DE102012210391A1

DE102012210391A1 - Zündvorrichtung

Info

Publication number: DE102012210391A1
Application number: DE102012210391A
Authority: DE
Inventors: Kimihiko Tanaya
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: DE102012210391B4; JP2013160216A; US8767371B2; US20130208394A1

Abstract

Eine Zündvorrichtung ist mit einer Zündkerze (101) versehen, umfassend eine erste Elektrode (101a), die eine Hochspannung mittels Energie, die von einer Zündspuleneinrichtung (102) bereitgestellt wird, erzeugt, eine zweite Elektrode (101b), die auf die erste Elektrode (101a) über einen ersten Spalt zeigt und in dem ersten Spalt eine Funkenentladung zum Entzünden eines Kraftstoffs erzeugt, und eine dritte Elektrode (101c), die auf die erste Elektrode über einen zweiten Spalt zeigt, der kleiner ist als der erste Spalt und die mit der zweiten Elektrode (101b) mittels eines elektrischen Leiters (302) verbunden ist, der einen vorgegebenen Widerstandswert aufweist; wobei eine Steuervorrichtung die Zündspuleneinrichtung (102) zweimal oder öfters bei einem einzelnen Zündvorgang antreibt, so dass die Zündkerze eine Funkenentladung erwirkt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung (engl.: ignition apparatus), die vorwiegend Verbrennungskraftmaschinen verwendet wird.
STAND DER TECHNIK
In den letzten Jahren haben Themen wie Umweltschutz und das Aufbrauchen der weltweiten Kraftstoffreserven an Aufmerksamkeit gewonnen; Maßnahmen für diese Themen werden dringend auch in der Automobilindustrie benötigt. Die Maßnahmen umfassen beispielsweise den Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine durch geschichtete, magere Verbrennung, welches eine ultra-magere Verbrennung ist, die ein geschichtetes Kraft-Luftgemisch verwendet. Bei der geschichteten, mageren Verbrennung kann die Verteilung der entflammbaren Kraftstoffluftmischungen variieren; daher wird eine Zündvorrichtung, die in der Lage ist diese Variation zu absorbieren, benötigt.
Eine herkömmliche Zündvorrichtung, die in Patentdokument 1 offenbart ist, ist mit einer Zündkerze versehen, die eine Funkenentladung in einer Brennkammer erzeugt und mit einer Mikrowellenerzeugungsvorrichtung versehen, die die Funkenentladung, die in der Zündkerze erzeugt wird, mit Energie versorgt. Es wird behauptet, dass, da die herkömmliche Zündvorrichtung es ermöglicht ein größeres Entladungsplasma (engl.: discharge plasma) auszubilden, eine große Anzahl an räumlichen Zündmöglichkeiten vorgesehen werden kann, die Variation bei der Verteilung der Kraftstoffluftgemische absorbiert werden kann und die vorgenannte Anforderung der geschichteten, mageren Verbrennung erfüllt wird.
Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldung JP 2010-96128
Die herkömmlich Zündvorrichtung, die in Patentdokument 1 offenbart ist, kann das Auslöschen unterdrücken und kann die Variation des zu erzeugenden Drehmoments unterdrücken, da sie ein größeres Entladungsplasma ausbilden kann; jedoch, da eine Bahn zum Einführen einer Mikrowelle zusätzlich zu einer Zündkerze benötigt wird, ist es schwierig die Zündvorrichtung, die in Patentdokument 1 offenbart ist, bei einer existierenden Verbrennungskraftmaschine anzuwenden. Es besteht ein Problem dahingehend, dass es bei der Abstimmung der Impedanz, der Technologie und des Produkts sehr schwierig ist, stabil eine hochfrequente Energie, wie beispielsweise Mikrowellen, in einer extrem unstabilen Verbrennungskammer zur Verfügung zu stellen, in welcher ein Kolben sich hin und her bewegt, eine große Druckveränderung wiederkehrend erwirkt wird und eine Produktion und Löschung des Plasmas durch Entladung und Verdichtung wiederholt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorgenannten Probleme bei herkömmlichen Zündvorrichtungen zu lösen. Die Aufgabe davon ist es eine Zündvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die einfach aufgebaut ist und in der Lage ist ein großes Entladungsplasma auszubilden.
Eine Zündvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird versehen mit einer Zündkerze, die eine Funkenentladung zum Entzünden eines Kraftstoffs erwirkt, einer Zündspuleneinrichtung, die die Zündkerze mit Energie versorgt, um die Funkenentladung zu erwirken, und einer Steuervorrichtung, die die Zündspuleneinrichtung ansteuert und antreibt; wobei in der Zündvorrichtung die Zündkerze eine erste Elektrode, die eine Hochspannung mittels Energie, die von der Zündspuleneinrichtung bereitgestellt wird, erzeugt, eine zweite Elektrode, die auf die erste Elektrode über einen ersten Spalt zeigt und in dem ersten Spalt eine Funkenentladung zum Entzünden des Kraftstoffs erwirkt, und eine dritte Elektrode, die auf die erste Elektrode über einen zweiten Spalt zeigt, der kleiner ist als der erste Spalt, und mit der zweiten Elektrode mittels eines elektrischen Leiters, der einen vorgegebenen Widerstandswert aufweist, verbunden ist, umfasst; und die Zündvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung die Zündspule zweimal oder öfters bei einem einzelnen Zündvorgang ansteuert bzw. antreibt.
In der Zündvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein großer Anteil des Plasmas, das durch einen großen Entladungsstrom erzeugt wird, an den Spalt zwischen den Elektroden der Zündkerze wiederholt und von einem räumlich breiten Bereich bereitgestellt werden; daher kann ein großes Entladungsplasma einfach mit einer einfachen Konfiguration ausgebildet werden, wodurch magerer Kraftstoff oder verdünnter Kraftstoff stabil verbrannt werden kann. Im Ergebnis, da der Kraftstoff, der für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine oder dergleichen verwendet wird, drastisch reduziert werden kann, kann die Umweltbelastung (engl.: carbon footprint) stark abgesenkt werden, wodurch die Zündvorrichtung zum Umweltschutz beitragen kann.
Das vorgenannte und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Aufbaudiagramm einer Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Satz von Querschnittsansichten, die eine Zündkerze gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellen;
3 ist ein Zeitablaufdiagramm zum Erklären des Betriebs einer Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung;
4 ist ein Satz an Querschnittsansichten, die eine Zündkerze gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung darstellen; und
5 ist ein Aufbaudiagramm einer Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Ausführungsform 1
1 ist ein Aufbaudiagramm einer Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. In 1 wird eine Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung mit einer Zündkerze 101, einer Zündspuleneinrichtung 102, die eine vorgegebene Hochspannung anlegt und einen Strom an die Zündkerze 101 bereitstellt, und einer Steuervorrichtung 103, die den Betrieb der Zündspuleneinrichtung 102 steuert, versehen.
Die Zündkerze 101 ist mit einer Hochspannungselektrode 101a, als einer ersten Elektrode; einer externen Elektrode 101b, als einer zweiten Elektrode, die auf die Hochspannungselektrode 101a über einen Hauptzündkerzenspalt zeigt, welcher ein erster vorgegebener Spalt ist; und einer Pilotelektrode 101c (engl.: Pilot electrode), als einer dritten Elektrode versehen. Die Pilotelektrode 101c ist mit der externen Elektrode 101b mittels einer Widerstandskomponente 101d verbunden und zeigt auf die Hochspannungselektrode 101a durch einen Hilfszündkerzenspalt, welcher ein zweiter vorgegebener Spalt ist.
Die Zündspuleneinrichtung 102 weist eine primäre Spule 102a und eine sekundäre Spule 102b auf, die magnetisch miteinander durch einen Eisenkern 102c und eine Gleichrichterelektrode 102d gekoppelt sind. Die Steuervorrichtung 103 ist mit einem Signalgenerator 103a, der ein Steuersignal S zum Einstellen der Betriebszeitpunkte und der Anzahl an Betrieben der Zündspuleneinrichtung 102 gemäß dem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine erzeugt, und mit einer Schalteinrichtung 103b, die von dem Steuersignal S gesteuert wird (engl.: switching-controlled), das von dem Signalgenerator 103a bereitgestellt wird, um einen Strom zu steuern, der in der primären Spule 102a der Zündspuleneinrichtung 102 fließt, versehen.
In der Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung ist der Signalgenerator 103a aus einem Mikroprozessor (im Folgenden als eine MPU im Folgenden bezeichnet) ausgebildet und die Schalteinrichtung 103b ist aus einem IGBT ausgebildet.
Ein Ende der sekundären Spule 102b der Zündspuleneinrichtung 102 ist mit der Hochspannungselektrode 101a der Zündkerze 101 mittels der Gleichrichterelektrode 102d verbunden und das andere Ende davon ist mit der Masse (im Folgenden als GND bezeichnet) eines Fahrzeugs verbunden.
Als nächstes wird die Konfiguration der Zündkerze 101 erklärt. 2 ist ein Satz an Querschnittsansichten, der ein Beispiel der Zündkerze einer Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellt; 2(A) ist eine Längsquerschnittsansicht einer gesamten Zündkerze; 2(B) ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Abschnitts B in 2(A). In 2 ist die Zündkerze 101 mit einem Isolierabschnitt 11, der aus Keramik oder dergleichen ausgebildet ist, einem Anschlussabschnitt 12, einem Füllmaterial 16, das eine Widerstandskomponente aufweist, der Hochspannungselektrode 101a, als einer ersten Elektrode, der externen Elektrode 101b, als einer zweiten Elektrode, der Hochspannungselektrode 101a, als einer dritten Elektrode, einem Schraubabschnitt 14 und einem Gehäuseabschnitt 15 versehen.
Der Isolatorabschnitt 11 ist mit einem zentralen Loch 110 versehen und ist in der Form einer Röhre ausgebildet, von der ein Ende 111 dünner ist als das andere Ende 112. Der Anschlussabschnitt wird in das zentrale Loch 110 des Isolatorabschnitts 11 eingeführt; wobei ein Ende des Anschlussabschnitts 12 von dem anderen Ende 112 des Isolatorabschnitts 11 exponiert ist. Die Hochspannungselektrode 101a wird in das zentrale Loch 110 in dem einen Ende 111 des Isolatorabschnitts 11 eingeführt; ein Ende der Hochspannungselektrode 101a ist von dem anderen Ende 111 des Isolatorabschnitts 11 exponiert. Die externe Elektrode 101b ist auf eine solche Weise ausgebildet, um in den Schraubabschnitt 14 integriert zu sein und zeigt auf den vorderen Endabschnitt der Hochspannungselektrode 101a durch den Hauptkerzenspalt, welcher der erste vorgegebene Spalt ist. In dem zentralen Loch 110 sind das andere Ende der Hochspannungselektrode 101a und das andere Ende des Anschlussabschnitts 12 elektrisch miteinander mittels des Füllmaterials 16 verbunden.
Die Pilotelektrode 101c ist aus einem elektrischen Leiter 302 ausgebildet, der eine Widerstandskomponente aufweist, und ist an der äußeren Umfangsoberfläche des einen Endes 111 des Isolatorabschnitts 11 befestigt. Die Pilotelektrode 101c umgibt die äußere Umfangsoberfläche des einen Endes der Hochspannungselektrode 101a und zeigt auf die Hochspannungselektrode 101a durch den Hilfskerzenspalt, welcher der zweite vorgegebene Spalt ist. Das andere Ende der Pilotelektrode 101c ist elektrisch mit der inneren Umfangsoberfläche des Schraubabschnitts 14 verbunden und ist elektrisch mit der externen Elektrode 101b über den vermittelnden Schraubabschnitt 14 verbunden. Der Hilfskerzenspalt, welcher der Spalt zwischen der Hochspannungselektrode 101a und der Pilotelektrode 101c ist, ist auf eine solche Weise eingestellt, dass die Pilotelektrode 101c keinen Kontakt mit der Hochspannungselektrode 101a herstellt und auf eine solche Weise, um schmäler zu sein als der Hauptkerzenspalt, welcher der Spalt zwischen der Hochspannungselektrode 101a und der externen Elektrode 101b ist.
Ein Gehäuseabschnitt 15, der aus Metall hergestellt ist, ist an der äußeren Umfangsoberfläche des Isolatorabschnitts 11 befestigt; der äußere Umfangsgehäuseabschnitt 15 ist in der Form eines Hexagons oder eines Vierecks ausgebildet. Der Gehäuseabschnitt 15 dient als eine Mutter zum Anbringen der Zündkerze 101 in dem Schraubabschnitt des Durchgangslochs, das in dem Zylinderblock (nicht dargestellt) der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist oder zum Entfernen der Zündkerze 101 aus dem Schraubabschnitt und spielt eine Rolle beim stabilen Befestigen der Zündkerze 101 an dem Zylinderblock.
Die Zündkerze 101 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, die auf eine solche Weise, wie oben beschrieben, ausgebildet ist, wird an einem Zylinderblock einer Verbrennungskraftmaschine (nicht dargestellt) auf eine solche Weise befestigt, dass der Schraubabschnitt 14 davon in den Schraubabschnitt geschraubt wird, der in dem Zylinderblock der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist und das Gehäuse 15 stellt einen Kontakt mit dem Zylinderblock der Verbrennungskraftmaschine her. Der Anschlussabschnitt 12 der Zündkerze 101 ist mit der sekundären Spule 102b der Zündspuleneinrichtung 102 mittels der vorgenannten Gleichrichterelektrode 102d verbunden.
Die Zündkerze 101, die auf eine solche Weise, wie oben beschrieben, gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, benötigt keinen bestimmten externen Anschluss für die Pilotelektrode 101c und kann auf eine solche Weise genutzt werden, um direkt mit einer normalen Zündspuleneinrichtung verbunden zu sein.
Da die Zündkerze 101 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung die Pilotelektrode 101c aufweist, kann die „benötigte Spannung”, die benötigt wird, um einen dielektrischen Durchschlag in dem Hauptkerzenspalt zu erwirken, reduziert werden. In anderen Worten, angenommen, dass eine gemeinsame Zündkerze mit keiner Pilotelektrode einen Hauptkerzenspalt aufweist dessen Spaltmaß bzw. Spaltgröße die gleiche ist wie das/die der Zündkerze gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, kann die Zündkerze gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung es ermöglichen, die vorgenannte benötigte Spannung auf einen Wert abzusenken, der die Hälfte der benötigten Spannung der bekannten Zündkerze beträgt.
Es ist ideal, dass der Widerstandswert der Widerstandskomponente 101d, die die Pilotelektrode 101c mit der externen Elektrode 101b verbindet, das heißt, der Widerstandswert der Widerstandskomponente des elektrischen Leiters 302, der die Pilotelektrode 101c, die in 2 dargestellt ist, ausbildet, gemäß der vorgenannten benötigten Spannung ermittelt wird, die basierend auf dem Betriebsstatus der Verbrennungskraftmaschine variiert; jedoch, in diesem Fall, da der externe Anschluss, der der Pilotelektrode 101c gewidmet bzw. zugeordnet ist, benötigt wird, wird die Struktur der Zündkerze komplex. Jedoch, falls die Aufgabe auf eine begrenzte Anwendung beschränkt ist, wie beispielsweise das Reduzieren des maximalen Werts der vorgenannten benötigten Spannung in einem bekannten Fahrzeug, das mit einer Verbrennungskraftmaschine versehen ist, die Benzin als einen Kraftstoff verwendet, kann die Aufgabe durch Einstellen des Widerstandswerts der Widerstandskomponente 101d auf einen festen Wert von ungefähr 300 [kΩ] umgesetzt werden; folglich kann ein Effekt aufgezeigt werden, das die benötigte Spannung zum Erwirken eines dielektrischen Durchschlags in dem Hauptkerzenspalt mit einem einfachen Aufbau abgesenkt wird.
Falls es die Aufgabe ist die vorgenannte benötige Spannung in dem Fall abzusenken, in dem der Umgebungsdruck in dem Zylinder geringer ist als der Atmosphärendruck, kann die Aufgabe am effizientesten umgesetzt werden, indem der Widerstandswert der Widerstandskomponente 101d auf ungefähr 50 [kΩ] eingestellt wird. Falls es die Aufgabe ist die vorgenannte Spannung unter einen Hochdruckzustand abzusenken, bei dem der Umgebungsdruck in dem Zylinder der gleiche oder höher ist als 10 Atmosphären, kann die Aufgabe umgesetzt werden, indem der Widerstandswert der Widerstandskomponente 101d auf ungefähr 1 [MΩ] eingestellt wird.
Wie oben beschrieben wurde, kann durch Verwendung der Zündkerze 101 mit der Pilotelektrode 101c die benötigte Spannung zum Erwirken eines dielektrischen Durchschlags in dem Hauptkerzenspalt nahezu halbiert werden; daher kann die Zündspuleneinrichtung 102 nicht mit einer herkömmlichen spannungsorientierten Spezifikation konfiguriert werden, sondern mit einer stromorientierten Spezifikation, beispielsweise mit einer Spezifikation, bei welcher das Wicklungsverhältnis der sekundären Spule 102b zu der primären Spule 102a auf „80” oder kleiner eingestellt ist. Wie oben beschrieben wurde, kann durch Verwendung der Zündkerze 101 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung als der Zündspuleneinrichtung 102 eine Zündspuleneinrichtung zur Verfügung gestellt werden, bei welcher zu sammelnde und zu lösende Energie stromorientiert ist.
Wenn der sekundäre Strom, der in der sekundären Spule 102b der Zündspuleneinrichtung 102 fließt, erhöht wird, wird die Sekundärspannung, die in der sekundären Spule 102b erzeugt wird, geringer; folglich kann in einigen bekannten Zündkerzen, die keine Pilotelektrode aufweisen, kein dielektrischer Durchschlag in dem Hauptkerzenspalt der Zündkerze 101 erzeugt werden, wodurch die Löschung (engl.: extinction) erwirkt wird. Um sowohl den Sekundärstrom in der Zündspuleneinrichtung 102 und die Sekundärspannung durch Verwendung einer herkömmlichen Zündkerze mit keiner Pilotelektrode zu erhöhen, wird eine große Zündspuleneinrichtung benötigt; folglich kann im Hinblick auf die Kosten und die Fähigkeit in einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet zu werden (Anordenbarkeit), die bekannte Zündkerze nicht als ein Produkt akzeptiert werden. Im Gegensatz dazu weist die Zündkerze 101 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung die Pilotelektrode 101c auf; daher kann durch Verwendung der Zündkerze 101 in der Zündeinrichtung ein dielektrischer Durchschlag sicher in dem Hauptkerzenspalt erwirkt werden, während die Kosten und die Anordenbarkeit vergleichbar mit einer bekannten Zündkerze aufrechterhalten werden und ein hoher Entladungsstrom zum Fließen gebracht werden kann.
Wenn ein hoher Entladungsstrom in den Hauptkerzenspalt der Zündkerze 101 fließt, fließt ein hoher Strom auch in einer Bahn von der sekundären Spule 102b der Zündspuleneinrichtung 102 zu der Hochspannungselektrode 101a der Zündkerze 101. Demgemäß, falls eine große Widerstandskomponente in dieser Bahn existiert, wird ein hoher Verlust erwirkt. Es ist daher vorstellbar, dass in Abhängigkeit von der Spezifikation der stromorientierten Zündspuleneinrichtung 102, ein Fehlbetrag in der erzeugten Spannung es unmöglich macht einen Strom zum Fließen in dem Hauptkerzenspalt der Zündkerze 101 zu bringen. Daher ist es notwendig die Widerstandskomponente der Bahn von der sekundären Spule 102b der Zündspuleneinrichtung 102 hin zu der Hochspannungselektrode 101a der Zündkerze 101 so klein wie möglich einzustellen.
Im Allgemeinen wird in einer Zündkerze als ein Füllmaterial zum Verbinden einer Hochspannungselektrode mit dem Anschluss, der mit der Zündspuleneinrichtung zu verbinden ist, ein Material mit einer großen Widerstandskomponente von ungefähr 5 [kΩ] verwendet, um ein Rauschen/Geräusch zu unterdrücken; wie oben beschrieben wurde, muss in Anbetracht der Stromversorgung die Widerstandskomponente des Füllmaterials soweit wie möglich reduziert werden. Folglich wird in der Zündkerze 101 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung angedacht, dass der Widerstandswert des Füllmaterials 16 den Betrag von 1 [kΩ] oder weniger aufweist.
Um ein großes Entladungsplasma in dem Hauptkerzenspalt der Zündkerze 101 auszubilden, ist es notwendig einen großen Strom dem Hauptkerzenspalt „wiederholt in einem kurzen Zeitabstand” zur Verfügung zu stellen. Je größer der Strom ist, der dem Hauptkerzenspalt zur Verfügung gestellt wird, desto mehr Plasma wird ausgebildet. Jedoch, da sich das Plasma in der Umgebung einer Entladungsbahn konzentriert, kann ein Entladungsplasma mit einer Zielgröße nicht nur durch Erhöhen des Entladungsstroms erhalten werden. Um das erzeugte Plasma in einem räumlich breiten Bereich zu verteilen, ist es notwendig eine Entladung zwei oder mehrmals zu erzeugen, das heißt, eine sogenannte multiple bzw. mehrfache Entladung wird benötigt.
Aufgrund einer Entladung, die in dem Hauptkerzenspalt der Zündkerze 101 erwirkt wird, wird Plasma in dem Kerzenspalt erzeugt. Wenn die Entladung unterbrochen wird, zeigt das Plasma verschiedene Verhaltensweisen; beispielsweise diffundiert ein Teil davon aufgrund seiner eigenen Hitze, ein weiterer Teil davon fließt aufgrund der Strömung der entflammbaren Kraftstoffluftmischung in der Verbrennungskammer der Verbrennungskraftmaschine und ferner wird ein weiterer Teil davon gelöscht. In dem Fall, in dem die vorgenannte Entladung unterbrochen wird, wird eine vorgegebene Hochspannung an den Hauptkerzenspalt angelegt, um eine Entladung erneut in dem Hauptkerzenspalt zu erwirken, wobei die Entladung in einer Bahn in dem Hauptkerzenspalt mit einer geringeren Impedanz wieder aufgenommen wird. Die Bahn mit einer geringeren Impedanz umfasst eine Bahn mit hoher Plasmadichte, eine Bahn, die am kürzesten in dem Hauptkerzenspalt ist usw.; durch Umsetzen von vielen Zündvorgängen steigt die Wahrscheinlichkeit, dass eine Entladung erneut in einer sich von der vorangegangenen Entladungsbahn unterscheidenden Bahn erwirkt wird, an.
Da multiple Zündvorgänge es nicht allein möglich machen ein ausreichendes Plasma durch eine einzelne Entladung zu erzeugen, kann kein großes Entladungsplasma als ein Ganzes ausgebildet werden; durch bloßes Erhöhen des Entladungsstroms wird der Plasmabereitstellbereich schmal und folglich kann kein Entladungsplasma ausgebildet werden. Jedoch, da die Zündkerze 101 gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung die Pilotelektrode 101c aufweist und die benötigte Spannung reduzieren kann, kann ein Entladungsstrom, der in der Lage ist ein ausreichendes Plasma auszubilden, bereitgestellt werden; ferner macht es eine multiple Zündung möglich, Plasma auf eine wiederholte Weise und von verschiedenen Positionen bereitzustellen, das heißt, in einem breiten Bereich; folglich kann ein größeres Entladungsplasma ausgebildet werden.
Als nächstes wird der Betrieb der Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Signalgenerator 103a der Steuervorrichtung 103 steuert die Schalteinrichtung 103b, die aus einem IGBT auf eine solche Weise ausgebildet ist, dass eine Entladung in einem Zyklus wieder aufgenommen werden kann, während welchem Plasma, das in dem Hauptkerzenspalt der Zündkerze 101 erzeugt wird, ungelöscht verbleibt und sich das ausgebildete Plasma geeignet ausbreitet. 3 ist ein Zeitablaufdiagramm zum Erklären des Betriebs der Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung; 3(a) stellt die Wellenform des Steuersignals S dar, das der Schalteinrichtung 103b bereitgestellt wird; 3(b) stellt die Wellenform des Primärstroms I1 dar, der in der primären Spule 102a der Zündspuleneinrichtung 102 fließt; 3(c1) stellt die Wellenform des Entladungsstroms I21 dar, der in dem Hauptkerzenspalt in dem Fall fließt, in dem die Gleichrichterdiode 102d zur Verfügung gestellt wird; und 3(c2) stellt die Wellenform eines Entladungsstroms I22 dar, der in dem Hauptkerzenspalt in dem Fall fließt, in dem die Gleichrichterelektrode 102d nicht vorgesehen ist.
In 1 und 3 schaltet sich zunächst, wenn zu dem Zeitpunkt T1 das Steuersignal S, das in 3(a) dargestellt wird, ein hohes Niveau einnimmt (im Folgenden als H-Niveau bezeichnet) die Schalteinrichtung 103b ein; anschließend, wie in 3(b) dargestellt, beginnt der Primärstrom I1 von der Leistungsquelle 100 zur Masse über die primäre Spule 102a der Zündspuleneinrichtung 102 und die Schalteinrichtung 103b zu fließen und steigt graduell an. Aufgrund des Primärstroms I1, der in der primären Spule 102a fließt, sammelt die Zündspuleneinrichtung 102 magnetische Energie.
Wenn zu dem Zeitpunkt T2, nachdem ausreichend magnetische Energie in der Zündspuleneinrichtung 102 angesammelt wurde, das Steuersignal S geschaltet wird, um ein niedriges Niveau einzunehmen (im Folgenden als L-Niveau bezeichnet), um die Schalteinrichtung 103b auszuschalten und um den Primärstrom I1 abzuschalten, löst die Hochspannungsbereitstellspule 102 die gesammelte magnetische Energie, so dass eine Hochspannung an der sekundäre Spule 102b erzeugt wird. Die Hochspannung, die von der Zündspuleneinrichtung 102 erzeugt wird, wird an die Hochspannungselektrode 101a der Zündkerze 101 mittels der Gleichrichterelektrode 102d übertragen, so dass ein dielektrischer Durchschlag in dem Hilfskerzenspalt zwischen der Hochspannungselektrode 101a und der Pilotelektrode 101c erzeugt wird und anschließend eine Pilotentladung erwirkt wird.
Wenn eine Pilotentladung in dem Hilfskerzenspalt erwirkt wird, verringert sich die Impedanz in dem Hauptkerzenspalt zwischen der Hochspannungselektrode 101a und der externen Elektrode 101b. Anschließend, wenn die Impedanz zwischen der Hochspannungselektrode 101a und der externen Elektrode 101b geringer wird als die Impedanz der Pilotentladungsbahn, wird ein dielektrischer Durchschlag zwischen der Hochspannungselektrode 101a und der externen Elektrode 101b erwirkt und anschließend wird eine Hauptentladung in dem Hauptkerzenspalt erwirkt. Im Ergebnis, wie in 3(c1) dargestellt, beginnt der Entladungsstrom I21 zu fließen und steigt graduell an.
In Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung wird die Richtung von der Hochspannungselektrode 101a der Zündkerze 101 zu der externen Elektrode 101b als die positive Richtung festgelegt. Wenn die Zündspuleneinrichtung 102 magnetische Energie frei setzt, wird eine negative Hochspannung von der sekundären Spule 102b an die Hochspannungselektrode 101a angelegt und anschließend fließt der Entladungsstrom I21, der in 3(c1) dargestellt ist, in der negativen Richtung.
Anschließend, wenn zu dem Zeitpunkt T3, das Niveau des Steuersignals S zu dem H-Niveau verändert wird, schaltet sich die Schalteinrichtung 103b ein, der Primärstrom I1 beginnt wieder zu fließen und magnetische Energie wird in der Zündspuleneinrichtung 102 gesammelt; gleichzeitig wird über der sekundären Zündspule 102b eine Induktionsspannung mit einer Polarität entgegengesetzt zu der davon zu einem Zeitpunkt, wenn die magnetische Energie frei gesetzt wird, induziert.
In dem Zeitintervall von dem Zeitpunkt T3 bis zu dem Zeitpunkt T4 erzeugt die sekundäre Spule 102b eine Spannung in der positive Richtung für die Zündkerze 101; da die Gleichrichterdiode 102d in der Zündspuleneinrichtung 102 vorgesehen ist, wird der Entladungsstrom I21, der in dem Hauptkerzenspalt fließt, abgeschnitten, wie in 3(c1) dargestellt. Wie oben beschrieben ist die Zeitdauer von dem Zeitpunkt T3 bis zu dem Zeitpunkt T4 eine Zeitdauer, während welcher ein Entladungsstrom unterbrochen wird und Plasma sich ausbreitet.
Zusätzlich fließt in dem Fall, in welchem keine Gleichrichterdiode 102d in der Zündspuleneinrichtung 102 vorgesehen ist, ein Entladungsstrom I22, der in dem Hauptkerzenspalt fließt, in sowohl der positiven als auch der negativen Richtung, wie in 3(c2) dargestellt, und wird anschließend zu einem Wechselstrom. Zu dem Zeitpunkt T3, da Plasma in dem Hauptkerzenspalt erzeugt wurde, ist die Impedanz in dem Hauptkerzenspalt gering; folglich, wenn die positive Spannung angelegt wird, fließt ein Entladungsstrom I22 in der positiven Richtung, dessen Richtung entgegengesetzt zu der Richtung des Entladungsstroms I22 ist, der bisher floss, in dem Hauptkerzenspalt. Zu diesem Zeitpunkt wechselt die Richtung des Entladungsstroms I22 von der negativen Richtung hin zu der positiven Richtung und folglich wird die Entladung einmal unterbrochen; daher kann sich auch in diesem Fall die vorhergehende Entladungsbahn verändern.
Als nächstes, wenn zu dem Zeitpunkt T4, das Niveau des Steuersignals S zu dem L-Niveau wechselt, schaltet die Schaltereinrichtung 103b ab und folglich wird der Primärstrom I1 abgeschnitten, wie in 3(b) dargestellt; auf dieselbe Weise wie oben beschrieben, setzt die Zündspuleneinrichtung 102 die gesammelte Energie frei und anschließend fließt ein Entladungsstrom in der negativen Richtung in dem Hauptkerzenspalt. Anschließend kann durch Wiederholen des vorgenannten Betriebs in der Zeitdauer von dem Zeitpunkt T2 hin zu dem Zeitpunkt T4 eine Entladung wiederholt werden, während die Entladungsbahn verändert wird, wodurch ein hohes Entladungsplasma erzeugt werden kann.
Zusätzlich wird es nicht benötigt, dass die Zeitdauer von dem Zeitpunkt T2 bis hin zu dem Zeitpunkt T3, in welchem das Steuersignal S das L-Niveau aufweist, so lange wie die Zeitdauer von dem Zeitpunkt T3 zu dem Zeitpunkt T4, in welchem das Steuersignal S das H-Niveau aufweist, ist. Der obige Zustand findet Anwendungen bei den Zeitperioden nach dem Zeitpunkt T4.
In dem Fall, in welchem die Gleichrichterdiode 102d vorgesehen ist, ist es wünschenswert das Niveau des Steuersignals S vom L-Niveau zu dem H-Niveau zu dem Zeitpunkt zu verändern, wenn der Wert des Entladungsstroms I21, der in 3(c1) dargestellt ist, den negativen Spitzenwert einnimmt, beispielsweise zu dem Zeitpunkt T3, da in diesem Fall mehr Plasma in den Raum ausgestoßen werden kann als in andere Fällen. Der Zeitpunkt, in welchem das Steuersignal S auf dem L-Niveau verbleibt, während die Entladung in dem Hauptkerzenspalt umgesetzt wird, beispielsweise das Zeitintervall von dem Zeitpunkt T2 zu dem Zeitpunkt T3 hängt von der Spezifikation der Zündspuleneinrichtung 102 ab; beispielsweise ist es eingestellt, um einen festgelegten Wert von ungefähr 3 [μs] aufzuweisen. Zusätzlich ist es notwendig das Niveau des Steuersignals S von dem H-Niveau zu dem L-Niveau zu dem Zeitpunkt, zu dem das Plasma vollständig gelöscht ist, zu verändern. Die Plasmalöschungszeitdauer differiert in Abhängigkeit von der Temperatur in einer Brennkammer, dem Druck, der Art von Plasma und dergleichen; daher ist es wünschenswert sie gemäß dem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine zu verändern; beispielsweise ist sie auf einen festen Wert von ungefähr 1 [μs] eingestellt.
Im Gegensatz ist es in dem Fall, in welchem keine Gleichrichterdiode 102d vorgesehen ist, wünschenswert das Niveau des Steuersignals S von dem L-Niveau zu dem H-Niveau zu einem Zeitpunkt zu verändern, wenn der Entladungsstrom I22, der in 3(c2) dargestellt wird, graduell abnimmt und ungefähr gleich Null wird, beispielsweise zu dem Zeitpunkt T3, da in diesem Fall mehr Zeit, während welcher Plasma sich in dem Raum ausbreitet, erhalten werden kann als in anderen Fällen. In diesem Fall hängt die Zeitdauer, während welcher das Steuersignal S auf dem L-Niveau verbleibt und die Zeitdauer, während welcher das Steuersignal S auf dem H-Niveau verbleibt, von der Spezifikation der Zündspuleneinrichtung 102 ab; beispielsweise ist die Zeitdauer, während welcher das Steuersignal S auf dem L-Niveau verbleibt, und die Zeitdauer, während welcher das Steuersignal S auf dem H-Niveau verbleibt, auf einen festen Wert von ungefähr 5 [μs] eingestellt.
Wie oben beschrieben wurde, kann im Gegensatz zu einer bekannten Zündvorrichtung, die auf eine komplizierte und teure Weise ausgebildet ist, die Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung ein großes Entladungsplasma ohne einen hohen Grad des Zusammenpassens zu erfordern und mit der gleichen Konfiguration und den gleichen Kosten wie bei einer bekannten Zündvorrichtung erzeugen und kann eine große Menge an Plasma in einem großen Bereich in der Brennkammer zur Verfügung stellen, um die Verbrennungsreaktion zu vereinfachen; daher kann der magere oder verdünnte Verbrennungsgrenzbereich oder dergleichen erweitert werden.
Ausführungsform 2
Als nächstes wird eine Zündkerze einer Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung beschrieben. 4 ist ein Satz von Querschnittsansichten einer Zündkerze gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung; 4(A) ist eine Längsquerschnittsansicht der Zündkerze; 4(B) ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Abschnitts B von 4(A). In 4 ist eine Zündkerze 101 mit einem Isolatorabschnitt 11, der aus einem Isolator wie Keramik oder dergleichen ausgebildet ist, einem Anschlussabschnitt 12, einem Füllmaterial 16 mit einer Widerstandskomponente, einer Hochspannungselektrode 101a als einer ersten Elektrode, einer externen Elektrode 101b, als einer zweiten Elektrode, einer Hochspannungselektrode 101c, als einer dritten Elektrode, einem Schraubabschnitt 14 und einem Gehäuseabschnitt 15 versehen.
Der Isolatorabschnitt 11 ist mit einem zentralen Loch 110 versehen, wobei ein Ende 111 und das andere Ende 112 des Isolatorabschnitts 11 auf eine solche Weise ausgebildet sind, um die gleiche Dicke aufzuweisen. Der Anschlussabschnitt 12 wird in das zentrale Loch 110 des Isolatorabschnitts 11 eingeführt; wobei ein Ende des Anschlussabschnitts 12 von dem anderen Ende 112 des Isolatorabschnitts 11 exponiert ist. Die Hochspannungselektrode 101a wird in das zentrale Loch 110 in dem einen Ende 111 des Isolatorabschnitts 11 eingeführt; wobei ein Ende des Hochspannungselektrode 101a in einer Aushöhlung bzw. einer Ausnehmung 304 exponiert ist, die in dem einen Ende 111 des Isolatorabschnitts 11 vorgesehen ist. Die Aushöhlung 304 wird durch ein schmales Loch 306, das in dem einen Ende 111 des Isolatorabschnitts 11 ausgebildet ist, verschmälert.
Die externe Elektrode 101b wird durch Biegen des vorderen Endabschnitts des Schraubabschnitts 14 um 90° in Richtung des Zentrums des Schraubabschnitts 14 ausgebildet. In dem zentralen Abschnitt der externen Elektrode 101b wird eine Öffnung 305 eines Durchganglochs mit einem vorgegebenen Durchmesser ausgebildet. Die Hochspannungselektrode 101a und die externe Elektrode 101b zeigen aufeinander durch einen Hauptkerzenspalt, der aus einem Teil der Ausnehmung 304, dem schmalen Loch 306 und einem Teil der Öffnung 305 ausgebildet ist.
Die Pilotelektrode 101c ist aus einem elektrischen Leiter 302 mit einer Widerstandskomponente ausgebildet und ist in dem einen Ende 111 des Isolatorabschnitts 11 vergraben. Der innere Umfangsabschnitt der Pilotelektrode 101c ist in der inneren Wand der Aushöhlung 304 exponiert, umgibt die äußere Umfangsoberfläche des einen Endes der Hochspannungselektrode 101a und zeigt auf die Hochspannungselektrode 101a durch einen Hilfskerzenspalt, welches ein vorgegebener Spalt ist. Der äußere Umfang der Pilotelektrode 101c ist elektrisch mit der inneren Umfangsoberfläche des Schraubabschnitts 14 verbunden und ist vermittelnd durch den Schraubabschnitt 14 elektrisch mit externen Elektroden 101b verbunden. Der Hilfskerzenspalt, welches ein Spalt zwischen der Hochspannungselektrode 101a und der Pilotelektrode 101c ist, ist auf eine solche Weise, dass die Pilotelektrode 101c keinen Kontakt mit der Hochspannungselektrode 101a herstellt, und auf eine solche Weise, um schmäler zu sein als der Hauptkerzenspalt, welches der Spalt zwischen der Hochspannungselektrode 101a und der externen Elektrode 101b ist, eingestellt.
Die anderen Konfigurationen sind die gleichen wie die der Zündkerze gemäß Ausführungsform 1.
Die Zündkerze 101 gemäß Ausführungsform 2 ist eine Plasmastrahlzündkerze (engl.: plasma-jet ignition plug) und erzeugt, wie später beschrieben wird, einen hohen Entladungsstrom in der kleine Aushöhlung 304, um eine große Menge an Plasma zu erzeugen; da eine große Menge an Plasma aus der Öffnung 305 gerichtet injiziert werden kann, die durch die externe Elektrode 101b verschmälert ist, kann der Zündvorgang effektiver umgesetzt werden.
Die Zündkerze 101 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung, die auf eine solche Weise, wie oben beschrieben wurde, ausgebildet ist, benötigt keinen besonderen externen Anschluss für die Pilotelektrode 101c und kann auf eine solche Weise verwendet werden, um direkt mit einer normalen Zündspuleneinrichtung verbunden zu sein.
Da die Zündkerze 101 gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung die Pilotelektrode 101c aufweist, kann die „benötigte Spannung”, die zum Erwirken des dielektrischen Durchschlags in dem Hauptkerzenspalt benötigt wird, reduziert werden. In anderen Worten, angenommen, dass eine bekannte Zündkerze mit keiner Pilotelektrode einen Hauptkerzenspalt aufweist, dessen Spaltgröße die gleiche ist wie die der Zündkerze gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung, kann die Zündkerze gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung es ermöglichen die vorgenannte benötigte Spannung auf einen Wert abzusenken, der ungefähr so groß ist wie die Hälfte der benötigten Spannung der bekannten Zündkerze.
Es ist ideal, dass der Widerstandswert der Widerstandskomponente 101d, der die Pilotelektrode 101c mit der externen Elektrode 101b verbindet, das heißt, der Widerstandswert der Widerstandskomponente des elektrischen Leiters 302, der die Pilotelektrode 101c ausbildet, wie in 2 dargestellt, gemäß der vorgenannten benötigten Spannung ermittelt wird, die basierend auf dem Betriebsstatus der Verbrennungskraftmaschine variiert; jedoch wird in diesem Fall, da ein externer Anschluss benötigt wird, der der Pilotelektrode 101c gewidmet ist, die Struktur der Zündkerze komplex. Jedoch, falls die Aufgabe auf eine begrenzte Anwendung beschränkt ist, wie beispielsweise das Reduzieren des maximalen Werts der vorgenannten benötigten Spannung in einem bekannten Automobil, das mit einer Verbrennungskraftmaschine, die Benzin als einen Kraftstoff verwendet, versehen ist, kann die Aufgabe umgesetzt werden, indem der Widerstandswert der Widerstandskomponente 101d auf einen festen Wert von ungefähr 300 [kΩ] eingestellt wird; folglich kann ein Effekt erzielt werden, bei dem die benötigte Spannung zum Erwirken des dielektrischen Durchschlags in dem Hauptkerzenspalt mit einer einfachen Konfiguration abgesenkt wird.
Falls es die Aufgabe ist die vorgenannte benötige Spannung in dem Fall abzusenken, in dem der Umgebungsdruck in dem Zylinder geringer ist als der atmosphärische Druck, kann die Aufgabe am effizientesten umgesetzt werden, indem der Widerstandswert der Widerstandskomponente 101d auf ungefähr 50 [kΩ] eingestellt wird. Falls es die Aufgabe ist die vorgenannte benötigte Spannung während eines Hochdruckzustands abzusenken, in welchem der Umgebungsdruck in dem Zylinder der gleiche oder höher ist als 10 Atmosphären, kann die Aufgabe umgesetzt werden, indem der Widerstandswert der Widerstandskomponente 101d auf ungefähr 1 [MΩ] eingestellt wird.
Ausführungsform 3
Zu dem Zwecke des Ausbildens eines großen Entladungsplasmas und des Bereitstellens einer großen Menge an Plasma an einen großen Bereich der Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine ist es wünschenswert einen „hohen Strom” an den Kerzenspalt „wiederholt während einer kurzen Zeitdauer” anzulegen. In Ausführungsform 1 ist die Zündspuleneinrichtung als eine Strombereitstellspule eine vom Typ Voll-Transistor (engl.: full-transistor type), in welcher eine Zündspuleneinrichtung von einer Schalteinrichtung angetrieben wird, die durch einen IGBT gebildet ist, so dass eine einfache und günstige Zündvorrichtung erhalten werden kann. Die Einrichtung vom Typ Voll-Transistor gemäß Ausführungsform 1 ist ein System, welche die Priorität eher auf „wiederholt während einer kurzen Zeitdauer” als auf „einen hohen Strom” setzt und die einen periodischen Antrieb mit bis zu 1 [MHz] durchführen kann; „wiederholt während einer kurzen Zeitdauer” und „ein hoher Strom” sind Plasmabereitstellzustände.
Im Gegensatz ist es in Anbetracht des Bereitstellens „eines hohen Stroms” wünschenswert, dass die Zündspuleneinrichtung, als eine Strombereitstellspule, eine Zündspuleneinrichtung basierend auf einem kapazitiven Entladungszündverfahren (im Folgenden als ein „CDI-Verfahren” bezeichnet; engl.: capacitive-discharge ignition method) ist. Jedoch weist ein bekanntes CDI-Verfahren, obwohl es in der Lage ist einen hohen Entladungsstrom bereitzustellen, eine Schwierigkeit beim Bereitstellen eines Stroms „wiederholt während einer kurzen Zeitdauer” auf, da das Laden eines Kondensators, welcher die Bereitstellquelle eines kapazitiven Stroms ist, eine Zeitdauer von einigen Sekunden aufweist.
Eine Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der folgenden Erfindung löst solch ein Problem; in dieser Zündvorrichtung wird eine Zündspuleneinrichtung, als eine Strombereitstellspule mittels eines CDI-Verfahrens angetrieben, bei welchem ein „hoher Strom” „wiederholt in einer kurzen Zeitdauer” bereitgestellt werden kann; folglich kann eine Zündvorrichtung mit einer besseren Leistungsfähigkeit zur Verfügung gestellt werden.
5 ist ein Aufbaudiagramm einer Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung. In einer Zündvorrichtung, die in 5 dargestellt wird, wird eine Zündkerze 101 mit einer Hochspannungselektrode 101a, als einer ersten Elektrode; einer externen Elektrode 101b als einer zweiten Elektrode; und einer Pilotelektrode 101c als einer dritten Elektrode versehen. Die Zündkerze 101 kann entweder die Zündkerze, die in 2 von Ausführungsform 1 dargestellt ist, oder die Zündkerze, die in 4 von Ausführungsform 2 dargestellt ist, sein.
Eine Zündspuleneinrichtung 102 weist ein primäre Spule 102a und eine sekundäre Spule 102b, die magnetisch miteinander mittels eines Eisenkerns 102c gekoppelt sind, auf. Ein Ende der sekundären Spule 102b ist mit der Hochspannungselektrode 101a der Zündkerze 101 verbunden und das andere Ende davon ist mit der Masse (GND) verbunden. Ein Zündkondensator 404 ist mit der primären Spule 102a mittels der ersten Schalteinrichtung 401, die aus einem IGBT ausgebildet ist, verbunden. Die positive Elektrode des Zündkondensators 404 ist mit einer Leistungsquelle 100 mittels der Gleichrichterelektrode 406 und einer Spule 403 verbunden; die negative Elektrode davon ist mit der Masse (GND) mittels der zweiten Schalteinrichtung 405, die aus einem IGBT ausgebildet ist, verbunden.
Die erste Schalteinrichtung 402 und die zweite Schalteinrichtung 405 werden mittels eines ersten Steuersignals ScH bzw. eines zweiten Steuersignals ScL aus einem Signalgenerator (nicht dargestellt), der in einer MPU (Motorsteuergerät) ausgebildet ist (nicht dargestellt), gesteuert. Der Signalgenerator stellt die Betriebszeitpunkte und die Anzahl an Betrieben der Zündspuleneinrichtung 102 gemäß dem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine ein und erzeugt das erste Steuersignal ScH und das zweite Steuersignal ScL. Der Signalgenerator, die erste Schalteinrichtung 402 und die zweite Schalteinrichtung 405 bilden eine kapazitive Strombereitstellvorrichtung aus, die die primäre Spule der Zündspuleneinrichtung 102 mit einem kapazitiven Strom basierend auf elektrischen Ladungen, die sich in dem Zündkondensator 404 sammeln, versorgt; die kapazitive Strombereitstellvorrichtung bildet einen Teil einer Steuervorrichtung, die den Betrieb der Zündspuleneinrichtung 102 steuert.
Ein Primärstrom I1, der in der primären Spule 102a der Zündspuleneinrichtung 102 fließt, wird aus einem Entladungsstrom des Zündkondensators 404 gebildet, der in eine Entladungsbahn fließt, die an der positiven Elektrode des Zündkondensators 404 beginnt und zu der negativen Elektrode des Zündkondensators 404 über die primäre Spule 102a und den Sammler und Emitter der ersten Schalteinrichtung 402 zurückkehrt. Demgemäß wird, sowie der elektrische Entladungsbetrag, der sich in dem Zündkondensator 404 ansammelt, größer wird, der Wert des Primärstroms I1 größer. Daher kann durch geeignetes Auswählen eines Kapazitätswerts C des Zündkondensators 404 und der Entladungsspannung davon ein „hoher Strom” bereitgestellt werden.
Der Zündkondensator 404 wird mittels einer Aufladebahn, die an der Leistungsquelle 100 beginnt und die Masse (GND) über die Gleichrichterelektrode 406, die Spule 403, die positive Elektrode des Zündkondensators 404, die negative Elektrode des Zündkondensators 404, den Sammler der zweiten Schalteinrichtung 405 und den Emitter der zweiten Schalteinrichtung 405 in dieser Reihenfolge erreicht, geladen.
Da der Zündkondensator 404 mit der Leistungsquelle 100 über die Spule 403 verbunden ist, fließt der Ladestrom, der von der Leistungsquelle 100 zu dem Zündkondensator 404 fließt, während er in einem sogenannten LC-Resonanzzyklus (engl.: LC resonance cycle) verstärkt wird, der von dem elektrostatischen Kapazitätswert C des Zündkondensators 404 und dem Induktivitätswert L der Spule 403 festgelegt wird. In anderen Worten kann durch geeignetes Auswählen von Parametern umfassend den Induktivitätswert L der Spule 403 und den elektrostatischen Kapazitätswert C des Zündkondensators 404, der Zündkondensator 404 extrem schnell geladen werden und mit einer größeren Spannung als der Spannung der Leistungsquelle 1001 geladen werden; folglich kann die Plasmabereitstellung „wiederholt während einer kurzen Zeitdauer” umgesetzt werden.
In der Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung, die wie oben beschrieben ausgebildet ist, wenn zu einem Zeitpunkt, der dem Zeitpunkt T1 in 3 entspricht, das erste Steuersignal ScH von dem nicht dargestellten Signalerzeuger das H-Niveau einnimmt, wird die erste Schalteinrichtung 402 eingeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt nimmt das zweite Steuersignal ScL (nicht dargestellt in 3) aus dem Signalgenerator das L-Niveau ein und folglich wird die zweite Schalteinrichtung 405 ausgeschaltet. Wenn die erste Schalteinrichtung 402 eingeschaltet wird, fließt der Entladungsstrom des Zündkondensators 404, der bis zu einer Spannung geladen wurde, die größer ist als die Spannung der Leistungsquelle 100 als der Primärstrom in die Zündspuleneinrichtung 102 durch die Entladungsbahn.
Als nächstes wechselt zu einem Zeitpunkt, der dem Zeitpunkt T2 in 3 entspricht, das erste Steuersignal ScH zu dem L-Niveau, die erste Schalteinrichtung 402 schaltet sich aus und folglich wird der Primärstrom von dem Zündkondensator 404 abgeschnitten; gleichzeitig nimmt das zweite Steuersignal ScL das H-Niveau ein und die zweite Schalteinrichtung 405 schaltet sich ein. Wenn die zweite Schalteinrichtung 405 sich einschaltet, wird der Zündkondensator 404 schnell bis zu einer Spannung, die größer ist als die Spannung der Leistungsquelle 100, basierend auf der LC-Resonanz durch die vorgenannte Aufladebahn geladen.
Nach einem Zeitpunkt, der dem Zeitpunkt T2 in 3 entspricht, schalten das erste Steuersignal ScH und das zweite Steuersignal ScL alternierend während einer kurzen Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt T3 und T4 an und aus, wodurch die erste Schalteinrichtung 402 und die zweite Schalteinrichtung 405 sich alternierend an- und ausschalten, wie oben beschrieben. Im Ergebnis fließt der Primärstrom der Zündspuleneinrichtung 102 wiederholt während einer kurzen Zeitdauer. In Ausführungsform 3, wie in 5 dargestellt, ist keine Gleichrichterdiode mit der sekundären Spule 102b der Zündspuleneinrichtung 102 verbunden; folglich fließt der Sekundärstrom I22, der erzeugt wird, da die erste Schalteinrichtung 402 sich wiederholt ein- und ausschaltet, als ein Wechselstrom, wie in 3(c2) dargestellt. Der Betrieb der Zündkerze 101, die mit der sekundären Spule 102b der Zündspuleneinrichtung 102 verbunden ist, ist der gleiche wie der von Ausführungsform 1 oder Ausführungsform 2.
Während des Zündbetriebs nach dem Zeitpunkt T1 werden das erste Steuersignal ScH und das zweite Steuersignal ScL aus dem Signalgenerator in der Steuervorrichtung auf eine solche Weise ausgegeben, dass, wenn eines von Ihnen das H-Niveau aufweist, das andere das L-Niveau einnimmt; im Ergebnis sind die erste Schalteinrichtung 402 und die zweite Schalteinrichtung 405 auf eine solche Weise schaltgesteuert, dass wenn eine von Ihnen eingeschaltet ist, die andere ausgeschaltet ist.
Die vorgenannte Zündvorrichtung mit dem CDI-Verfahren gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung ermöglicht es einen periodischen Antrieb mit einer Frequenz von bis zu 100 [kHz] umzusetzen. Die Voll-Transistorzündvorrichtung gemäß Ausführungsform 1 kann auch den Wert des Stroms, der zu handhaben ist, erhöhen; jedoch kann in dem Fall der Zündvorrichtung mit dem CDI-Verfahren, da insbesondere der zu handhabende Strom groß wird, der Strom zu einer Geräuschquelle für die Umgebung in Abhängigkeit von der Produktstruktur oder des Anbringzustands werden; daher ist es wünschenswert eine Betriebsfrequenz aus dem Radiofrequenzband auszuwählen.
Wie oben beschrieben wurde, kann in der Zündvorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung ein größerer Primärstrom wiederholt während einer kurzen Zeitdauer in der primären Spule der Zündspuleneinrichtung fließen; daher kann ein noch größerer Strom an einer Entladungsbahn des Hauptkerzenspalts angelegt werden. Demgemäß wird ein großes Entladungsplasma ausgebildet, so dass ein großer Anteil an Plasma an den breiten Bereich der Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung gestellt werden kann, um die Brennreaktion zu vereinfachen; daher kann die magere Verbrennung oder der Grenzbereich der mageren Verbrennung und dergleichen vergrößert werden.
Die Zündvorrichtung, die oben beschrieben wurde, gemäß jeder der Ausführungsformen 1 bis 3 der vorliegenden Erfindung wird in einem Automobil, einem Motorrad, einem Außenbordmotor, einer zusätzlichen Maschine oder dergleichen, die eine Verbrennungskraftmaschine verwendet, angeordnet und ist in der Lage sicher Kraftstoff zu entzünden; daher ermöglicht es die Zündvorrichtung effizient die Verbrennungskraftmaschine zu betreiben und trägt folglich zum Umweltschutz und zu der Lösung des Problems der zu Neige gehenden Kraftstoffvorräte bei.
Verschieden Modifizierungen und Abwandlungen dieser Erfindung werden dem Fachmann ersichtlich ohne von dem Schutzumfang dieser Erfindung abzuweichen und es muss verstanden werden, dass diese nicht auf die hier dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist.
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

JP 2010-96128 [0003]

Claims

Zündvorrichtung, umfassend: eine Zündkerze (101), die eine Funkenentladung zum Zünden eines Kraftstoffs erwirkt; eine Zündspuleneinrichtung (102), die die Zündkerze (101) mit Energie zum Erwirken der Funkenentladung versorgt; und eine Steuervorrichtung (103), die die Zündspuleneinrichtung (102) antreibt, wobei die Zündkerze (101) eine erste Elektrode (101a), die eine Hochspannung mittels Energie, die von der Zündspuleneinrichtung (102) bereitgestellt wird, erzeugt, eine zweite Elektrode (101b), die auf die erste Elektrode (101a) über einen ersten Spalt zeigt und in dem ersten Spalt eine Funkenentladung zum Entzünden des Kraftstoffs erzeugt, und eine dritte Elektrode (101c), die auf die erste Elektrode (101a) über einen zweiten Spalt zeigt, der kleiner ist als der erste Spalt, und mit der zweiten Elektrode (101b) mittels eines elektrischen Leiters (302) verbunden ist, der einen vorgegebenen Widerstandswert aufweist, umfasst; und wobei die Steuervorrichtung (103) die Zündspuleneinrichtung (102) zweimal oder öfters bei einem einzelnen Zündvorgang ansteuert.
Zündvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuervorrichtung eine Bereitstellvorrichtung (402, 405) für kapazitiven Strom aufweist, um die primäre Seite der Zündspuleneinrichtung (102) mit einem kapazitiven Strom basierend auf elektrischen Ladungen, die in einem Kondensator (404) angesammelt wurden, zu versorgen, so dass der kapazitive Strom die Zündspuleneinrichtung (102) dazu bringt zweimal oder öfters bei einem einzelnen Zündvorgang zu wirken.
Zündvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Zündspuleneinrichtung (102) eine primäre Spule (102a) und eine sekundäre Spule (102b) umfasst und wobei das Wicklungsverhältnis der sekundären Spule (102b) zu der primären Spule (102a) 80 oder weniger beträgt.
Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der in der Zündkerze (101) der Widerstandswert einer Bahn von einem Anschluss (12), an dem die Zündkerze (101) mit der Zündspuleneinrichtung (102) verbunden ist, zu der ersten Elektrode (101a) auf 1 [kΩ] oder weniger eingestellt ist.
Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Zündkerze 101 auf eine solche Weise ausgebildet ist, dass Plasma, das mittels einer Entladung in einer Aushöhlung (304) erzeugt wurde, die zwischen der ersten Elektrode (101a) und der zweiten Elektrode (101b) ausgebildet ist, nach außen aus einer Öffnung (305), die in der zweiten Elektrode (101b) vorgesehen ist, ausgestoßen wird.