DE102012109762B4

DE102012109762B4 - Koronazündeinrichtung mit gasdichtem HF-Steckverbinder

Info

Publication number: DE102012109762B4
Application number: DE102012109762.3A
Authority: DE
Inventors: Timo Stifel; Martin Zebhauser; Wolfgang Lankes
Original assignee: Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG; BorgWarner Beru Systems GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH; Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2014-06-05
Anticipated expiration: 2032-10-13
Also published as: US20150200522A1; JP6254172B2; DE102012109762A1; CA2885639A1; EP2907206A1; KR102109670B1; TWM481985U; CA2885639C; CN103726972A; JP2015537334A; WO2014056826A1; US9698575B2; KR20150061003A; EP2907206B1; CN103726972B

Abstract

Die Anmeldung betrifft eine Koronazündeinrichtung mit einer Mittelelektrode (7), einem Isolator (6), in dem die Mittelelektrode (7) steckt, einer Spule (5), die an die Mittelelektrode (7) angeschlossen ist, einem Gehäuse (4), in dem die Spule (5) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (4) an einem Ende von dem Isolator (6) verschlossen ist und an dem anderem Ende einen HF-Steckverbinder trägt, der einen an die Spule (5) angeschlossenen Innenleiter (2) und einen an das Gehäuse (4) angeschlossenen Außenleiter (2) aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der HF-Steckverbinder einen Glaskörper (3) enthält, der einen Ringspalt zwischen dem Innenleiter (2) und dem Außenleiter (1) abdichtet. Die Anmeldung betrifft ferner einen HF-Steckverbinder, der für eine solche HF-Zündeinrichtung geeignet ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Koronazündeinrichtung, wie sie aus der EP 1 662 626 A1 bekannt ist. Solche Koronazündeinrichtungen weisen an ihrem brennraumfernen Ende einen Steckverbinder auf, mit dem sie an einem Hochfrequenzgenerator oder das Bordnetz eines Fahrzeugs angeschlossen werden können.
Aus der WO 2012/082868 A1 ist eine Koronazündeinrichtung bekannt, bei der ein Ringspalt zwischen Isolator und Gehäuse mit Glas oder anderem Füllmaterial abgedichtet ist.
Aus der EP 1 662 626 A1 und der WO 2004/063560 A1 ist bekannt, wie mit einer Koronazündeinrichtung ein Brennstoff-Luft-Gemisch in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors durch eine in dem Brennraum erzeugte Korona-Entladung gezündet werden kann. Die Korona-Zündeinrichtung hat eine Mittelelektrode, die in einem Isolator steckt und so gegenüber einem Gehäuse und den auf Massepotential liegenden Wänden des Brennraums elektrisch isoliert ist. Die Mittelelektrode bildet zusammen mit dem Gehäuse bzw. den auf Massepotential liegenden Wänden des Brennraums als Gegenelektrode eine Kapazität.
Diese Kapazität bildet zusammen mit einer in dem Gehäuse angeordneten Spule einen elektrischen Schwingkreises, welcher mit einer hochfrequenten Spannung erregt wird, die beispielsweise mit Hilfe eines Transformators mit Mittenabgriff oder einem anderen Hochfrequenzgenerator erzeugt wird. Wenn der Schwingkreis resonant angeregt wird, kommt es zu einer Spannungsüberhöhung zwischen der Mittelelektrode und den Wänden des Brennraums bzw. dem Gehäuse der Koronazündeinrichtung. Dies führt dazu, dass sich in dem Brennraum eine Koronaentladung bildet, die von einer Zündspitze an der Mittelelektrode ausgeht.
Koronazündeinrichtungen haben gegenüber herkömmlichen Zündkerzen, die Brennstoff-Luft-Gemische mittels Bogenentladungen entzünden, den Vorteil eines wesentlich geringeren Abbrands der Elektroden bzw. Zündspitzen. Koronazündeinrichtungen haben deshalb das Potential einer wesentlich längeren Lebensdauer als herkömmliche Zündkerzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie sich die Lebensdauer von Koronazündeinrichtungen verbessern lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Koronazündeinrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch einen Hochfrequenzsteckverbinder für eine Koronazündeinrichtung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein erfindungsgemäßer HF-Steckverbinder ermöglicht es, das Gehäuserohr einer Koronazündeinrichtung gasdicht zu verschließen. Auf diese Weise lässt sich die Lebensdauer von Koronazündeinrichtungen erhöhen. Ursache für einen vorzeitigen Ausfall von Koronazündrichtungen sind nämlich oft Spannungsdurchschläge im Inneren der Koronazündeinrichtung. Indem das Gehäuserohr der Koronazündeinrichtung mit einem erfindungsgemäßen HF-Steckverbinder verschlossen wird, kann ein Eindringen von Luftfeuchtigkeit in das Gehäuse verhindert werden. Dies ist wichtig, da Luftfeuchtigkeit die Schwelle für Spannungsdurchschläge herabsetzt und eingedrungene Feuchtigkeit deshalb zu einem vorzeitigen Ausfall einer Koronazündeinrichtung führen kann.
Ein erfindungsgemäßer Steckverbinder ermöglicht es, die Gefahr von Spannungsüberschlägen weiter zu reduzieren, indem in dem Gehäuse ein erhöhter Gasdruck bei 20°C, beispielsweise von 2 bar oder mehr, bevorzugt 5 bar oder mehr, vorgesehen ist. Bereits mit trockener Luft lässt sich so die Durchschlagfestigkeit deutlich erhöhen.
Die Gefahr von Spannungsdurchschlägen kann insbesondere durch eine Gasisolierung reduziert werden. Dazu kann der Innenraum des Gehäuses mit einem Isoliergas gefüllt sein, beispielsweise Stickstoff, Kohlendioxid und/oder Schwefelhexafluorid. Bevorzugt wird als Isoliergas eine Gasmischung verwendet, die bezogen auf die Gesamtzahl der Gaspartikel wenigstens 5% Schwefelhexafluorid enthält Die Anforderungen an einen koaxialen HF-Steckverbinder einer Koronazündeinrichtung sind hoch, da der Motorbetrieb eine hohe thermische Belastung und auch eine hohe mechanische Belastung, insbesondere durch Schwingungen, mit sich bringt. Durch einen Glaskörper, der einen Ringspalt zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter abdichtet, kann dennoch eine Gasdichtigkeit von 10^–7 mbar·l/s und besser erreicht werden.
Der Glaskörper ist eine Glaseinschmelzung, die den Innenleiter umgibt. Wenn die Glasschmelze mit dem Innenleiter und dem Außenleiter in Kontakt gebracht wird, ergibt sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Glas und Innenleiter einerseits sowie Glas und Außenleiter andererseits.
Bevorzugt bildet der Glaskörper eine Druckglasdurchführung. Bei einer Druckglasdurchführung wird ausgenutzt, dass ein Metallkörper, hier also der Außenleiter, einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der von ihm umgebene Glaskörper aufweist. Zum Herstellen einer Druckglasdurchführung wird der Außenleiter erhitzt und der Ringspalt zwischen Außenleiter und Innenleiter mit flüssigem Glas verschlossen. Beim Abkühlen erstarrt der Glaskörper und zieht sich zusammen. Bedingt durch seinen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten zieht sich der Außenleiter stärker als der Glaskörper zusammen, so dass der Glaskörper mit einem erheblichen Druck gegen den Innenleiter gepresst wird. Auf diese Weise lässt sich mit einer Druckglasdurchführung eine hervorragende Dichtung sowohl zwischen dem Glaskörper und dem Innenleiter als auch zwischen dem Glaskörper und dem umgebenden Außenleiter erreichen. Bevorzugt ist dabei, dass der Innenleiter einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat also der Glaskörper. Dann zieht sich der Innenleiter beim Abkühlen nämlich weniger stark zusammen als der ihn umgebende Glaskörper. Die Kraft, mit welcher der Glaskörper gegen den Innenleiter drückt ist dann noch größer und entsprechend auch die Abdichtung noch besser.
Beispielsweise kann der Außenleiter aus Stahl oder einer Eisen-Nickel Legierung sein, bevorzugt mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von wenigstens 80·10^–7 pro Kelvin bei 20°C, beispielsweise im Bereich von 80 bis 180·10^–7 pro Kelvin bei 20°C. Für den Glaskörper können dann insbesondere Gläser mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von beispielsweise 50 bis 100·10^–7 pro Kelvin verwendet werden. Derartige Gläser sind handelsüblich erhältlich. Geignet ist beispielsweise Quarzglas. Der Innenleiter kann beispielsweise aus einer Invarlegierung sein. Eine geeignete Legierung ist beispielsweise unter der Bezeichnung Kovar im Handel erhältlich.
Der Außenleiter des Steckverbinders ist bevorzugt stoffschlüssig mit einem Gehäuserohr der Koronazündeinrichtung verbunden, beispielsweise durch Schweißen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen HF-Steckverbinder in einer teilweise geschnittenen Ansicht;
2 eine Koronazündeinrichtung mit einem solchen HF-Steckverbinder; und
3 einen Längsschnitt zu 2.
Der in 1 dargestellte HF-Steckverbinder besteht aus einem metallischen Gehäuse 1, das den Außenleiter des koaxialen Steckverbinders bildet, einem metallischen Innenleiter 2 und einem Glaskörper 3, der einen Ringspalt zwischen dem Innenleiter 2 und dem Außenleiter 1 abdichtet. Der Glaskörper 3 kann eine Druckglasdurchführung für den Innenleiter 2 bilden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dient der Glaskörper 3 zugleich auch als Isolierstütze für den Innenleiter 2, sodass auf weitere Komponenten verzichtet werden kann.
Der Ringspalt zwischen Außenleiter 1 und Innenleiter 2 ist bevorzugt wenigstens 2 mm breit. Der Durchmesser des Innenleiters ist bevorzugt kleiner als die Breite des Ringspaltes, beispielsweise 1 bis 1,5 mm. Bei diesen Abmessungen lässt sich eine gasdichte Druckglasdurchführung gut verwirklichen und mit einem für die elektrische Isolierung des Innenleiters 2 gegenüber dem Außenleiter 1 ausreichend breiter Ringspalt verbinden.
Der Hochfrequenzsteckverbinder kann überall eingesetzt werden, wo ein HF-Bauteil von außen mit einer Hochfrequenzleitung lösbar elektrisch verbunden werden soll. Besonders gut geeignet ist der HF-Steckverbinder für eine Korona-Zündeinrichtung, mit der ein Brennstoff-Luft-Gemisch in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors mittels einer Korona-Entladung gezündet wird.
Der Außenleiter 1 des dargestellten HF-Steckverbinders weist bevorzugt einen Abschnitt 1a auf, der eine zum Eingriff mit einem Schraubenschlüssel konturierte Außenfläche aufweist. Beispielsweise kann der Abschnitt 1a ein Sechskant- oder Doppelsechskantprofil aufweisen. Wenn der HF-Steckverbinder an einem Gehäuse einer Korona-Zündeinrichtung montiert ist, kann die Funktionsfläche des konturierten Abschnitts 1a zum Einschrauben der Korona-Zündeinrichtung in den Gewindeblock eines Motors genutzt werden. Der Außenleiter kann weitere Funktionsflächen aufweisen, beispielsweise zur Verrastung mit einem passenden Gegensteckverbinder.
Um die Befestigung des HF-Steckverbinders an einem Gehäuserohr zu erleichtern, weist dieser einen zylindrischen Endabschnitt 1b auf, der von einer umlaufenden Schulter 1c ausgeht. Mit diesem Endabschnitt 1b kann der HF-Steckverbinder in ein Gehäuserohr gesteckt werden. Die umlaufende Schulter 1c wird durch einen Flansch gebildet, der dann auf der stirnseitige Endfläche des Rohrgehäuses aufliegt. Der HF-Steckverbinder kann dann an einem Gehäuserohr beispielsweise durch Verschweißen, beispielsweise Laserschweißen oder Magnetkrimpen, befestigt werden.
Die 2 und 3 zeigen eine Korona-Zündeinrichtung mit dem in 1 dargestellten HF-Steckverbinder. Die Korona-Zündeinrichtung hat ein Gehäuse 4, das gasdicht mit dem Außenleiter 1 des HF-Steckverbinders verbunden ist, beispielsweise durch Schweißen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Gehäuse 4 aus mehreren Teilen, nämlich einem Gehäuserohr 4a, in dem eine Spule 5 angeordnet ist, und einem Gehäusekopf 4b, der einen Isolator 6 umgibt. Die Spule 5 ist auf einen Spulenkörper gewickelt, der an seinem Ende eine Buchse tragen kann, in die der Innenleiter 2 gesteckt ist. Der Innenleiter 2 kann so an die Spule 5 angeschlossen sein.
Der Gehäusekopf 4b weist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Außengewinde zum Einschrauben in einen Motorblock auf. Erforderlich ist ein Außengewinde aber nicht, da die Koronazündeinrichtung auch auf andere Weise am Motorblock befestigt werden kann.
Durch den Isolator 6 hindurch führt eine Mittelelektrode 7 zu einer oder mehreren Zündspitzen 8. Der Gehäusekopf 4b bildet zusammen mit der Mittelelektrode 7 und dem Isolator 6 einen Kondensator. Dieser Kondensator ist mit der Spule 5 in Reihe geschaltet und bildet mit dieser einen elektrischen Schwingkreis. Durch Anregung dieses Schwingkreises lässt sich eine von den Zündspitzen 8 ausgehende Koronaentladung erzeugen.
Das Gehäuse 4 der Korona-Zündeinrichtung ist an seinem brennraumseitigen Ende von dem Isolator 6 und an seinem brennraumfernen Ende von dem HF-Steckverbinder gasdicht verschlossen. Um die Gefahr von Spannungsüberschlägen im Inneren des Gehäuses zu reduzieren, ist der Gasdruck im Innenraum des Gehäuses gegenüber dem atmosphärischen Druck erhöht, beispielsweise auf einen Wert von mehr als zwei bar. Gut geeignet sind Werte von 5 bar bis 30 bar.
Der gasdichte Verschluss des Gehäuses 4 der Korona-Zündeinrichtung ermöglicht eine Gasisolierung. Eine Gasisolierung reduziert nicht nur die Gefahr von Spannungsüberschlägen sondern reduziert auch Verluste des Schwingkreises in dem leitfähigen Gehäuse 4 der Korona-Zündeinrichtung.
Die Gasisolierung im Inneren der Koronazündeinrichtung kann beispielsweise durch Stickstoff, trockene Luft, Schwefelhexafluorid und/oder Kohlendioxid erreicht werden. Besonders gut geeignet sind Isoliergase wie Stickstoff, Schwefelhexafluorid und Kohlendioxid. Insbesondere Gasmischungen, die Schwefelhexafluorid, beispielsweise 5 Prozent (bezogen auf die Gesamtzahl der Gasmoleküle) oder mehr, enthalten, ermöglichen eine hervorragende Gasisolierung.
Bezugszeichenliste

1: Außenleiter des HF-Steckverbinders
1a: Funktionsfläche des Außenleiters
1b: zylindrischer Endabschnitt des Außenleiters
1c: umlaufende Schulter des Außenleiters
2: Innenleiter des HF-Steckverbinders
3: Glaskörper des HF-Steckverbinders
4: Gehäuse der Koronazündeinrichtung
4a: Gehäuserohr
4b: Gehäusekopf
5: Spule
6: Isolator
7: Mittelelektrode
8: Zündspitze

Claims

Koronazündeinrichtung mit einer Mittelelektrode (7), einem Isolator (6), in dem die Mittelelektrode (7) steckt, einer Spule (5), die an die Mittelelektrode (7) angeschlossen ist, einem Gehäuse (4), in dem die Spule (5) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (4) an einem Ende von dem Isolator (6) verschlossen ist und an dem anderem Ende einen HF-Steckverbinder trägt, der einen an die Spule (5) angeschlossenen Innenleiter (2) und einen an das Gehäuse (4) angeschlossenen Außenleiter (2) aufweist, der HF-Steckverbinder einen Glaskörper (3) enthält, der einen Ringspalt zwischen dem Innenleiter (2) und dem Außenleiter (1) abdichtet, und der Gasdruck in dem Gehäuse (4) gegenüber dem Atmosphärendruck erhöht ist.
Koronazündeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des Gehäuses (4) mit einem Isoliergas gefüllt ist.
Koronazündeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliergas Schwefelhexafluorid enthält.
Koronazündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (2) einen Durchmesser von höchstens zwei Millimeter, vorzugsweise nicht mehr als 1,5 Millimeter, aufweist.
Koronazündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt des Gehäuses (4) von einem Gehäuserohr (4a) gebildet ist, in das ein zylindrischer Endabschnitt (1b) des Außenleiters (1) hineinragt.
Koronazündeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steckverbinder eine umlaufende Schulter (1c) aufweist, mit der er auf einer Endfläche des Gehäuserohrs (4a) sitzt.
Koronazündeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Steckverbinder einen Abschnitt (1a) aufweist, der eine zum Eingriff mit einem Schraubenschlüssel konturierte Außenfläche aufweist.
Koronazündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaskörper (3) eine Druckglasdurchführung bildet.
Gasdichter Hochfrequenzsteckverbinder mit einem Innenleiter (2), einem Außenleiter (1) und einem Glaskörper (3), der einen Ringspalt zwischen dem Innenleiter (2) und dem Außenleiter (1) abdichtet, wobei der Glaskörper (3) eine Glaseinschmelzung ist, die den Innenleiter (2) umgibt und eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Glas und Innenleiter (2) einerseits sowie zwischen Glas und Außenleiter (1) andererseits ergibt.