DE10243272B4

DE10243272B4 - Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10243272B4
Application number: DE10243272A
Authority: DE
Inventors: Hans Oliver Ruoss
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-09-18
Filing date: 2002-09-18
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2022-09-19
Also published as: DE10243272A1

Abstract

Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor, mit
– einer koaxialen Wellenleiterstruktur (7, 8), in die eine hochfrequente elektrische Energie einkoppelbar ist und bei der an einem Ende ein Zündstift (5) in den jeweiligen Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors hineinragt, wobei an diesem Ende durch ein hohes Spannungspotential ein Mikrowellenplasma erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
– die Vorrichtung (1) eine axiale Innenelektrode (2) aufweist, die einerseits durch galvanische Kopplung mit einer gleich- oder niederfrequenten Spannung (3) beaufschlagbar ist und die andererseits im Bereich ihrer dem Brennraum zugewandten Spitze (5) kapazitiv mit der koaxialen Wellenleiterstruktur (7, 8) hochfrequent gekoppelt ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mit mindestens 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 gleich- oder niederfrequenten 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.
Es ist darüber hinaus 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 oder am Innenleiter freistehend bildet sich mit dem Spannungsüberschlag ein zündfähiges Plasma heraus.
Eine solche Hochfrequenzzündung ist auch in dem Aufsatz „SAE-Paper 970071, Investigation of a Radio Frequency Plasma Ignitor for Possible Internal Combustion Engine Use" beschrieben. Auch bei dieser Hochfrequenz- bzw. Mikrowellenzündung wird ohne eine übliche Zündspule eine Hochspannung mittels einer niederohmigen Einspeisung am sogenannten heißen Ende einer λ/4-Leitung eines HF-Leitungsresonators erzeugt.
Weiterhin wird in der US 5,983,871 A und in der US 4,499,872 A der Vorschlag gemacht, das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder sowohl mit Hilfe einer normalen Zündkerze als auch mit Hilfe eines durch eine weitere Vorrichtung erzeugten Mikrowellenplasmas zu entzünden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die ein Kraftstoff-Luft-Gemisch sowohl durch einen normalen Zündfunken als auch mittels eines Mikrowellenplasmas entzünden kann
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mit einer koaxialen Wellenleiterstruktur, in die eine hochfrequente elektrische Energie einkoppelbar ist und bei der in den jeweiligen Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors ein Zündstift hineinragt, wobei an diesem Ende durch ein hohes Spannungspotential ein Plasma erzeugbar ist. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine axiale Innenelektrode auf, die einerseits durch galvanische Kopplung mit einer gleich- oder niederfrequenten Spannung beaufschlagbar ist und die andererseits im Bereich ihrer dem Brennraum zugewandten Spitze kapazitiv mit der koaxialen Wellenleiterstruktur hochfrequent gekoppelt ist.
In vorteilhafter Weise ermöglicht die Erfindung die Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Kraftfahrzeugmotor durch Anwendung einer sogenannten Hybrid-Zündung. Dies ist durch Verwendung einer klassischen Zündkerze oder einer eingangs erwähnten HF-Zündkerze allein nicht möglich. Die reine HF-Zündkerze weist am Ende der Wellenleitehrstruktur bzw. des Resonators einen Kurzschluss auf, der beim Anlegen der hochfrequenten Spannung und der Wahl der geeigneten Resonatorlänge in einen Leerlauf transformiert wird, wobei niederfrequente Spannungen oder gar Gleichspannung in jedem Fall aber kurzgeschlossen werden. Erfindungsgemäß wird somit mit der Hybrid-Zündkerze durch ein Ineinanderschachteln zweier Kerzen die Möglichkeit geschaffen eine Gleich- oder Niederfrequenzspannung der Hochfrequenzspannung zu überlagern oder auch zeitversetzt zu dieser einzukoppeln.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die koaxiale Wellenleiterstruktur der HF-Zündkerze so ausgebildet, dass ein zylindrischer Innenleiter über ein Dielektrikum die Innenelektrode in weiten Bereichen umschließt und ein Außenleiter ebenfalls über ein Dielektrikum am Gehäuse der Vorrichtung anliegt. Der Innen- und der Außenleiter am brennraumfernen Ende sind dabei über eine leitende Schicht kurzgeschlossen und an dem Brennraum zugewandten Ende liegt der Innenleiter über eine Kapazität, eventuell auch über eine Keramikscheibe, an der Innenelektrode an.
Am brennraumfernen Ende wird auf einfache und in an sich bekannter Weise die hochfrequente Energie kapazitiv, induktiv, gemischt oder durch eine Aperturkopplung eingekoppelt. Die koaxiale Wellenleiterstruktur ist dabei insgesamt so ausgebildet, dass sich für eine vorgegebene effektive Wellenlänge λ_eff der eingekoppelten hochfrequenten Schwingung ein Leitungsresonator in etwa nach der Beziehung (2n+1)*λ_eff/4 mit n ≥ 0 ergibt . Für den gleich- oder niederfrequenten Teil der erfindungsgemäßen Hybrid-Zündkerze ist am brennraumfernen Ende die gleich- oder niederfrequente Energie galvanisch zwischen der Innenelektrode und dem leitenden Gehäuse der Vorrichtung einkoppelbar.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass für den zuvor beschriebenen HF-Resonator beim brennraumnahen und somit kurzschlussfernen Ende eine Unterbrechung des Innenleiters, d.h. keine galvanische Verbindung mit der Zündspitze, vorgesehen wird. Der HF-Kontakt wird durch die kapazitive Kopplung erreicht, die durch eine konstruktive Ausgestaltung des Übergangs zwischen dem Innenleiter und der Spitze der Innenelektrode optimiert werden kann. Die Innenelektrode für die Gleich- oder Niederfrequenzspannung wird somit in den Innenleiter des HF-Resonators integriert. Dies ist insbesondere dadurch möglich, da für Frequenzen oberhalb von einigen hundert MHz der Strom aufgrund des Skineffekts nur in einer dünnen Schicht von einigen μm oberflächennah fließt.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der einzigen Figur der Zeichnung erläutert, die eine prinzipielle Ansicht einer Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mit einer koaxialen Wellenleiterstruktur als Resonator und einer hybrid ankoppelbaren Innenelektrode zeigt.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der einzigen Figur ist eine Prinzipansicht einer Vorrichtung 1 zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor gezeigt, die Bestandteile einer sogenannten Hochfrequenzzündkerze und einer gleich- oder niederfrequent ansteuerbaren Zündkerze aufweist.
Die Vorrichtung 1 weist eine axiale Innenelektrode 2 auf, die mit einer gleich- oder niederfrequenten Spannung 3 beaufschlagbar ist, deren anderer Pol am leitenden Gehäuse 4 der Vorrichtung 1 anliegt. Im Bereich der dem Brennraum zugewandten Spitze 5 der Innenelektrode 2 ist diese in einem Bereich 6 kapazitiv mit einer koaxialen Wellenleiterstruktur hochfrequent gekoppelt, die aus einem Innenleiter 7 und einem Außenleiter 8 besteht. Hierbei liegt der zylindrische Innenleiter 7 über ein Dielektrikum 9, z.B. aus Keramik, um die Innenelektrode 2 herum und der Außenleiter 8 liegt ebenfalls über ein Dielektrikum 10 am Gehäuse 4 der Vorrichtung an, so dass die Innenelektrode 2 für die Gleich- oder Niederfrequenzspannung in den Innenleiter 7 des HF-Resonators integriert ist.
Der Innen- und der Außenleiter 7, 8 des HF-Resonators sind am brennraumfernen Ende der Vorrichtung 1 dabei über eine leitende Schicht 11 kurzgeschlossen. Außerdem wird am brennraumfernen Ende in an sich bekannte Weise an einer Einkoppelstelle 12 die hochfrequente Energie 13 kapazitiv, induktiv, gemischt oder durch eine Aperturkopplung eingekoppelt.
Aus der Figur ist zu entnehmen, dass für den HF-Resonator am brennraumnahen Ende eine Unterbrechung des Innenleiters, d.h. keine galvanische Verbindung mit der Zündspitze, vorgesehen wird und der HF-Kontakt durch die kapazitive Kopplung erreicht wird, die durch eine konstruktive Ausgestaltung des Übergangs im Bereich 6 zwischen dem In nenleiter 7 und der Spitze 5 der Innenelektrode 2 optimiert werden kann.
Durch eine optimale Formung dieser Spitze 5, z.B. mit einem geeigneten Querschnitt, sowie des Außenleiters 8 des HF-Resonators kann das Maximum der hochfrequenten elektrischen Feldstärke an der Spitze 5 am offenen Ende des HF-Resonators erzielt werden. Zudem kann durch geeignete konstruktive Maßnahmen die Leistung, die zum Erzeugen einer bestimmten Feldstärke notwendig ist, minimiert werden. An der Spitze 5 der Zündvorrichtung 1 kann somit durch die vorgeschlagene Konstruktion eine Gleich- oder niederfrequente Spannung zeitversetzt erzeugt oder gleichzeitig der hochfrequenten Energie überlagert werden.

Claims

Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor, mit – einer koaxialen Wellenleiterstruktur (7, 8), in die eine hochfrequente elektrische Energie einkoppelbar ist und bei der an einem Ende ein Zündstift (5) in den jeweiligen Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors hineinragt, wobei an diesem Ende durch ein hohes Spannungspotential ein Mikrowellenplasma erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Vorrichtung (1) eine axiale Innenelektrode (2) aufweist, die einerseits durch galvanische Kopplung mit einer gleich- oder niederfrequenten Spannung (3) beaufschlagbar ist und die andererseits im Bereich ihrer dem Brennraum zugewandten Spitze (5) kapazitiv mit der koaxialen Wellenleiterstruktur (7, 8) hochfrequent gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die koaxialen Wellenleiterstruktur (7, 8) so ausgebildet ist, dass ein zylindrischer Innenleiter (7) über ein Dielektrikum (9) die Innenelektrode (2) in weiten Bereichen umschließt und ein Außenleiter (8) ebenfalls über ein Dielektrikum (10) am Gehäuse (4) der Vorrichtung (1) anliegt und dass der Innen- und der Außenleiter (7, 8) am brennraumfernen Ende über eine leitende Schicht (11) kurzgeschlossen sind und dass an dem Brennraum zugewandten Ende der Innenleiter (7) über eine Kapazität (6) an die Innenelektrode (2) ankoppelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – am brennraumfernen Ende die hochfrequente Energie kapazitiv, induktiv, gemischt oder durch eine Aperturkopplung einkoppelbar (12) ist und dass – die koaxialen Wellenleiterstruktur (7 ,8) insgesamt so ausgebildet ist, dass sich für eine vorgegebene effektive Wellenlänge (λ_eff) der eingekoppelten hochfrequenten Schwingung ein Leitungsresonator in etwa nach der Beziehung (2n+1)*λ_eff/4 mit n ≥ 0 ergibt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – im Bereich (6) der kapazitiven Kopplung des Innenleiters der Welleneileiterstruktur (7, 8) und der Innenelektrode (2) eine Keramikscheibe angebracht ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – am brennraumfernen Ende die gleich- oder niederfrequente Energie (3) galvanisch zwischen der Innenelektrode (2) und dem leitenden Gehäuse (4) der Vorrichtung (1) einkoppelbar ist.