DE102016006782A1

DE102016006782A1 - Zündvorrichtung und Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches

Info

Publication number: DE102016006782A1
Application number: DE102016006782.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Wollitzer; Gunnar ARMBRECHT; Martin Fuchs; Peter Awakowicz; Thomas Musch; Sven Gröger; Andre Bergner; Gordon Notzon; Marcel van Delden
Original assignee: Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2017-12-07
Also published as: CN109312708A; US10895241B2; WO2017207098A1; TW201809457A; JP2019520512A; US20190293043A1; KR20190012140A; CN109312708B; EP3464876A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in mindestens einem Brennraum, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Zündsystem mit Elektroden für jeden Brennraum, mindestens einer Hochspannungsquelle zum Erzeugen eines elektrischen Hochspannungsimpulses an einem Ausgang der Hochspannungsquelle und mit mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zum Erzeugen einer elektrischen Hochfrequenz-Wechselspannung an einem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle, wobei m Zündsysteme (10i) mit m ∈ N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m ≥ 2, vorgesehen sind, wobei k Hochfrequenzspannungsquellen mit k ∈ N, sowie k < m vorgesehen sind, wobei mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung vorgesehen ist, welche einerseits mit mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle und andererseits mit n Zündsystemen, wobei n ∈ N sowie 2 ≤ n ≤ m, elektrisch verbunden ist, wobei die Leistungsverteiler-Vorrichtung die Hochfrequenz-Wechselspannung bzw. -spannungen aus der bzw. aus den mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung elektrisch verbundenen Hochfrequenzspannungsquelle bzw. -quellen an die mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung elektrisch verbundenen n Zündsysteme überträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in mindestens zwei Brennräumen, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Zündsystem mit Elektroden für jeden Brennraum, mindestens einer Hochspannungsquelle zum Erzeugen eines elektrischen Hochspannungsimpulses an einem Ausgang der Hochspannungsquelle und mit mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zum Erzeugen einer elektrischen Hochfrequenz-Wechselspannung an einem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle, wobei m Zündsysteme mit m ∊ N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m ≥ 2, vorgesehen sind, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in m Brennräumen mit m ∈ N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m ≥ 2, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei in einem vorbestimmten Zeitabschnitt in mindestens einem Brennraum ein zündfähiges Gemisch erzeugt wird, wobei mit einem elektrischen Hochspannungsimpuls in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch ein elektrisch leitfähiger Kanal zwischen mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes erzeugt wird, wobei an die mindestens zwei Elektroden mit dem leitfähigen Kanal eine elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Plasmas in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zugeführt wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Zündvorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in mindestens einem Brennraum, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Zündsystem für jeden Brennraum, mindestens einer Hochspannungsquelle zum Erzeugen eines elektrischen Hochspannungsimpulses an einem Ausgang der Hochspannungsquelle und mit mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zum Erzeugen einer elektrischen Hochfrequenz-Wechselspannung an einem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle, wobei m Zündsysteme mit m ∈ N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m ≥ 2 vorgesehen sind, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 14. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in m Brennräumen mit m ∈ N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m ≥ 2, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei in einem vorbestimmten Zeitabschnitt in mindestens einem Brennraum ein zündfähiges Gemisch erzeugt wird, wobei mit einem elektrischen Hochspannungsimpuls in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch ein elektrisch leitfähiger Kanal zwischen mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes erzeugt wird, wobei an die mindestens zwei Elektroden mit dem leitfähigen Kanal eine elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Plasmas in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zugeführt wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 22.
Mit der Zahlenmenge N ist hier immer die Menge der natürlichen Zahlen ohne Null bezeichnet.
Zur Zündung eines Luft-Kraftstoffgemisches in einem Verbrennungsmotor wird atomarer (dissoziierter) Sauerstoff benötigt, welcher mittels eines Plasmas zwischen den Elektroden einer Zündkerze erzeugt wird. Üblicherweise ist das Plasma ein durch eine kurzzeitig hohe elektrische Spannung erzeugter leitfähiger Kanal (Zündfunke), wobei die hohe elektrische Spannung von einer Hochspannungsquelle, wie beispielsweise einer Zündspule, erzeugt wird. Üblicherweise ist die hohe elektrische Spannung eine elektrische Gleichspannung. Neuartige Zündsysteme verfolgen den Ansatz nach diesem initialen Zündfunken das Plasma mittels zusätzlicher Anregung an den Elektroden aus einer zweiten Energiequelle weiter aufrecht zu halten, um mehr atomaren Sauerstoff zu erzeugen. Denn der Anspruch an die Zündung ist bei modernen Motoren aufgrund von Aufladung, Abmagerung, Abgasrückführung und Schichtladung gestiegen. Die zweite Energiequelle zur zusätzlichen Anregung des Plasmas erzeugt dabei meistens eine Hochfrequenz (im folgenden HF oder Hochfrequenz-Wechselspannung genannt) und ist somit als HF-Verstärker (nachfolgend auch Hochfrequenzspannungsquelle genannt) ausgeführt. Da Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren mehr als eine Zündkerze besitzen, benötigt jede Zündkerze einen eigenen HF-Verstärker. Allerdings ist dies kosten- und platzintensiv.
So genannte Otto-Brennverfahren mit Direkteinspritzung des Brennstoffes besitzen durch die Möglichkeit eine Schichtladung im Verbrennungsraum darzustellen ein großes Potential hinsichtlich der Verbrauchsreduktion. Das nicht homogene Gemisch im Brennraum stellt jedoch erhöhte Anforderungen an das eingesetzte Zündverfahren hinsichtlich einer zuverlässigen Zündung zum geeigneten Zeitpunkt. Schwankungen jeglicher Art mindern beispielsweise die Qualität der Zündung und somit den Wirkungsgrad des gesamten Motors. Einerseits kann die Lage des zündfähigen Gemisches leicht variieren und andererseits kann sich der Haken der Masseelektrode der Zündkerze, welcher in den Brennraum ragt, störend auf die Gemischbildung auswirken. Hilfreich für ein direkt einspritzendes Brennverfahren ist ein Zündsystem mit einer größeren räumlichen Ausdehnung in den Verbrennungsraum hinein. Hierzu wird in der DE 10 2004 058 925 A1 vorgeschlagen, ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine mittels eines Hochfrequenz-Plasmas zu zünden. Eine entsprechende Hochfrequenz-Plasmazündvorrichtung umfasst einen Serienschwingkreis mit einer Induktivität und einer Kapazität sowie eine Hochfrequenzquelle zur resonanten Anregung dieses Serienschwingkreises. Die Kapazität ist durch Innen- und Außenleiterelektroden mit dazwischen liegendem Dielektrikum dargestellt. Diese Elektroden reichen mit ihren äußersten Enden mit einem vorgegebenen gegenseitigen Abstand bis in den Verbrennungsraum hinein.
Aus der DE 10 2008 051 185 A1 ist ein Verfahren zum Zünden bekannt, bei dem mittels eines elektrischen Gleichspannungsimpulses ein Entladungsplasma erzeugt wird, welches anschließend mittels eines HF-Feldes ionisiert wird. Der Gleichspannungsimpuls und ein Ausgangssignal eines HF-Generators werden dabei gemeinsam einer Funkenelektrode einer Zündkerze zugeführt. Eine Gegenelektrode der Zündkerze ist geerdet.
Moderne Zündanlagen für Ottomotoren weisen heute eine Zündkerze und eine Einzelzündspule mit elektronischer Ansteuereinheit auf. Die Zündkerze ist ein koaxialer Aufbau und besteht im Wesentlichen aus einer mittleren Elektrode umgeben von einem Isolator und einer äußeren Elektrode, die mit dem Zündkerzengehäuse verbunden ist. Die Zündspule liefert der Zündkerze einen elektrischen Hochspannungsimpuls bzw. Hochgleichspannungsimpuls. Zwischen den Elektroden entsteht ein Funke (leitfähiger Kanal) der die Verbrennung einleitet. Ein alternatives Verfahren in dem zusätzlich zur angelegten Hochspannung der Zündspule eine hochfrequente elektrische Spannung an die Zündkerze angelegt wird, um die Funkenbrenndauer zu verlängern ist in der DE 10 2013 215 663 A1 beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zündvorrichtung der o. g. Art hinsichtlich Aufbau und Funktion zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Zündvorrichtung der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen, durch ein Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches der o. g. Art mit den in Anspruch 10 gekennzeichneten Merkmalen sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer Zündvorrichtung der o. g. Art mit den in Anspruch 14 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Dazu ist es bei einer Zündvorrichtung der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass k Hochfrequenzspannungsquellen mit k ∈ N, sowie k < m vorgesehen sind, wobei mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung vorgesehen ist, welche einerseits mit mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle und andererseits mit n Zündsystemen, wobei n ∈ N sowie 2 ≤ n ≤ m, elektrisch verbunden ist, wobei die Leistungsverteiler-Vorrichtung die Hochfrequenz-Wechselspannung bzw. -spannungen aus der bzw. aus den mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung elektrisch verbundenen Hochfrequenzspannungsquelle bzw. -quellen an die mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung elektrisch verbundenen n Zündsysteme überträgt.
Dies hat den Vorteil, dass eine Hochfrequenzspannungsquelle für mehrere Zündkerzen verwendet werden kann, so dass sich eine Reduzierung des erforderlichen Hardware-Aufwandes ergibt.
Eine besonders einfache und kostengünstige Leistungsverteiler-Vorrichtung erzielt man dadurch, dass mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese im Betrieb der Zündvorrichtung den Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle, welche mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung elektrisch verbunden ist, zeitlich permanent mit allen n Zündsystemen elektrisch verbindet.
Eine Reduktion der erforderlichen Hochfrequenzenergie erzielt man dadurch, dass mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese im Betrieb der Zündvorrichtung den Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle, welche mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung elektrisch verbunden ist, temporär für einen vorbestimmten Zeitabschnitt mit allen n Zündsystemen gleichzeitig elektrisch verbindet.
Eine gezielte Zuführung der Hochfrequenzenergie erzielt man dadurch, dass mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese im Betrieb der Zündvorrichtung den Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle, welche mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung elektrisch verbunden ist, zeitlich nacheinander und temporär für einen vorbestimmten Zeitabschnitt mit je einem der n Zündsysteme elektrisch verbindet.
Eine weitere Reduktion des Hardwareaufwandes erzielt man dadurch, dass mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung mit q Hochfrequenzspannungsquellen elektrisch verbunden ist, wobei q ∈ N, sowie q ≤ k ist, wobei die Leistungsverteiler-Vorrichtung als q-zu-n-Demultiplexer ausgebildet ist.
Eine gezielte Zuführung der Hochfrequenzenergie an jeweilige Gruppen von Zündkerzen erzielt man dadurch, dass mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese im Betrieb der Zündvorrichtung den Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle, welche mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung elektrisch verbunden ist, zeitlich getrennt nacheinander und temporär mit je p Zündsystemen der n Zündsysteme elektrisch verbindet, wobei 2 ≤ p ≤ n – 1, m ≥ 3 und n ≥ 3 ist.
Eine individuelle und zeitlich exakte Zuführung eines Hochspannungsimpulses an eine jeweilige Zündkerze erzielt man dadurch, dass m Hochspannungsquellen vorgesehen sind und der Ausgang jeweils einer Hochspannungsquelle mit jeweils einem Zündsystem elektrisch verbunden ist.
Eine weitere Vereinfachung des schaltungs- und steuertechnischen Aufwandes erzielt man dadurch, dass mindestens eine Hochfrequenzspannungsquelle, welche mit n Zündkerzen elektrisch verbunden ist, derart ausgebildet ist, dass diese im Betrieb der Zündvorrichtung zeitlich permanent die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung an deren Ausgang abgibt.
Die Verwendung von bereits vorhandenen Komponenten für die erfindungsgemäße Zündvorrichtung wird dadurch ermöglicht, dass mindestens eine Hochspannungsquelle als Zündspule ausgebildet ist.
Bei einem Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung den mindestens zwei Elektroden in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zeitlich vor dem Erzeugen des elektrisch leitfähigen Kanals zwischen den mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes zugeführt wird.
Dies hat den Vorteil, dass die Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung des Plasmas selbstständig unmittelbar nach Erzeugen des elektrisch leitfähigen Kanals erfolgt, ohne dass dafür ein externer Trigger für die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung notwendig ist. Ein Anliegen der Hochfrequenz vor dem Zündzeitpunkt verbessert zusätzlich den Take-Ouer.
Eine Vereinfachung des Zündsystems mit nur einer Quelle für die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung für mehrere Brennräume wird dadurch erzielt, dass die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung auch an die mindestens zwei Elektroden mindestens eines solchen Brennraumes zugeführt wird, in dem kein zündfähiges Gemisch vorhanden ist.
Ein Löschen des Plasmas derart, dass in dem jeweiligen Brennraum mit Plasma für eine erneute Zündung ein neues zündfähiges Gemisch erzeugt werden kann, wird dadurch erzielt, dass nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Erzeugen des Plasmas die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung von mindestens denjenigen mindestens zwei Elektroden eines jeweiligen Brennraumes für mindestens eine vorbestimmte Totzeit getrennt wird, über die das Plasma erzeugt wurde.
Optional ist vorgesehen, dass die vorbestimmte Totzeit 0,5 ms bis 2 ms, insbesondere 1 ms, beträgt.
Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Zündvorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches der o. g. Art ist es erfindungsgemäß Vorgesehen, dass die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung am Ausgang einer Hochfrequenzspannungsquelle an n Zündsysteme zugeführt wird, wobei n ∈ N sowie 2 ≤ n ≤ m.
Dies hat den Vorteil, dass eine Hochfrequenzspannungsquelle für mehrere Zündsysteme verwendet werden kann, so dass sich eine Reduzierung des erforderlichen Hardware-Aufwandes ergibt.
Eine besonders einfache und kostengünstige Leistungsverteiler-Vorrichtung wird dadurch erzielt, dass der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zeitlich permanent mit allen n Zündsystemen elektrisch verbunden wird.
Eine Reduktion der erforderlichen Hochfrequenzenergie wird dadurch erzielt, dass der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle temporär mit allen n Zündsystemen gleichzeitig elektrisch verbunden wird.
Eine gezielte Zuführung der Hochfrequenzenergie wird dadurch erzielt, dass der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zeitlich nacheinander und temporär für einen vorbestimmten Zeitabschnitt mit je einem der n Zündsysteme elektrisch verbunden wird.
Eine weitere Reduktion des Hardwareaufwandes wird dadurch erzielt, dass mindestens eine Hochfrequenzspannungsquelle mit q Leistungsverteiler-Vorrichtungen elektrisch verbunden wird, wobei q ∈ N, sowie q ≤ k ist.
Eine gezielte Zuführung der Hochfrequenzenergie an jeweilige Gruppen von Zündkerzen wird dadurch erzielt, dass der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zeitlich getrennt nacheinander und temporär mit je p Zündsystemen der n Zündsysteme elektrisch verbunden wird, wobei 2 ≤ p ≤ n – 1, m ≥ 3 und n ≥ 3 ist.
Eine individuelle und zeitlich exakte Zuführung eines Hochspannungsimpulses an eine jeweilige Zündkerze wird dadurch erzielt, dass m Hochspannungsquellen vorgesehen sind und der Ausgang jeweils einer Hochspannungsquelle mit jeweils einem Zündsystem elektrisch verbunden wird.
Eine weitere Vereinfachung des schaltungs- und steuertechnischen Aufwandes wird dadurch erzielt, dass von mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zeitlich permanent die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung an deren Ausgang ausgegeben wird.
Bei einem Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in m Brennräumen ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung auch an die mindestens zwei Elektroden mindestens eines solchen Brennraumes zugeführt wird, in dem kein zündfähiges Gemisch vorhanden ist.
Dies hat den Vorteil, dass eine Vereinfachung des Zündsystems mit nur einer Quelle für die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung für mehrere Brennräume erzielt wird.
Die Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung des Plasmas selbstständig unmittelbar nach Erzeugen des elektrisch leitfähigen Kanals, ohne dass dafür ein externer Trigger für die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung notwendig ist, wird dadurch erzielt, dass die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung den mindestens zwei Elektroden in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zeitlich vor dem Erzeugen des elektrisch leitfähigen Kanals zwischen den mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes zugeführt wird.
Ein Löschen des Plasmas, so dass in dem jeweiligen Brennraum mit Plasma für eine erneute Zündung ein neues zündfähiges Gemisch erzeugt werden kann, wird dadurch erzielt, dass nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Erzeugen des Plasmas die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung von mindestens denjenigen mindestens zwei Elektroden eines jeweiligen Brennraumes für mindestens eine vorbestimmte Totzeit getrennt wird, über die das Plasma erzeugt wurde.
Optional ist vorgesehen, dass die vorbestimmte Totzeit 0,5 ms bis 2 ms, insbesondere 1 ms, beträgt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
1 ein schematisches Blockschaltbild einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zündsystems;
2 ein schematisches Blockschaltbild einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zündsystems;
3 ein schematisches Blockschaltbild einer dritten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zündsystems;
4 einen zeitlichen Verlauf von Hochfrequenz-Wechselspannung, Ausgangswirkleistung einer Hochfrequenzspannungsquellen und Wirkleistung in einem Plasma für ein Zündsystem mit einer Hochfrequenzspannungsquelle sowie vier Zündsystemen und
5 einen zeitlichen Verlauf von Hochfrequenz-Wechselspannung, Ausgangswirkleistungen von Hochfrequenzspannungsquellen und Wirkleistung in einem Plasma für ein Zündsystem mit zwei Hochfrequenzspannungsquellen sowie vier Zündsystemen.
Die in 1 bis 3 dargestellten, drei bevorzugten Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung umfassen jeweils m Zündsysteme 10 _i, i = 1, ... m, mit m ∈ N (natürliche Zahlen ohne Null) und k Hochfrequenzspannungsquellen 12 _j, j = 1, ... k, mit k ∈ N, sowie k < m. Dementsprechend sind in 1 bis 3 die m Zündsysteme 10 ₁, 10 ₂, ... 10 _m(1), 10 _m(1)+1, 10 _m(1)+2, ... 10 _m(2), ... 10 _m(k-1)+1, 10 _m(k-1)+2, ... 10 _m(k) mit m(k) = m sowie die k Hochfrequenzspannungsquellen 12 ₁, 12 ₂, ... 12 _k dargestellt. Jede Hochfrequenzspannungsquellen 12 _j gibt an dem jeweiligen Ausgang eine elektrischen Hochfrequenz-Wechselspannung 14 aus. Den Zündsystemen 10 _i wird aus einer oder mehreren Hochspannungsquellen 16 jeweils ein Hochspannungsimpuls 18 gemäß einem vorbestimmten Timing zugeführt.
Jedes Zündsystem ist einem Brennraum, beispielsweise einer Brennkraftmaschine zugeordnet, so dass im vorliegenden Beispiel die Brennkraftmaschine m Brennräume aufweist. Jedes Zündsystem weist beispielsweise mindestens zwei, drei oder mehr Elektroden auf, die beispielsweise in der Form einer Zündkerze aufgebaut sind, wobei die Elektroden in den jeweiligen Brennraum ragen.
Wie wohl bekannt, wird in einer Brennkraftmaschine zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem oder mehreren Brennräumen ein zündfähiges Gemisch erzeugt und dem diesen Brennräumen zugeordneten Zündsystemen 10 _i die Energie für einen Zündfunken in Form des Hochspannungsimpulses 18 zugeführt. Dies soll einen Zündfunken in dem jeweiligen Brennraum zwischen den Elektroden erzeugen und so das zündfähige Gemisch entzünden. Der Zündfunke bildet einen elektrisch leitfähigen Kanal zwischen den Elektroden. Allein mit dem Zündfunken bricht dieser elektrisch leitfähige Kanal bzw. der Zündfunke sofort wieder zusammen, wenn die Energie für den Zündfunken verbraucht ist.
Mittels der Hochfrequenz-Wechselspannung 14, die ebenfalls dem Zündsystem 10 _i und damit den Elektroden zugeführt wird, wird nun der elektrisch leitfähige Kanal dazu benutzt, diesen mittels der Energie aus der Hochfrequenz-Wechselspannung 14 aufrecht zu erhalten und ein Plasma zwischen den Elektroden und in dem jeweiligen Brennraum zu erzeugen bzw. über einen Zeitraum aufrechtzuerhalten, der länger ist, als der eigentliche Zündfunke den leitfähigen Kanal aufrecht erhalten würde, so dass der Zündfunke in Form des Plasmas zeitlich länger zum Zünden des zündfähigen Gemisches zur Verfügung steht. Weiterhin erhöht sich eine räumliche Ausdehnung des Plasmas. Hierdurch wird eine zuverlässigere und homogenere Zündung des zündfähigen Gemisches erzielt. Erst mit dem Trennen der Hochfrequenz-Wechselspannung 14 von dem jeweiligen Zündsystem 10 _i, das gerade in dessen Brennraum ein Plasma aufrechterhält, erlischt das Plasma und der Zündvorgang ist abgeschlossen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass weniger Hochfrequenzspannungsquellen 12 _j als Zündsysteme 10 _i vorgesehen sind. Anders ausgedrückt ist die Anzahl k der Hochfrequenzspannungsquellen 12 _j kleiner als die Anzahl m der Zündsysteme 10 _i (k < m). Um nun trotzdem jedes Zündsysteme 10 _i mit einer Hochfrequenz-Wechselspannung 14 zu versorgen, ist erfindungsgemäß mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung 20 vorgesehen. Diese ist einerseits elektrisch mit mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j und andererseits mit n Zündsystemen 10 _i elektrisch verbunden, wobei n ∈ N sowie 2 ≤ n ≤ m, wobei die Leistungsverteiler-Vorrichtung 20 die Hochfrequenz-Wechselspannung bzw. -spannungen 14 aus der bzw. aus den mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung 20 elektrisch verbundenen Hochfrequenzspannungsquelle bzw. -quellen 12 _j an die mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung 20 elektrisch verbundenen n Zündsysteme 10 _i überträgt.
In der beispielhaften Darstellung sind die Zündsysteme 10 ₁, ... 10 _m(1) über eine Leistungsverteiler-Vorrichtung 20 mit der Hochfrequenzspannungsquelle 12 ₁, die Zündsysteme 10 _m(1)+1, 10 _m(1)+2, ... 10 _m(2) über eine weitere Leistungsverteiler-Vorrichtung 20 mit der Hochfrequenzspannungsquelle 12 ₂ und die Zündsysteme 10 _m(k-1)+1, 10 _m(k-1)+2, ... 10 _m(k) (wobei m(k) = m) über eine weitere Leistungsverteiler-Vorrichtung 20 mit der Hochfrequenzspannungsquelle 12 _k elektrisch verbunden.
Allgemein sind die Zündsysteme 10 _m(j-1)+1, 10 _m(j-1)+2, ... 10 _m(j) mit der Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j verbunden, wobei m(0) = 0, m(k) = m, j = 1, ... k und 2 ≤ [m(j) – m(j – 1)] ≤ n ≤ m und 0 ≤ m(j) ≤ m und m(j + 1) > m(j) ist. Auf diese Weise wird der Ausgang bzw. die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 einer einzigen Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j für mehrere Zündsysteme 10 _m(j-1)+1, 10 _m(j-1)+2, ... 10 _m(j) verwendet.
In der Darstellung der 1 bis 3 ist für jedes der Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j zugeordnete Zündsysteme 10 _m(j-1)+1, 10 _m(j-1)+2, ... 10 _m(j) eine eigene Hochspannungsquelle 16 zur Erzeugung des initialen Zündfunkens dargestellt. Dies ist jedoch lediglich beispielhaft. Alternativ kann auch eine zentrale Energiequelle zur Erzeugung des Zündfunkens bzw. des elektrisch leitfähigen Kanals vorgesehen sein, wobei ein Zündverteiler die Energie der Energiequelle zum jeweiligen Zündsystem 10 _m(j-1)+1, 10 _m(j-1)+2, ... 10 _m(j) leitet.
Eine beispielhafte Konfiguration für einen 4-Zylinder-Ottomotor wäre k = 1 und m = 4, also eine Hochfrequenzspannungsquelle 12 ₁ und vier Zylinder mit je einem Brennraum und diesen Brennräumen zugeordnete Zündsysteme 10 ₁, 10 ₂, 10 ₃, 10 ₄ (je ein Zündsystem für einen Brennraum).
Einige oder alle Zündsysteme 10 _i sind beispielsweise als 2-Elektroden-Zündsysteme, bevorzugt in der Form von Zündkerzen, ausgebildet. Hierbei wird der Hochspannungsimpuls 18 und die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 direkt oder über ein Trennelement einer Elektrode zugeführt, wobei die andere Elektrode auf einem festen Potential, wie beispielsweise Masse liegt. Alternativ wird der Hochspannungsimpuls 18 direkt oder über ein Trennelement einer Elektrode und die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 direkt oder über ein Trennelement der anderen Elektrode zugeführt.
Alternativ sind einige oder alle Zündsysteme 10 _i als 3-Elektroden-Zündsysteme, bevorzugt in der Form von Zündkerzen, ausgebildet. Der Hochspannungsimpuls 18 wird direkt oder über ein Trennelement einer ersten Elektrode zugeführt. Die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 wird direkt oder über ein Trennelement einer zweiten Elektrode zugeführt. Eine dritte Elektrode liegt auf einem festen Potential, wie beispielsweise Masse.
Ein Hochfrequenz-Plasma bildet sich nur dann aus, wenn auch ein initialer Ladungsträgerkanal vorhanden ist, welche vorliegend von dem Zündfunken erzeugt wird.
In der ersten Ausführungsform gemäß der 1 ist die Leistungsverteiler-Vorrichtung 20 als einfacher Knotenpunkt ausgebildet, der alle Zündsysteme 10 _m(j-1)+1, 10 _m(j-1)+2, ... 10 _m(j) zeitlich permanent mit dem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j elektrisch verbindet, so dass eine von der Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j am Ausgang ausgegebene Hochfrequenz-Wechselspannung 14 direkt an alle Zündsysteme 10 _m(j-1)+1, 10 _m(j-1)+2 elektrisch weiter geleitet wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 von der Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j an allen Zündsystemen 10 _m(j-1)+1, 10 _m(j-1)+2, ... 10 _m(j) anliegt, solange diese von der Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j an deren Ausgang abgegeben wird.
In der zweiten Ausführungsform gemäß der 2 ist die Leistungsverteiler-Vorrichtung 20 als passiver Leistungsteiler ausgebildet. Dies erzielt eine verbesserte Anpassung der Impedanz zwischen dem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j und dem Eingang der Zündsysteme 10 _i. Der passive Leistungsteiler ist beispielsweise als Wilkinson-Teiler oder Richtkoppler ausgebildet. Wie auch in der ersten Ausführungsform sind bei dieser zweiten Ausführungsform alle Zündsysteme 10 _m(j-1)+1, 10 _m(j-1)+2, ... 10 _m(j) zeitlich permanent mit dem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j elektrisch verbunden, so dass eine von der Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j am Ausgang ausgegebene Hochfrequenz-Wechselspannung 14 direkt an alle Zündsysteme 10 _m(j-1)+1, 10 _m(j-1)+2, ... 10 _m(j) elektrisch weiter geleitet wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 von der Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j an allen Zündsystemen 10 _m(j-1)+1, 10 _m(j-1)+2, ... 10 _m(j) anliegt, solange Hochfrequenz-Wechselspannung 14 von der Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j an deren Ausgang abgegeben wird.
In der dritten Ausführungsform gemäß der 3 ist die Leistungsverteiler-Vorrichtung 20 als Demultiplexer ausgebildet. Im Unterschied zur ersten und zweiten Ausführungsform ist der Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j nicht zeitlich permanent mit allen Zündsystemen 10 _m(j-1)+1, 10 _m(j-1)+2, ... 10 _m(j) elektrisch verbunden. Satt dessen verbindet der 1-zu-[m(j) – m(j – 1)]Demultiplexer immer jeweils nur eines der Zündsystemen 10 _m(j-1)+1, 10 _m(j-1)+2, ... 10 _m(j) mit dem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j, so dass die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 zu einem bestimmten Zeitpunkt an immer nur ein Zündsystem der mehreren der Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j zugeordneten Zündsysteme 10 _m(j-1)+1, 10 _m(j-1)+2, ... 10 _m(j) übertragen wird. Hierdurch sinken die Ansprüche an die Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j, so dass diese einfacher realisiert werden kann. Beispielsweise kann die Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j kleiner dimensioniert werden.
Der Demultiplexer schaltet abhängig von einem Steuersignal, welches beispiesweise durch eine Motorsteuerung bereitgestellt wird, vor oder während der Zündung eines Zündsystems 10 _i die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 ausschließlich auf genau dieses Zündsystem. Der Vorteil im Vergleich zur direkten parallelen Verbindung der Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j mit allen Zündsysteme 10 _m(j-1)+1, 10 _m(j-1)+2, ... 10 _m(j) liegt darin, dass diejenigen Zündsysteme, an denen keine Zündung stattfinden soll, aufgrund der hochohmigen Abschaltung durch den Demultiplexer keine Belastung für die Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j darstellen. Somit wird/werden nur eine/wenige Hochfrequenzspannungsquelle/n 12 _j mit reduzierten Anforderungen benötigt.
Unabhängig von der speziellen Ausführungsform der Leistungsverteiler-Vorrichtung 20 gemäß der 1 bis 3 beinhaltet die Erfindung eine effiziente Verteilung von einem hochfrequenten Signal (Hochfrequenz-Wechselspannung 14) in einem HF- unterstützten Zündsystem für Verbrennungsmotoren zur Reduktion der Anzahl der Energiequellen (k = Anzahl der HF-Verstärker (Hochfrequenzspannungsquellen 12 _j), m = Anzahl der zu betreibenden Zündsysteme 10 _i, k < m, k ≥ 1, m ≥ 2, k, m ∈ N).
Eine beispielhafte Konfiguration für einen 4-Zylinder-Ottomotor wäre, wie zuvor erwähnt, k = 1 und m = 4, also eine Hochfrequenzspannungsquelle 12 ₁ und vier Zündsystemen 10 _i (i = 1, 2, 3, 4), je ein Zündsystem für einen Brennraum eines Zylinders der Brennkraftmaschine. Alle vier Zündsysteme 10 _i sind über die Leistungsverteiler-Vorrichtung 20 mit der Hochfrequenzspannungsquelle 12 ₁ elektrisch verbunden. In diesem Fall ist daher n = 4 = m. Für diese Konfiguration ist ein zeitlicher Verlauf der Spannung U_HF 22 am Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle 12 ₁, der Ausgangswirkleistung P_HF 24 der Hochfrequenzspannungsquelle 12 ₁ und der Wirkleistung P_PI,i 26 _i im Plasma für das i-te Zündsystem 10 _i mit in diesem Beispiel i = 1, 2, 3, 4, über eine Zeitachse 28 in 4 dargestellt. Die Spannungsamplitude der Hochfrequenz-Wechselspannung 14 ist nicht groß genug um selber ein Plasma zu zünden. Nur in Verbindung mit einem Zündimpuls (Hochspannungsimpuls 18) entsteht ein initialer Zündfunke, also ein elektrisch leitfähiger Kanal, an dem die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 (HF-Signal) ansetzt und ein Hochfrequenzplasma erzeugt, in das zusätzliche Energie eingebracht wird, wodurch die HF-Spannung aufgrund der Impedanz-Änderung sinkt (gekennzeichnet jeweils mit Pfeil 30). Ohne den Zündimpuls (Hochspannungsimpuls 18) in einem System bzw. den anderen Systemen (Zündsystem 26 ₁, 26 ₂, 26 ₃ bzw. 26 ₄) hat die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 in diesem keine Auswirkung und kann während der anderen Prozessschritte in einem Zyklus des Verbrennungsmotors problemlos an den Elektroden dieses bzw. dieser Systeme anliegen. Daher kann die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 gleichzeitig an allen Zündsystemen 26 ₁, 26 ₂, 26 ₃, 26 ₄ anliegen. Zwischen zwei aufeinander folgenden Zündungen in den Zündsystemen 26 ₁, 26 ₂, 26 ₃, 26 ₄ die mit der Hochfrequenzspannungsquelle 12 ₁ elektrisch verbunden sind, wird die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 ausgeschaltet (Totzeit), damit das Plasma nicht kontinuierlich weiter brennt sondern erlöscht. Die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 wird beispielsweise für eine Zeitspanne von etwa 1 ms ausgeschaltet, damit keine unerwünschte Plasmaerzeugung aufgrund noch vorhandener, freier Ladungsträger des letzten Plasmas stattfindet. Wie aus 4 ersichtlich, wird zunächst ein Plasma in dem ersten Zündsystem 26 ₁ gezündet und dieses Plasma erlöscht durch Abschaltung der Hochfrequenz-Wechselspannung 14. Danach wird zeitlich aufeinanderfolgend jeweils ein Plasma in dem zweiten Zündsystem 26 ₂, dem dritten Zündsystem 26 ₃ und dem vierten Zündsystem 26 ₄ gezündet und wieder gelöscht.
Für den Fall, dass sich aufgrund des notwendigen zeitlichen Ablaufs der Plasmazündungen die Totzeit zum Löschen des einen Plasmas im Zündsystem 26 _i zeitlich mit dem Zünden eines Plasmas in dem nächsten Zündsystem 26 _i+1 oder 26 _i+x überschneiden würde, sind mehr als eine Hochfrequenzspannungsquelle 12 _j vorgesehen und die Zündsysteme, welche sich in Totzeit und Plasmazündung zeitlich überscheiden würden, sind verschiedenen Hochfrequenzspannungsquellen 12 _j zugeordnet. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Anzahl der Zylinder so groß wird, dass der Zündimpuls eines Zündsystems in die Totzeit des vorherigen Zündsystems fällt. Dann würde in unerwünschter Weise an beiden Zündsystemen ein Plasma erzeugt. Daher sind in diesem Fall mindestens zwei Hochfrequenzspannungsquellen 12 ₁ und 12 ₂ vorgesehen.
Der hierbei sich ergebende zeitlicher Verlauf der Spannung U_HF 22 am Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle 12 ₁, der Ausgangswirkleistung P_HF 24 der Hochfrequenzspannungsquelle 12 ₁ und der Wirkleistung P_PI,i 26 _i im Plasma für das i-te Zündsystem 10 _i mit in diesem Beispiel i = 1, 2, 3, 4, über eine Zeitachse 28 ist in 5 dargestellt. In 5 sind funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie in 4, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 4 verwiesen wird. Im Unterschied zu 4 sind zwei Spannungen U_HF,1 22 ₁ sowie U_HF,2 22 ₂ am Ausgang jeweils der Hochfrequenzspannungsquelle 12 ₁ und 12 ₂ und zwei Ausgangswirkleistungen P_HF,1 24 ₁ sowie P_HF,2 24 ₂ der Hochfrequenzspannungsquelle 12 ₁ und 12 ₂ aufgetragen. Die Zündsysteme 26 ₁ und 26 ₃ sind über eine erste Leistungsverteiler-Vorrichtung 20 mit der ersten Hochfrequenzspannungsquelle 12 ₁ elektrisch verbunden und die Zündsysteme 26 ₂ und 26 ₄ sind zweite Leistungsverteiler-Vorrichtung 20 mit der zweiten Hochfrequenzspannungsquelle 12 ₂ elektrisch verbunden. Mit 32 ist eine notwendige Totzeit für ein Zündsystem 26 _i gekennzeichnet. Dieses Ausführungsbeispiel mit k = 2 und m = 4 ist lediglich zur einfachen bzw. besseren Darstellbarkeit gewählt und nicht notwendigerweise realitätsnah.
Wie aus 5 ersichtlich, überschneidet sich die Totzeit 32 des ersten Zündsystems 26 ₁ zeitlich mit dem Hochspannungsimpuls 18 im zweiten Zündsystem 26 ₂. Da jedoch das erste Zündsystem 26 ₁ mit der ersten Hochfrequenzspannungsquelle 12 ₁ und das zweite Zündsystem 26 ₂ mit der zweiten Hochfrequenzspannungsquelle 12 ₂ verbunden ist, kann die erste Hochfrequenzspannungsquelle 12 ₁ für die notwendige Totzeit 32 im ersten Zündsystem 26 ₁ ausgeschaltet bleiben noch während bereits das zweite Zündsystem 26 ₂ mit der Hochfrequenz-Wechselspannung 14 von der zweiten Hochfrequenzspannungsquelle 12 ₂ sowie mit dem Hochspannungsimpuls 18 beaufschlagt wird. Gleiches gilt für das zweite und dritte Zündsystem 26 ₂, 26 ₃ sowie für das dritte und vierte Zündsystem 26 ₃, 26 ₄ in der zeitlichen Abfolge von Totzeiten 32 und Hochspannungsimpulsen 18.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in m Brennräumen mit m ∈ N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m ≥ 2, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei in einem vorbestimmten Zeitabschnitt in mindestens einem Brennraum ein zündfähiges Gemisch erzeugt wird. Mit einem elektrischen Hochspannungsimpuls wird in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch ein elektrisch leitfähiger Kanal zwischen mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes erzeugt, wobei an die mindestens zwei Elektroden mit dem leitfähigen Kanal eine elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Plasmas in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zugeführt wird. Hierbei wird die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung den mindestens zwei Elektroden in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zeitlich vor dem Erzeugen des elektrisch leitfähigen Kanals zwischen den mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes zugeführt. Dies hat den Vorteil, dass die Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung des Plasmas selbstständig unmittelbar nach Erzeugen des elektrisch leitfähigen Kanals erfolgt, ohne dass dafür ein externer Trigger für die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung notwendig ist. Ein Anliegen der Hochfrequenz vor dem Zündzeitpunkt verbessert zusätzlich den Take-Over.
Die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung wird beispielsweise auch an die mindestens zwei Elektroden mindestens eines solchen Brennraumes zugeführt, in dem kein zündfähiges Gemisch vorhanden ist.
Nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Erzeugen des Plasmas wird die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung von mindestens denjenigen mindestens zwei Elektroden eines jeweiligen Brennraumes für mindestens eine vorbestimmte Totzeit getrennt, über die das Plasma erzeugt wurde. Hierdurch wird ein Löschen des Plasmas erzielt, so dass in dem jeweiligen Brennraum mit Plasma für eine erneute Zündung ein neues zündfähiges Gemisch erzeugt werden kann.
Bei einem Verfahren nach dem voranstehenden Absatz ist es optional vorgesehen, dass die vorbestimmte Totzeit 0,5 ms bis 2 ms, insbesondere 1 ms, beträgt.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Zündvorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in mindestens einem Brennraum, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Zündsystem für jeden Brennraum, mindestens einer Hochspannungsquelle zum Erzeugen eines elektrischen Hochspannungsimpulses an einem Ausgang der Hochspannungsquelle und mit mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zum Erzeugen einer elektrischen Hochfrequenz-Wechselspannung an einem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle, wobei m Zündsysteme mit m ∈ N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m ≥ 2 vorgesehen sind. Die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung am Ausgang einer Hochfrequenzspannungsquelle wird an n Zündsysteme zugeführt, wobei n ∈ N sowie 2 ≤ n ≤ m. Hierdurch kann eine Hochfrequenzspannungsquelle für mehrere Zündsysteme verwendet werden, so dass sich eine Reduzierung des erforderlichen Hardware-Aufwandes ergibt.
Der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle wird beispielsweise zeitlich permanent mit allen n Zündsystemen elektrisch verbunden.
Der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle wird beispielsweise temporär mit allen n Zündsystemen gleichzeitig elektrisch verbunden, wodurch eine Reduktion der erforderlichen Hochfrequenzenergie möglich wird.
Der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle wird zeitlich nacheinander und temporär für einen vorbestimmten Zeitabschnitt mit je einem der n Zündsysteme elektrisch verbunden.
Mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung wird bevorzugt mit q Hochfrequenzspannungsquellen elektrisch verbunden, wobei q ∈ N, sowie q ≤ k ist.
Der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle wird beispielsweise auch zeitlich getrennt nacheinander und temporär mit je p Zündsystemen der n Zündsysteme elektrisch verbunden, wobei 2 ≤ p ≤ n – 1, m ≥ 3 und n ≥ 3 ist. Hierdurch ist eine gezielte Zuführung der Hochfrequenzenergie aus der Hochfrequenzquelle an jeweilige Gruppen von Zündkerzen möglich.
Es sind beispielsweise m Hochspannungsquellen vorgesehen und der Ausgang jeweils einer Hochspannungsquelle wird mit jeweils einem Zündsystem elektrisch verbunden. Dies ermöglicht eine individuelle und zeitlich exakte Zuführung eines Hochspannungsimpulses an eine jeweilige Zündkerze.
von mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle wird zeitlich permanent die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung an deren Ausgang ausgegeben. Dies erzielt eine weitere Vereinfachung des schaltungs- und steuertechnischen Aufwandes.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in m Brennräumen mit m ∈ N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m ≥ 2, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei in einem vorbestimmten Zeitabschnitt in mindestens einem Brennraum ein zündfähiges Gemisch erzeugt wird. Mit einem elektrischen Hochspannungsimpuls in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch wird ein elektrisch leitfähiger Kanal zwischen mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes erzeugt, wobei an die mindestens zwei Elektroden mit dem leitfähigen Kanal eine elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Plasmas in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zugeführt wird. Hierbei wird die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung auch an die mindestens zwei Elektroden von mindestens einem solchen Brennraum zugeführt, in dem kein zündfähiges Gemisch vorhanden ist. Das Zündsystem kommt dadurch mit nur einer Quelle für die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung für mehrere Brennräume aus.
Die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung wird beispielsweise den mindestens zwei Elektroden in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zeitlich vor dem Erzeugen des elektrisch leitfähigen Kanals zwischen den mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes zugeführt. Die Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung des Plasmas erfolgt dadurch selbstständig unmittelbar nach Erzeugen des elektrisch leitfähigen Kanals, ohne dass dafür ein externer Trigger für die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung notwendig ist.
Nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Erzeugen des Plasmas wird die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung von mindestens denjenigen mindestens zwei Elektroden eines jeweiligen Brennraumes für mindestens eine vorbestimmte Totzeit getrennt, über die das Plasma erzeugt wurde. Hierdurch wird ein Löschen des Plasmas erzielt, so dass in dem jeweiligen Brennraum mit Plasma für eine erneute Zündung ein neues zündfähiges Gemisch erzeugt werden kann.
Bei einem Verfahren nach dem voranstehenden Absatz ist es optional vorgesehen, dass die vorbestimmte Totzeit 0,5 ms bis 2 ms, insbesondere 1 ms, beträgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004058925 A1 [0004]
DE 102008051185 A1 [0005]
DE 102013215663 A1 [0006]

Claims

Zündvorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in mindestens einem Brennraum, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Zündsystem (10 _i) mit Elektroden für jeden Brennraum, mindestens einer Hochspannungsquelle (16) zum Erzeugen eines elektrischen Hochspannungsimpulses (18) an einem Ausgang der Hochspannungsquelle (16) und mit mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle (12 _j) zum Erzeugen einer elektrischen Hochfrequenz-Wechselspannung (14) an einem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle (12 _j), wobei m Zündsysteme (10 _i) mit m ∈ N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m ≥ 2, vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass k Hochfrequenzspannungsquellen (12 _j) mit k ∈ N, sowie k < m vorgesehen sind, wobei mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) vorgesehen ist, welche einerseits mit mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle (12 _j) und andererseits mit n Zündsystemen (10 _i), wobei n ∈ N sowie 2 ≤ n ≤ m, elektrisch verbunden ist, wobei die Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) die Hochfrequenz-Wechselspannung (14) bzw. -spannungen aus der bzw. aus den mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) elektrisch verbundenen Hochfrequenzspannungsquelle (12 _j) bzw. -quellen an die mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) elektrisch verbundenen n Zündsysteme (10 _i) überträgt.
Zündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass diese im Betrieb der Zündvorrichtung den Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle (12 _j), welche mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) elektrisch verbunden ist, zeitlich permanent mit allen n Zündsystemen (10 _i) elektrisch verbindet.
Zündvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass diese im Betrieb der Zündvorrichtung den Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle (12 _j), welche mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) elektrisch verbunden ist, temporär mit allen n Zündsystemen (10 _i) gleichzeitig elektrisch verbindet.
Zündvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass diese im Betrieb der Zündvorrichtung den Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle (12 _j), welche mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) elektrisch verbunden ist, zeitlich nacheinander und temporär für einen vorbestimmten Zeitabschnitt mit je einem der n Zündsysteme (10 _i) elektrisch verbindet.
Zündvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) mit q Hochfrequenzspannungsquellen (12 _j) elektrisch verbunden ist, wobei q ∈ N, sowie q ≤ k ist, wobei die Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) als q-zu-n-Demultiplexer ausgebildet ist.
Zündvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass diese im Betrieb der Zündvorrichtung den Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle (12 _j), welche mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) elektrisch verbunden ist, zeitlich getrennt nacheinander und temporär mit je p Zündsystemen (10 _i) der n Zündsysteme (10 _i) elektrisch verbindet, wobei 2 ≤ p ≤ n – 1, m ≥ 3 und n ≥ 3 ist.
Zündvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass m Hochspannungsquellen (16) vorgesehen sind und der Ausgang jeweils einer Hochspannungsquelle (16) mit jeweils einem Zündsystem (10 _i) elektrisch verbunden ist.
Zündvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Hochfrequenzspannungsquelle (12 _j), welche mit n Zündsystemen (10 _i) elektrisch verbunden ist, derart ausgebildet ist, dass diese im Betrieb der Zündvorrichtung zeitlich permanent die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung (14) an deren Ausgang abgibt.
Zündvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Hochspannungsquelle (16) als Zündspule ausgebildet ist.
Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in m Brennräumen mit m ∈ N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m ≥ 2, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei in einem vorbestimmten Zeitabschnitt in mindestens einem Brennraum ein zündfähiges Gemisch erzeugt wird, wobei mit einem elektrischen Hochspannungsimpuls in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch ein elektrisch leitfähiger Kanal zwischen mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes erzeugt wird, wobei an die mindestens zwei Elektroden mit dem leitfähigen Kanal eine elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Plasmas in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung den mindestens zwei Elektroden in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zeitlich vor dem Erzeugen des elektrisch leitfähigen Kanals zwischen den mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung auch an die mindestens zwei Elektroden mindestens eines solchen Brennraumes zugeführt wird, in dem kein zündfähiges Gemisch vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Erzeugen des Plasmas die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung von mindestens denjenigen mindestens zwei Elektroden eines jeweiligen Brennraumes für mindestens eine vorbestimmte Totzeit getrennt wird, über die das Plasma erzeugt wurde.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Totzeit 0,5 ms bis 2 ms, insbesondere 1 ms, beträgt.
Verfahren zum Betreiben einer Zündvorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in mindestens einem Brennraum, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Zündsystem für jeden Brennraum, mindestens einer Hochspannungsquelle zum Erzeugen eines elektrischen Hochspannungsimpulses an einem Ausgang der Hochspannungsquelle und mit mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zum Erzeugen einer elektrischen Hochfrequenz-Wechselspannung an einem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle, wobei m Zündsysteme mit m ∈ N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m ≥ 2 vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung am Ausgang einer Hochfrequenzspannungsquelle an n Zündsysteme zugeführt wird, wobei n ∈ N sowie 2 ≤ n ≤ m.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zeitlich permanent mit allen n Zündsystemen elektrisch verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle temporär mit allen n Zündsystemen gleichzeitig elektrisch verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zeitlich nacheinander und temporär für einen vorbestimmten Zeitabschnitt mit je einem der n Zündsysteme elektrisch verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Hochfrequenzspannungsquelle mit q Leistungsverteiler-Vorrichtungen elektrisch verbunden wird, wobei q ∈ N, sowie q ≤ k ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zeitlich getrennt nacheinander und temporär mit je p Zündsystemen der n Zündsysteme elektrisch verbunden wird, wobei 2 ≤ p ≤ n – 1, m ≥ 3 und n ≥ 3 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass m Hochspannungsquellen vorgesehen sind und der Ausgang jeweils einer Hochspannungsquelle mit jeweils einem Zündsystem elektrisch verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass von mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zeitlich permanent die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung an deren Ausgang ausgegeben wird.
Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in m Brennräumen mit m ∈ N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m ≥ 2, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei in einem vorbestimmten Zeitabschnitt in mindestens einem Brennraum ein zündfähiges Gemisch erzeugt wird, wobei mit einem elektrischen Hochspannungsimpuls in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch ein elektrisch leitfähiger Kanal zwischen mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes erzeugt wird, wobei an die mindestens zwei Elektroden mit dem leitfähigen Kanal eine elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Plasmas in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung auch an die mindestens zwei Elektroden mindestens eines solchen Brennraumes zugeführt wird, in dem kein zündfähiges Gemisch vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung den mindestens zwei Elektroden in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zeitlich vor dem Erzeugen des elektrisch leitfähigen Kanals zwischen den mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Erzeugen des Plasmas die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung von mindestens denjenigen mindestens zwei Elektroden eines jeweiligen Brennraumes für mindestens eine vorbestimmte Totzeit getrennt wird, über die das Plasma erzeugt wurde.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Totzeit 0,5 ms bis 2 ms, insbesondere 1 ms, beträgt.