-
Stand der
Technik
-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs
in einem Verbrennungsmotor mittels einer hochfrequenten Energiequelle
nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
-
Die
Zündung
eines solchen Luft-Kraftstoff-Gemischs mit Hilfe einer sogenannten
Zündkerze
stellt einen üblichen
Bestandteil von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge dar. Bei diesen heute
eingesetzten Zündsystemen
wird die Zündkerze
induktiv mittels einer Zündspule
mit einer genügend
hohen elektrischen Spannung versorgt, so dass sich ein Zündfunke
am Ende der Zündkerze
im Brennraum des Verbrennungsmotors herausbildet, um die Verbrennung
des Luft-Kraftstoff-Gemischs einzuleiten.
-
Beim
Betrieb dieser herkömmlichen
Zündkerze
können
Spannungen bis über
dreißig
Kilovolt auftreten, wobei durch den Verbrennungsprozess Rückstände, wie
Ruß, Öl oder Koh le
sowie Asche aus Kraftstoff und Öl
auftreten, die unter bestimmten thermischen Bedingungen elektrisch
leitend sind. Es dürfen
jedoch bei diesen hohen Spannungen keine Über- oder Durchschläge am Isolator
der Zündkerze auftreten,
so dass der elektrische Widerstand des Isolators auch bei den auftretenden
hohen Temperaturen während
der Lebensdauer der Zündkerze
sich nicht verändern
sollte.
-
Es
ist beispielsweise aus der
DE
198 52 652 A1 eine Zündvorrichtung
bekannt, bei der die Zündung
eines solchen Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor
eines Kraftfahrzeuges unter Verwendung eines koaxialen Leitungsresonators vorgenommen
wird. Hierbei wird die Zündspule durch
eine genügend
starke Mikrowellenquelle, z.B. eine Kombination aus einem Hochfrequenzgenerator und
einem Verstärker,
ersetzt. Mit einem geometrisch optimierten koaxialen Leitungsresonator
stellt sich dann die für
die Zündung
erforderliche Feldstärke
am offenen Ende des kerzenähnlichen
Leitungsresonators ein und zwischen den Elektroden der Kerze bildet
sich mit dem Spannungsüberschlag
eine zündfähige Plasmastrecke
heraus.
-
Die
elektrische Anregung dieses bekannten koaxialen Leitungsresonators
erfolgt durch eine seitliche Einkopplung, wobei diese Speiseanordnung nach
dem Einschrauben der sogenannten HF-Kerze allerdings eine undefinierte
Winkelposition einnimmt. Um eventuell durch entsprechende konstruktive Maßnahmen
die Kontaktposition in eine besser beherrschbare axiale Position
zu überführen ist
ein relativ großer
radialer oder auch axialer Raumbedarf damit schon beim Einschrauben
notwendig.
-
Eine
solche Hochfrequenzzündung
ist allgemein auch in dem Aufsatz "SAE-Paper 970071, Investigatinon of
a Radio Frequency Plasma Ignitor for Possible Internal Combustion
Engine Use" beschrieben.
Auch bei dieser Hochfrequenz- bzw.
Mikrowellenzündung
wird ohne eine übliche
Zündspule
mittels einer niederohmigen Einspeisung eine Hochspannung am sogenannten
heißen
Ende einer λ/4-Leitung eines
HF-Leitungsresonators erzeugt.
-
In
der JP 57-186067 A ist eine Zündvorrichtung
für einen
Verbrennungsmotor beschrieben, die mit einer hochfrequenten Energiequelle
arbeitet und bei der eine koaxiale Wellenleiterstruktur vorhanden ist,
in die die hochfrequente elektrische Energie einkoppelbar ist. An
der Einkoppelstelle ist eine koaxiale Speiseleitung in einen Resonatorraum
zum Innenleiter einer Wellenleiterstruktur geführt, wobei die Innenleiter
der Speiseleitung und der Wellenleiterstruktur galvanisch miteinander
verbunden sind. Eine ähnliche
Vorrichtung ist der JP 3-31579 zu entnehmen.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zündvorrichtung bereitzustellen,
die mit einer hochfrequenten Energiequelle arbeitet, wobei die Einkopplung
der hochfrequenten Energie derart gestaltet ist, dass nur geringe
elektrische Verluste auftreten und eine thermische Entkopplung der
Oszillatorelektronik möglich
ist.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs
in einem Verbrennungsmotor mittels einer hochfrequenten elektrischen
Energiequelle, mit einer einen Resonatorraum bildenden koaxialen
Wellenleiterstruktur, in die die hochfrequente elektrische Energie
an einer vorgegebenen Einkoppelstelle am einen Ende des Innenleiters
der koaxialen Wellenleiterstruktur einspeisbar ist. Das andere Ende
des Innenleiters ragt in den jeweiligen Brennraum eines Zylinders
des Verbrennungsmotors hinein, wobei an diesem Ende durch eine Überhöhung der
elektrischen Feldstärke eine
freistehende Plasmawolke erzeugbar ist.
-
Die
koaxiale Wellenleiterstruktur ist dabei in an sich bekannter Weise
so ausgebildet, dass sich für
eine vorgegebene effektive Wellenlänge λeff der eingekoppelten
hochfrequenten Schwingung ein Leitungsresonator in etwa nach der
Beziehung (2n + 1)·λeff/4
mit n ≥ 0
ergibt und die hochfrequente Schwingung beispielsweise durch eine
kapazitive, induktive, gemischte oder eine Aperturkopplung eingekoppelt
wird. Die effektive Wellenlänge λeff wird
dabei im wesentlichen durch die Formgebung des Endes des herausragenden
Innleiters, durch die Abdichtung des Dielektrikums bzw. durch die
Formgebung des gesamten Leitungsresonators bestimmt.
-
Bei
den erfindungsgemäßen Ausführungsformen
stellt sich die für
die Zündung
im Brennraum erforderliche elektrische Feldstärke damit am offenen Ende des
in seiner Form weitgehend zündkerzenähnhlichen
Resonators ein. Die wesentlichen Vorteile einer solchen Hochfrequenzzündkerze
gegenüber der
herkömmlichen
Verwendung einer Zündkerze sind
vor allem eine Kosten-, Bauraum- und Gewichtseinsparung durch die
Möglichkeit
zur Miniaturisierung. Die bei der vorgeschlagenen Vorrichtung erreichte
weitgehende Wärmewertfreiheit
ermöglicht zudem
eine Reduzierung der Typenvielfalt und damit ebenfalls eine Kosteneinsparung.
-
Dadurch,
dass hier auf einfache Weise bevorzugt im Oszillator, eventuell
aber auch an sonstigen Bereichen des koaxialen Wellenleiters, ein
elektrisches Mess- oder Steuersignal auskoppelbar ist, das von den
physikalischen Größen des
freistehenden Plasma im Luft-Kraftstoff-Gemisch abhängig ist, wird prinzipiell
eine Einstellbarkeit der Flammgröße ermöglicht.
Es ist somit ein vergrößertes Zündvolumen
im Vergleich zur herkömmlichen
Zündkerze
und eine gute Einleitung der Flammfront in den Brennraum erreichbar.
Dies führt
zu einer Erhöhung
der Zündsicherheit
insbesondere bei Magergemischmotoren und bei einer Benzin-Direkt-Einspritzung.
-
Ferner
sind zusätzliche
Freiheitsgrade durch die Steuerbarkeit der Brenndauer aufgrund der
Möglichkeit
der Ableitung auskoppelbarer Steuersignale vorhanden. Das ausgekoppelte
elektrische Signal ist in einer Auswerteschaltung weiterverarbeitbar,
mit der z.B. eine Diagnose der Anordnung, eine Regelung der hochfrequenten
Energiequelle und/oder eine Steuerung vorgegebener Betriebsfunktionen
bewirkbar ist. Diese Steuerbarkeit aufgrund der Möglichkeit
der Verbrennungsdiagnostik und damit der Optimierung der Motorsteuerung
führt zu
einem geringeren Verschleiß der
als Zündelektroden
wirkenden Strukturen und es ist außerdem auch ein gesteuertes
Abbrennen von Verunreinigungen, z.B. von Ruß, möglich.
-
Erfindungsgemäß ist die
Einkoppelstelle für die
HF-Energie so ausgebildet, dass eine Speiseleitung koaxial induktiv
und kapazitiv an die Wellenleiterstruktur ankoppelbar ist, so dass
hierdurch die Zuführung
der HF-Energie in den Resonatorraum in besonders günstiger
Weise erfolgt.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Speiseleitung im Bereich der Einkoppelstelle mit mindestens
einem Steg versehen, der an den Außenleiter der Wellenleiterstruktur
herangeführt
und mit diesem zumindest hochfrequenzmäßig verbunden ist, wobei der
mindestens eine Steg induktiv an eine den Steg überlappende Erweiterung des
Innenleiters der Wellenleiterstruktur gekoppelt ist.
-
Auf
einfache Weise kann der mindestens eine Steg radial von einem mit
der Speiseleitung kontaktierten Innenteil zu einem radförmigen mit
dem Außenleiter
kontaktierten Außenteil
geführt
werden und die überlappende
Erweiterung des Innenleiters ist jeweils durch die Bereiche zwischen
den Stegen hindurchgeführt.
Die Anzahl der Stege kann im Bereich von einem bis fünf oder
auch mehr Stegen gewählt
werden, z.B. können
gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform
vier Stege mit entsprechend vier durch ihre Zwischenräume hindurchgeführten Überlappungen
des Innenleiters vorgesehen werden.
-
Mit
der Erfindung ist somit die koaxiale Eingangs- oder Speiseleitung
in einem gewissen Abstand vom Resonatorboden mit einem elektrisch
leitfähigem
induktiven Koppelteil, mit den durch Stege gebildeten partiellen
Durchgängen,
die die Hindurchführung
der Erweiterung des Innenleiters ermöglichen, verbunden. Aufgrund
der Überlappungen
der Stege und der koaxialen Erweiterungen des Innenleiters des Resonators
ragen somit induktive Stege der Speiseleitung in die Erweiterungen
bzw. in entsprechende Durchbrüche
des Resonatorinnenleiters und damit in den Resonatorraum hinein,
wobei die induktiven Stege, wie erwähnt, mit dein Außenleiter
des Resonators mindestens hochfrequenzmäßig verbunden sind; sie können jedoch
vorteilhaft auch durch eine galvanische Direktkontaktierung verbunden sein.
-
Hierdurch
wirken die Erweiterungen des Innenleiters teilweise als Außenleiter
für die
koaxiale Speiseleitung. Der Innenleiter des Resonators ist dabei
in diesem Bereich in herkömmlicher
Weise galvanisch mit dem Resonatorboden verbunden, da dies die Kurzschlussseite
des Resonators ist.
-
Die
optimale Querschnittsform dieser induktiven Stege kann sich nach
dem Fertigungsverfahren des jeweiligen Bauteils richten; die Querschnittsfläche kann
beispielsweise konstant oder als Funktion des Radius gewählt werden.
Zum Beispiel kann die Form dieses Bauteils als Blechstanzteil vorteilhaft rechteckig
mit geringen einseitigen Radiuseinzügen gewählt werden. Da die Stege den
Resonatorinnenleiter nicht berühren
dürfen,
ist vorzugsweise eine entsprechende Montage mit einer Verdrehsicherung dieser
Teile zueinander, z.B. mittels Passstiften, konstruktiv vorzusehen.
-
Zur
erfindungsgemäßen Einbeziehung
der kapazitiven Einkopplung der Speiseenergie ist in vorteilhafter
Weise das in der Vorrichtung liegende Ende der Speiseleitung und
das gegenüberliegende
Ende des Innenleiters der Wellenleiterstruktur mit entsprechenden
Stirnflächen
so ausgebildet, dass die jeweiligen sich zugewandten Stirnflächen mit
einem zwischenliegenden Dielektrikum eine Kapazität bilden. Die
Stirnfläche
der Speiseleitung kann dabei auch auf einfache Weise durch das Innenteil des
den mindestens einen Steg tragenden Rades gebildet sein.
-
Somit
ist am Ende der koaxialen Speiseleitung, bzw. des induktiven Koppelteils
noch ein kapazitives Koppelteil zum Resonatorinnenleiter eingebracht,
wobei das Dielektrikum dieses Koppelteils vorteilhaft z.B. aus Keramik
gefertigt sein kann. Die Form dieses kapazitiven Koppelteil ist
vorzugsweise rund und die Dicke und die Dielektrizitätszahl kann entsprechend
angepasst werden.
-
Zusammenfassend
ergeben sich für
die erfindungsgemäße Zündvorrichtung
insbesondere die Vorteile eines sehr kurzen Bauraums, da die Einkopplung
innerhalb des Resonators erfolgt und damit nur eine kurze Zusatzleitung
notwendig ist. Insgesamt gewährleistet
die koaxiale Anordnung geringe elektrische Verluste und einer ideale
Wärmeabfuhr über den
an der Einkoppelstelle galvanisch kurzgeschlossenen Resonatorstift.
Die Oszillatorelektronik der Vorrichtung ist von der Zündkerzeninnenspitze weitgehend
thermisch entkoppelt und es ist eine elektrisch relativ breitbandige
Anpassung möglich. Weiterhin
ist eine Fertigung der Einzelteile und deren Montage leicht beherrschbar.
Gegenüber
einer rein niederohmigen koaxialen Einkopplung mit einem sehr kleinen
Koppelspalt entfällt
die relativ kostenaufwändige
dielektrische Beschichtung mit einem nachfolgenden Schleifprozess.
-
Zeichnung
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
-
1 einen Schnitt durch eine
Vorrichtung zum hochfrequenten Zünden
eines Luft-Kraftstoff-Gemischs
in einem Verbrennungsmotor mit einer koaxialen Wel lenleiterstruktur
als Resonator und einer koaxialen induktiven und kapazitiven Einkopplung
der hochfrequenten elektrischen Energie und
-
2 bis 6 explodierte Detailansichten der Einkoppelstelle
nach der 1 mit Ausführungsbeispielen
von induktiven Stegen in der Anzahl von eins bis fünf Stegen.
-
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
-
In 1 ist eine Prinzipansicht
einer Vorrichtung zum hochfrequenten Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs
in einem Verbrennungsmotor gezeigt, die Bestandteile einer sogenannten
Hochfrequenzzündkerze 1 aufweist.
Es sind im einzelnen ein hier nicht dargestellter HF-Generator und
ein eventuell auch verzichtbarer Verstärker vorhanden, die als Mikrowellenquelle
die hochfrequenten Schwingungen erzeugen. Über eine koaxiale Steckanordnung 2 wird
hier eine, weiter unten noch näher
erläuterte, Einkopplung
der hochfrequenten Schwingungen in eine als λeff/4-Resonator
aufgebaute koaxiale Wellenleiterstruktur 3 als wesentlicher
Bestandteil der Hochfrequenzzündkerze 1 durchgeführt.
-
Der
koaxiale Resonator 3 bestehend aus einem Außenleiter 4,
d.h. der äußeren Wand
der Wellenleiterstruktur die mit einem Gehäuse der Zündkerze 1 leitend
verbunden ist und einem Innenleiter 5, wobei das eine sog.
offene oder heiße
Ende des Resonators 3 mit dem Innenleiter 5 als
Zündstift 5a die Zündung bewirkt.
Für die
hochfrequenten Schwingungen stellt das andere sog. kalte brennraumferne Ende 6 als
Boden im linken Teil des Resonators 3, innerhalb dessen
sich auch die Einkoppelstelle 7 befindet, einen Kurzschluss
dar.
-
Bei
dieser Hochfrequenzzündkerze 1 wird somit
das Prinzip der Feldüberhöhung in
einem koaxialen Resonator 3 der Länge (2n + 1)·λeff/4
mit n ≥ 0 genutzt.
Durch die Ausbildung eines Spannungsknotens am Kurzschluss 6 (kaltes
Ende) und eines Spannungsbauchs am einen offenen Ende (Zündstift 5a) ergibt
sich hier eine Feldüberhöhung mit
der die Zündung
bewirkt werden kann.
-
Das
durch eine genügend
starke Mikrowellenquelle als Generator erzeugte hochfrequente Signal
wird an der Einkoppelstelle 7 über eine Eingangs- oder Speiseleitung 8 in
den Resonator 3 eingespeist. An der Speiseleitung 8 kann
ein koaxialer Stecker am Steckkontakt 2 angebracht werden,
mit dem die Zuführung
der elektrischen Energie mit einer koaxialen Isolierung 9a (Luft)
und 9b (dielektrischer Zylinderring) über die Speiseleitung 8 an
die Einkoppelstelle 7 und damit in den Resonatorraum der
Wellenleiterstruktur 3 erfolgt. Der Außendurchmesser der koaxialen
Anordnung 9a ist kleiner als der der Anordnung 9b.
Damit wird mit entsprechender Befestigung der Innenleiter 8 an
die Koppelstelle 7 angepresst. Der Innenleiter 5 wird
hier, wie es in den nachfolgenden Figuren deutlicher zu erkennen
ist, ab dem Boden 6 zum teilweise offenen Außenleiter
der koaxialen Speiseleitung 8 bis zur Koppelstelle 7 geführt.
-
An
der Einkoppelstelle 7 ist ein Bauteil zur induktiven Kopplung
mit hier vier Stegen 10, 11, 12 und 13 angebracht,
das anhand von 2 bis 6 noch näher erläutert wird. Weiterhin ist zur
kapazitiven Einkopplung der Speiseenergie an der Einkoppelstelle 7 das
am Resonator 3 liegende Ende der Speiseleitung 8 und
das gegenüberliegende
Ende des Innenleiters 5 der Wellenleiterstruktur 3 mit
entsprechenden Stirnflächen
so ausgebildet, dass die jeweiligen sich zugewandten Stirnflächen mit
einem zwischenliegenden Dielektrikum 14, z.B. Keramik, eine
Kapazität
bilden.
-
Die
sogenannten induktiven Stege 10, 11, 12 und 13 nach
der 1 sind mit überlappenden
Erweiterungen 20 des Innenleiters 5 induktiv gekoppelt, was
anhand der folgenden Figuren näher
erkennbar ist. Aus der 2 ist
eine Anordnung mit einem einzigen Steg 21 ersichtlich,
der von einem mit der Speiseleitung 8 verbundenen Innenteil 22 zu
einem radförmigen
Außenteil 23 führt. Das
Außenteil 23 weist auch
noch Ausnehmungen für
eine Verdrehsicherung 24 auf, die aus der 1 entnehmbar ist und einen Kurzschluss
zwischen dem Steg 21 und der Erweiterung 20 durch
eine Verdrehung verhindern soll. Nach der Montage bewirkt der Steg 21 mit
der Erweiterung 20 des Innenleiters 5, der Außenwand 4 und dem
Boden 6 des Resonators 3 eine induktive Kopplung
zur Einspeisung der HF-Energie in den Resonator 3.
-
Aus
der 3 ist eine Abwandlung
mit zwei Stegen 31 und 32 zwischen überlappenden
Erweiterungen 30 und aus der 4 ist
eine Abwandlung mit drei Stegen 41, 42 und 43 zwischen überlappenden Erweiterungen 40 entnehmbar.
Die Anordnung nach der 5 entspricht
der Anordnung mit den Stegen 10, 11, 12 und 13 und
den Überlappungen 20 nach der 1. In der 6 ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel
mit fünf
Stegen 61, 62, 63, 64 und 65 sowie
mit Erweiterungen 60 dargestellt.
-
Diese
sogenannten Erweiterungen bilden den geschlitzten Innenleiter 5 des
Resonators 3 bis zum kalten Ende 6 und gleichzeitig
den geschlitzten Außenleiter
der koaxialen Speiseleitung 8 zwischen dem Resonatorboden 6 und
der Einkoppelstelle 7.
-
Eine
Montage anhand des dargestellten Ausführungsbeispiels kann in folgender
Reihenfolge durchgeführt
werden: Innenleiter 5, Außenleiter 4, Dielektrikum 14,
radförmi ges
Teil 23, koaxiale Speiseleitung 8, Dielektrikum 9b und
der Boden 6. Alternativ dazu kann auch die Reihenfolge
dahingehend geändert
werden, dass zunächst
die koaxiale Speiseleitung 8 und dann das radförmige Teil 23 montiert
wird, wobei die Lochdurchmesser am radförmigen Teil 23 dann
größer ausgeführt werden
müssen.
-
Alle
diese zuletzt genannten Ausführungsbeispiele
entsprechen im wesentlichen funktionell dem anhand der 1 erläuterten Ausführungsbeispiel.
Um das gewünschte
Einkoppelverhalten bei der zu übertragenden
Frequenz zu erhalten gibt es darüber
hinaus auch eine Reihe von hier nicht dargestellten Gestaltungsmöglichkeiten.
Beispielsweise können
im Einkoppelbereich der Außen-
und/oder Innendurchmesser des Resonators 3 sowie der Durchmesser
des Innenleiters 5 und der Durchmesser der Speiseleitung 8 entsprechend
angepasst werden.
-
Auch
kann die Durchbruchgeometrie an der Einkoppelstelle 7 entsprechend
gestaltet werden, die durch einen entsprechend geformten Resonatorboden
bzw. durch weitere Teile partiell wieder geschlossen werden kann.
Durch eine Zusatzlänge
im Resonatorboden kann die HF-Anpassung verändert werden, z.B. verändern 3
mm Leitung die Anpassung von beispielsweise 3,07 GHz auf 2,45 GHz.