DE102010045171A1

DE102010045171A1 - Zünder zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Verbrennungskammer, insbesondere in einem Verbrennungsmotor, durch Erzeugen einer Korona-Entladung

Info

Publication number: DE102010045171A1
Application number: DE102010045171A
Authority: DE
Inventors: Ganghua Ruan; Gerd BRÄUCHLE
Original assignee: BorgWarner Beru Systems GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2010-09-04
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2030-09-05
Also published as: CN102269093B; DE102010045171B4; CN102269093A; US8468992B2; US20110297116A1

Abstract

Beschrieben wird ein Zünder mit einer Anordnung aus einer Zündelektrode (5), einem die Zündelektrode (5) koaxial umgebenden Außenleiter (31) und einem zwischen der Zündelektrode (5) und dem Außenleiter (31) angeordneten elektrischen Isolator (6), über welchen die Zündelektrode (5) und der Außenleiter (31) miteinander verbunden sind, zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Brennkammer, insbesondere in einem Verbrennungsmotor mit einer oder mehreren Brennkammern (1), welche durch auf Massepotential liegende Wände (2, 3, 4) begrenzt sind, durch Erzeugen einer Korona-Entladung in der Umgebung der Spitze der Zündelektrode (5). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser d der Zündelektrode (5) und dem Innendurchmesser D des Außenleiters (31) im Bereich von 0,3 bis 0,44 liegt.

Description

Die Erfindung geht von einem Zünder mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen aus.
Die WO 2004/063560 A1 offenbart, wie ein Brennstoff-Luft-Gemisch in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors durch eine in der Brennkammer erzeugte Korona-Entladung gezündet werden kann. Zu diesem Zweck ist eine Zündelektrode elektrisch isoliert durch eine der auf Massepotential liegenden Wände der Brennkammer hindurchgeführt und ragt in die Brennkammer hinein, vorzugsweise einem in der Brennkammer vorgesehenen Hubkolben gegenüberliegend. Die Zündelektrode bildet zusammen mit den auf Massepotential liegenden Wänden der Brennkammer als Gegenelektrode eine Kapazität. Als Dielektrikum wirkt der Brennraum mit seinem Inhalt. In ihm befindet sich je nach dem Takt, in welchem sich der Kolben befindet, Luft oder ein Brennstoff-Luft-Gemisch oder ein Abgas.
Die Kapazität ist Bestandteil eines elektrischen Schwingkreises, welcher mit einer hochfrequenten Spannung erregt wird, die z. B. mit Hilfe eines Transformators mit Mittenabgriff erzeugt wird Der Transformator arbeitet mit einem Schaltgerät zusammen, welches eine vorgebbare Gleichspannung abwechselnd an die beiden durch den Mittenabgriff verbundenen Primärwicklungen des Transformators legt. Die Sekundärwicklung des Transformators speist einen Reihenschwingkreis, in welchem die aus der Zündelektrode und den Wänden der Brennkammer gebildete Kapazität liegt. Die Frequenz der den Schwingkreis erregenden, vom Transformator gelieferten Wechselspannung wird so geregelt, dass sie möglichst nahe bei der Resonanzfrequenz des Schwingkreises liegt. Es kommt dadurch zu einer Spannungsüberhöhung zwischen der Zündelektrode und den Wänden der Brennkammer, in welcher die Zündelektrode angeordnet ist. Die Resonanzfrequenz liegt typisch zwischen 30 Kilohertz und 3 Megahertz und die Wechselspannung erreicht an der Zündelektrode Werte von z. B. 50 kV bis 500 kV.
Damit kann in der Brennkammer eine Hochfrequenz-Korona-Entladung erzeugt werden. Die Korona-Entladung soll nicht in eine Bogenentladung oder Funkenentladung durchschlagen. Deshalb wird dafür gesorgt, dass die Spannung zwischen der Zündelektrode und den auf Massepotential liegenden Brennkammerwänden unterhalb der Spannung für einen vollständigen Durchbruch bleibt.
Der Platz, der in einem Verbrennungsmotor zur Verfügung steht, um die Zündelektrode und den sie umgebenden Isolator durch eine Brennkammerwand, insbesondere durch den Zylinderkopf eines Hubkolbenmotors, hindurchzuführen, ist beschränkt, vor allem bei modernen Motoren für Personenkraftwagen, in welchen für das Einschrauben einer Zündkerze typisch eine Gewindebohrung von M10 bis maximal M14 vorgesehen ist, so dass für den Isolator eines erfindungsgemäßen Zünders nicht mehr als 10 mm Außendurchmesser zur Verfügung stehen. Darüber hinaus gibt es Forderungen nach einer weiteren Verkleinerung der Gewindebohrungen im Zylinderkopf. Angesichts der hohen Anforderungen, die vor allem an die Isolationsfähigkeit des Isolators zu stellen sind – Hochspannungen im Bereich von 50 kV bis 100 kV bei Frequenzen im Bereich von 30 kHz bis 3 MHz sowie bei lediglich kleinen Durchführungsöffnungen in den Brennkammerwänden und bei den hohen und wechselnden Drücken und Temperaturen in der Brennkammer und bei den Angriffen durch die Brennkammeratmosphäre – stehen Ingenieure, die mit der Entwicklung eines erfindungsgemäßen Zünders für Verbrennungsmotoren befaßt sind, vor großen Herausforderungen, zumal mit immer kleiner werdendem Durchmesser des Außenleiters und insbesondere der Zündelektrode die Gefahr steigt, dass der Isolator durch die hohen Spannungen und elektrischen Feldstärken überlastet wird. Bei der hohen Spannung zwischen der Zündelektrode und dem umgebenden Außenleiter, die für das Erzeugen einer Koronaentladung benötigt wird, steigt mit kleiner werdendem Außendurchmesser der Zündelektrode und kleiner werdendem Innendurchmesser des Außenleiters die Gefahr, dass die durch die Hochfrequenz erzeugte maximale elektrische Feldstärke die Durchschlagsfestigkeit des Isolators überschreitet und im Isolator Spannungsdurchschläge stattfinden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zünder der eingangs genannten Art zu schaffen, der diesen Herausforderungen besser gerecht wird als bisher.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Zünder mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Zünder hat zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Brennkammer, insbesondere in einem Verbrennungsmotor mit einer oder mehreren Brennkammern, welche durch auf Massepotential liegende Wände begrenzt sind, durch Erzeugen einer Hochfrequenz-Korona-Entladung in der Umgebung der Spitze einer Zündelektrode eine Anordnung aus der Zündelektrode, einen die Zündelektrode koaxial umgebenden Außenleiter und einen zwischen der Zündelektrode und dem Außenleiter angeordneten elektrischen Isolator, über welchen die Zündelektrode und der Außenleiter miteinander verbunden sind, wobei das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser d der Zündelektrode und dem Innendurchmesser D des Außenleiters im Bereich von 0,3 bis 0,44 liegt. Damit gelingt es, die Gefahr einer Überlastung des Isolator und insbesondere die Gefahr von Spannungsdurchschlägen im Isolator zu minimieren. Zugleich wird die Zahl von Fehlzündungen in der Brennkammer minimiert und die Ausbildung einer großen Korona begünstigt, was wiederum zu einer verbesserten Zündung und einer besseren Verbrennung führt. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der Brennstoffverbrauch gesenkt werden kann, die Lebensdauer des Zünders erhöht wird und Wartungskosten sowie Reparaturkosten eingespart werden können. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Optimierung des Zünders unter Umständen ein preiswerterer, in der Isolationsfähigkeit nicht ganz so guter Isolator eingesetzt werden kann, was die Gestehungskosten beim Automobilhersteller verringert. Die Erfindung begünstigt das Miniaturisieren des Zünders und kommt damit einer Forderung der Automobilhersteller entgegen.
Vorzugsweise liegt das Durchmesserverhältnis d/D im Bereich von 0,34 bis 0,40. Am besten wird das Durchmesserverhältnis d/D = 0,37 gewählt.
Die beanspruchten Durchmesserverhältnisse gelten streng genommen für den Fall eines Isolators, dessen isolierende Eigenschaften über seine Länge und über seinen Querschnitt im wesentlichen gleichbleibend sind und der im Querschnitt kreisförmig oder angenähert kreisförmig ist. Mit größer werdenden Abweichungen vom kreisförmigen Querschnitt kann das optimale Durchmesserverhältnis von dem Wert 0,37 abweichen.
Es ist vorteilhaft, wenn die Zündelektrode jedenfalls dort, wo sie von dem Außenleiter umgeben ist, zylindrisch ist. Hat der Außenleiter über seine Länge einen ungleichförmigen Innendurchmesser, z. B. einen komischen Abschnitt, dann soll das beanspruchte Durchmesserverhältnis mindestens für den kleinsten Innendurchmesser des Außenleiters gelten, denn dort ist die Gefahr einer Überlastung des Isolators und von Spannungsdurchschlägen im Isolator am größten. Vorzugsweise wird jedoch dann, wenn der Außenleiter über seine Länge keinen konstanten Innendurchmesser aufweist, der Durchmesser der Zündelektrode dem Verlauf des Durchmessers des Außenleiters so angepasst, daß das erfindungsgemäße, insbesondere das beanspruchte optimale Durchmesserverhältnis zu erzielt und ein Anstieg der Feldstärke vermieden wird.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen weiter erläutert.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Zündsystems für einen Fahrzeugmotor,
2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Zylinder eines Verbrennungsmotors, welcher mit dem in 1 dargestellten Zündsystem verknüpft ist,
3 zeigt einen erfindungsgemäßen Zünder in einer Seitenansicht, und
4 zeigt vergrößert und im Schnitt das Detail IV aus 3.
Die 1 und 2 zeigen schematisch ein Zündsystem, wie es in der WO 2010/011838 A1 offenbart ist. 1 zeigt eine Brennkammer 1, welche von Wänden 2, 3 und 4 begrenzt ist, die auf Massepotential liegen. In die Brennkammer 1 ragt von oben eine Zündelektrode 5 hinein, welche auf einem Teil ihrer Länge von einem Isolator 6 umgeben ist, mit welchem sie elektrisch isoliert durch die obere Wand 2 hindurch in die Brennkammer 1 geführt ist. Die Zündelektrode 5 und die Wände 2 bis 4 der Brennkammer 1 sind Bestandteil eines Reihenschwingkreises 7, zu welchem noch ein Kondensator 8 und eine Induktivität 9 gehören. Selbstverständlich kann der Reihenschwingkreis 7 weitere Induktivitäten und/oder Kapazitäten und sonstige Bauelemente aufweisen, die dem Fachmann als mögliche Bestandteile von Reihenschaltkreisen bekannt sind.
Zur Erregung des Schwingkreises 7 ist ein Hochfrequenzgenerator 10 vorgesehen, welcher eine Gleichspannungsquelle 11 und einen Transformator 12 mit einem Mittenabgriff 13 auf seiner Primärseite hat, wodurch am Mittenabgriff 13 zwei Primärwicklungen 14 und 15 zusammentreffen. Mittels eines Hochfrequenzumschalters 16 werden die vom Mittenabgriff 13 entfernten Enden der Primärwicklungen 14 und 15 abwechselnd mit Masse verbunden. Die Schaltfrequenz des Hochfrequenzumschalters 16 bestimmt die Frequenz, mit welcher der Reihenschwingkreis 7 erregt wird und ist veränderbar. Die Sekundärwicklung 17 des Transformators 12 speist den Reihenschwingkreis 7 am Punkt A. Der Hochfrequenzumschalter 16 wird mit Hilfe eines nicht dargestellten Regelkreises so gesteuert, dass der Schwingkreis mit seiner Resonanzfrequenz erregt wird. Dann ist die Spannung zwischen der Spitze der Zündelektrode 5 und den auf Massepotential, liegenden Wänden 2 bis 4 am größten.
2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Zylinder eines Verbrennungsmotors, der mit der in 1 schematisch dargestellten Zündeinrichtung ausgerüstet ist. Die Brennkammer 1 ist begrenzt durch eine als Zylinderkopf ausgebildete obere Wand 2, durch eine zylindrische Umfangswand 3 und durch die Oberseite 4 eines in dem Zylinder hin und her beweglichen Kolbens 18, welcher mit Kolbenringen 19 versehen ist.
Im Zylinderkopf 2 befindet sich ein Durchgang 20, durch welchen die Zündelektrode 5 elektrisch isoliert und abgedichtet hindurchgeführt ist. Die Zündelektrode 5 ist auf einem Teil ihrer Länge von einem Isolator 6 umgeben, der aus einer gesinterten Keramik bestehen kann, z. B. aus einer Aluminiumoxidkeramik. Die Zündelektrode 5 ragt mit ihrer Spitze bis in die Brennkammer 1 hinein und steht etwas über den Isolator 6 vor, könnte mit diesem aber auch bündig abschließen.
Zwischen der Zündelektrode 5 und dem Kolben 18 bildet sich beim Erregen des Schwingkreises 7 eine HF-Korona-Entladung aus, die von einer mehr oder weniger intensiven Ladungsträgerwolke 22 begleitet ist.
An die Außenseite des Zylinderkopfes 2 ist ein Gehäuse 23 angesetzt. In einem ersten Abteil 24 des Gehäuses 23 befinden sich die Primärwicklungen 14 und 15 des Transformators 12 und der damit zusammenarbeitende Hochfrequenzschalter 16. In einem zweiten Abteil 25 des Gehäuses 23 befinden sich die Sekundärwicklung 17 des Transformators 12 und die restlichen Bestandteile des Reihenschwingkreises 7 sowie ggfs. Mittel zum Beobachten des Verhaltens des Schwingkreises 7. Über eine Schnittstelle 26 ist z. B. eine Verbindung zu einem Diagnosegerät 29 und/oder zu einem Motorsteuergerät 30 möglich. Der Transformator 12 muss aber keineswegs in einem an den Zylinderkopf 2 angebrachten Gehäuse untergebracht sein, sondern kann sich zusammen mit den Hochfrequenzschaltern 16 in einem gesonderten Zündsteuergerät befinden, welches seinerseits mit dem Motorsteuergerät 30 verbunden sein kann. Die restlichen Teile des Reihenschwingkreises können sich in einem den Isolator 6 umgebenden Gehäuse befinden.
Der in den 3 und 4 dargestellte Zünder hat eine im wesentlichen zylindrische Zündelektrode 5, welche an ihrem in eine Brennkammer ragenden Ende spitz zuläuft. Die Zündelektrode 5 durchquert ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 32, welches in zwei Abschnitte unterteilt ist. Ein vorderer Abschnitt 33, der vorzugsweise aus einem Stahl besteht, ist mit einem Augengewinde 34 versehen, mit welchem er in eine Gewindebohrung einer Brennkammer gedreht werden kann, insbesondere in eine Gewindebohrung im Zylinderkopf eines Hubkolbenmotors. Der vordere Abschnitt 33 des Gehäuses 32 hat einen über seine Länge gleichbleibenden Innendurchmesser D. Sein Außendurchmesser erweitert sich im Anschluß an das Außengewinde 34 zur Bildung eines verdickten Abschnittes 35, welcher fest mit einem Rohr 36 verbunden ist, welches den hinteren Abschnitt des Gehäuses 32 bildet und z. B. aus Aluminium bestehen kann. Am Ende des Rohres 36 ist ein Anschlußstutzen 37 vorgesehen, der mit einem Außengewinde 38 versehen ist und dem elektrischen Anschluß des Zünders und seiner Zündelektrode 5 dient. Der elektrische Anschluss des Zünders kann aber auch mittels eines koaxialen Steckers erfolgen, der über ein Koaxialkabel mit einem Zündsteuergerät verbunden ist. Das Gehäuse 32 mit seinem vorderen Teil 33 und mit dem Rohr 36 dient als Außenleiter und liegt im Betrieb des Zünders auf Massepotential.
Zwischen dem Gehäuse 32 und der Zündelektrode 5 wird eine hochfrequente Hochspannung erzeugt, weshalb die Zündelektrode 5 durch einen vorzugsweise keramischen Isolator 6 gegenüber dem Außenleiter, gebildet durch die Teile 33 und 36 des Gehäuses 32 isoliert ist. Der Isolator 6 dichtet den Innenraum des Zünders hermetisch gegen den Brennraum ab. Im Bereich des vorderen Abschnitts 33 des Gehäuses 32 ist das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser d der Zündelektrode 5 und dem Innendurchmesser D des als Außenleiter fungierenden Vorderteils 33 des Gehäuses 32 auf einen Wert d/D von 0,3 bis 0,44 festgelegt, optimal auf einen Wert von 0,37. Zwischen der Spitze der Zündelektrode 5 und dem vorderen Ende des als Außenleiter fungierenden Vorderteils 33 des Gehäuses 32 ist der Isolator 6 im Außendurchmesser verbreitert, so dass er die Spitze der Zündelektrode 5 gegenüber dem vorderen Rand des vorderen Gehäuseteils 33 abschirmt.
Bezugszeichenliste

1: Brennkammer
2: Wand
3: Wand
4: Wand
5: Zündelektrode
6: Isolator
7: Schwingkreis
8: Kondensator
9: Induktivität
10: Hochfrequenzgenerator
11: Gleichspannungsquelle
12: Transformator
13: Mittenabgriff
14: Primärwicklung
15: Primärwicklung
16: Hochfrequenzumschalters
17: Sekundärwicklung
18: Kolben
19: Kolbenring
20: Durchgang
21
22: Ladungsträgerwolke
23: Gehäuse
24: Abteil
25: Abteilung
26: Schnittstelle
27
28
29: Diagnosegerät
30: Motorsteuergerät
31: Außenleiter
32: Gehäuse
33: vorderer Abschnitt von 32
34: Außengewinde
35: verdickter Abschnitt
36: Rohr
37: Anschlußstutzen
38: Außengewinde

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2004/063560 A1 [0002]
WO 2010/011838 A1 [0017]

Claims

Zünder mit einer Anordnung aus einer Zündelektrode (5), einem die Zündelektrode (5) koaxial umgebenden Außenleiter (31) und einem zwischen der Zündelektrode (5) und dem Außenleiter (31) angeordneten elektrischen Isolator (6), über welchen die Zündelektrode (5) und der Außenleiter (31) miteinander verbunden sind, zum Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einer Brennkammer, insbesondere in einem Verbrennungsmotor mit einer oder mehreren Brennkammern (1), welche durch auf Massepotential liegende Wände (2, 3, 4) begrenzt sind, durch Erzeugen einer Korona-Entladung in der Umgebung der Spitze der Zündelektrode (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser d der Zündelektrode (5) und dem Innendurchmesser D des Außenleiters (31) im Bereich von 0,3 bis 0,44 liegt.
Zünder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchmesserverhältnis im Bereich von 0,34 bis 0,40 liegt.
Zünder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchmesserverhältnis zu 0,37 gewählt ist.
Zünder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündelektrode (5) im Querschnitt kreisförmig oder angenähert kreisförmig ist.
Zünder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündelektrode (5) jedenfalls dort, wo sie von dem Außenleiter (31) umgeben ist, zylindrisch ist.
Zünder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenleiter (31) über seine Länge einen ungleichförmigen Innendurchmesser hat und dass das beanspruchte Durchmesserverhältnis wenigstens für den kleinsten Innendurchmesser des Außenleiters (31) gilt.
Zünder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenleiter (31) einen über seine Länge nicht konstanten Innendurchmesser hat, welchem der Verlauf des Außendurchmessers der Zündelektrode (5) in der Weise angepasst ist, dass das Durchmesserverhältnis überall im Bereich von 0,3 bis 0,44 liegt und vorzugsweise gleich bleibt.