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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zünden eines Brennstoff-Luftgemisches in einem Brennraum eines Motors.
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Zur Unterstützung der Zündung werden in Dieselmotoren Glühkerzen verwendet, die auf Betriebstemperaturen im Bereich von 1.000°C und mehr aufgeheizt werden.
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Während der Verbrennung bilden sich im Brennraum Ionen, so dass sich die Leitfähigkeit des Gasgemisches im Brennraum stark ändert. Durch eine Messung der Leitfähigkeit des Brennrauminhalts lassen sich deshalb Informationen über den Verlauf der Verbrennung gewinnen. Derartige Messungen werden als Ionenstrommessungen bezeichnet und können mit speziellen Glühkerzen durchgeführt werden, wie sie beispielsweise aus der
DE 100 15 277 B4 und der
DE 198 42 148 C2 bekannt sind.
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Glühkerzen zur Ionenstrommesssung haben einen ersten Anschluss zum Anlegen einer Heizspannung, die durch Pulsweitenmodulation der Bordnetzspannung des Fahrzeugs erzeugt wird, und einen zweiten Anschluss, über den zwischen den Spannungspulsen der Heizspannung eine Messspannung angelegt werden kann, die typischer Weise etwa 40 V beträgt. Wenn an der Glühkerze die Messspannung anliegt, wird diese durch Öffnen eines Schalters von der Fahrzeugmasse getrennt, so dass wegen der Messspannung ein Ionenstrom von der Glühkerze über das Gasgemisch im Brennraum zur Fahrzeugmasse fließt. Die Stärke des Ionenstroms liegt in der Größenordnung von etwa 100 μA und wird durch die Konzentration der als Folge der Verbrennung vorhandenen Ionen bestimmt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie die Verbrennung in einem Motor verbessert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch eine Glühkerze gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Stift, der beispielsweise ein Keramikstift sein kann, verwendet, der elektrisch durch Anlegen einer Heizspannung auf eine Temperatur von 800°C oder mehr aufgeheizt wird. An den aufgeheizten Stift wird dann eine Hochspannung von wenigstens 500 V, beispielsweise 1.000 V oder mehr, angelegt, so dass durch Feldemission Elektronen freigesetzt werden und folglich die Ionenkonzentration im Brennraum erhöht wird. Die erhöhte Ionenkonzentration im Brennraum verbessert die Zündfähigkeit des Brennstoff-Luftgemisches und fördert die Verbrennung.
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Durch das Aufheizen des Stifts wird die Austrittsarbeit von Elektronen aus dem Stift reduziert. Ein elektrisches Feld bewirkt bei einem glühenden Stift deshalb eine entsprechend stärkere Feldemission von Elektronen als bei einem kalten Stift. Wenn an eine Zündelektrode in Form eines aufgeheizten Keramikstifts eine Hochspannung angelegt wird, können Elektronen durch Feldemission entsprechend leichter austreten. Die Feldemission kann so stark sein, dass sich eine Koronaentladung bildet. Dies ist aber nicht erforderlich. Bereits durch eine Feldemission unterhalb der Schwelle, die zum Ausbilden einer Koronaentladung führt, können die Zündfähigkeit und die Verbrennung wesentlich verbessert werden. Die Hochspannung kann eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung, insbesondere eine hochfrequente Wechselspannung sein. Wenn die Hochspannung eine Wechselspannung ist, beträgt ihr Spitzenwert wenigstens 500 V, beispielsweise 1.000 V oder mehr. Bevorzugt ist die Hochspannung eine Gleichspannung oder eine gepulste Gleichspannung von wenigstens 500 V, beispielsweise 1.000 V oder mehr.
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Die hochfrequente Wechselspannung kann mit einem Hochfrequenzgenerator als Sekundärspannung aus einer niedrigeren Primärspannung erzeugt werden, beispielsweise mittels eines Transformators. Diese hochfrequente Wechselspannung kann zwar zum Aufheizen des Keramikstifts verwendet werden, ist dafür aber weniger geeignet. Besser ist es, den Keramikstift mit einer separaten Heizspannung aufzuheizen, beispielsweise mit einer Gleichspannung oder pulsweiten modulierten Spannungspulsen. Als Heizspannung kann beispielsweise die Bordnetzspannung des Fahrzeuges verwendet werden, die in der Regel 12 Volt oder 24 Volt beträgt. Die Heizspannung ist bevorzugt eine gepulste Gleichspannung mit einem effektiven Spannungswert von weniger als 12 Volt. Falls die Primärspannung des Hochfrequenzgenerators von der Bordnetzspannung abweicht, kann beispielsweise auch diese Primärspannung als Heizspannung verwendet werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Effektivwert der Hochspannung, beispielsweise einer hochfrequenten Wechselspannung, wenigstens 100 Mal größer als der Effektivwert der Heizspannung ist. Die Heizspannung kann beispielsweise 100 V oder weniger betragen. Die hochfrequente Wechselspannung kann beispielsweise 10 kV oder mehr betragen. Die hochfrequente Wechselspannung kann beispielsweise zwischen 10 kHz und 5 GHz liegen.
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An dem Stift können gleichzeitig die hochfrequente Wechselspannung und die Heizspannung anliegen. Möglich ist es aber auch, die hochfrequente Wechselspannung nur in den Pausen zwischen Spannungspulsen der Heizspannung anzulegen. Bei einer elektrischen Beheizung des Stifts mit pulsweitenmolulierten Spannungspulsen kann die Periodendauer der Pulsweitenmodulation in Abhängigkeit von der Motordrehzahl gewählt werden, so dass der Stift besonders heiß ist, wenn eine Koronaentladung erzeugt werden soll.
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Der Stift kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren auf Temperaturen von 1000°C oder mehr aufgeheizt werden, beispielsweise 1200°C oder mehr. Die Erfindung kann ist in erster Linie für selbstzündenden Verbrennungsmotoren, also Dieselmotoren, gedacht, kann aber auch bei Otto-Motoren vorteilhaft eingesetzt werden.
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Der Stift eines erfindungsgemäßen Zündsystems enthält einen Heizwiderstand. Der Heizwiderstand ist bevorzugt als eine Heizleiterschicht an einem Ende des keramischen Stifts ausgebildet. Die Heizleiterschicht kann von einem keramischen Innenleiter und einem keramischen Außenleiter des Stifts elektrisch kontaktiert werden. Der Außenleiter und der Innenleiter können durch eine Isolatorschicht elektrisch voneinander isoliert sein.
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Ein keramischer Stift, der einen Heizwiderstand enthält, lässt sich im Allgemeinen nicht so spitz herstellen wie herkömmliche Zündelektroden aus Metall. Bei gleicher Spannung ist das elektrische Feld an einer Zündelektrode in Form eines keramischen Stifts deshalb kleiner als bei einer herkömmlichen Zündelektrode aus Metall. Demzufolge sind eine geringere Feldemission und somit erschwerte Bedingungen zur Ausbildung einer Koronaentladung zu erwarten. Die Feldemission wird aber durch die erhöhte Temperatur des keramischen Stifts erleichtert.
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Eine im Vergleich zu herkömmlichen Zündelektroden größere Oberfläche, d. h. eine weniger spitze Zündelektrode, hat den Vorteil, dass die Belastung und damit auch der Abbrand auf eine größere Oberfläche verteilt werden, so dass sich der Verschleiß reduziert. Die größere Oberfläche hat zudem den Vorteil, dass die Frequenz reduziert wird, ähnlich wie die Dachkapazität einer Antenne. Durch den Einfluss der größeren Oberfläche wird die Resonanz des Schwingkreises breiter.
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Dies ist mit einem Vorteil verbunden. Damit bei herkömmlichen Zündystemen eine zur Ausbildung einer Koronaentladung ausreichend große Wechselspannung an der Zündelektrode anliegt, muss der Schwingkreis einer Koronazündeinrichtung nämlich mit seiner Resonanzfrequenz oder einer in der Nähe der Resonanzfrequenz liegenden Frequenz angeregt werden. Da sich die Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von dem Zustand des Brennstoffluft-Gemisches und der momentanen Größe des Brennraums ständig ändert, muss die Anregungsfrequenz bei herkömmlichen Koronazündsystemen fortlaufend mit hoher Genauigkeit nachgeführt werden, beispielsweise mit einem Phasenregelkreis. Dies erfordert einen hohen Aufwand an Steuerungselektronik. Eine präzise Nachführung der Anregungsfrequenz ist bei einem erfindungsgemäßen Zündsystem dagegen weniger bedeutsam, so dass elektronischer Steuerungsaufwand eingespart werden kann.
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Die Glühkerze eines erfindungsgemäßen Zündsystems ähnelt einer herkömmlichen Glühkerze, wie sie für Dieselmotoren gebräuchlich ist. Ein wichtiger Unterschied besteht aber darin, dass der keramische Glühstift gegenüber dem metallischen Gehäuse, in dem er steckt, elektrisch isoliert ist. Bei Glühkerzen wird das metallische Gehäuse als Massekontakt des Glühstifts verwendet. Bei einem erfindungsgemäßen Zündsystems ist dies nicht möglich. Die elektrische Isolation des Stifts gegenüber dem Metallgehäuse der Glühkerze kann beispielsweise durch eine keramische Isolationsschicht bewirkt werden, die den Außenleiter des Stifts bedeckt oder beispielsweise durch eine Keramikhülse, in welcher der Stift sitzt. Wichtig ist, dass die Isolation des Glühstifts eine Spannungsfestigkeit von wenigstens 500 V, vorzugsweise wenigstens 1 kV hat.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Koronazündsystems;
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2 ein Ausführungsbeispiel eines Zünders für ein solches Koronazündsystem; und
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3 eine Detailansicht zu 2.
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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 ein in 2 dargestellter Zünder 20 hinein, der eine Zündelektrode 5 aufweist, welche zumindest 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 Reihenschwingkreisen bekannt sind.
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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 ist somit Teil einer Steuereinheit, welche die hochfrequente Wechselspannung vorgibt.
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Der Reihenschwingkreis wird in der Nähe seiner Resonanzfrequenz angeregt, die in der Regel zwischen 10 kHz und 1 GHz liegt. Die Wechselspannung des Reihenschwingkreises liegt an der Zündelektrode 5 an und beträgt in der Regel wenigstens 10 kV, beispielsweise 20 kV bis 100 kV. Die hochfrequente Wechselspannung führt an der Zündelektrode 5 zum Austritt von Elektronen durch Feldemission und der Ausbildung einer Koronaentladung.
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Eine Besonderheit des dargstellten Koronazündsystems besteht darin, dass als Zündelektrode 5 ein keramischer Glühstift verwendet wird, der elektrisch aufgeheizt wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird an den Glühstift eine Heizspannung angelegt, die von einer Gleichspannungsquelle 18, beispielsweise dem Bordnetz des Fahrzeugs, geliefert wird. Die Gleichspannungsquelle 18 kann mit der Gleichspannungsquelle 11 identisch sein; es können aber auch zwei separate Gleichspannungsquellen vorhanden sein. Die Heizspannung kann als Gleichspannung oder wird in Form von pulsweiten-modulierten Spannungspulsen an den Glühstift angelegt werden. Ein Schalter 19, der Teil der Steuereinheit des Zündsystems ist, gibt vor, wann die Gleichspannung an dem Stift 5 anliegt. Die Wechselspannung kann zwischen den Gleichspannungspulsen an den Glühstift angelegt werden. Es ist aber auch möglich, gleichzeitig sowohl die Heizspannung als auch die Wechselspannung an den Glühstift anzulegen.
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Der Glühstift wird durch die Heizspannung auf eine Temperatur von 800°C oder mehr aufgeheizt, beispielsweise 1000°C oder mehr. Dadurch wird der Austritt von Elektronen aus der Zündelektrode 5 erleichtert und folglich die Feldemission verstärkt. Das Entstehen einer Koronaentladung wird also erleichtert.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Zünders mit einer Zündelektrode 5 in Form eines keramischen Glühstifts ist in 2 dargestellt. 3 zeigt in einer Detailansicht von 2 den vorderen, brennraumseitigen Teil des Zünders mit dem Glühstift als Zündelektrode 5.
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Der Glühstift steckt in einem Metallgehäuse 21. Wie insbesondere 3 zeigt, besteht der Glühstift aus mehreren Keramikschichten. Der Glühstift hat einen Kern aus einer leitfähigen Keramik. Dieser Kern ist der Innenleiter 22 des Glühstifts. Der Innenleiter 22 ist von einer keramischen Isolatorschicht 23 umgeben. Auf der Isolatorschicht 23 liegt eine Schicht aus leitfähigem Keramikmaterial, die im Folgenden als Außenleiterschicht 24 bezeichnet wird. Die Außenleiterschicht 24 und der Innenleiter 22 sind an dem vom Metallgehäuse 21 abgewandten Ende des Glühstifts durch eine Heizleiterschicht 25 elektrisch leitend verbunden. Die keramische Heizleiterschicht 25 bedeckt eine Stirnseite des Glühstifts und kontaktiert dort den Innenleiter 22. Die Heizleiterschicht 25 kann zusätzlich in einem Endabschnitt des Glühstifts die Isolatorschicht 23 bedecken. In diesem Fall endet die Außenleiterschicht 24 in einem Abstand von dem vom Metallgehäuse 21 abgewandten Ende des Glühstifts und wird dort von der Heizleiterschicht 25 elektrisch kontaktiert. Es ist aber auch möglich, dass sich die Außenleiterschicht 24 bis zum Ende des Glühstifts erstreckt und die Heizleiterschicht 25 nur die Stirnseite des Glühstifts bedeckt.
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Die Heizleiterschicht 25 hat bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen höheren elektrischen Widerstand als die Außenleiterschicht 24. Bevorzugt sind die Heizleiterschicht 25 und die Außenleiterschicht 24 aus unterschiedlichem Material. Ein höherer elektrischer Widerstand der Heizleiterschicht 25 lässt sich alternativ oder zusätzlich aber auch durch eine geringere Schichtdicke erreichen.
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Die Außenleiterschicht 24 ist von einer weiteren Isolatorschicht 26 bedeckt. Die Isolatorschicht 26 bewirkt eine elektrische Isolation des Außenleiters 24 und damit des Glühstifts von dem Metallgehäuse 21. Diese Isolation ist wichtig, damit der Glühstift als Zündelektrode 5 dienen und sich an ihm bei Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung eine Koronaentladung bilden kann. Die Heizleiterschicht 25 ist zumindest in einem Endabschnitt von der Isolatorschicht 26 unbedeckt.
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Anstelle der Isolatorschicht 26 kann als keramische Isolation des Glühstifts von dem Metallgehäuse 21 beispielsweise auch eine Keramikhülse verwendet werden, aus welcher der Glühstift herausragt. Wichtig ist, dass die Isolation des Glühstifts von dem Metallgehäuse 21 eine Spannungsfestigkeit von wenigsten 500 V, beispielsweise 1.000 V oder mehr, aufweist.
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Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird durch Anlegen einer Hochspannung in Form einer hochfrequenten Wechselspannung eine Koronaentladung erzeugt. Eine signifikante Verbesserung der Zündung und der Verbrennung lässt sich aber auch erreichen, wenn die angelegte Hochspannung zu gering ist, um eine Koronaentladung zu erzeugen, und lediglich durch Feldemission von Elektronen im Brennraum Ionen erzeugt werden.
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Anstellung der Wechselspannung eines Schwingkreises kann an den Glühstift auch eine Gleichspannung oder eine gepulste Gleichspannung von 500 V oder mehr angelegt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkammer
- 2
- Wand der Brennkammer
- 3
- Wand der Brennkammer
- 4
- Wand der Brennkamme
- 5
- Zündelektrode
- 6
- Isolator
- 7
- Schwingkreis
- 8
- Kondensator
- 9
- Induktivität
- 10
- Hochfrequenzgenerator
- 11
- Gleichspannungsquelle
- 12
- Transformator
- 13
- Mittenabgriff
- 14
- Primärwicklung
- 15
- Primärwicklung
- 16
- Hochfrequenzumschalter
- 17
- Sekundärwicklung
- 18
- Gleichspannungsquelle
- 19
- Hochfrequenzumschalter
- 20
- Zünder
- 21
- Metallgehäuse
- 22
- Innenleiter
- 23
- Außenleiterschicht
- 24
- Isolatorschicht
- 25
- Heizleiterschicht
- 26
- Isolatorschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10015277 B4 [0003]
- DE 19842148 C2 [0003]
