2 and the piston 3 limited. Via the movable inlet valve 8th communicates the combustion chamber 30 with the intake tract 4 , When opening the inlet valve 8th flows over the intake tract 4 Fresh air in the combustion chamber 30 , By means of the injection valve 9 can the combustion chamber 30 Be metered fuel so that forms an ignitable fuel mixture by mixing the fresh air and the fuel. The ignition of the combustion mixture via the first ignition device 50 and the second ignition device 60 , The exhaust gases produced by the combustion are transmitted via the movable outlet valve 11 in the exhaust tract 16 pushed out.

Der Aufbau, die Funktionsweise und das Zusammenwirken der ersten Zündeinrichtung 50 und der zweiten Zündeinrichtung 60 werden nun anhand der 2 und 3 näher erläutert.The structure, the functioning and the interaction of the first ignition device 50 and the second ignition device 60 will now be based on the 2 and 3 explained in more detail.

Die erste Zündeinrichtung 50 ist im Ausführungsbeispiel als herkömmliche Zündkerze ausgebildet. Sie weist eine erste Elektrode 51 und eine zweite Elektrode 52 auf, welche durch einen Abstand von ca. einem Millimeter voneinander getrennt sind. Die erste Zündeinrichtung 50 ist über ein Anschlusskabel 53 mit einer Gleichspannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden. Durch Anlegen einer Gleichspannung an die Elektroden 51, 52 kommt es zwischen diesen zur Ausbildung eines Plasmabogens A bzw. eines Zündfunkens. Die erste Zündeinrichtung 50, insbesondere die Spannungsbeaufschlagung der ersten Zündeinrichtung 50, wird dabei von der Steuereinrichtung 26 (siehe 1) gesteuert.The first ignition device 50 is formed in the embodiment as a conventional spark plug. It has a first electrode 51 and a second electrode 52 on, which are separated by a distance of about one millimeter. The first ignition device 50 is via a connection cable 53 connected to a DC voltage source (not shown). By applying a DC voltage to the electrodes 51 . 52 it comes between them to form a plasma arc A or a spark. The first ignition device 50 , in particular the voltage application of the first ignition device 50 , is doing by the controller 26 (please refer 1 ) controlled.

In 3 ist der Aufbau der zweiten Zündeinrichtung 60 schematisch dargestellt. Die zweite Zündeinrichtung 60 umfasst demnach einen Mikrowellenresonator, welcher eine dritte Elektrode 63 in Form eines Hohlzylinders 63 aus elektrisch leitendem Material aufweist, wobei ein Ende des Hohlzylinders 63 mit einem elektrisch leitenden Verschlusselement 64 verschlossen ist. In dem Hohlzylinder 63 ist eine vierte Elektrode 65, im Folgenden als Innenelektrode 65 bezeichnet, angeordnet. Die Innenelektrode 65 ist dabei elektrisch leitend mit dem Verschlusselement 64 verbunden. Das andere Ende der Innenelektrode 65 ist vorteilhafterweise konisch angespitzt und schließt bündig mit dem offenen Ende des Hohlzylinders 64 ab.In 3 is the structure of the second ignition device 60 shown schematically. The second ignition device 60 thus comprises a microwave resonator, which is a third electrode 63 in the form of a hollow cylinder 63 made of electrically conductive material, wherein one end of the hollow cylinder 63 with an electrically conductive closure element 64 is closed. In the hollow cylinder 63 is a fourth electrode 65 , hereinafter referred to as internal electrode 65 designated arranged. The inner electrode 65 is electrically conductive with the closure element 64 connected. The other end of the inner electrode 65 is advantageously pointed conically and closes flush with the open end of the hollow cylinder 64 from.

Die zweite Zündeinrichtung 60 umfasst ferner einen Mikrowellengenerator 62, welcher mit dem Mikrowellenresonator über ein Koaxialkabel 61 verbunden ist. Der Mikrowellengenerator 62 ist über eine elektrische Leitung 67 mit einer Spannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden. Durch Anlegen von Spannungsimpulsen werden im Mirkowellengenerator 62 Mikrowellen erzeugt, welche über das Koaxialkabel elektrisch in den Mikrowellenresonator elektrisch einkoppelbar sind. Ein Außenleiter 66 des Koaxialkabels 61 ist mit dem Verschlusselement 64 elektrisch verbunden. Ein Innenleiter 68 des Koaxialkabels 61 wird an einer Stelle des Verschlusselements 64 elektrisch isoliert durch dieses geführt und dann an einer anderen Stelle des Verschlusselements 64 elektrisch mit diesem verbunden. Das Ende des Innenleiters 68 weist dadurch eine bogenförmige Gestalt auf. Die Flächennormale des Bogens steht dabei vorteilhafter Weise senkrecht zum Innenleiter 65. Auf diese Weise kann eine magnetische Antennenankopplung und somit eine optimierte Energieeinkopplung in den Mikrowellenresonator erreicht werden.The second ignition device 60 further comprises a microwave generator 62 which is connected to the microwave resonator via a coaxial cable 61 connected is. The microwave generator 62 is via an electrical line 67 connected to a voltage source (not shown). By applying voltage pulses are in the microwave generator 62 Microwave generated, which are electrically coupled via the coaxial cable in the microwave resonator. An outer conductor 66 of the coaxial cable 61 is with the closure element 64 electrically connected. An inner conductor 68 of the coaxial cable 61 becomes at a location of the closure element 64 electrically isolated by this guided and then at another point of the closure element 64 electrically connected to this. The end of the inner conductor 68 thereby has an arcuate shape. The surface normal of the arc is advantageously perpendicular to the inner conductor 65 , In this way, a magnetic antenna coupling and thus an optimized energy coupling can be achieved in the microwave resonator.

Die zweite Zündeinrichtung 60 ist demnach derart ausgebildet, dass bei Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung Mikrowellenenergie in den Brennraum 30 einkoppelbar ist.The second ignition device 60 is therefore designed such that upon application of a high-frequency alternating voltage microwave energy into the combustion chamber 30 can be coupled.

Durch entsprechende Versuche ist die Geometrie der zweiten Zündeinrichtung 60 derart an die geometrischen Verhältnisse des Brennraumes 30 angepasst, dass sich bei Anlegen der hochfrequenten Wechselspannung an die zweite Zündeinrichtung 60 im Brennraum 30 ein resonantes, hochfrequentes, elektrisches Feld bildet. Auf diese Weise entstehen im Brennraum 30 Bereiche, in denen das elektrische Feld eine sehr hohe Energiedichte aufweist, und Bereiche, in denen das elektrische Feld eine geringe Energiedichte aufweist. Die erste Zündeinrichtung 50 und die zweite Zündeinrichtung 60 sind derart relativ zueinander positioniert, dass sich ein Bereich des elektrischen Felds mit hoher Energiedichte in der Nähe der zweiten Zündeinrichtung befindet. Die erste Zündeinrichtung 50 und die zweite Zündeinrichtung 60 sind demnach derart relativ zueinander positioniert, dass sich bei Anlegen der hochfrequenten Wechselspannung an die zweite Zündeinrichtung 60 und bei Erzeugung des Plasmabogens A (Zündfunkens) durch die erste Zündeinrichtung 50 in diesem Bereich des elektrischen Feldes mit hoher Energiedichte ein freies Plasmavolumen B im Brennraum 30 ausbildet. Dieses freie Plasmavolumen B ist von dem Plasmabogen A, welcher zwischen der ersten Elektrode 51 und der zweiten Elektrode 52 der ersten Zündeinrichtung 50 besteht, örtlich getrennt. Das freie Plasmavolumen B steht daher nicht in Kontakt mit den Elektroden der Zündeinrichtungen 50, 60, sondern schwebt frei im Brennraum 30.By appropriate experiments, the geometry of the second ignition device 60 such to the geometric conditions of the combustion chamber 30 adjusted so that when applying the high-frequency AC voltage to the second ignition device 60 in the combustion chamber 30 forms a resonant, high-frequency, electric field. In this way arise in the combustion chamber 30 Areas in which the electric field has a very high energy density, and areas in which the electric field has a low energy density. The first ignition device 50 and the second ignition device 60 are positioned relative to one another such that a portion of the high energy density electric field is proximate to the second igniter. The first ignition device 50 and the second ignition device 60 Accordingly, they are positioned relative to each other so that when the high-frequency AC voltage is applied to the second ignition device 60 and when generating the plasma arc A (Zündfunkens) by the first ignition device 50 in this area of the electric field with high energy density, a free plasma volume B in the combustion chamber 30 formed. This free plasma volume B is from the plasma arc A, which is between the first electrode 51 and the second electrode 52 the first ignition device 50 exists, locally separated. The free plasma volume B is therefore not in contact with the electrodes of the ignition devices 50 . 60 but floats freely in the combustion chamber 30 ,

Zur Auslösung einer Verbrennung im Brennraum 30 wird demnach durch Einleiten von Frischluft und Zufuhr von Kraftstoff ein brennbares Gemisch im Brennraum 30 erzeugt. Mittels der zweiten Zündeinrichtung 60 wird durch Anlegen einer Wechselspannung ein resonantes, hochfrequentes, elektrisches Feld im Brennraum 30 erzeugt. Dabei weist das elektrische Feld in der Nähe der ersten Zündeinrichtung 50 einen Bereich hoher Energiedichte auf. Durch Anlegen der Gleichspannung an die erste Zündeinrichtung 50 kommt es zwischen der ersten Elektrode 51 und der zweiten Elektrode zur Ausbildung eines Plasmabogens A (Zündfunke). Dieser Plasmabogen A initiiert in dem Bereich des elektrischen Felds mit hoher Energiedichte die Ausbildung des freien Plasmavolumens B im Brennraum 30. Dadurch wird das Brenngemisch gezündet und die Verbrennung ausgelöst.To trigger combustion in the combustion chamber 30 Accordingly, by introducing fresh air and supply of fuel is a combustible mixture in the combustion chamber 30 generated. By means of the second ignition device 60 By applying an AC voltage a resonant, high-frequency, electric field in the combustion chamber 30 generated. In this case, the electric field in the vicinity of the first ignition device 50 a range of high energy density. By applying the DC voltage to the first ignition device 50 it comes between the first electrode 51 and the second electrode for forming a plasma arc A (spark). This plasma arc A initiates the formation of the free plasma volume B in the combustion chamber in the region of the electric field with high energy density 30 , As a result, the fuel mixture is ignited and the combustion is triggered.

Die dargestellte Brennkraftmaschine 1 bietet den Vorteil, dass die Zündung der Brenngemische in den Brennräumen 30 mit hoher Effizienz durchgeführt wird. Dadurch kann sowohl der Wirkungsgrad als auch das Abgasverhalten der Brennkraftmaschine 1 erheblich verbessert werden. Die zugrunde liegende Idee ist darin zu sehen, neben einer herkömmlichen Zündkerze Mikrowellenenergie durch einen Mikrowellenresonator in den Brennraum 30 einzuleiten und dort ein resonantes, hochfrequentes, elektrisches Feld zu generieren. Die Zündkerze ermöglicht die Bildung eines Plasmabogens A bzw. eines Zündfunkens zwischen ihren Elektroden 51, 52 durch Zuführung von vergleichsweise geringer elektrischer Energie (Gleichspannung). Dieser Zündfunke A initiiert in dem hochfrequenten, resonanten, elektrischen Feld die Ausbildung eines des Plasmavolumens B. Da das Plasmavolumen B nicht in Kontakt mit der ersten Zündeinrichtung 50 oder der zweiten Zündeinrichtung 60 steht, kommt es zu keinem Elektrodenverschleiß. Ferner kann durch entsprechende Steuerung der eingekoppelten Mikrowellenenergie die Größe, d. h. die Ausdehnung des Plasmavolumens variiert werden. Dadurch, dass der durch die erste Zündeinrichtung 50 erzeugte Zündfunke A die Bildung des Plasmavolumens initiiert, kann der Energieeintrag zur Bildung des freien Plasmavolumens A erheblich reduziert werden, da die Ausbildung eines Plasmavolumens lediglich mit Hilfe des Mikrowellenresonators eine erheblich größere Energieeinkopplung notwendig machen würde.The illustrated internal combustion engine 1 offers the advantage of igniting the fuel mixtures in the combustion chambers 30 is performed with high efficiency. As a result, both the efficiency and the exhaust behavior of the internal combustion engine 1 be significantly improved. The underlying idea is to see it, in addition to a conventional spark plug microwave energy through a microwave resonator in the combustion chamber 30 initiate and generate a resonant, high-frequency, electric field there. The spark plug allows the formation of a plasma arc A or a spark between their electrodes 51 . 52 by supplying comparatively low electrical energy (DC voltage). This spark A initiates the formation of one of the plasma volumes B in the high-frequency resonant electric field. Since the plasma volume B is not in contact with the first igniter 50 or the second ignition device 60 there is no electrode wear. Furthermore, by appropriate control of the injected microwave energy, the size, ie the extent of the plasma volume can be varied. Because that by the first ignition device 50 generated spark A initiates the formation of the plasma volume, the energy input to the formation of the free plasma volume A can be significantly reduced, since the formation of a plasma volume only with the help of the microwave resonator would make a much larger energy coupling necessary.

Claims

Internal combustion engine ( 1 ) with - at least one combustion chamber ( 30 ), to which a fuel mixture can be supplied, - a first ignition device ( 50 ) with a first electrode ( 51 ) and a second electrode ( 52 ), which is designed such that by applying a DC voltage between the first electrode ( 51 ) and the second electrode ( 52 ) a plasma arc (A) in the combustion chamber ( 30 ), - a second ignition device ( 60 ) with a third electrode ( 63 ) and a fourth electrode ( 65 ), which is designed such that by applying a high-frequency alternating voltage in the combustion chamber ( 30 ) is a resonant, high-frequency electric field can be generated, characterized in that the first ignition device ( 50 ) and the second ignition device ( 60 ) are positioned relative to one another such that when the plasma arc (A) is generated by the first ignition device ( 50 ) and generation of the resonant, high-frequency electric field, a free plasma volume (B) in the combustion chamber ( 30 ), wherein no contact between the free plasma volume (B) and the electrodes of the ignition devices ( 50 . 60 ) consists.

Internal combustion engine ( 1 ) according to claim 1, wherein it is in the first ignition device ( 50 ) is a spark plug.

Internal combustion engine ( 1 ) according to one of claims 1 to 2, wherein for the formation of the resonant, high-frequency, electric field by means of the second ignition device ( 60 ) Microwave energy into the combustion chamber ( 30 ), wherein the second ignition device ( 60 ) is designed such that the coupling of the microwave energy to the impedance of the first ignition device ( 50 ) generated plasma arc (A) is tuned.

Internal combustion engine ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the second ignition device ( 60 ) comprises a microwave resonator comprising: - a hollow cylinder ( 63 ) made of electrically conductive material, which has an open end and by an electrically conductive closure element ( 64 ) has a closed end, - an electrically conductive inner electrode ( 65 ), which in the hollow cylinder ( 63 ) is arranged and with one end with the closure element ( 64 ) is electrically conductively connected, - a coaxial cable ( 61 ), by means of which a high-frequency voltage in the microwave resonator can be coupled, wherein the outer conductor ( 66 ) of the coaxial cable ( 61 ) with the closure element ( 64 ) is electrically connected and one end of an inner conductor ( 68 ) of the coaxial cable ( 61 ) at a position of the closure element ( 64 ) electrically isolated by the closure element ( 64 ) in the hollow cylinder ( 63 ) and at another point with the closure element ( 64 ) is electrically connected.

Internal combustion engine ( 1 ) according to claim 4, wherein the other end of the inner electrode ( 65 ) conical sharpened and flush with the open end of the hollow cylinder ( 63 ) completes.