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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Zündung von Kraftstoff-Luft-Gemischen, insbesondere bei hohen Verdünnungsraten.
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Bei einer Zündanlage mit Zündspule und Zündkerze wird die von der Batterie gelieferte elektrische Energie in der Zündspule gespeichert. Wenn der Stromfluss im Primärkreis der Zündspule unterbrochen wird (beispielsweise durch einen Schalttransistor), entsteht sekundärseitig eine so große Spannung, dass die Luftverbindung zwischen den beiden Elektroden der Zündkerze niederohmig wird und ein heißer Luftfunke auf dem direkten Weg zwischen beiden Elektroden entsteht, der das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet, welches sich zwischen den Elektroden befindet. Es ist ein Problem bei derartigen Zündanlagen, dass eine Entzündung auf einen relativ kleinen Bereich zwischen den Elektroden beschränkt ist, und dass das um die Elektroden gezündete Kraftstoff-Luft-Gemisch ein relativ ungünstiges Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis aufweist und somit der initiale Flammenkern vergleichsweise hohe Wärmeverluste erleidet. Dies kann insbesondere bei der Zündung von einem Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einer relativ hohen Verdünnungsrate zu einer unzureichenden Verbrennungsinitialisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors führen.
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Eine Möglichkeit zur Erhöhung des Zündvolumens ist die Verwendung einer Vorkammer-Zündkerze. Bei der Vorkammer-Zündkerze sind die Elektroden der Zündkerze von einer Vorkammer umgeben, wobei die Wand der Vorkammer ein oder mehrere Schusskanäle (kurz Kanäle) aufweist. Aufgrund der Vorkammer kommt es nach Zündung des Kraftsoff-Luft-Gemisches zwischen den Elektroden zunächst zu einer Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisches innerhalb der Vorkammer. Das entflammte Gemisch schießt dann über die ein oder mehreren Kanäle in einen Hauptbrennraum des Zylinders. Das durch die ein oder mehreren Kanäle schießende entflammte Gemisch, welches auch als Zündstrahl bezeichnet werden kann, weist eine erhöhte Zündenergie und eine erhöhte Ausbreitung innerhalb des Hauptbrennraums auf, wodurch eine zuverlässige Zündung im Hauptbrennraum des Zylinders gewährleistet wird.
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Vorkammer-Zündkerzen weisen jedoch aufgrund der geringen Ladungsbewegung innerhalb der Vorkammer typischerweise schwierige Entflammungsbedingungen mit einem vergleichsweise langen Zündverzug in der Vorkammer auf. Dies ist insbesondere der Fall bei verdünnten Kraftstoff-Luft-Gemischen und/oder bei relativ niedriger Last. Desweiteren ist die Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches innerhalb der Vorkammer bei Systemen mit Einspritzung in die Vorkammer typischerweise problematisch, was die Zündung erschwert.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine zuverlässige Zündung innerhalb der Vorkammer einer Vorkammer-Zündkerze, insbesondere bei Verwendung von relativ stark verdünnten Kraftstoff-Luft-Gemischen, zu gewährleisten.
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Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Vorkammer-Zündkerze zur Entflammung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Hauptbrennraum beschrieben. Der Hauptbrennraum kann insbesondere den Hauptbrennraum eines Zylinders eines Verbrennungsmotors umfassen. Der Verbrennungsmotor kann eingerichtet sein, ein Fahrzeug, insbesondere ein Straßenfahrzeug, anzutreiben.
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Die Vorkammer-Zündkerze umfasst eine Vorkammer, welche ein oder mehrere Kanäle (auch als Düsen bezeichnet) aufweist. Die ein oder mehreren Kanäle können zu dem Hauptbrennraum führen (wenn die Vorkammer-Zündkerze entsprechend angeordnet ist). Mit anderen Worten, die ein oder mehreren Kanäle können eine Verbindung bzw. Öffnung zwischen der Vorkammer der Vorkammer-Zündkerze und dem Hauptbrennraum herstellen. Durch die ein oder mehreren Kanäle kann ein Zündstrahl aus der Vorkammer der Vorkammer-Zündkerze in den Hauptbrennraum gelangen.
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Die Vorkammer-Zündkerze ist eingerichtet, innerhalb der Vorkammer eine dielektrisch behinderte Entladung zu bewirken, die die Verbrennung eines Kraftstoff-Luft Gemisches in der Vorkammer in Gang setzt, wodurch der Zündstrahl bzw. die Zündstrahlen durch die ein oder mehreren Kanäle verursacht werden. Die ein oder mehreren Zündstrahlen können dazu verwendet werden, das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Hauptbrennraum zu entflammen. Die dielektrisch behinderte Entladung führt zu der Entstehung von Radikalen mit hoher Energie und hoher Dichte innerhalb der Vorkammer. Durch die Radikale kann eine großflächige Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches von sehr kurzer Umsatzdauer innerhalb der Vorkammer bewirkt werden, wobei durch die großflächige Zündung wiederum der Zündstrahl bewirkt wird. Der Zündstrahl umfasst neben verbranntem und/oder entflammtem Kraftstoff-Luft-Gemisch typischerweise auch Radikale.
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Aufgrund der großflächigen Zündung, welche durch die dielektrisch behinderte Entladung innerhalb der Vorkammer verursacht wird, kann auch bei Kraftstoff-Luft-Gemischen mit einer relativ hohen Verdünnungsrate eine zuverlässige Zündung der Vorkammer-Zündkerze gewährleistet werden. Desweiteren kann durch die Erzeugung eines Zündstrahls, welcher Radikale mit hoher Energie umfasst, auch im Hauptbrennraum eine zuverlässige Entflammung eines (relativ stark verdünnten) Kraftstoff-Luft-Gemisches gewährleistet werden.
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Die Vorkammer-Zündkerze umfasst typischerweise eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die eingerichtet sind, ein elektrisches Feld innerhalb der Vorkammer zu generieren. Zumindest eine der beiden Elektroden kann eine flächige Ausbreitung aufweisen, um ein elektrisches Feld innerhalb der gesamten Vorkammer zu erzeugen. Durch das elektrische Feld kann die dielektrisch behinderte Entladung bewirkt werden. Zu diesem Zweck umfasst die Vorkammer-Zündkerze zumindest eine dielektrische Schicht, welche die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode auf einer der jeweils anderen Elektrode zugewandten Seite umgibt. Mit anderen Worten, die erste Elektrode und die zweite Elektrode können durch zumindest eine dielektrische Schicht voneinander getrennt sein. Die zumindest eine dielektrische Schicht ist typischerweise direkt an der Oberfläche der ersten und/oder der zweiten Elektrode angeordnet. Die zumindest eine dielektrische Schicht kann z.B. eine Keramik umfassen.
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Die zumindest eine dielektrische Schicht ist typischerweise derart innerhalb der Vorkammer angeordnet, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch zwischen der Oberfläche der zumindest einen dielektrischen Schicht und der Oberfläche der gegenüberliegenden Elektrode bzw. der ggf. auch diese bedeckenden dielektrischen Schicht durch das elektrische Feld in der Vorkammer ionisiert werden kann, um Radikale mit hoher Energie zu erzeugen, welche eine Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches innerhalb der Vorkammer verursachen. Mit anderen Worten, die zumindest eine dielektrische Schicht ist typischerweise derart ausgebildet, dass die Vorkammer weiterhin zwischen der zumindest einen dielektrischen Schicht und der ersten und zweiten Elektrode einen Hohlraum zur Aufnahme von Kraftstoff-Luft-Gemisch aufweist.
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Die erste Elektrode kann in einem Zentrum der Vorkammer angeordnet sein. Eine solche erste Elektrode kann auch als Mittelelektrode bezeichnet werden. Die zweite Elektrode kann eine Wand aufweisen, welche die Vorkammer umgibt. Insbesondere kann die Wand der zweiten Elektrode ausgebildet sein, die Vorkammer der Vorkammer-Zündkerze von dem Hauptbrennraum zu trennen. Die ein oder mehreren Kanäle können in der Wand der zweiten Elektrode angeordnet sein. Eine solche zweite Elektrode kann auch als Außenelektrode bezeichnet werden.
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Die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode können ein oder mehrere Spitzen aufweisen, welche der jeweils anderen Elektrode zugewandt sind. Durch die ein oder mehreren Spitzen kann eine lokale Erhöhung der Feldstärke des elektrischen Feldes verursacht werden, wodurch die Erzeugung einer dielektrisch behinderten Entladung verbessert wird.
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Die Vorkammer-Zündkerze kann eine Vorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Vorkammer umfassen. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch kann typischerweise durch die ein oder mehreren Kanäle aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer der Vorkammer-Zündkerze eindringen. Durch die Verwendung einer dedizierten Einspritzung kann eine spezielle Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer und/oder eine zuverlässige Bereitstellung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer bewirkt werden. So kann die Zuverlässigkeit der Zündung der Vorkammer-Zündkerze erhöht werden.
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Die Vorkammer-Zündkerze kann eine Vorrichtung zur Spülung der Vorkammer umfassen. Durch die Spülung der Vorkammer (z.B. mit Luft) kann eine vollständige Entfernung von verbranntem Kraftstoff-Luft-Gemisch bewirkt werden. So kann die Zuverlässigkeit der Zündung der Vorkammer-Zündkerze erhöht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Entflammung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Hauptbrennraum beschrieben. Die Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt mittels einer Vorkammer-Zündkerze, die eine Vorkammer umfasst, welche ein oder mehrere, zu dem Hauptbrennraum führende, Kanäle aufweist. Das Verfahren umfasst das Bewirken einer dielektrisch behinderten Entladung in der Vorkammer, die in der Vorkammer eine Verbrennung initiiert, so dass (jeweils) ein Zündstrahl durch die ein oder mehreren Kanäle verursacht wird, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Hauptbrennraum zu entflammen.
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Das Verfahren kann weiter umfassen, das Erzeugen eines elektrischen Feldes innerhalb der Vorkammer für eine Zünddauer (d.h. für einen bestimmten Zeitraum), um die dielektrisch behinderten Entladung zu bewirken. Dabei kann die Zünddauer, d.h. der Zeitraum für den das elektrische Feld erzeugt wird, von einer Zusammensetzung des Kraftsoff-Luft-Gemisches abhängen. Insbesondere kann durch Anpassung der Zünddauer eine Dichte der in der Vorkammer erzeugten Radikale angepasst werden. So kann auch bei unterschiedlich zusammengesetzten Kraftstoff-Luft-Gemischen eine zuverlässige Zündung gewährleistet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verbrennungsmotor beschrieben, der die in diesem Dokument beschriebene Vorkammer-Zündkerze umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (z.B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorkammer-Zündkerze umfasst.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
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1a den Aufbau einer beispielhaften Vorkammer-Zündkerze; und
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1b den Aufbau einer weiteren beispielhaften Vorkammer-Zündkerze.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bereitstellung einer Vorkammer-Zündkerze, bei der auch bei verdünnten Kraftstoff-Luft-Gemischen eine zuverlässige und vollständige Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches innerhalb der Vorkammer gewährleistet wird.
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1a zeigt ein Prinzipbild einer beispielhaften Vorkammer-Zündkerze 100. Die Zündkerze 100 umfasst eine Mittelelektrode 103 und eine Außenelektrode 102. Die Außenelektrode 102 kann z.B. auf Massepotential liegen. Die Außenelektrode 102 formt in dem dargestellten Beispiel die Vorkammer 101, welche die Mittelelektrode 103 umschließt. Die Wand der Vorkammer 101 (in dem dargestellten Beispiel ist das die Außenelektrode 102) umfasst ein oder mehrere Öffnungen oder Kanäle 105. Durch die Kanäle 105 kann entflammtes Kraftstoff-Luft-Gemisch aus der Vorkammer 101 nach außen (und damit typischerweise in den Hauptbrennraum eines Zylinders) gelangen.
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In dem dargestellten Beispiel ist die Mittelelektrode 103 mit einem Dielektrikum 104 (z.B. mit einer Keramik) umgeben. Bei Anlegen einer Spannung zwischen Mittelelektrode 103 und Außenelektrode 102 kann es aufgrund des Dielektrikums 104 zwischen Mittelelektrode 103 und Außenelektrode 102 zu einer sogenannten dielektrisch behinderten Entladung in der mit Kraftstoff-Luft-Gemisch gefüllten Vorkammer 101 kommen. Insbesondere kann Luft in der Vorkammer 101 ionisiert werden. Durch die dielektrische Entladung innerhalb der Vorkammer 101 kommt es zu einer Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches innerhalb des gesamten oder nahezu gesamten Raums der Vorkammer 101, auch bei einer relativ hohen Verdünnung des Kraftstoff-Luft-Gemisches innerhalb der Vorkammer 101.
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Mit anderen Worten, 1a zeigt eine Vorkammer-Zündkerze 100. Die Vorkammer-Zündkerze 100 kann eine oder keine Einspritzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in die Vorkammer 101 und/oder eine oder keine Luftspülung der Vorkammer 101 umfassen. Bei der in 1a gezeigten Vorkammer-Zündkerze 100 erfolgt die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer 101 großvolumig über eine dielektrisch behinderte Entladung. Die dielektrisch behinderte Entladung erfolgt hierbei zwischen der zentralen Elektrode 103 und den Kammerwänden 102. Die isolierende Schicht des Dielektrikums 104 (z.B. einer Keramik) kann an den Wänden 102 der Kammer und/oder, wie in 1a dargestellt, um die zentrale Elektrode 103 herum angebracht sein.
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Bei der dielektrisch behinderten Entladung erfolgt, anders als bei einer lokalisierten Funkenbildung zwischen zwei Elektroden, eine großvolumige, radikal-initiierte Entflammung mit einer hohen initialen Radikaldichte. Die so erzeugte schnelle Entflammung sorgt für eine kurze Umsetzungsdauer in der Vorkammer 101 und so zu einem schnellen Druckanstieg und zu einer schnellen Expansion des entflammten Kraftstoff-Luft Gemisches über die Düsenlöcher 105 der Vorkammer 101. Durch die schnelle Umsetzung im Vorkammervolumen reduzieren sich die Wandwärmeverluste und verbessern sich die Düsenwirkung der Verbrennungsgasaustragung. Das entflammte Kraftstoff-Luft Gemisch wird als Zündstrahl in den Hauptbrennraum eines Zylinders expandiert und erzeugt hierdurch ein großflächiges Entflammungsgebiet und bringt zusätzlich Turbulenz in den Brennraum ein, wodurch die Hauptverbrennung im Zylinder beschleunigt werden kann.
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1b zeigt eine Zündkerze 100 bei der die Mittelelektrode 103 ein oder mehrere Spitzen 113 umfasst, durch die lokal ein hohes elektrisches Feld ausgebildete werden kann. Ggf. kann alternativ oder ergänzend die Außenelektrode 102 derartige Spitzen 113 aufweisen. Durch die Verwendung von Spitzen 113 kann die Erzeugung einer dielektrisch behinderten Entladung begünstigt werden.
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Der in den 1a und 1b dargestellte Aufbau einer Vorkammer-Zündkerze 100 ermöglicht eine schnellere und robustere Entflammung bzw. Umsetzung in der Vorkammer 101. Dies erlaubt wiederum die Ausweitung des Vorkammerbetriebes hin zu höheren Verdünnungsraten (z.B. zu einem Mager-Betrieb und/oder zu einem Betrieb mit Abgasrückführung, AGR). Dies ist vor allem bei Betrieb eines Verbrennungsmotors in Verbindung mit einer niedrigen Last bzw. mit einer erhöhten Drehzahl von Vorteil. Die Kombination aus dielektrisch behinderter Entladungszündung mit dem Prinzip der Vorkammer erlaubt nicht nur die Zündung über die durch die Düsen 105 austretenden Strahlen des Verbrennungsgases, sondern erzeugt zusätzlich eine gasdynamische Verbreitung der durch die dielektrisch behinderte Entladung selbst erzeugten Radikale. Dies fördert nochmals die positive Wirkung einer Vorkammer-Zündkerze 100 auf die Entzündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Hauptbrennraum eines Zylinders.
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Weiterhin lässt sich durch die Kombination mit dem Prinzip der Vorkammer eine lange Zünddauer (d.h. eine Dauer der Bestromung bis zum Beginn der Gasexpansion) der dielektrisch behinderten Entladung gezielt zur Erhöhung der Radikaldichte innerhalb der Vorkammer 101 und somit innerhalb des Brennraumes des Zylinders nutzen. Dieser Effekt ist mit der dielektrisch behinderten Entladung allein typischerweise nicht nutzbar, da eine längere Zünddauer in diesem Fall in der Regel nur zu einer höheren Radikaldichte in einem Bereich mit bereits verbranntem Kraftstoff-Luft Gemisch führt (d.h. hinter der Flammenfront) und somit nicht zu einer Erhöhung der Radikaldichte direkt an der Flammenfront beiträgt.
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Durch die verkürzte Umsetzungsdauer und die aufgrund der Eigenschaften der dielektrisch behinderten Entladung auch vollständigere Umsetzung innerhalb der Vorkammer 101, kommt es bei den in den 1a und 1b beschriebenen Vorkammer-Zündkerzen 100 zu einem effizienteren Austrag des Brenngases in den Hauptbrennraum des Zylinders und somit zu einem verbesserten Entflammungs- und Umsatzergebnis in dem Hauptbrennraum.
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Desweiteren wird eine Verrußung der Vorkammer 101 aufgrund des Charakters der dielektrisch behinderten Entladung und der damit verbundenen relativ hohen Dichte an reaktionsfähigen Radikalen vermieden. Zudem können Nachzündungen effizient zur Oberflächenreinigung eingesetzt werden. Weiterhin führt die dielektrische Schicht 104 aufgrund ihrer thermischen Isolationswirkung zu einem geringeren Wandwärmeverlust in der Vorkammer 101. Die erhöhte Oberflächentemperatur auf dem Dielektrikum 104 führt wiederum zu einer verstärkten Resistenz gegenüber Rußablagerungen.
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Generell werden die entflammungstechnischen Vorteile der Vorkammerzündung durch den Betrieb mit einer dielektrisch behinderten Entladungszündung verbessert. Andererseits werden die flammentechnischen Herausforderungen innerhalb der Vorkammer 101 durch die Betriebsweise mit dielektrisch behinderter Entladung deutlich abgemildert. So wird beispielweise die Abhängigkeit der Performance der Vorkammer-Zündkerze 100 von der Drehzahl eines Verbrennungsmotors deutlich reduziert.
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Die dielektrisch behindere Entladungszündung innerhalb der Vorkammer 101 ermöglicht es, in effizienter Weise die Vorteile einer Raumzündung innerhalb der Vorkammer 101 zu realisieren. Desweiteren tritt bei der dielektrisch behinderten Entladung kaum elektrisch bedingter Spitzenverschleiß der Elektroden 102, 103 auf. Außerdem liegt bei der Verwendung von dielektrisch behinderter Entladung innerhalb der Vorkammer 101 keine elektrostatische Abhängigkeit der Zündspannung von der Kolbenposition im Zylinder vor. Die Zündspannung wird typischerweise lediglich von der Dichte des Kraftstoff-Luft-Gemisches beeinflusst.
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Weiterhin ist die beschriebene Verwendung von dielektrisch behinderter Entladungszündung innerhalb der Vorkammer 101 einer Vorkammer-Zündkerze 100 relativ unabhängig von Ladungsbewegungen und Ladungsbewegungsschwankungen, da der aus den Düsen 105 austretende Plasmastrahl selbst einen Eigenimpuls besitzt. Zudem findet durch die räumliche Entflammung in der Vorkammer eine weitgehende Entkopplung der Abhängigkeit von der laminaren Flammenfrontgeschwindigkeit in der Vorkammer 101 statt.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
