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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mittels einer hochfrequenten Energiequelle nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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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.
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Beim Betrieb dieser herkömmlichen Zündkerze können Spannungen bis über dreißig Kilovolt auftreten, wobei durch den Verbrennungsprozess Rückstände, wie Ruß, Öl oder Kohle 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.
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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 es erfolgt eine Entladung an einer Elektrode.
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Der Ort des Zünden des Plasmas wird bei den zuvor beschriebenen Leitungsresonatoren durch den Punkt der höchsten Feldstärke bestimmt. In der nicht vorveröffentlichten
DE 102 39 412 ist beschrieben, dass durch konstruktive Maßnahmen erreicht werden kann, dass dieser Punkt in der Regel der oberste Punkt als absolute Spitze der Kerzenspitze ist. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, dass unter ungünstigsten Bedingungen, wie Verschmutzungen, Korrosion oder bei bestimmten Druck- und Medienzusammensetzung im Brennraum diese Bedingung eventuell nicht eingehalten werden kann.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mittels einer hochfrequenten elektrischen Energiequelle, mit einer koaxialen Wellenleiterstruktur, in die die hochfrequente elektrische Energie einkoppelbar ist und die mit einem Ende in den jeweiligen Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors hineinragt, wobei an diesem Ende durch ein hohes Spannungspotential ein Mikrowellenplasma erzeugbar ist. In vorteilhafter Weise ist gemäß der Erfindung das eine Ende der koaxialen Wellenleiterstruktur so ausgebildet, dass bei einem anstehenden Spannungspotential durch eine in den Brennraum hineinragende Feldstruktur ein freistehendes Plasma im Luft-Kraftstoff-Gemisch an dem aus der Wellenleiterstruktur einen vorgegebenen Betrag herausragenden Innenleiter der Wellenleiterstruktur erzeugbar ist und der Zündstift in weiten Bereichen, insbesondere an seinem im Inneren der Wellenleiterstruktur liegenden Ende mit einer dielektrischen Schicht versehen, wobei der äußerste Spitzenbereich des Zündstifts, der in den Brennraum hineinragt, von dieser Beschichtung ausgenommen ist.
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Mit der Erfindung ist in besonders vorteilhafter Weise verhindert, dass das Zünden eines energiereichen und somit entflammungsfähigen Plasmas am Flankenbereich des Zündstiftes erfolgt. Durch die dielektrische Beschichtung wird erreicht, dass ein energiereiches Plasma nur noch am obersten Punkt der Kerzenspitze bzw. des Zündstiftes auch unter ungünstigsten Bedingungen, wie Verschmutzung, Korrosion oder bei kritischen Druck- und Medienzusammensetzung im Brennraum entstehen kann.
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An dielektrisch beschichteten Oberflächen kann somit keine energiereiche Plasmaentladung stattfinden, z. B. kann die dielektrische Schicht eine relativ dünne Schicht aus Al2O3-Keramik sein. Das Plasma wird hier nur durch Elektronen gebildet, die Atomrümpfe (Atomkerne) werden am Austritt gehindert und sind nicht am Plasma beteiligt, so dass dann nur ein sogenanntes dielektrisch behindertes Plasma oder auch kaltes Plasma entstehen kann. Die in ein solches Plasma eingekoppelte Energie ist zu gering um ein Kraftstoff/Luftgemisch im Brennraum eines Verbrennungsmotors zu entflammen. Ein eventuelles Auftreten eines solchen Plasmas im Betrieb der HF-Zündkerze bleibt ohne negative Auswirkungen.
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Gemäß der Erfindung bleibt der oberste Punkt der Spitze des Zündstiftes unbeschichtet, so dass sich hier weiterhin ein energiereiches und auch heißes Plasma mit Elektronen und Atomrümpfen ausbilden kann. Die Energie dieses Plasmas ist zur Gemischentflammung ausreichend.
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Durch die erfindungsgemäße Beschichtung wird der Einsatz von hochleitfähigen, in der Regel aber nicht hochkorrosionsbeständigen Beschichtungswerkstoffen an der Kerzenspitze bzw. am Zündstift so erst möglich.
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Hinsichtlich der Bereiche der Beschichtung mit der dielektrischen Schicht sind eine Vielzahl von Ausführungsformen vorteilhaft. Nach einer ersten Ausführungsform ist bis auf den Spitzenbereich, der gesamte Zündstift mit der dielektrischen Schicht versehen. Es ist gemäß einer zweiten Ausführungsform auch möglich, dass der Zündstift nur in linear verlaufenden Teilbereichen, insbesondere im Bereich einer Abdichtung der Wellenleiterstruktur zum Brennraum mit der dielektrischen Schicht versehen ist.
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Weiterhin ist es auch vorteilhaft, wenn bei einer Ausführungsform, bei der das eine dem Brennraum zugewandte Ende der koaxialen Wellenleiterstruktur mit einer Abdichtung zwischen dem Zündstift und dem Außenleiter oder dem Gehäuse der Vorrichtung versehen ist und eine Dichtscheibe aus dielektrischem Material an der Wellenleiterstruktur anliegt, dass der Zündstift bis zur Anlage an die Dichtung und fortlaufend mindestens die dem Brennraum zugewandte Seite der Dichtung mit der dielektrischen Schicht versehen ist.
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Gemäß einer vierten Ausführungsform ist auch denkbar, dass die dielektrische Schicht fortlaufend von der dem Brennraum zugewandten Seite der Dichtung über weitere, mindestens die dem Brennraum zugewandte Bereiche des Außenleiters der Wellenleiterstruktur geführt ist.
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Bei einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Beschichtung ist in vorteilhafter Weise zwischen der dielektrischen Schicht und den darunterliegenden Bereichen eine elektrisch gut leitende Schicht, z. B. Gold, angebracht. Durch die bei einer solchen Zusatzbeschichtung verringerten ohmschen Verluste steigt die Güte des Leitungsresonators insgesamt an und der Leistungsbedarf der HF-Zündkerze wird gesenkt.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 eine prinzipielle Ansicht einer Vorrichtung zum hochfrequenten Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mit einer koaxialen Wellenleiterstruktur als Resonator und
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2 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des in den Brennraum des Verbrennungsmotors hineinragenden Zündstiftes des Leitungsresonators und einer großflächigen Beschichtung mit einer dielektrischen Schicht,
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3 eine Alternative bei der die dielektrischen Schicht in linear verlaufenden Teilbereichen, insbesondere im Bereich einer Abdichtung der Wellenleiterstruktur zum Brennraum angebracht ist,
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4 ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Zündstift bis zur Anlage an eine Dichtung und fortlaufend mindestens die dem Brennraum zugewandte Seite der Dichtung mit der dielektrischen Schicht versehen ist,
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5 ein viertes Ausführungsbeispiel mit einer dielektrischen Schicht, die fortlaufend von der dem Brennraum zugewandten Seite der Dichtung über weitere Bereiche des Außenleiters der Wellenleiterstruktur geführt ist und
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6 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem zwischen der dielektrischen Schicht und den darrunterliegenden Bereichen eine elektrisch gut leitende Schicht angebracht ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine Prinzipansicht einer an sich bekannten Vorrichtung zum hochfrequenten Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor gezeigt, die Bestandteile einer sogenannten Hochfrequenzzündkerze 1 aufweist. Es sind hier im einzelnen ein HF-Generator 2 und ein eventuell auch verzichtbarer Verstärker 3 vorhanden, die als Mikrowellenquelle die hochfrequenten Schwingungen erzeugen. Schematisch ist hier eine induktive Einkopplung 4 der hochfrequenten Schwingungen in eine als λeff/4-Resonator 5 aufgebaute koaxiale Wellenleiterstruktur als wesentlicher Bestandteil der Hochfrequenzzündkerze 1 gezeigt.
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Der koaxiale Leitungsresonator 5 besteht aus einem Außenleiter 6 und einem Innenleiter 7, wobei das eine sogenannte offene oder heiße Ende 8 des Resonators 5 mit einem gegenüber dem Außenleiter 6 isolierten Zündstift 12, die Zündung bewirkt. Für die hochfrequenten Schwingungen stellt das andere sogenannte kalte brennraumferne Ende 9 des Resonators 5 einen Kurzschluss dar. Das Dielektrikum 10 zwischen dem Außenleiter 6 und dem Innenleiter 7 besteht im wesentlichen aus Luft oder aus einem geeigneten nichtleitenden Material. Lediglich zur Abdichtung des offenen Endes 8 des Resonators 5 zum Brennraum ist eine Dichtung 11 vorhanden. Die Dichtung 11 besteht auch aus einem nichtleitendem Material, das den Temperaturen im Brennraum standhält, z. B. Keramik. Dabei bestimmen die dielektrischen Eigenschaften des Füllmaterials 10 bzw. der Abdichtung 11 mit die Abmessungen des Resonators 5.
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Bei dieser Hochfrequenzzündkerze 1 wird das Prinzip der Feldüberhöhung in einem koaxialen Resonator 5 der Länge (2n + 1)·λeff/4 mit n ≥ O genutzt. Das durch eine genügend starke Mikrowellenquelle als Generator 2 und eventuell dem Verstärker 3 erzeugte hochfrequente Signal wird durch die Einkopplung 4, z. B. induktiv, kapazitiv, aus beiden gemischt oder durch eine Aperturkopplung, in den Resonator 5 eingespeist. Durch die Ausbildung eines Spannungsknotens am Kurzschluss 9 und eines Spannungsbauchs am einen offenen Ende 8 ergibt sich hier am Zündstift 12 eine Feldüberhöhung, die zu dem in der Beschreibungseinleitung erwähnten freistehenden Plasma führt.
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Anhand der folgenden Figuren werden erfindungsgemäße Alternativen von möglichen Anbringungen einer dielektrischen Schicht an dem Zündstift 12 erläutert, der hier als separater Zündstift 12 ausgeführt ist. Nach 2 ist der Zündstift 12 im nahezu ganzen Bereich, insbesondere an seinem im Inneren der Wellenleiterstruktur liegenden Ende an der Dichtung 11 mit einer dielektrischen Schicht 13 versehen ist, wobei der äußerste Spitzenbereich 14 des Zündstifts 12, der in den Brennraum hineinragt, von dieser Beschichtung 13 ausgenommen ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel nach 3 ist der Zündstift 12 in linear verlaufenden Teilbereichen, insbesondere im Bereich der Abdichtung 11 der Wellenleiterstruktur zum Brennraum mit der dielektrischen Schicht 13 versehen.
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Aus 4 ist zu entnehmen, dass der Zündstift 12 bis zur Anlage an die Dichtung 11 und fortlaufend mindestens an der dem Brennraum zugewandte Seite der Dichtung 11 mit der dielektrischen Schicht 13 versehen ist. Ein weiteres Ausführungsbeispiel nach 5 zeigt, dass die dielektrische Schicht 13 auch fortlaufend von der dem Brennraum zugewandten Seite der Dichtung 11 über weitere, mindestens die dem Brennraum zugewandte Bereiche des Außenleiters 5 der Wellenleiterstruktur geführt ist.
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Nach einem anderen Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist zwischen der dielektrischen Schicht 13 und den darunterliegenden Bereichen eine elektrisch gut leitende Schicht 16 angebracht, die hier lediglich an dem dem Brennraum zugewandten Ende gegenüber der dielelektrischen Schicht 13 etwas zurückgesetzt ist und ansonsten den Zündstift 12 aber weitgehend umschließt.
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Die dielektrische Schicht 13 wird bei allen zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen nur als sehr dünne Schicht, z. B. aus Al2O3-Keramik, aufgebracht. Dadurch bleibt die Beeinflussung der elektrischen Feldlinien gering, jedoch bleibt die maximale Feldüberhöhung am äußersten Punkt des Zündstiftes 12 erhalten. Das Aufbringen der dielektrische Schicht 13 kann mit allen üblichen Methoden wie z. B. mit einer Plasmabeschichtung erfolgen. Bei der Version nach der 3 ist auch das Aufbringen als dünnes Röhrchen möglich.
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Das Aufbringen der zusätzlichen gut leitfähigen Schicht 16 auf den Zündstift 12 nach der 6 ist grundsätzlich bei allen Ausführungsbeispielen möglich. Als Material für diese Schicht 16 kommen alle geeigneten Metalle mit besserer Leitfähigkeit als das Material des Zündstiftes 12 in Frage, z. B. Gold. Die Aufbringung kann mit allen üblichen Methoden, z. B. chemisch, elektrolytisch oder Aufwalzen etc., erfolgen.
