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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Mirkowelleneinrichtung und einer Antenneneinrichtung, ein Verfahren zum Zünden eines Brenngemisches im Brennraum der Brennkraftmaschine und eine Steuervorrichtung für die Brennkraftmaschine.
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Aufgrund immer strengerer, gesetzlicher Normen für Abgasemissionen und dem immer größer werdenden Bedarf an Kraftfahrzeugen mit geringem Kraftstoffverbrauch stellt die Verbesserung des Wirkungsgrads von Brennkraftmaschinen einen wichtigen Aspekt bei der Motorenentwicklung dar. Bei fremdgezundeten Brennkraftmaschinen (Ottomotoren) wird dies, unter anderem, 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. Gerade 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. Vor allem kann die Lage der zundfahigen Brenngemischwolke und damit die auch der optimale Ort der Zündung im Brennraum variieren.
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Die Zündkerze stellt ein weitverbreitetes Zündsystem für Ottomotoren dar. Nachteilig sind jedoch die geringe räumliche Ausdehnung und die sehr kurze zeitliche Dauer des Zündfunkens. Auch sind der Einbauort der Zundkerze und damit der Ort der Zündung im Brennraum systembedingt vorgegeben. Weiterhin unterliegen die Elektroden der Zündkerze einem starken Verschleiß.
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Daneben sind die laserinduzierte Zündung sowie die Mikrowellenzündung bekannt. Die laserinduziert Zündung ist jedoch technisch sehr aufwändig. Ein Einsatz im Bereich der Brennkraftmaschinen ist fraglich und noch nicht absehbar. Bezüglich der Mikrowellenzündung ist aus
DE 198 52 652 A1 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. Wie die Zündkerze weist jedoch auch diese Vorrichtung den Nachteil auf, dass der Einbauort systembedingt vorgegeben ist und somit der die Verbrennung auslösende Zündfunke örtlich fest vorgegeben ist.
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In der Veröffentlichung
CA 2 625 789 A1 wird eine Zündvorrichtung für Verbrennungsmotoren beschrieben, bei der Plasma von einem einzelnen Antennenleiter in einem Brennraum erzeugt wird, wobei der Antennenleiter über ein Kabel mit elektrischer Energie versorgt wird. In der Druckschrift
JP 2001-073920 AA wird in vergleichbarer Weise ein Innenleiter zum Einbringen von Mikrowellenstrahlungen in einen Brennraum verwendet, wobei ein Zapfen den Brennraum näher definiert und zur Anpassung der Resonanzfrequenz verwendet wird. Wie auch in der vorangehend genannten Druckschrift wird hier elektrische Energie mittels eines Kabels an eine feste, einzelne Antenneneinrichtung mit einem einzelnen Leiter herangeführt, welche die Mikrowellenstrahlung unmittelbar im Brennraum erzeugt. Schließlich sei die nachveröffentlichte Anmeldung US 2009/0229581 A1 erwähnt, die aufgrund der gemeinsamen internationalen Phase das gleiche Konzept offenbart, wie es in
CA 2 625 789 A1 dargelegt ist.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Brennkraftmaschine, ein Zündverfahren und eine Steuervorrichtung bereitzustellen, welche eine Zündung des Brenngemisches mit hoher Effizienz und mit größerer Flexibilität hinsichtlich des Orts der Zündung ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch die Brennkraftmaschine, das Zündverfahren und die Steuervorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine Brennkraftmaschine gemäß dem Anspruch 1 umfasst mindestens einen Brennraum und eine Mikrowelleneinrichtung, mittels der Mikrowellenstrahlen in den Brennraum eingebracht werden können. Die Brennkraftmaschine umfasst ferner eine Antenneneinrichtung mit zumindest zwei freien Anschlüssen, welche in dem Brennraum angeordnet ist. Die Antenneneinrichtung ist derart ausgebildet, dass es bei Einleitung von Mikrowellenstrahlung in den Brennraum durch die Mikrowelleneinrichtung zur Erzeugung eines Zündplasmas zwischen den freien Anschlüssen der Antenneneinrichtung kommt.
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Bei dieser Brennkraftmaschine ist es möglich, das Brenngemisch durch Einleitung von Mikrowellenstrahlung in den Brennraum sicher zu zunden. Durch den Einsatz der Mikrowellenzündung kann die räumliche Ausdehnung, die freigesetzte Energie und die Dauer des Zündplasmas im Vergleich zur herkömmlichen Zündkerze deutlich vergrößert werden, was sich günstig auf die Zündung des Brenngemisches und den Verbrennungsvorgang auswirkt. So kann eine homogenere und vollständigere Verbrennung erreicht werden. Ferner kann die Antenneneinrichtung praktisch an jedem beliebigen Ort innerhalb des Brennraums platziert werden, sodass sich eine erheblich größere Flexibilität hinsichtlich des Orts der Zündung ergibt und die Verbrennung entsprechend optimiert werden kann. Dies ist insbesondere bei einem Betrieb von Brennkraftmaschinen im Schichtladebetrieb vorteilhaft. Bei der Brennkraftmaschine ist nur ein elektrischer Anschluss für die Mikrowelleneinrichtung notwendig. Gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Mikrowellenzündsystem sind die Anschlussbohrungen deutlich kleiner bemessen, wodurch sich ein geringerer Platzbedarf am Zylinderkopf ergibt.
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In einer Ausgestaltung der Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 ist die Antenneneinrichtung am Boden eines Kolbens der Brennkraftmaschine angeordnet.
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Diese Anordnung der Antenneneinrichtung erweist sich insofern als vorteilhaft, als die Antenneneinrichtung mit dem Kolben im Brennraum bewegt wird und sich dadurch eine sehr hohe Flexibilität hinsichtlich des Orts der Zündung und des Zündungszeitpunkts ergibt. Gleichzeitig besteht keinerlei Gefahr einer Kollision zwischen der Antenneneinrichtung und dem Kolben.
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In den Ausführungen der Brennkraftmaschine gemäß den Ansprüchen 3 und 4 ist die Antenneneinrichtung als Faltdipol oder als Schlitzantenne ausgebildet.
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Beide Ausgestaltungen der Antenneneinrichtung sind einfach und kostengünstig herzustellen und einfach im Brennraum zu platzieren. Insbesondere beim Faltdipol können die zwei freien Anschlüsse relativ weit entfernt vom Rand des Brennraums platziert werden.
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Bei einem Verfahren zum Zünden eines Brenngemischs im Brennraum einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 wird in dem mindestens einem Brennraum ein Brenngemisch erzeugt. Mittels der Mikrowelleneinrichtung werden Mikrowellen in den Brennraum eingeleitet. Die Antenneneinrichtung tritt mit der Mikrowellenstrahlung derart in Wechselwirkung, dass ein Zündplasma zwischen den freien Anschlüssen der Antenneneinrichtung erzeugt wird. Durch dieses Zündplasma wird das Brenngemisch im Brennraum gezündet.
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Durch dieses Zündungsverfahren ergibt sich analog zu den Ausführungen zu Anspruch 1 eine hohe Flexibilität bei der Gestaltung des Verbrennungsprozesses und bei der Zündung des Brenngemisches.
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Eine Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Anspruch 6 ist derart mit Mitteln ausgestattet, dass sie zum Zunden eines Brenngemischs im Brennraum der Brennkraftmaschine das Verfahren nach Anspruch 5 ausführen kann. Hinsichtlich der sich ergebenden Vorteile, wird auf die Ausführungen zu Anspruch 5 verwiesen. Diese gelten hier analog.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
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In den Figuren sind:
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1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine;
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2 eine vergrößerte, schematische Darstellung eines Brennraums der Brennkraftmaschine;
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3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für die Mikrowelleneinrichtung;
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4A und 4B schematische Darstellungen von Ausfuhrungsbeispielen für die Antenneneinrichtung.
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In 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 schematisch dargestellt. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit ist die Darstellung stark vereinfacht ausgeführt.
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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 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 notige 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 Mikrowelleneinrichtung 50 und eine Antenneneinrichtung 60. Die Wirkungsweise und das Zusammenwirken der Mirkowelleneinrichtung 50 und der Antenneneinrichtung 60 werden anhand der 2, 3, 4A und 4B näher erläutert. Die Verbrennungsabgase werden über ein Auslassventil 11 in einen Abgastrakt 16 der Brennkraftmaschine 1 abgeführt und mittels eines im Abgastrakt 16 angeordneten Abgaskatalysators 12 gereinigt. Die Kraftübertragung an den Antriebsstrang 110 des Kraftfahrzeugs 100 geschieht über eine mit dem Kolben 3 gekoppelte Kurbelwelle 13.
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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 ist 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 150 bis 200 bar).
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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 Mikrowelleneinrichtung 50 und dem Einspritzventil 9 gekoppelt. In der Steuervorrichtung 26 sind ferner kennfeldbasierte Motorsteuerungsfunktionen (KF1 bis KF5) in Form von Software implementiert.
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2 ist eine vergrößerte, schematische Darstellung eines Brennraums 30 der Brennkraftmaschine 1. Zu sehen ist der Zylinder 2, der darin auf und ab bewegliche Kolben 3. Der Brennraum ist durch die Kolbenoberseite (im Folgenden als Kolbenboden 31 bezeichnet), die Innenwand des Zylinders 2 und einen Zylinderkopf 32 begrenzt. Ferner sind das Einlassventil 8, welches den Brennraum 30 mit dem Ansaugtrakt 40 wahlweise verbindet oder trennt, und das Auslassventil 11, welches den Brennraum 30 mit dem Abgastrakt 16 wahlweise verbindet oder trennt, dargestellt. Am Zylinderkopf 32 sind die Mikrowelleneinrichtung 50 und das Einspritzventil 9 angeordnet. Am Kolbenboden 31 ist die Antenneneinrichtung 60 befestigt. Zwischen der Antenneneinrichtung 60 und dem metallischen Kolbenboden 31 ist ein Isolierelement 70, beispielsweise eine hochtemperaturfeste Keramik, angeordnet, welche die Antenneneinrichtung 60 vom Kolbenboden 31 elektrisch isoliert.
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In 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Mikrowelleneinrichtung 50 schematisch dargestellt. Die Mikrowelleneinrichtung 50 umfasst eine Hohlzylinderelektrode 51 aus elektrisch leitendem Material, welche an einem Ende mittels eines elektrisch leitenden Verschlusselements 52 verschlossen ist, und eine zweite Elektrode 53. Die zweite Elektrode 53 ist dabei an einem Ende mit dem Verschlusselement 52 elektrisch leitend verbunden. Das andere Ende der zweiten Elektrode 53 ist vorteilhafterweise konisch angespitzt und schließt bündig mit dem offenen Ende der Hohlzylinderelektrode 51 ab. Die Hohlzylinderelektrode 51, das Verschlusselement 52 und die zweite Elektrode 53 bilden einen Mikrowellenresonator.
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Die Mikrowelleneinrichtung 50 umfasst ferner einen Mikrowellengenerator 54, welcher mit dem Mikrowellenresonator über ein Koaxialkabel 55 verbunden ist. Der Mikrowellengenerator 54 ist über eine elektrische Leitung 56 mit einer Spannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden. Durch Anlegen von Spannungsimpulsen werden im Mikrowellengenerator 54 Mikrowellen erzeugt, welche über das Koaxialkabel 55 in den Mikrowellenresonator elektrisch eingekoppelt werden. Das offene Ende der Hohlzylinderelektrode 51 ist in den Brennraum (siehe 2) gerichtet. Die Mikrowelleneinrichtung 50 ist demnach derart ausgebildet und angeordnet, dass durch sie Mikrowellenstrahlung in den Brennraum 30 einkoppelbar ist. Die dargestellte Ausführungsform für die Mirkowelleneinrichtung ist nur beispielhaft. Eine weitere Möglichkeit Mikrowellen in den Brennraum 30 einzukoppeln wäre, das Koaxialkabel 55 bündig mit der Brennraumwand abzuschließen und dabei den Innenleiter als eine Art Sendeantenne in den Brennraum 30 ragen zulassen und derart zu formen, dass eine möglichst effiziente, gerichtete Energieübertragung zu der Antenneneinrichtung erreicht wird.
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In den 4a und 4b sind Ausführungsbeispiele der Antenneneinrichtung 60 schematisch dargestellt. Während die Antenneneinrichtung 60 bei der Ausführung gemäß der 4A als sogenannte Schlitzantenne ausgebildet ist, ist die Antenneneinrichtung 60 gemäß der Ausgestaltung nach 4B als Faltdipol realisiert. Beiden Ausfuhrungsformen ist gemein, dass sie über zwei freie Anschlüsse 61, 62 verfügen. Sowohl die Schlitzantenne als auch der Faltdipol sind sehr einfach und kostengünstig herzustellen. So können die Schlitzantenne beispielsweise durch Ausstanzen einer entsprechend geformten Aussparung aus einem geeignetem Metallblech, der Faltdipol beispielsweise durch Biegung eines geeigneten Metalldrahts hergestellt werden. Besonders vorteilhaft an dem Faltdipol ist jedoch, dass sich ein ausreichend großer Abstand der freien Anschlüsse 61, 62 zum Montagefuß (der den freien Anschlüssen 61, 62 gegenüberliegende Abschnitt des Faltdipols) ergibt. Dadurch ist die Beeintrachtigung eines zwischen den freien Anschlüssen 61, 62 entstehenden Zündplasmas durch die Brennraumwand gering.
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Anhand von 2 werden nun die Funktionsweisen der Brennkraftmaschine und des Verfahrens zum Zünden eines in dem Brennraum 30 befindlichen Brenngemisches erläutert. Zunächst wird während eines Ansaugtakts der Brennkraftmaschine – d. h. bei sich nach unten bewegendem Kolben 3 und geöffnetem Einlassventil 8 – Frischluft über den Ansaugtrakt 40 in den Brennraum 30 eingebracht. Nach Erreichen des unteren Todpunktes des Kolbens 3 im Zylinder 2 bewegt sich dieser wieder nach oben, sodass die in dem Brennraum 30 vorhandene Frischluft im Kompressionstakt komprimiert wird. Während des frühen Kompressionstaktes oder auch schon während des späten Ansaugtaktes wird über das Einspritzventil 9 Kraftstoff in den Brennraum 30 eingespritzt. Durch Vermischung des Kraftstoffs mit der Frischlust wird ein homogenes oder ein geschichtetes Brenngemisch im Brennraum 30 erzeugt. Unter dem Begriff Brenngemisch ist dabei ein brennfähiges, zündungsfähiges Gemisch aus Frischluft und Kraftstoff zu verstehen.
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Zur Zündung des Brenngemisches wird nun über die Mikrowelleneinrichtung 50 Mikrowellenstrahlung in den Brennraum 30 eingebracht. Die sich auf dem Kolbenboden 31 befindende Antenneneinrichtung 60 tritt mit dieser Mikrowellenstrahlung in Wechselwirkung und nimmt die Energie aus der Mikrowellenstrahlung auf. Die geometrische Gestaltung der Antenneneinrichtung 60 ist derart gewählt, dass sie durch die Mikrowellenstrahlung in Resonanz gebracht wird. Die Eigenfrequenz der Antenneneinrichtung 60 ist dazu auf die Frequenz der Mikrowellenstrahlung abgestimmt. Dadurch entsteht an den freien Anschlüssen 61, 62 der Antenneneinrichtung 60 eine elektrische Spannung. Nach ausreichender Energieaufnahme wird die Durchbruchsspannung des Gases zwischen den beiden freien Anschlüssen 61, 62 erreicht, sodass zwischen den freien Anschlüssen 61, 62 ein leitfähiges Plasma entsteht. Dieses Plasma stellt einen Lastwiderstand zu der Antenneneinrichtung 60 dar. Durch weitere Energieaufnahme über die Mikrowellenstrahlung wird dieses Plasma energiereicher (größer und heller), bis sich ein Gleichgewicht zwischen der Feldenergie der Mikrowellenstrahlung und der Energie des Plasmas eingestellt hat. Durch entsprechende Abstimmung der Mikrowellenstrahlung und der Antenneneinrichtung kann somit die Energie, die Größe und die Zeitdauer des Plasmas eingestellt werden. Durch dieses Plasma kann dann das Brenngemisch gezündet werden.
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Nach der Zündung und der Verbrennung des Brenngemisches wird die durch die Verbrennung entstehende Energie der Kolben 3 während des Expansionstakts wieder nach unten bewegt und ein Drehmoment auf die Kurbelwelle 13 übertragen, welches zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs dienen kann. Beim anschließenden Abgastakt, bei dem der Kolben 3 wieder nach oben bewegt wird, werden die Abgase über das geöffnete Auslassventil 11 in den Abgastrakt 16 ausgeschoben.
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Es wird deutlich, dass sich die Brennkraftmaschine durch eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Zündung des Brenngemisches auszeichnet. Durch den Einsatz von Mikrowellen kann sowohl die zur Zündung eingebrachte Energie im Vergleich zur herkömmlichen Zündkerze variiert und deutlich gesteigert werden. Ferner ist die räumlich Ausdehnung des Plasmas zwischen den freien Anschlussen der Antenneneinrichtung deutlich größer als bei einer herkömmlichen Zündkerze. Durch die Anordnung der Antenneneinrichtung 60 am Kolbenboden ergibt sich eine hohe Flexibilität hinsichtlich des Zündzeitpunkts als auch hinsichtlich des Zündorts innerhalb des Brennraums 30, je nach der aktuellen Position des Kolbens 3 innerhalb des Brennraums 30.
