DE102010055570B3

DE102010055570B3 - Korona-Zündeinrichtung

Info

Publication number: DE102010055570B3
Application number: DE102010055570A
Authority: DE
Inventors: Timo Stifel; Thomas Giffels; Axel Müller
Original assignee: BorgWarner Beru Systems GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2030-12-22
Also published as: CN102619667B; CN102619667A; US20130155570A1; US8767372B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung zum Zünden von Brennstoff in einem Verbrennungsmotor durch Erzeugen einer Korona-Entladung, mit einem Isolatorkörper (1), der eine Mittelelektrode (2) trägt, einer an die Mittelelektrode (2) angeschlossenen Spule (3), die auf einen Spulenkörper (4) gewickelt und von einem Rohrgehäuse (5) umgeben ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass auf einen dem Isolatorkörper (1) zugewandter Endabschnitt (8a) des Spulenkörpers (4) eine Metallkappe (8) aufgesteckt ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Zündeinrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Derartige Zundeinrichtungen werden als Korona-Zündeinrichtungen oder HF-Zündeinrichtungen bezeichnet und sind beispielsweise aus der EP 1 515 594 A2 bekannt.
Ein Verfahren zum Zünden von Brennstoff in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors durch eine in der Brennkammer erzeugte Korona-Entladung wird auch in der US 2004/0129241 A1 beschrieben. Dabei wird eine von einem Isolatorkörper gehaltene Mittelelektrode verwendet, die zusammen mit einem den Isolatorkörper umgebenden Außenleiter oder den auf Massepotential liegenden Wänden der Brennkammer als Gegenelektrode eine Kapazität bildet. Als Dielektrikum wirken der die Mittelelektrode umgebende Isolator und 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.
Diese 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 getrennten Primärwicklungen des Transformators legt. Die Sekundärwicklung des Transformators speist einen Reihenschwingkreis, in welchem die aus der Mittelelektrode und den Wänden der Brennkammer gebildete Kapazität liegt. Die Frequenz der den Schwingkreis erregenden 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 Korona-Entladung erzeugt werden.
Korona-Zündeinrichtungen sind eine Alternative zu herkömmlichen Zündsystemen, die eine Zündung mittels einer Bogenentladung an einer Zündkerze bewirken und durch Elektrodenabbrand einem erheblichen Verschleiß unterliegen. Korona-Zündeinrichtungen haben das Potential einer längeren Lebensdauer, konnten dieses bisher aber noch nicht erfüllen.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb einen Weg aufzuzeigen, wie die Lebensdauer einer Korona-Zündeinrichtung verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Zündeinrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Im Betrieb von Korona-Zündeinrichtungen mit Frequenzen von typischerweise mindestens 1 MHz und Spannungen von einigen KV hat sich die Spannungsfestigkeit als problematisch herausgestellt. Spannungsüberschläge und Teilentladungen führen häufig zu einem vorzeitigen Ausfall der Zündeinrichtung. Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass sich die Gefahr von Spannungsüberschlägen deutlich reduzieren lässt, indem auf einen dem Isolatorkörper zugewandten Endabschnitt des Spulenkörpers eine Metallkappe aufgesteckt ist. Eine solche Metallkappe bewirkt nämlich eine elektromagnetische Abschirmung des Spulenendes und reduziert auf diese Weise die Gefahr von Spannungsüberschlägen und Teilentladungen.
Bevorzugt liegt die Metallkappe an wenigstens einer Windung der Spule an. Die Metallkappe kann dabei einige Windungen der Spule bedecken oder vor der Spule enden. Vorteilhaft ist also, wenn die Metallkappe zumindest bis an das Wicklungsende heranreicht oder dieses sogar bedeckt. Bevorzugt verjüngt sich die Metallkappe zu ihrem von dem Isolatorkörper abgewandten Ende hin, also hin zu der Spule. Auf diese Weise lässt sich der Feldverlauf am Ende der Metallkappe noch weiter vergleichmäßigen und deshalb die Gefahr von Spannungsüberschlägen reduzieren.
Feldüberhöhungen am Ende der Spule, die zu Isolationsproblemen führen können, lassen sich auch dadurch reduzieren, dass sich die Spule zu dem Isolatorkörper hin verjüngt. Dies lässt sich mit geringem Aufwand dadurch erreichen, dass die Spule auf einen Spulenkörper gewickelt ist, der einen sich zu dem Isolatorkörper hin verjüngenden Abschnitt aufweist. Windungen auf dem sich verjüngenden Abschnitt des Spulenkörpers haben dann einen umso kleineren Durchmesser, je näher sie an dem Isolatorkörper liegen.
Mit einer sich zu dem Isolatorkörper hin verjüngenden Spulenwicklung, d. h. einem zum Isolatorkörper abnehmenden Außendurchmesser der Wicklung, können Feldüberhöhungen an dem für Spannungsüberschläge besonders gefährdeten Spulenende weitgehend vermieden werden. Eine erfindungsgemäße Zündeinrichtung hat deshalb eine erhöhte Lebensdauer.
Besonders vorteilhaft ist es, die beiden erfindungsgemäßen Maßnahmen einer sich zu dem Isolatorkörper hin verjüngenden Spule und einer auf den Spulenkörper aufgesteckten Metallkappe zu kombinieren, da sich auf diese Weise eine besonders große Verbesserung erzielen lässt. Bevorzugt bedeckt die Metallkappe dabei einen sich verjüngenden Abschnitt des Spulenkörpers. Bereits durch nur eine dieser beiden Maßnahmen lässt sich jedoch die Lebensdauer der Zündeinrichtung deutlich verbessern.
Bevorzugt verjüngt sich die Außenkontur der Metallkappe zu der Spule hin kontinuierlich. Die Verjüngung beginnt vorzugsweise tangential mit einem größeren Krümmungsradius an der äußeren Mantelfläche hin zu einem kleineren Krümmungsradius an der Stirnseite. Eine vorteilhafte Kontur kann beispielsweise durch eine Ellipse oder durch tangentiale Übergänge von mehreren Radien erreicht werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung;
2 ein Detail der Zündeinrichtung in einer Schnittansicht; und
3 eine weitere Detailansicht der Zündeinrichtung im Schnitt.
1 zeigt in einer teilweise geschnittenen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer Zündeinrichtung zum Zünden von Brennstoff in einem Verbrennungsmotor durch Erzeugen einer Koronaentladung. Die 2 und 3 zeigen jeweils geschnittene Detailansichten der Zündeinrichtung.
Die Zündeinrichtung hat einen Isolatorkörper 1, der eine Mittelelektrode 2 trägt. Die Mittelelektrode 2 hat bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere Zündspitzen, um ein besonders großes Plasmavolumen zu erzeugen und somit die Zündeigenschaften zu verbessern. Statt einer verzweigten Mittelelektrode kann aber auch eine unverzeigte Mittelelektrode, d. h. ein einfacher Stift, verwendet werden.
Der Isolatorkörper 1 weist eine zentrische Bohrung auf, durch welche hindurch die Mittelelektrode 2 an eine Spule 3 angeschlossen ist. Die Spule 3 ist auf einen Spulenkörper 4 aufgewickelt und von einem Rohrgehäuse 5 umgeben. Der Ringraum zwischen der Spule 3 und dem Rohrgehäuse 5 ist mit Isoliermaterial 6, beispielsweise Vergussmasse, Umspritzung oder Isolieröl gefüllt.
Der Isolatorkörper 1 ist von einem metallischen Außenleiter 7 umgeben, der elektrisch leitend mit dem Rohrgehäuse 5 verbunden ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Außenleiter 7 ein Einschraubgewinde auf, mit dem die Zündeinrichtung ebenso wie eine herkömmliche Zündkerze in einen Motor eingeschraubt werden kann.
Der Außenleiter 7 bildet zusammen mit der in dem Isolatorkörper 1 verlaufenden Mittelelektrode bzw. einer in dem Isolatorkörper 1 verlaufenden Zuleitung zur Mittelelektrode einen Kondensator, der mit der Spule 3 in Reihe geschaltet ist und einen Schwingkreis bildet.
Die Spule 3 verjüngt sich zu dem Isolatorkörper 1 hin. Der die Spule 3 tragende Spulenkörper 4 verjüngt sich nämlich zu dem Isolatorkörper 1 hin. An den sich verjüngenden Abschnitt des Spulenkörpers 4 schließt ein zylindrischer Spulenkörperabschnitt an. Die Spule 3 umgibt dabei sowohl den zylindrischen Spulenkörperabschnitt als auch den sich verjüngenden Abschnitt.
Durch die besondere Form der Spule 3 lassen sich Feldüberhöhungen im Bereich des Spulenendes weitgehend vermeiden. Durch einen vorteilhaft gleichmäßigen Verlauf der Feldlinien kann deshalb die Gefahr von Spannungsüberschlägen und Teilentladungen deutlich reduziert werden.
Auf einem den Isolatorkörper 1 zugewandten Endabschnitt des Spulenkörpers 4 ist eine Metallkappe 8 aufgesteckt. Die Metallkappe 8 verjüngt sich zu ihrem von dem Isolatorkörper abgewandten Ende hin. Dies bedeutet, dass sich die Metallkappe 8 zur Spule 3 hin verjüngt. Der sich verjüngende Endabschnitt 8a der Metallkappe 8 kann eine konische Form haben, wobei jedoch ein Übergang zwischen einem zylindrischen Abschnitt und einen konischen Abschnitt gerundet, insbesondere tangential gerundet sein sollte.
Die Metallkappe 8 kann eine oder mehrere Windungen am Ende der Spule 3 bedecken oder vor der Spule 3 enden. Bevorzugt umgibt die Metallkappe 8 einen zylindrischen Abschnitt des Spulenkörpers 4, wie dies insbesondere in 3 dargestellt ist. Auf einen zylindrischen oder leicht konischen Endabschnitt des Spulenkörpers 4 lässt sich die Metallkappe 8 nämlich besonders leicht aufstecken. Zusätzlich kann die Metallkappe 8 auch einen sich verjüngenden Abschnitt des Spulenkörpers bedecken.
Die Metallkappe 8 trägt ebenfalls dazu bei, am Ende der Spule 3 Feldüberhöhungen zu vermeiden. Besonders vorteilhaft ist hierfür, wenn sich der Außendurchmesser der Metallkappe 8 zu der Spule 3 hin reduziert. Vorteilhaft ist dabei insbesondere, wenn sich der Außendurchmesser der Metallkappe 8 über einen kürzeren Abschnitt reduziert als sich der Außendurchmesser der Spule 3 reduziert. Beispielsweise kann sich die Metallkappe 8 über eine Länge verjüngen, die weniger als halb so groß wie die Länge des sich verjüngenden Abschnitts des Spulenkörpers 4 ist. Vorteilhaft ist insbesondere, wenn sich die Metallkappe 8 über eine Länge verjüngt, die zwischen einem Zehntel und Hälfte, insbesondere einem Fünftel und der Hälfte, der Länge des sich verjüngenden Spulenabschnitts beträgt.
Der sich zu dem Isolatorkörper 1 hin verjüngende Abschnitt des Spulenkörpers 4 sollte von wenigstens fünf, vorzugsweise wenigstens zehn, nebeneinander liegenden Windungen der Spule 3 umgeben sein. Der sich zu der Spule 3 hin verjüngende Abschnitt der Metallkappe 8 sollte eine Länge haben, die mindestens so groß wie die Breite von drei, vorzugsweise mindestens fünf, nebeneinander liegenden Windungen der Spule 3 ist.
Der Spulenkörper 4, insbesondere der sich verjüngende Abschnitt des Spulenkörpers 4, kann eine elektrisch leitfähige Oberfläche aufweisen. Beispielsweise kann der Spulenkörper 4 aus Kunststoff gefertigt sein und metallisch beschichtet sein. Durch eine elektrisch leitfähige Oberfläche im Bereich des sich verjüngenden Abschnitts des Spurenkörpers 4 kann der Feldverlauf noch weiter vergleichmäßigt werden.
Der maximale Außendurchmesser der Metallkappe 8 entspricht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dem maximalen Außendurchmesser der Spule 3. Die bedeutet, dass der maximale Außendurchmesser der Metallkappe 8 um weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5%, von dem maximalen Außendurchmesser der Spule 3 abweicht.
Die Spule 3 kann über eine Kontakthülse 9 an die Mittelelektrode 2 angeschlossen sein. Die Kontakthülse 9 steckt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in dem Isolatorkörper 1 und ist elektrisch leitend mit der Metallkappe 8 verbunden. Dabei kann die Kontakthülse 9 einstückig mit der Metallkappe 8 ausgebildet sein oder als separates Teil mit dieser während der Montage verbunden werden, beispielsweise durch Verrastung.
Die Metallkappe 8 ist zur Feldverlaufsoptimierung an die Außengeometrie der Wicklung der Spule 3 angeglichen. Kanten und damit auch Feldüberhöhungen sind bei der dargestellten Zündeinrichtung vermieden. Enge Radien sind vorteilhaft nicht vorhanden. An dem Spulenkörper 4 und der Metallkappe 8 sind tangentiale Übergänge zwischen unterschiedlichen Krümmungsradien vorgesehen.
Bezugszeichenliste

1: Isolatorkörper
2: Mittelelektrode
3: Spule
4: Spulenkörper
5: Rohrgehäuse
6: Isoliermaterial
7: Außenleiter
8: Metallkappe
8a: Endabschnitt
9: Kontakthülse

Claims

Zündeinrichtung zum Zünden von Brennstoff in einem Verbrennungsmotor durch Erzeugen einer Korona-Entladung, mit einem Isolatorkörper (1), der eine Mittelelektrode (2) trägt, einer an die Mittelelektrode (2) angeschlossenen Spule (3), die auf einen Spulenkörper (4) gewickelt und von einem Rohrgehäuse (5) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spule (3) zu dem Isolatorkörper (1) hin verjüngt und die Spule (3) auf einen Spulenkörper (4) gewickelt ist, der einen sich zu dem Isolatorkörper (1) hin verjüngenden Abschnitt aufweist, der von Windungen der Spule (3) umwickelt ist.
Zündeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sich verjüngende Abschnitt an einen im Wesentlichen zylindrischen Spulenkörperabschnitt anschließt, der von Windungen der Spule (3) umwickelt ist.
Zündeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der sich verjüngende Abschnitt des Spulenkörpers (4) eine elektrisch leitfähige Oberfläche aufweist.
Zündeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der sich zu dem Isolatorkörper (1) hin verjüngenden Abschnitt des Spulenkörpers (4) von wenigstens fünf, vorzugsweise wenigstens zehn, nebeneinander liegenden Windungen der Spule (3) umgeben ist.
Zündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen dem Isolatorkörper (1) zugewandten Endabschnitt (8a) des Spulenkörpers (4) eine Metallkappe (8) aufgesteckt ist.
Zündeinrichtung Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass wenigstens eine Windung der Spule (3) an der Metallkappe (8) anliegt.
Zündeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkappe (8) wenigstens eine Windung der Spule (3) bedeckt.
Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Metallkappe (8) zu ihrem von dem Isolatorkörper (1) abgewandten Ende hin verjüngt.
Zündeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Metallkappe (8) über eine Länge verjüngt, die zwischen einem Zehntel und einer Hälfte der Länge des sich zu dem Isolatorkörper (1) hin verjüngenden Spulenabschnitts ist.
Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Metallkappe (8) dem maximalen Außendurchmesser der Spule (3) entspricht.