DE112011103445B4

DE112011103445B4 - Ignition system with optional air spark ignition and partial discharge ignition depending on the engine load

Info

Publication number: DE112011103445B4
Application number: DE112011103445.8T
Authority: DE
Inventors: Franz Zellinger; Josef Holzmann; Martin Schenk
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2024-03-28
Anticipated expiration: 2031-06-23
Also published as: WO2012048762A1; WO2012048763A1; DE112011103436B4; DE112011103436A5; DE112011103445A5; DE102010042318A1

Abstract

Zündanlage für einen bei unterschiedlichen Motorlasten betreibbaren Verbrennungsmotor, umfassend- Mittel (3) zum Erzeugen einer Zündspannung für eine Zündkerze (7a) und- eine Zündkerze (7a), wobei die Zündanlage derart eingerichtet ist, dass- Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor in einem ersten Motorlastbereich (14) mit im Vergleich zu einem zweiten Motorlastbereich (13) niedrigerer Motorlast durch einen von der Zündkerze (7a) erzeugten niederohmigen Luftfunken zwischen einer ersten Elektrode (21) und einer zweiten Elektrode (20) der Zündkerze gezündet wird, und- Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor in dem zweiten Motorlastbereich (13) mit im Vergleich zu dem ersten Motorlastbereich (14) höherer Motorlast durch einen von der Zündkerze (7a) erzeugten Teilentladungsfunken (50) und nicht über einen niederohmigen Luftfunken gezündet wird.Ignition system for an internal combustion engine that can be operated at different engine loads, comprising - means (3) for generating an ignition voltage for a spark plug (7a) and - a spark plug (7a), the ignition system being set up in such a way that - fuel-air mixture in the internal combustion engine in a first engine load range (14) with a lower engine load compared to a second engine load range (13) is ignited by a low-resistance air spark generated by the spark plug (7a) between a first electrode (21) and a second electrode (20) of the spark plug, and - Fuel-air mixture in the internal combustion engine in the second engine load range (13) with a higher engine load compared to the first engine load range (14) is ignited by a partial discharge spark (50) generated by the spark plug (7a) and not via a low-resistance air spark.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündanlage für einen Verbrennungsmotor, welche Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung und mindestens eine Zündkerze umfasst. Ferner betrifft die Erfindung eine Zündkerze für eine solche Zündanlage.The invention relates to an ignition system for an internal combustion engine, which comprises means for generating an ignition voltage and at least one spark plug. The invention further relates to a spark plug for such an ignition system.

Bei einer gewöhnlichen Zündanlage mit Zündspule und Zündkerze wird die von der Batterie gelieferte elektrische Energie in der Zündspule gespeichert. Wenn der Stromfluss im Primärkreis der Zündspule unterbrochen wird (beispielsweise durch einen Schalttransistor), entsteht sekundärseitig eine so große Spannung, dass die Luftverbindung zwischen den beiden Elektroden der Zündkerze niederohmig wird (es bildet sich ein Plasma zwischen den Elektroden, das diese leitend verbindet) und ein heißer Luftfunke auf dem direkten Weg zwischen beiden Elektroden entsteht, der das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet, das sich zwischen den Elektroden befindet.In a standard ignition system with an ignition coil and spark plug, the electrical energy supplied by the battery is stored in the ignition coil. If the current flow in the primary circuit of the ignition coil is interrupted (for example by a switching transistor), such a large voltage arises on the secondary side that the air connection between the two electrodes of the spark plug becomes low-resistance (a plasma forms between the electrodes, which conductively connects them) and a hot air spark is created in the direct path between both electrodes, which ignites the fuel-air mixture located between the electrodes.

Nachteilig an dem konventionellen Luftfunkenkonzept der Zündkerze ist, dass der Zündspannungsbedarf mit zunehmendem Motordruck und damit mit zunehmender Motorlast steigt. Nach dem sogenannten Paschen-Gesetz nimmt die benötigte Durchschlagspannung (d. h. der Zündspannungsbedarf) näherungsweise linear mit zunehmendem Produkt p_ZZP·EA aus Druck p_ZZP zum Zündzeitpunkt und Elektrodenabstand EA zu. Daraus ergibt sich, dass bei hohen Motordrücken, insbesondere bei hochaufgeladenen Brennverfahren, ein ausreichend hohes Zündspannungsangebot von der Zündspule bereitgestellt werden muss (z. B. 40 bis 50 kV). Die Bereitstellung eines hohen Zündspannungsangebots ist mit einer Vielzahl von Nachteilen verbunden. So ergeben sich hierdurch erhöhte Kosten, ein vergrößerter Bauraum durch größere Spulen und Kerzen, Isolationsprobleme, ein erhöhter Verschleiß und damit verringerte Wechselintervalle und die Zunahme von Gleitfunken, die die Zündkerzen-Keramik schädigen und Zündaussetzer verursachen können.The disadvantage of the conventional air spark concept of the spark plug is that the ignition voltage requirement increases with increasing engine pressure and thus with increasing engine load. According to the so-called Paschen law, the required breakdown voltage (ie the ignition voltage requirement) increases approximately linearly with increasing product p _ZZP ·EA from pressure p _ZZP at the ignition time and electrode distance EA. This means that at high engine pressures, especially with highly charged combustion processes, a sufficiently high ignition voltage must be provided by the ignition coil (e.g. 40 to 50 kV). Providing a high ignition voltage range is associated with a number of disadvantages. This results in increased costs, increased installation space due to larger coils and candles, insulation problems, increased wear and thus reduced replacement intervals and the increase in sliding sparks, which can damage the spark plug ceramic and cause misfires.

Das benötigte Zündspannungsangebot ist laut dem Paschen-Gesetz umso kleiner, je kleiner der Abstand der Elektroden ist. Ein kleiner Abstand der Elektroden ist aber insbesondere bei geringer Motorlast hinderlich, da die Gemischzugänglichkeit geringer ist und durch den kleineren Funken die Entflammung erschwert wird. Daraus ergibt sich ein prinzipieller Zielkonflikt zwischen Teillast, bei welcher ein großer Elektrodenabstand (z. B. EA = 1.1 mm) von Vorteil ist, und Volllast, bei welcher ein geringer Elektrodenabstand (z. B. EA = 0,7 mm) zur Reduktion des Zündspannungsbedarfs führt.According to Paschen's law, the smaller the distance between the electrodes, the smaller the required ignition voltage supply. However, a small distance between the electrodes is a hindrance, especially at low engine loads, as the mixture is less accessible and the smaller spark makes ignition more difficult. This results in a fundamental conflict of objectives between partial load, in which a large electrode gap (e.g. EA = 1.1 mm) is advantageous, and full load, in which a small electrode gap (e.g. EA = 0.7 mm) leads to reduction the ignition voltage requirement.

Aus der DE 10 2008 061 769 A1 ist bekannt eine Verbrennungskraftmaschine, die bei bestimmten Betriebsbedingungen in einem Kompressionszündverbrennungsmodus betreibbar ist, bei dem das im Brennraum vorliegende Verbrennungsgemisch während des Prozessablaufes Selbstzündungsbedingungen erreicht und sich selbst entzündet. Die Brennkraftmaschine umfasst eine Triggereinheit zum Auslösen der Selbstentzündung während des Kompressionszündverbrennungsmodus vor Erreichen der Selbstzündungsbedingungen. Die Triggereinheit ist als Corona-Zündsystem ausgebildet und als Triggereinheit zum Auslösen der Selbstentzündung während des Kompressionszündverbrennungsmodus durch Erzeugen eines nicht-thermischen Plasmas betreibbar.From the DE 10 2008 061 769 A1 An internal combustion engine is known which can be operated in a compression ignition combustion mode under certain operating conditions, in which the combustion mixture present in the combustion chamber reaches self-ignition conditions during the process and self-ignites. The internal combustion engine includes a trigger unit for triggering self-ignition during the compression ignition combustion mode before the self-ignition conditions are reached. The trigger unit is designed as a corona ignition system and can be operated as a trigger unit for triggering self-ignition during the compression ignition combustion mode by generating a non-thermal plasma.

Die DE 10 2008 061 784 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraftmaschine, bei dem Kraftstoff direkt und/oder indirekt in mindestens einen Brennraum eines Zylinders eingespritzt wird und das im Brennraum vorliegende Verbrennungsgemisch mittels eines Zündsystems zu einem vorgegebenen Zündzeitpunkt gezündet wird. Das Zündsystem ist als Corona-Zündsystem zum Entzünden des Verbrennungsgemisches durch Erzeugen eines nicht-thermischen Plasmas ausgebildet. Zur Reduzierung von Rohemissionen bei bestimmten Betriebsbedingungen der Otto-Brennkraftmaschine innerhalb eines Arbeitszyklus zusätzlich zur betriebspunktabhängigen Zündung des Verbrennungsgemisches zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach der betriebspunktabhängigen Zündung wird eine zweite Zündung des Corona-Zündsystems eingeleitet oder die betriebspunktabhängige Zünddauer der betriebspunktabhängigen Zündung verlängert.The DE 10 2008 061 784 A1 refers to a method for operating a gasoline internal combustion engine, in which fuel is injected directly and/or indirectly into at least one combustion chamber of a cylinder and the combustion mixture present in the combustion chamber is ignited at a predetermined ignition point by means of an ignition system. The ignition system is designed as a corona ignition system for igniting the combustion mixture by generating a non-thermal plasma. To reduce raw emissions under certain operating conditions of the Otto internal combustion engine within a working cycle, in addition to the operating point-dependent ignition of the combustion mixture at a predetermined time after the operating point-dependent ignition, a second ignition of the corona ignition system is initiated or the operating point-dependent ignition duration of the operating point-dependent ignition is extended.

Die DE 10 2006 005 792 A1 zeigt eine Hochfrequenzzündanlage für Kraftfahrzeuge zur Erzeugung von Zündfunken innerhalb eines eines Kfz-Zylinders unter Nutzung eines monofrequenten oder schmalbandigen Hochfrequenzsignales im MHz- oder GHz-Bereich, dessen Frequenz über der Zeit verändert wird und das mittels eines Oszillators erzeugt wird, das mittels eines Leistungsverstärkers in der Leistung angehoben wird, mittels einer Leitung transportiert und mittels einer oder mehreren reinen Elektroden-Zündkerzen beliebiger Geometrie gezündet wird.The DE 10 2006 005 792 A1 shows a high-frequency ignition system for motor vehicles for generating ignition sparks within a motor vehicle cylinder using a monofrequency or narrow-band high-frequency signal in the MHz or GHz range, the frequency of which is changed over time and which is generated by means of an oscillator, which is generated by means of a power amplifier in The power is increased, transported by a line and ignited by one or more pure electrode spark plugs of any geometry.

Die DE 10 2008 061 242 A1 zeigt eine Brennkraftmaschine, die einen durch einen Kolben und einen Zylinderkopf begrenzten Brennraum und eine Zündeinrichtung zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Brennraum umfasst. Die Zündeinrichtung weist wenigstens eine Zündkerze und wenigstens eine Laserzündvorrichtung auf, sodass das Kraftstoff-Luft-Gemisch bei niedrigen mittleren effektiven Arbeitsdrücken durch die wenigstens eine Zündkerze und bei hohen mittleren effektiven Arbeitsdrücken durch die wenigstens eine Laserzündvorrichtung gezündet werden kann.The DE 10 2008 061 242 A1 shows an internal combustion engine that includes a combustion chamber delimited by a piston and a cylinder head and an ignition device for igniting a fuel-air mixture in the combustion chamber. The ignition device has at least one spark plug and at least one laser ignition device, so that the fuel-air mixture is ignited at low average effective working pressures by the at least one Spark plug and at high average effective working pressures through which at least one laser ignition device can be ignited.

Die AT 507 748 A1 zeigt eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, welche zur Zündung eines Treibstoff-/Luftgemischs im Brennraum der Brennkraftmaschine eine Koronaentladung bereitstellt, wobei die Zündeinrichtung zur Auslösung und Aufrechterhaltung der Koronaentladung für jeden Zündvorgang eine stets von Null verschiedene Grundspannung liefert.The AT 507 748 A1 shows an ignition device for an internal combustion engine, which provides a corona discharge for igniting a fuel/air mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine, the ignition device always providing a basic voltage that is different from zero for triggering and maintaining the corona discharge for each ignition process.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Zündanlage und ein entsprechendes Zündverfahren für eine Zündanlage anzugeben, wobei der Zündspannungsbedarf bei hohem Motordruck im Vergleich zum konventionellen Luftfunkenkonzept reduziert ist und insbesondere für einen geringeren Druck noch ein ausreichend großen Elektrodenabstand vorhanden ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Zündkerze für die Zündanlage anzugeben.It is the object of the invention to provide an ignition system and a corresponding ignition method for an ignition system, whereby the ignition voltage requirement is reduced at high engine pressure compared to the conventional air spark concept and, in particular, there is still a sufficiently large electrode gap for a lower pressure. It is also an object of the invention to provide a corresponding spark plug for the ignition system.

Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.The tasks are solved by the features of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are described in the subclaims.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Zündanlage für einen bei unterschiedlichen Motorlasten, d. h. unterschiedlichen Drücken und damit unterschiedlichen Drehmomenten, betreibbaren Verbrennungsmotor. Die Zündanlage umfasst Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung, beispielsweise eine Zündspule. Ferner ist eine Zündkerze vorgesehen.A first aspect of the invention relates to an ignition system for one at different engine loads, i.e. H. Different pressures and therefore different torques, operable internal combustion engine. The ignition system includes means for generating an ignition voltage, for example an ignition coil. A spark plug is also provided.

Die Zündanlage ist derart eingerichtet, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor in einem ersten Motorlastbereich mit im Vergleich zu einem zweiten Motorlastbereich niedrigerer Motorlast durch einen von der Zündkerze erzeugten Luftfunken zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode der Zündkerze gezündet wird. In dem zweiten Motorlastbereich mit (im Vergleich zu dem ersten Motorlastbereich höherer Motorlast) wird das Gemisch hingegen durch einen von der Zündkerze erzeugten Teilentladungsfunken gezündet. Die Zündung muss nicht über einen einzelnen Teilentladungsfunken erfolgen, sondern kann auch durch mehrere Teilentladungsfunken erfolgen.The ignition system is set up in such a way that the fuel-air mixture in the internal combustion engine is ignited in a first engine load range with a lower engine load compared to a second engine load range by an air spark generated by the spark plug between a first electrode and a second electrode of the spark plug. However, in the second engine load range with a higher engine load (compared to the first engine load range), the mixture is ignited by a partial discharge spark generated by the spark plug. Ignition does not have to occur via a single partial discharge spark, but can also occur via several partial discharge sparks.

Da im (oberen) zweiten Motorlastbereich die Zündung über Teilentladungen stattfindet, ist die Zündspannung in diesem Motorlastbereich vom Betrag typischerweise unter der zum Funkendurchbruch zwischen den Elektroden notwendigen Spannung, wodurch der Zündspannungsbedarf bei Volllast reduziert werden kann.Since ignition takes place via partial discharges in the (upper) second engine load range, the amount of the ignition voltage in this engine load range is typically below the voltage required for spark breakdown between the electrodes, which means that the ignition voltage requirement at full load can be reduced.

Eine Teilentladung im Sinne der Anmeldung ist eine elektrische Entladung ohne vollständigen Funkendurchbruch. Es entsteht also im Unterschied zum Luftfunken kein vollständiger Plasmakanal, welcher zwei Elektroden niederohmig verbindet; es fließt im Wesentlichen kein Strom zwischen den Elektroden. Es fließt - wenn überhaupt - nur ein äußerst geringer Teil der Ladung, z. B. über „schnelle“ Elektronen, von der einen Elektrode zur anderen Elektrode ab. Beispiele für Teilentladungen sind KoronaEntladungen oder sogenannte dielektrisch-behinderte Entladungen an einem Dielektrikum (z. B. am Isolator der Zündkerze, bei z.B. denen ein Teil der Strecke durch einen Funkenkanal überbrückt ist, aber aufgrund der isolierenden Wirkung des Dielektrikums keine niederohmige Ankopplung auf Masse erfolgen und somit kein hoher Strom fließen kann). Solche Teilentladungen sind bei ausreichend hohem Druck zündfähig, ohne dass es hierzu eines vollständig niederohmig leitenden und damit heißen Luftfunkendurchschlages bedarf.A partial discharge within the meaning of the registration is an electrical discharge without a complete spark breakdown. In contrast to the air spark, there is no complete plasma channel that connects two electrodes with a low resistance; essentially no current flows between the electrodes. Only an extremely small part of the charge flows - if at all - e.g. B. via “fast” electrons from one electrode to the other electrode. Examples of partial discharges are corona discharges or so-called dielectric-impaired discharges on a dielectric (e.g. on the insulator of the spark plug, in which part of the path is bridged by a spark channel, but due to the insulating effect of the dielectric there is no low-resistance connection to ground and therefore no high current can flow). Such partial discharges can be ignited at sufficiently high pressure without the need for a completely low-resistance and therefore hot air spark breakdown.

Der Vorteil der Zündung über eine Teilentladung ist, dass bei hohem Druck und damit hoher Motorlast der Zündspannungsbedarf für eine Zündung über eine Teilentladung geringer ist als der Zündspannungsbedarf für eine Zündung über einen Luftfunken. Hierdurch reduzieren sich die Kosten für die Zündspule, die Zündkerze und weiterer Komponenten des Zündsystems (beispielsweise für den Zündverteiler). So ist beispielsweise bei getesteten konventionellen Zündkerzen bei hoher Motorlast ab ca. 31 kV ein Zünden über einen Teilentladungsfunken möglich, ohne dass es hierzu eines sehr geringen Elektrodenabstands bedarf. Bei geringer Motorlast kann die Zündung über einen gewöhnlichen Luftfunken erfolgen.The advantage of ignition via partial discharge is that at high pressure and therefore high engine load, the ignition voltage requirement for ignition via partial discharge is lower than the ignition voltage requirement for ignition via an air spark. This reduces the costs for the ignition coil, the spark plug and other components of the ignition system (for example the ignition distributor). For example, with tested conventional spark plugs, ignition via a partial discharge spark is possible at high engine loads from approx. 31 kV, without the need for a very small electrode gap. At low engine loads, ignition can occur via an ordinary air spark.

Die Motorlast abhängige Verwendung entweder einer Teilentladungs-Zündung oder eine Luftfunken-Zündung hat neben der Reduktion des benötigten Hochspannungsniveaus den Vorteil, dass ein größerer Elektrodenabstand für die Zündkerze verwendet werden kann; dies bringt Vorteile mit sich (insbesondere auch für den sogenannten Katheiz-Betrieb, also die motorische Temperierung des Abgasnachbehandlungsstranges). Darüber hinaus kann das Zündkerzenwechselintervall vergrößert werden, da mit Alterung der Zündkerze und damit typischerweise einhergehender Vergrößerung des Elektrodenabstands keine Gefahr von Zündaussetzern bei hoher Motorlast besteht (die bei über der Lebensdauer zunehmendem Elektrodenabstand bei konventioneller Luftfunken-Zündung ansonsten bestünde).The engine load-dependent use of either a partial discharge ignition or an air spark ignition has, in addition to reducing the required high voltage level, the advantage that a larger electrode gap can be used for the spark plug; This brings advantages (particularly for the so-called catheating operation, i.e. the engine temperature control of the exhaust gas aftertreatment system). In addition, the spark plug change interval can be increased, since as the spark plug ages and the electrode gap typically increases, there is no risk of misfiring at high engine loads (which would otherwise exist with conventional air spark ignition as the electrode gap increases over the service life).

Die Zündkerze kann auch mehr als zwei Elektroden zur Erzeugung von niederohmigen Luftfunken aufweisen, insbesondere mehrere Elektrodenpaare mit verschiedenen Elektrodenabständen.The spark plug can also have more than two electrodes for generating low-resistance air sparks, in particular several pairs of electrodes with different electrode spacings.

Bei der Zündkerze kann es sich um eine konventionelle Zündkerze handeln, da auch bei konventionellen Zündkerzen im Allgemeinen ab einer bestimmten Spannung Teilentladungen stattfinden (ungefähr für die von der Anmelderin getesteten Zündkerzen ab 31 kV). Statt einer konventionellen Zündkerze kann auch eine für die Teilentladungs-Zündung speziell angepasste Zündkerze verwendet werden.The spark plug can be a conventional spark plug, since partial discharges generally occur in conventional spark plugs above a certain voltage (approximately for the spark plugs tested by the applicant from 31 kV). Instead of a conventional spark plug, a spark plug specially adapted for partial discharge ignition can also be used.

Die Zündkerze sollte vorzugsweise die Eigenschaft haben, dass der Teilentladungsfunke nicht in der Tiefe des Atmungsraums der Zündkerze entsteht, da ein derartiger Funke möglicherweise die Entflammung des Gemisches nicht auslösen kann. Stattdessen sollte die Zündkerze die Eigenschaft haben, dass der Teilentladungsfunke weiter oben im Atmungsraum, d.h. in Brennraumnähe, oder gar schon im Brennraum selbst entsteht.The spark plug should preferably have the property that the partial discharge spark does not arise in the depth of the breathing space of the spark plug, since such a spark may not be able to trigger the ignition of the mixture. Instead, the spark plug should have the property that the partial discharge spark occurs higher up in the breathing space, i.e. near the combustion chamber, or even in the combustion chamber itself.

Außerdem sollte die Zündkerze vorzugsweise die Eigenschaft haben, dass Gleitfunken möglichst vermieden werden, da diese im Unterschied zu Teilentladungen mit einem großen Stromfluss verbunden sind und zu Keramikschäden führen können. Außerdem können sich bei Gleitfunken Zündaussetzern ergeben. Daher sollte die Zündkerze vorzugsweise die Eigenschaft haben, dass die Gleitfunkenwahrscheinlichkeit bei dem für die Teilentladung verwendeten Spannungswert gering ist. Vorzugsweise sollten für Motorlasten im ersten Motorlastbereich, im zweiten Motorlastbereich und einem etwaig dazwischen liegendem Motorlastbereich im Wesentlichen keine Gleitfunken an der Zündkerze auftreten.In addition, the spark plug should preferably have the property that sliding sparks are avoided as far as possible, since, in contrast to partial discharges, these are associated with a large current flow and can lead to ceramic damage. In addition, spark misfires can occur. Therefore, the spark plug should preferably have the property that the probability of sliding spark is low at the voltage value used for the partial discharge. Preferably, for engine loads in the first engine load range, in the second engine load range and any engine load range in between, essentially no sliding sparks should occur on the spark plug.

Bei Verwendung einer angepassten Zündkerze kann vorgesehen sein, dass die Zündkerze neben den beiden Elektroden für den Luftfunkendurchbruch eine zusätzliche Elektrode oder eine Elektroden zur Erzeugung einer Teilentladung aufweist.When using an adapted spark plug, it can be provided that, in addition to the two electrodes for the air spark breakdown, the spark plug has an additional electrode or an electrode for generating a partial discharge.

Vorzugsweise sieht die Zündanlage zum Erzeugen der Hochspannung eine Zündspule mit einer Primärwicklung (mit n₁ Windungen) und einer Sekundärwicklung (mit n₂ Windungen) vor. Das Steuergerät der Zündanlage steuert den Energieaufbau in der Zündspule so, dass im zweiten Motorlastbereich das Zündspannungsangebot (d. h. die bei der gegebenen Zündspulenenergie maximal mögliche Hochspannung für die Zündung) bei dem jeweiligen Druck vom Betrag her unter der zum Funkendurchbruch zwischen den Elektroden notwendigen Spannung liegt. Es muss also vom Steuergerät vorgesehen werden, dass die Spulenenergie für den zweiten Motorlastbereich nicht zu hoch gewählt wird, so dass ein normaler Funkendurchbruch stattfindet. Die Energie sollte also im zweiten Motorlastbereich so begrenzt sein, dass bei dem jeweiligen Motordruck die Hochspannung für eine normale Zündung durch einen niederohmigen Luftfunkendurchbruch nicht ausreicht.To generate the high voltage, the ignition system preferably provides an ignition coil with a primary winding (with n ₁ turns) and a secondary winding (with n ₂ turns). The control unit of the ignition system controls the energy build-up in the ignition coil so that in the second engine load range the ignition voltage available (ie the maximum possible high voltage for ignition given the given ignition coil energy) at the respective pressure is below the voltage required for spark breakdown between the electrodes. The control unit must therefore ensure that the coil energy for the second engine load range is not selected too high so that a normal spark breakdown occurs. The energy should therefore be limited in the second engine load range so that at the respective engine pressure the high voltage is not sufficient for normal ignition due to a low-resistance air spark breakdown.

Da für den ersten Motorlastbereich jedoch eine ausreichende Zündspulenenergie für eine bestimmte notwendige Luftfunkendauer vorhanden sein sollte, auf der anderen Seite im zweiten Motorlastbereich jedoch ein Luftfunkendurchbruch nicht stattfinden sollte, sollte das Steuergerät vorzugsweise die Energieaufladung der Spule vor der Zündung so steuern oder regeln, dass die in der Zündspule vor dem Abbau des Magnetfeld gespeicherte Zündenergie im zweiten Motorlastbereich kleiner als in einem darunter liegenden Motorlastbereich, insbesondere in dem ersten Motorlastbereich, ist. Mit anderen Worten: das Zündspannungsangebot sollte vorzugsweise im zweiten Motorlastbereich kleiner als in einem darunter liegenden Motorlastbereich, insbesondere in dem ersten Motorlastbereich, sein.However, since there should be sufficient ignition coil energy for a certain necessary air spark duration for the first engine load range, but on the other hand, in the second engine load range, an air spark breakdown should not occur, the control unit should preferably control or regulate the energy charging of the coil before ignition in such a way that Ignition energy stored in the ignition coil before the magnetic field is reduced is smaller in the second engine load range than in an underlying engine load range, in particular in the first engine load range. In other words: the ignition voltage available should preferably be smaller in the second engine load range than in an engine load range below, in particular in the first engine load range.

Dies kann durch verschiedene Maßnahmen oder eine Kombination dieser Maßnahmen gewährleistet werden:

Beispielsweise kann der Betrag des maximalen Primärstroms angepasst werden, welcher wiederum vom Ladewiderstand und der Ladespannung U_L abhängig ist. Der Primärruhestrom kann durch Änderung eines Ladewiderstands oder Änderung der Ladespannung verändert werden. So kann beispielsweise der Ladewiderstand im oberen Motorlastbereich größer als im ersten Motorlastbereich sein. Alternativ kann beispielsweise die Ladespannung im zweiten Motorlastbereich kleiner als im ersten Motorlastbereich sein.

This can be ensured by various measures or a combination of these measures:

For example, the amount of the maximum primary current can be adjusted, which in turn depends on the charging resistance and the charging voltage U _L. The primary quiescent current can be changed by changing a charging resistance or changing the charging voltage. For example, the charging resistance in the upper engine load range can be greater than in the first engine load range. Alternatively, for example, the charging voltage in the second engine load range can be smaller than in the first engine load range.

Außerdem ist es möglich, die Zündenergie durch Änderung der Ladezeit oder Schließzeit vom Schließen des Primärstromkreises bis zur Unterbrechung des Primärstromkreises zu verändern, wodurch der Betrag des Primärstroms im Zündzeitpunkt verändert werden kann. So kann beispielsweise im zweiten Motorlastbereich die Schließzeit geringer als im ersten Motorlastbereich gewählt werden.It is also possible to change the ignition energy by changing the charging time or closing time from the closing of the primary circuit to the interruption of the primary circuit, whereby the amount of the primary current at the ignition point can be changed. For example, in the second engine load range, the closing time can be selected to be shorter than in the first engine load range.

Außerdem kann auch eine Strombegrenzung vorgesehen sein, wobei in diesem Fall beispielsweise der Wert der Strombegrenzung in Abhängigkeit der Motorlast M_d verändert wird (nämlich im oberen Motorlastbereich vorzugsweise geringer als im unteren Motorlastbereich gewählt wird) oder die Strombegrenzung im oberen Motorlastbereich überhaupt erst aktiviert wird.In addition, a current limitation can also be provided, in which case, for example, the value of the current limitation is changed depending on the motor load M _d (namely in the upper motor load range it is preferably chosen to be lower than in the lower motor load range) or the current limitation is only activated in the upper motor load range.

Beispielsweise handelt es sich bei der Teilentladung um eine sogenannte dielektrisch behinderte Entladung, d.h. die Entladung zwischen einer Elektrode und Masse wird durch ein zwischen Elektrode und Masse befindliches Dielektrikum, d.h. durch einen Isolator, behindert. Ein dielektrisch behinderter Entladungskanal kann bei einer Zündkerze beispielsweise zwischen der Masseelektrode und der die Mittelelektrode umlaufenden Isolator-Keramik ab einer bestimmten Hochspannung entstehen und das Gemisch bei einem ausreichenden Zylinderdruck zünden. Es handelt sich vorzugsweise um eine Zündkerze, welche eine Mittelelektrode als erste Elektrode und einen die Mittelelektrode umschließenden Isolator umfasst. Der Teilentladungsfunke kann dann beispielsweise als dielektrisch behinderter Entladungskanal im den Isolator umgebenden Bereich entstehen.For example, the partial discharge is a so-called dielectrically impeded discharge, ie the discharge between an electrode and ground is caused by a dielectric located between the electrode and ground, ie through an insulator, hindered. In a spark plug, for example, a dielectrically obstructed discharge channel can arise between the ground electrode and the insulator ceramic surrounding the center electrode above a certain high voltage and can ignite the mixture at a sufficient cylinder pressure. It is preferably a spark plug which comprises a center electrode as the first electrode and an insulator surrounding the center electrode. The partial discharge spark can then arise, for example, as a dielectrically obstructed discharge channel in the area surrounding the insulator.

Alternativ kann aber auch ein Teilentladungsfunke an der Mittelelektrode entstehen, beispielsweise in der Nähe des oberen Endes der Keramik, insbesondere zwischen der Keramik und der Mittelelektrode. Ein Isolator ist zur Erzeugung des Teilentladungsfunkens nicht zwingend notwendig.Alternatively, a partial discharge spark can also occur at the center electrode, for example near the upper end of the ceramic, in particular between the ceramic and the center electrode. An insulator is not absolutely necessary to generate the partial discharge spark.

Bei der Zündkerze kann es sich beispielsweise um eine Zündkerze handeln, bei welcher eine Masseelektroden-Mittelelektroden-Anordnung mit einer zusätzlichen Elektrode für die gezielte Erzeugung eines dielektrisch behinderten Entladungsfunkens kombiniert wird. Der Luftspalt zwischen der Masseelektrode und der Mittelelektrode ist vorzugsweise relativ groß, beispielsweise EA ≥ 1 mm. Hierdurch wird eine gute Entflammung im ersten Motorlastbereich (beispielsweise Teillastbereich) ermöglicht. Im zweiten Motorlastbereich (beispielsweise Hochlast, Volllast und/oder Mittellast) zündet dann die Kerze nicht mehr über den klassischen Luftfunken, sondern über den dielektrisch behinderten Teilentladungsfunken.The spark plug can be, for example, a spark plug in which a ground electrode-center electrode arrangement is combined with an additional electrode for the targeted generation of a dielectrically hindered discharge spark. The air gap between the ground electrode and the center electrode is preferably relatively large, for example EA ≥ 1 mm. This enables good ignition in the first engine load range (for example partial load range). In the second engine load range (e.g. high load, full load and/or medium load), the candle no longer ignites via the classic air spark, but rather via the dielectrically hindered partial discharge spark.

Beispielsweise umfasst die Zündkerze neben der ersten Elektrode und der als Masseelektrode fungierenden zweiten Elektrode eine als Masseelektrode fungierende dritte Elektrode zur gezielten Erzeugung des dielektrisch behinderten Teilentladungsfunkens im Bereich zwischen dem Isolator und der dritten Elektrode, wobei die dritte Elektrode von der Außenfläche des Isolators durch einen Luftkanal beabstandet ist.For example, in addition to the first electrode and the second electrode functioning as a ground electrode, the spark plug includes a third electrode functioning as a ground electrode for the targeted generation of the dielectrically hindered partial discharge spark in the area between the insulator and the third electrode, the third electrode being separated from the outer surface of the insulator through an air duct is spaced apart.

Hierbei sollte vorzugsweise durch Formung der dritten (zusätzlichen) Elektrode und des Zündkerzen-Isolators und/oder durch die Wahl des Abstands zwischen der dritten Elektrode zum Zündkerzen-Isolator im zweiten Motorlastbereich ein elektrisches Feld dergestalt erzeugbar sein, dass ein ionisierter Luftkanal zwischen der Elektrode und dem Isolator auch bei hohen Druckwerten im Zündzeitpunkt entstehen kann (der ionisierte Kanal muss dabei aber nicht von der Elektrode zum Isolator reichen). Die Funkenstrecke der Teilentladung ist aufgrund der isolierenden Wirkung des Isolators nicht niederohmig; der so entstehende Teilentladungsfunke reicht aber im zweiten Motorlastbereich (beispielsweise im Mittel- und/oder Hochlastbereich) zur Auslösung der Entflammung typischerweise aus.Here, an electric field should preferably be able to be generated by shaping the third (additional) electrode and the spark plug insulator and/or by selecting the distance between the third electrode and the spark plug insulator in the second engine load range in such a way that an ionized air channel between the electrode and can occur in the insulator even at high pressure values at the time of ignition (but the ionized channel does not have to extend from the electrode to the insulator). The spark gap of the partial discharge is not low-resistance due to the insulating effect of the insulator; However, the resulting partial discharge spark is typically sufficient to trigger ignition in the second engine load range (for example in the medium and/or high load range).

Die dritte zusätzliche Elektrode kann eine auf den Isolator ausgerichtete Spitze oder eine der Isolatoroberfläche gegenüberliegende Fläche umfassen und/oder als ganz oder teilweise den Isolator umlaufender Ring ausgeführt sein.The third additional electrode can comprise a tip aligned with the insulator or a surface opposite the insulator surface and/or can be designed as a ring that completely or partially encircles the insulator.

Eine lokale Feldstärkenerhöhung aufgrund eines geringen Krümmungsradius, beispielsweise bei einer Spitze, begünstigt die Bildung einer dielektrisch behinderten Plasmaentladung.A local increase in field strength due to a small radius of curvature, for example at a tip, favors the formation of a dielectrically hindered plasma discharge.

Die dritte Elektrode schließt sich vorzugsweise an das Zündkerzengewinde an und kann insbesondere mit dem Zündkerzengewinde einstückig ausgebildet sein.The third electrode preferably adjoins the spark plug thread and can in particular be formed in one piece with the spark plug thread.

Die Geometrie der dritten Elektrode sollte generell so ausgelegt sein, dass der dielektrisch behinderte Entladungsfunke auch bei den höchsten auftretenden Zünd-Drücken des Motors entsteht. Hintergrund ist, dass bei steigender Teilchendichte und sonst gleichen Bedingungen in der Regel eine erhöhte Feldstärke zur Initiierung eines Plasmakanals oder Streamers in einem Gas erforderlich ist. Um diese bei höheren Zünddichten nicht durch unnötig hohe Spannungen erzeugen zu müssen, kann die Geometrie der Massenelektrode durch entsprechende Wahl der Krümmungsradien so ausgelegt sein, dass eine ausreichende inhomogene Feldüberhöhung lokal an der Elektrode die Überschreitung der für die Plasmaentstehung kritische Grenzfeldstärke sicherstellt.The geometry of the third electrode should generally be designed so that the dielectrically hindered discharge spark occurs even at the highest engine ignition pressures. The background is that with increasing particle density and other conditions being the same, an increased field strength is usually required to initiate a plasma channel or streamer in a gas. In order not to have to generate this with unnecessarily high voltages at higher ignition densities, the geometry of the mass electrode can be designed by appropriately selecting the radii of curvature in such a way that a sufficient inhomogeneous field increase locally at the electrode ensures that the critical field strength for plasma formation is exceeded.

Damit sich der Teilentladungsfunke auf Höhe der dritten Elektrode ausbildet und nicht tiefer am Zündkerzengewinde im Atmungsraum der Zündkerze, ist der Abstand zwischen der dritten Elektrode und dem Isolator vorzugsweise kleiner als der Abstand zwischen dem Zündkerzengewinde und dem Isolator. Außerdem sollte der Abstand zwischen der dritten Elektrode und der ersten Elektrode vorzugsweise kleiner sein als der Abstand zwischen dem Zündkerzengewinde und der ersten Elektrode.So that the partial discharge spark forms at the level of the third electrode and not lower on the spark plug thread in the breathing space of the spark plug, the distance between the third electrode and the insulator is preferably smaller than the distance between the spark plug thread and the insulator. In addition, the distance between the third electrode and the first electrode should preferably be smaller than the distance between the spark plug thread and the first electrode.

Vorzugsweise wird - beispielsweise wie bei der vorstehend beschriebenen Zündkerze - ein Teilentladungsfunke, insbesondere ein dielektrisch behinderter Entladungsfunke, in einer entflammungsgünstigen Position im Brennraum oder zumindest nahe dem Brennraum erzeugt und nicht in einer ungünstigen Position wie tief im Atmungsraum der Kerze.Preferably - for example as with the spark plug described above - a partial discharge spark, in particular a dielectrically hindered discharge spark, is generated in a position in the combustion chamber that is favorable for ignition or at least near the combustion chamber and not in an unfavorable position such as deep in the breathing space of the candle.

Durch die Verlagerung des Teilentladungsfunkens aus dem Atmungsraum heraus in den Brennraum kann die thermische Belastung der Zündkerze durch den Entflammungsvorgang reduziert werden. Weiterhin ist die Entflammung durch eine Teilentladung im Brennraum in der Regel wesentlich zuverlässiger als im Atmungsraum, da eine bessere Gemischzugänglichkeit bei gleichzeitig reduziertem Bauteilquenching gewährleistet ist.By relocating the partial discharge spark from the breathing chamber into the combustion chamber, the thermal load on the spark plug caused by the ignition process can be reduced become. Furthermore, ignition due to a partial discharge in the combustion chamber is generally much more reliable than in the breathing chamber, as better mixture accessibility is guaranteed while at the same time reduced component quenching.

Die Entstehung von Gleitfunken, die bei einer derartigen Elektrodenausführung zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode möglicherweise auftreten könnten und zu einem beschleunigten Verschleiß der Zündkerze führen könnten, lassen sich durch geeignete Maßnahmen, wie eine entsprechende Formung des Isolators verhindert, oder doch zumindest reduzieren. So ist es Vorteil, wenn der Isolator an dessen Außenseite mindestens eine Kriechstrombarriere, z. B. eine Wulst, zur Vermeidung von Gleitfunken zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode aufweist. Auch die gezielte Wahl der Polarität kann hier hilfreich sein.The formation of sliding sparks, which could possibly occur between the first electrode and the third electrode with such an electrode design and could lead to accelerated wear of the spark plug, can be prevented or at least reduced by suitable measures, such as appropriate shaping of the insulator. It is therefore advantageous if the insulator has at least one leakage current barrier on its outside, e.g. B. has a bead to avoid sliding sparks between the first electrode and the third electrode. The targeted choice of polarity can also be helpful here.

Bei einer Teilentladung fließt im Unterschied zum normalen Luftfunken nicht die Ladung von einer Elektrode zu der anderen Elektrode ab. Stattdessen kann es bei einer Teilentladung zu einer Rückspeisung der Zündspulenergie in die Zündendstufe kommen. Insbesondere kann die über der Zündendstufe anliegende Spannung so hoch werden, dass die Zündendstufe durchbricht. Hierdurch kann die Zündendstufe geschädigt werden oder in Ansteuerrichtung vor der Zündendstufe liegende Schaltungsteile negativ beeinträchtigt werden.In a partial discharge, unlike a normal air spark, the charge does not flow from one electrode to the other electrode. Instead, in the event of a partial discharge, the ignition coil energy can be fed back into the ignition output stage. In particular, the voltage across the ignition output stage can become so high that the ignition output stage breaks down. As a result, the ignition output stage can be damaged or circuit parts located in front of the ignition output stage in the control direction can be negatively affected.

Vorzugsweise ist die Zündanlage daher so eingerichtet, dass die bei einer Teilentladung über der Zündendstufe anliegende Spannung unter der Grenze zum Durchbruch der Stufe bleibt.The ignition system is therefore preferably set up in such a way that the voltage present across the ignition output stage in the event of a partial discharge remains below the limit for breakdown of the stage.

Dies kann dadurch realisiert werden, indem die Spulenenergie oder das Zündspannungsangebot der Zündspule verringert wird. Die Verringerung kann beispielsweise dann stattfinden, wenn eine Teilentladung über einen sogenannten Teilentladungs-Detektor detektiert wurde.This can be achieved by reducing the coil energy or the ignition voltage available to the ignition coil. The reduction can take place, for example, if a partial discharge was detected via a so-called partial discharge detector.

Alternativ zur Verringerung der von der Spule bereitgestellten Energie kann auch die Spannung dadurch begrenzt werden, indem ein niederohmiger Pfad von der Zündendstufe zur Masse gebildet wird und die Spannung sich daher nicht weiter aufbauen kann. Hierzu kann beispielsweise ein zusätzliches Schaltmittel vorgesehen sein, welches rechtzeitig geschlossen wird.As an alternative to reducing the energy provided by the coil, the voltage can also be limited by forming a low-resistance path from the ignition output stage to ground and therefore the voltage cannot build up any further. For this purpose, for example, an additional switching means can be provided, which is closed in a timely manner.

Zur Realisierung des Schutzes der Zündendstufe vor einem Durchbruch kann ein Teilentladungs-Detektor verwendet, dessen Ausgangssignal bei Anzeige einer Teilentladung entsprechende Maßnahmen initiiert. Die Teilentladungs-Detektion kann insbesondere anhand einer Auswertung eines Signals an einem Masseanschluss der Zündspule (z. B. des Signals an der sogenannten Klemme 1 einer Zündspule) erfolgen. Beispielsweise kann der Teilentladungs-Detektor prüfen, ob die Spannung an diesem Massenanschluss einen bestimmten Schwellwert überschreitet.To protect the ignition output stage from a breakdown, a partial discharge detector can be used, the output signal of which initiates appropriate measures when a partial discharge is indicated. The partial discharge detection can be carried out in particular by evaluating a signal at a ground connection of the ignition coil (e.g. the signal at the so-called terminal 1 of an ignition coil). For example, the partial discharge detector can check whether the voltage at this ground connection exceeds a certain threshold value.

Der Teilentladungs-Detektor kann alternativ oder zusätzlich zur Steuerung des Schutzes der Zündendstufe auch für andere Steuerungsaufgaben oder Regelungsaufgaben im Zusammenhang mit der Teilentladungszündung verwendet werden. Beispielsweise kann das Signal des Teilentladungs-Detektors dafür verwendet werden, das Zündspannungsangebot nach Detektion einer Teilentladung zu reduzieren oder generell anzupassen.As an alternative or in addition to controlling the protection of the ignition output stage, the partial discharge detector can also be used for other control tasks or regulation tasks in connection with partial discharge ignition. For example, the signal from the partial discharge detector can be used to reduce or generally adjust the ignition voltage supply after detection of a partial discharge.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist auf ein Zündverfahren für eine Zündanlage mit mindestens einer Zündkerze und Mitteln zum Erzeugen einer Zündspannung für die Zündkerze gerichtet. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor wird in einem ersten Motorlastbereich mit im Vergleich zu einem zweiten Motorlastbereich niedrigerer Motorlast durch einen von der Zündkerze erzeugten Luftfunken zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode der Zündkerze gezündet. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor wird in dem zweiten Motorlastbereich mit im Vergleich zu dem ersten Motorlastbereich höherer Motorlast durch einen von der Zündkerze erzeugten Teilentladungsfunken gezündet.A second aspect of the invention is directed to an ignition method for an ignition system with at least one spark plug and means for generating an ignition voltage for the spark plug. The fuel-air mixture in the internal combustion engine is ignited in a first engine load range with a lower engine load compared to a second engine load range by an air spark generated by the spark plug between a first electrode and a second electrode of the spark plug. The fuel-air mixture in the internal combustion engine is ignited in the second engine load range with a higher engine load compared to the first engine load range by a partial discharge spark generated by the spark plug.

Die vorstehenden Ausführungen zur erfindungsgemäßen Zündanlage und deren vorteilhafte Ausführungsformen nach dem ersten Aspekt der Erfindung gelten in entsprechender Weise auch für das erfindungsgemäße Zündverfahren nach dem zweiten Aspekt der Erfindung.The above statements regarding the ignition system according to the invention and its advantageous embodiments according to the first aspect of the invention also apply in a corresponding manner to the ignition method according to the invention according to the second aspect of the invention.

Ein dritter Aspekt der Erfindung ist auf eine Zündkerze gerichtet, die eine erste und eine zweite Elektrode zur Erzeugung eines Luftfunkens zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode umfasst. Außerdem ist eine dritte Elektrode oder eine Elektrodenspitze zur Erzeugung einer Teilentladung vorgesehen.A third aspect of the invention is directed to a spark plug including first and second electrodes for producing an air spark between the first electrode and the second electrode. In addition, a third electrode or an electrode tip is provided to generate a partial discharge.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die erste Elektrode als Mittelelektrode ausgeführt. Die zweite Elektrode fungiert dann als Masseelektrode. Ferner umfasst die Zündkerze einen die Mittelelektrode umlaufenden Isolator. Die dritte Elektrode fungiert als Masseelektrode, welche von der Außenfläche des Isolators durch einen Luftkanal beabstandet ist. Die dritte Elektrode dient zur gezielten Erzeugung eines dielektrisch behinderten Teilentladungsfunken im Bereich zwischen dem Isolator und der dritten Elektrode.According to an advantageous embodiment, the first electrode is designed as a center electrode. The second electrode then acts as a ground electrode. The spark plug also includes an insulator surrounding the center electrode. The third electrode functions as a ground electrode, which is spaced from the outer surface of the insulator by an air channel. The third electrode is used to specifically generate a dielectrically hindered partial discharge spark in the area between the insulator and the third electrode.

Von jeder der vorstehend genannten Elektroden können auch mehrere Elektroden vorhanden sein.Several electrodes of each of the above-mentioned electrodes can also be present.

Die vorstehenden Ausführungen zu vorteilhaften Zündkerzen, die vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zündanlage gemacht wurden, gelten in entsprechender Weise auch für die erfindungsgemäße Zündkerze nach dem dritten Aspekt der Erfindung.The above statements regarding advantageous spark plugs, which were made above in connection with the ignition system according to the invention, also apply in a corresponding manner to the spark plug according to the invention according to the third aspect of the invention.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. In diesen zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Zündanlage;
2 ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen Zündspannungsbedarf und Drehmoment bei einer konventionellen Luftfunkenzündung;
3 ein Foto eines Teilentladungsfunkens;
4 ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen Zündspannungsbedarf und Drehmoment bei einer Luftfunkenzündung im unteren Lastbereich und einer Teilentladungszündung im oberen Lastbereich;
5 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Zündkerze zur Erzeugung sowohl von Luftfunken als auch Teilentladungsfunken;
6 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Zündkerze zur Erzeugung sowohl von Luftfunken als auch Teilentladungsfunken;
7 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Zündkerze zur Erzeugung sowohl von Luftfunken als auch Teilentladungsfunken; und
8 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Zündanlage.

The invention is described below with the aid of several embodiments with the aid of the accompanying drawings. In these drawings:

1 a first embodiment of an ignition system according to the invention;
2 an example of the relationship between ignition voltage requirement and torque in a conventional air spark ignition;
3 a photo of a partial discharge spark;
4 an example of the relationship between ignition voltage requirement and torque for an air spark ignition in the lower load range and a partial discharge ignition in the upper load range;
5 a first embodiment of a spark plug for generating both air sparks and partial discharge sparks;
6 a second embodiment of a spark plug for generating both air sparks and partial discharge sparks;
7 a third embodiment of a spark plug for generating both air sparks and partial discharge sparks; and
8th a second embodiment of an ignition system according to the invention.

In 1 ist ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Zündanlage für einen Verbrennungsmotor, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, dargestellt. Die Zündanlage wird von einer Batterie 1, beispielsweise einer 12V-Batterie gespeist. Der Pluspol der Batterie 1 ist über einen Zündschalter 2 mit einer Zündspule verbunden. Die Zündspule 1 umfasst eine Primärwicklung 4 und eine Sekundärwicklung 5. Die Zündspule 3 dient der Erzeugung einer Zündhochspannung und ist mit einer Zündkerze 7a oder über einen Zündverteiler 6 mit mehreren Zündkerzen 7a-d verbunden. Die Zündspule 3 umfasst vier Klemmen: Klemme 15, Klemme 1, Klemme 4a und Klemme 4b (s. KI 15, KI 1, KI 4a, KI 4b in 1).In 1 an example of an ignition system according to the invention for an internal combustion engine, for example a motor vehicle, is shown. The ignition system is powered by a battery 1, for example a 12V battery. The positive pole of the battery 1 is connected to an ignition coil via an ignition switch 2. The ignition coil 1 includes a primary winding 4 and a secondary winding 5. The ignition coil 3 is used to generate a high ignition voltage and is connected to a spark plug 7a or via an ignition distributor 6 to several spark plugs 7a-d. The ignition coil 3 includes four terminals: terminal 15, terminal 1, terminal 4a and terminal 4b (see KI 15, KI 1, KI 4a, KI 4b in 1 ).

Zur Erzeugung der Zündhochspannung für die Zündkerze 7a schaltet ein Steuergerät 8 eine Zündungsendstufe 9 für eine bestimmte Schließzeit ein. Die Zündendstufe 9 entspricht einem elektronischer Schalter und umfasst typischerweise einen Transistor, beispielsweise einen IGBT (insulated-gate bipolar transistor). Die Zündendstufe 9 kann beispielsweise in dem Steuergerät 8 oder in der Zündspule 3 integriert sein. Während der Schließzeit ist der Primärstromkreis geschlossen und der Betrag des Primärstroms in der Primärwicklung 4 steigt gegen die Gegeninduktionsspannung auf einen bestimmten Stromwert an, wobei ein Magnetfeld in der Zündspule aufgebaut wird.To generate the high ignition voltage for the spark plug 7a, a control unit 8 switches on an ignition output stage 9 for a specific closing time. The ignition output stage 9 corresponds to an electronic switch and typically includes a transistor, for example an IGBT (insulated-gate bipolar transistor). The ignition output stage 9 can be integrated, for example, in the control unit 8 or in the ignition coil 3. During the closing time, the primary circuit is closed and the amount of primary current in the primary winding 4 increases against the mutual induction voltage to a certain current value, with a magnetic field being built up in the ignition coil.

Durch Aufbau des Magnetfelds wird in dem Magnetfeld Energie gespeichert, deren Höhe von der Größe des Primärstroms und der Induktivität der Primärwicklung 4 abhängt. Gesteuert über das Steuergerät 8 unterbricht die Zündendstufe 9 den Primärstromkreis, so dass der Stromfluss im Primärstromkreis unterbrochen wird. Das Magnetfeld bricht dabei zusammen, so dass in der Sekundärwicklung 5 ein großer Spannungswert induziert wird.By building up the magnetic field, energy is stored in the magnetic field, the level of which depends on the size of the primary current and the inductance of the primary winding 4. Controlled by the control unit 8, the ignition output stage 9 interrupts the primary circuit so that the flow of current in the primary circuit is interrupted. The magnetic field collapses so that a high voltage value is induced in the secondary winding 5.

Die maximal mögliche Spannung auf der Sekundärseite (d. h. das sogenannte Zündspannungsangebot) ist abhängig von der Größe des Magnetfelds und damit typischerweise abhängig von dem Primärstrom beim Öffnen des Primärkreises.The maximum possible voltage on the secondary side (i.e. the so-called ignition voltage supply) depends on the size of the magnetic field and therefore typically depends on the primary current when the primary circuit opens.

Für einen konventionellen Luftfunkendurchbruch zwischen den Elektroden 21 und 20 in der Zündkerze muss das Zündspannungsangebot vom Betrag her mindestens so groß wie der sogenannte Zündspannungsbedarf (d. h. die für den Durchbruch notwendige Spannung) sein. Der Zündspannungsbedarf hängt von dem Zylinderdruck zum Zündzeitpunkt und damit unter anderem von dem Drehmoment M_d, also der Motorlast, ab. Gemäß dem Gesetz von Paschen nimmt der Zündspannungsbedarf mit steigender Motorlast, d.h. steigendem Drehmoment zu. Außerdem nimmt gemäß dem Gesetz von Paschen der Zündspannungsbedarf mit abnehmendem Elektrodenabstand EA zwischen den Elektroden 21 und 20 ab. 2 zeigt drei beispielhafte Verläufe der Zündspannung über dem Drehmoment M_d für drei verschiedene Elektrodenabstände EA = 0,7 mm; 0,9 mm und 1,1 mm. Durch den hohen Zündspannungsbedarf (z. B. 40 kV oder mehr) bei sehr hoher Motorlast ergeben sich Isolationsprobleme in der Zündkerze, ein erhöhter Verschleiß der Zündkerze und die Gefahr von Gleitfunken.For a conventional air spark breakdown between the electrodes 21 and 20 in the spark plug, the amount of ignition voltage available must be at least as large as the so-called ignition voltage requirement (ie the voltage necessary for the breakdown). The ignition voltage requirement depends on the cylinder pressure at the time of ignition and thus, among other things, on the torque M _d , i.e. the engine load. According to Paschen's law, the ignition voltage requirement increases with increasing engine load, ie increasing torque. In addition, according to Paschen's law, the ignition voltage requirement decreases as the electrode gap EA between the electrodes 21 and 20 decreases. 2 shows three exemplary curves of the ignition voltage versus the torque M _d for three different electrode distances EA = 0.7 mm; 0.9mm and 1.1mm. The high ignition voltage requirement (e.g. 40 kV or more) at very high engine loads results in insulation problems in the spark plug, increased wear on the spark plug and the risk of sliding sparks.

Zur Reduzierung des Zündspannungsbedarfs für höhere Motorlasten wird vorgeschlagen, die Zündung für höhere Motorlastbereiche (beispielsweise ab Werte von 220-330 Nm) über einen Teilentladungsfunken statt über einen Luftfunkendurchbruch zu bewerkstelligen. Bei der Teilentladung entsteht im Unterschied zum Luftfunken kein niederohmiges Plasma. Zur Realisierung eines Teilentladungsfunkens kann eine für Teilentladungen vorgesehene zusätzliche Elektrode 22 in der Zündkerze 7a vorgesehen sein, die beispielsweise als Masseelektrode fungiert. Es kann aber auch eine Zündkerze ohne dediziert ausgeformte Zusatzelektrode 22 verwendet werden, da auch konventionelle Zündkerzen ab bestimmten Spannungswerten Teilentladungsfunken im Bereich um den Isolator erzeugen können.To reduce the ignition voltage requirement for higher engine loads, it is proposed to achieve the ignition for higher engine load ranges (for example from values of 220-330 Nm) via a partial discharge spark instead of an air spark breakdown. In contrast to an air spark, a partial discharge does not produce a low-resistance plasma. To realize a partial discharge spark, a partial discharge voltage can be used. An additional electrode 22 may be provided in the spark plug 7a, which functions as a ground electrode, for example. However, a spark plug without a dedicated additional electrode 22 may also be used, since even conventional spark plugs can generate partial discharge sparks in the area around the insulator above certain voltage values.

Das Foto in 3 zeigt eine konventionelle Zündkerze mit Sicht auf die Mittelektrode 21 (die Masseelektrode wurde für das Foto entfernt), wobei sich um den Isolator 23 der Zündkerze ein Teilentladungsfunke 50 gebildet hat.The photo in 3 shows a conventional spark plug with a view of the center electrode 21 (the ground electrode was removed for the photo), with a partial discharge spark 50 having formed around the insulator 23 of the spark plug.

4 zeigt drei beispielhafte Verläufe für den Zündspannungsbedarf über dem Motordrehmoment M_d für drei verschiedene Elektrodenabstände EA = 0,7 mm; 0,9 mm und 1,1 mm bei Verwendung von konventioneller Luftfunkenzündung im unteren Motorlastbereich und Teilentladungszündung im oberen Motorlastbereich. Bei der verwendeten Zündkerze handelt es sich um eine konventionelle Zündkerze ohne zusätzliche Elektrode für den T ei lentladungsfunken. 4 shows three exemplary curves for the ignition voltage requirement versus the engine torque M _d for three different electrode distances EA = 0.7 mm; 0.9 mm and 1.1 mm when using conventional air spark ignition in the lower engine load range and partial discharge ignition in the upper engine load range. The spark plug used is a conventional spark plug without an additional electrode for the partial discharge spark.

Teilentladungsfunken zur Zündung lassen sich bei dem in 4 zugrundeliegenden Versuch im Wesentlichen ab ca. 31 kV erzeugen, diese Zündspannung entspricht dem Zündspannungsbedarf bei einer Motorlast M_d,TE,1 (s. M_d,TE für EA = 0,9 mm in 3). Ab diesem Drehmoment M_d,TE,1 kann bereits eine Zündung über einen Teilentladungsfunken stattfinden. Das tatsächliche Drehmoment M_d, ab dem reine Teilentladungszündung ohne die Möglichkeit eines niederohmigen Luftfunkens stattfindet, hängt von dem gelieferten Zündspannungsangebot der Spule 3 ab. In dem in 3 dargestellten Beispiel ist das Zündspannungsangebot der Zündspule 3 auf ca. 33 kV begrenzt. Für Drehmomente größer M_d,TE,2, also im Motorlastbereich 13 reicht das begrenzte Zündspannungsangebot nicht aus, um einen niederohmigen Luftfunkendurchbruch zu erzeugen; die Zündung findet für Motorlasten größer M_d.TE,2 dann über Teilentladungsfunken statt. Das Zündspannungsangebot liegt im Motorlastbereich 13 für Motorlasten größer M_d,TE,2 also vom Betrag her unter der zum Funkendurchbruch zwischen den Elektroden 21 und 20 notwendigen Spannung (vgl. 2 mit 3).Partial discharge sparks for ignition can be achieved with the in 4 The underlying experiment essentially generates starting from approx. 31 kV, this ignition voltage corresponds to the ignition voltage requirement at an engine load M _d,TE,1 (see M _d,TE for EA = 0.9 mm in 3 ). From this torque M _d,TE,1 onwards, ignition can take place via a partial discharge spark. The actual torque M _d , from which pure partial discharge ignition takes place without the possibility of a low-resistance air spark, depends on the ignition voltage supplied by the coil 3. In the in 3 In the example shown, the ignition voltage available for the ignition coil 3 is limited to approximately 33 kV. For torques greater than M _d,TE,2 , i.e. in the engine load range 13, the limited ignition voltage supply is not sufficient to generate a low-resistance air spark breakdown; For engine loads greater than M _d.TE.2, ignition takes place via partial discharge sparks. The ignition voltage available in the engine load range 13 for engine loads greater than M _d,TE,2 is therefore below the voltage required for spark breakdown between the electrodes 21 and 20 (cf. 2 with 3 ).

In einem Zwischenbereich von M_d,TE,1 und M_d,TE,2 kann die Zündung entweder über Luftfunken oder Teilentladungsfunken stattfinden. Durch eine weitere Begrenzung des Zündspannungsangebots kann dieser Zwischenbereich verringert oder im Wesentlichen ganz aufgehoben werden, wenn das Zündspannungsangebot auf die für die Teilentladung notwendige Spannung (hier: ca. 31 kV) oder leicht darüber begrenzt wird. Im Motorlastbereich 14 unter der Motorlast M_d.TE.1 findet Luftfunkenzündung statt.In an intermediate range of M _d,TE,1 and M _d,TE,2, ignition can take place either via air sparks or partial discharge sparks. By further limiting the ignition voltage supply, this intermediate range can be reduced or essentially eliminated entirely if the ignition voltage supply is limited to the voltage necessary for the partial discharge (here: approx. 31 kV) or slightly above. Air spark ignition takes place in the engine load range 14 below the engine load M _d.TE.1 .

Bei der Zündstrategie sollten vorzugsweise Gleitfunken an der Zündkerze vermieden werden. Die Wahrscheinlichkeit für Gleitfunken hängt von dem Zündspannungsangebot und dem Kerzentyp ab. Bei ungünstigen Zündkerzentypen entstehen bereits bei Spannungswerten kleiner als die notwendige Spannung für Teilladungsfunken Gleitfunken (beispielsweise ab 25 kV). Vorzugsweise wird jedoch ein solcher Zündkerzentyp verwendet, bei dem die Gleitfunkenwahrscheinlichkeit bis zur maximal auftretenden Zündspannung (33 kV in 3) gering ist (z. B. 1 % oder geringer ist). Der Gleitfunkenbereich sollte also durch einen entsprechend nach oben ausgedehnten Luftfunkenbereich überdeckt sein; zwischen normaler Luftzündung und Teilentladungszündung sollte also kein Bereich mit Gleitfunkenzündung liegen.The ignition strategy should preferably avoid sliding sparks on the spark plug. The probability of gliding sparks depends on the ignition voltage available and the plug type. With unfavorable spark plug types, sliding sparks occur even at voltage values lower than the necessary voltage for partial charge sparks (for example from 25 kV). However, a type of spark plug is preferably used in which the probability of sliding sparks reaches the maximum ignition voltage (33 kV in 3 ) is low (e.g. 1% or less). The sliding spark area should therefore be covered by an air spark area that extends accordingly upwards; There should therefore be no area with sliding spark ignition between normal air ignition and partial discharge ignition.

Gleitfunken können durch ein entsprechend angepasstes Kerzendesign und die Verwendung einer geeigneten Polarität (z. B. positive Polarität, d.h. ein positives Potential an der Elektrode 21) verhindert werden. Von großer Bedeutung hierfür sind beispielsweise das Design zwischen Mittelelektrode und Keramik, die Kantenübergänge im Atmungsraum und die Oberflächenbeschaffenheit (Porosität) der Keramik.Sliding sparks can be prevented by an appropriately adapted spark plug design and the use of a suitable polarity (e.g. positive polarity, i.e. a positive potential at the electrode 21). Of great importance here are, for example, the design between the center electrode and the ceramic, the edge transitions in the breathing space and the surface quality (porosity) of the ceramic.

Wie vorstehend beschrieben, sollte das Zündspannungsangebot im Lastbereich der Teilentladungszündung so gewählt sein, dass es unter der jeweils für den Funkendurchbruch notwendigen Spannung liegt. Die Spulenenergie darf also nicht zu hoch gewählt werden. Umgekehrt muss aber für den Lastbereich mit Luftfunkenzündung das Zündspannungsangebot und die Energie groß genug gewählt werden, dass einerseits ein Funkendurchbruch entsteht und andererseits die Funkendauer für eine sichere Zündung ausreicht. Die in der Zündspule gespeicherte Energie (und damit das Zündspannungsangebot) wird daher von dem Steuergerät 8 tendenziell im oberen Motorlastbereich 13 größer als im unteren Motorlastbereich 14, insbesondere im oberen Teil des unteren Motorlastbereichs 14, eingestellt.As described above, the ignition voltage available in the load range of the partial discharge ignition should be selected so that it is below the voltage required for the spark breakdown. The coil energy must therefore not be chosen too high. Conversely, for the load range with air spark ignition, the ignition voltage and energy must be chosen to be large enough so that, on the one hand, a spark breakdown occurs and, on the other hand, the spark duration is sufficient for reliable ignition. The energy stored in the ignition coil (and thus the ignition voltage available) is therefore tended to be set by the control unit 8 to be greater in the upper engine load range 13 than in the lower engine load range 14, in particular in the upper part of the lower engine load range 14.

Dazu stellt das Steuergerät 8 die Spulenenergie und damit auch das Zündspannungsangebot in Abhängigkeit der jeweiligen Motorlast ein. Die Anpassung der Spulenenergie in Abhängigkeit der Motorlast kann auf verschiedene Weisen erfolgen.For this purpose, the control unit 8 adjusts the coil energy and thus also the ignition voltage available depending on the respective engine load. Adjusting the coil energy depending on the motor load can be done in various ways.

Beispielsweise kann der Betrag des maximalen Primärstroms angepasst werden, welcher wiederum vom Ladewiderstand und der Ladespannung abhängig ist. Der maximale Primärstrom kann durch Änderung eines Ladewiderstands oder Änderung der Ladespannung verändert werden. So kann beispielsweise der Ladewiderstand im oberen Motorlastbereich größer als im ersten Motorlastbereich sein. Alternativ kann beispielsweise die Ladespannung im zweiten Motorlastbereich kleiner als im ersten Motorlastbereich sein.For example, the amount of the maximum primary current can be adjusted, which in turn depends on the charging resistance and the charging voltage. The maximum primary current can be changed by changing a charging resistance or changing the charging voltage. For example, the charging resistance in the upper engine load range can be greater than in the first engine load range. Alternatively, for example, the charging voltage in the second engine load range can be smaller than in the first engine load range.

Außerdem ist es möglich, die Zündenergie durch Änderung der Ladezeit vom Schließen des Primärstromkreises bis zur Unterbrechung des Primärstromkreises zu verändern, wodurch der Betrag des Primärstroms im Zündzeitpunkt verändert werden kann. So kann beispielsweise im zweiten Motorlastbereich die Ladezeit geringer als im ersten Motorlastbereich gewählt werden.It is also possible to change the ignition energy by changing the charging time from the closing of the primary circuit to the interruption of the primary circuit, whereby the amount of the primary current at the ignition point can be changed. For example, in the second engine load range, the charging time can be chosen to be shorter than in the first engine load range.

Es kann eine Strombegrenzung vorgesehen sein, wobei in diesem Fall beispielsweise der Wert der Strombegrenzung in Abhängigkeit der Motorlast M_d verändert wird (nämlich im oberen Motorlastbereich 13 geringer als im unteren Motorlastbereich 14) oder die Strombegrenzung im oberen Motorlastbereich 13 überhaupt erst aktiviert wird.A current limitation can be provided, in which case, for example, the value of the current limitation is changed depending on the motor load M _d (namely lower in the upper motor load range 13 than in the lower motor load range 14) or the current limitation in the upper motor load range 13 is activated in the first place.

Es sollte vorzugsweise eine Spule gewählt werden, deren Spannungsangebot vom maximal auftretenden Primärstrom und/oder von der Ladezeit abhängig ist.It is preferable to choose a coil whose voltage range depends on the maximum primary current and/or the charging time.

Durch die gezielte Bildung von Teilentladungen zur Zündung im oberen Motorlastbereich 13 ist es also möglich, den maximal nötigen Zündspannungsbedarf zu verringern, da die Zündung im oberen Motorlastbereich 13 nicht durch einen normalen Funkendurchschlag, sondern durch einen Teilentladungsfunken erfolgt.Through the targeted formation of partial discharges for ignition in the upper engine load range 13, it is therefore possible to reduce the maximum necessary ignition voltage requirement, since ignition in the upper engine load range 13 does not occur through a normal spark breakdown, but through a partial discharge spark.

Das Zündsystem kann statt als Gleichstrom- auch als Wechselstromzündsystem realisiert werden.The ignition system can also be implemented as an alternating current ignition system instead of a direct current one.

Bei der Zündkerze 7a kann es sich um eine klassische Zündkerze oder um eine speziell für Teilentladungen angepasste Zündkerze handeln.The spark plug 7a can be a classic spark plug or a spark plug specially adapted for partial discharges.

5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Zündkerze 7a mit Zusatzelektrode 22, wobei eine konventionelle Anordnung umfassend eine Masseelektrode 20 und eine Mittelelektrode 21 mit einer Zusatzelektrode 22 zu gezielten Erzeugung eines Teilentladungsfunkens kombiniert wird. Zwischen der Masseelektrode 20 und der Mittelelektrode 21 befindet sich der Elektrodenabstand EA, welcher der Luftfunkenstrecke entspricht. Vorzugsweise wird ein großer Elektrodenabstand EA gewählt, beispielsweise EA ≥ 1 mm, insbesondere EA ≥ 1,3 mm. Hierdurch wird eine gute Entflammung im unteren Motorlastbereich 14 ermöglicht. 5 shows an exemplary embodiment of a spark plug 7a with an additional electrode 22, wherein a conventional arrangement comprising a ground electrode 20 and a center electrode 21 is combined with an additional electrode 22 to specifically generate a partial discharge spark. Between the ground electrode 20 and the center electrode 21 there is the electrode gap EA, which corresponds to the air spark gap. A large electrode distance EA is preferably selected, for example EA ≥ 1 mm, in particular EA ≥ 1.3 mm. This enables good ignition in the lower engine load range 14.

Die Zündkerze umfasst ferner einen die Mittelelektrode 21 umlaufenden Isolator 23, welcher vorzugsweise eine oder mehrere Kriechstrombarrieren 24 zur Vermeidung von Gleitfunken umfasst. Der Isolator 23 ist beispielsweise aus einem Keramikmaterial hergestellt.The spark plug further comprises an insulator 23 surrounding the center electrode 21, which preferably comprises one or more leakage current barriers 24 to prevent sliding sparks. The insulator 23 is made of a ceramic material, for example.

In dem oberen Motorlastbereich 13 zündet die Zündkerze nicht mehr über den klassischen Luftfunken, sondern über einen dielektrisch behinderten Teilentladungsfunken. Bei der Zusatzelektrode 22 handelt es sich um eine Masseelektrode, welche von der Außenfläche des Isolators durch einen Luftkanal 25 beabstandet ist, in welchem sich eine dielektrisch behinderte Entladung ausbilden kann. Der Luftkanal 25 bildet eine Funkenstrecke für die dielektrisch behinderte Entladung.In the upper engine load range 13, the spark plug no longer ignites via the classic air spark, but rather via a dielectrically hindered partial discharge spark. The additional electrode 22 is a ground electrode which is spaced from the outer surface of the insulator by an air duct 25 in which a dielectrically hindered discharge can form. The air duct 25 forms a spark gap for the dielectrically hindered discharge.

Die Zusatzelektrode 22 schließt sich an ein den Isolator 23 umlaufendes Zündkerzengewinde 26 an, welches auf Massepotential liegt. Für eine gezielte Erzeugung des Teilentladungsfunkens im Bereich der Zusatzelektrode 22 kann der Abstand zwischen dem Zündkerzengewinde 26 und dem Isolator 23 größer gewählt werden als der Abstand zwischen der Zusatzelektrode 22 und dem Isolator 23.The additional electrode 22 is connected to a spark plug thread 26 which runs around the insulator 23 and is at ground potential. For targeted generation of the partial discharge spark in the area of the additional electrode 22, the distance between the spark plug thread 26 and the insulator 23 can be selected to be greater than the distance between the additional electrode 22 and the insulator 23.

Durch die Verwendung einer Zusatzelektrode 22 kann der dielektrisch behinderte Teilentladungsfunke statt im Atmungsraum 28 jenseits der Brennraumgrenze 27 erzeugt werden, wodurch die thermische Belastung der Zündkerze reduziert wird und die Gemisch-Entflammung verbessert wird.By using an additional electrode 22, the dielectrically hindered partial discharge spark can be generated beyond the combustion chamber boundary 27 instead of in the breathing space 28, whereby the thermal load on the spark plug is reduced and the mixture ignition is improved.

Die Zusatzelektrode kann die Mittelektrode ganz oder teilweise umlaufen. Außerdem kann die Zusatzelektrode 22 statt mit einem flachen Ende auch mit einer Spitze ausgeführt sein (s. 6).The additional electrode can completely or partially surround the center electrode. In addition, the additional electrode 22 can also be designed with a tip instead of a flat end (see Fig. 6 ).

Die Entstehung des Luftfunkens und des dielektrische behinderten Entladungsfunkens kann generell durch die Polarität, die Spannungsanstiegs-Geschwindigkeit, die Elektrodengeometrien (insbesondere die Krümmungsradien und Bauteilproportionen) und Werkstoffauswahl (Keramik zur Erzeugung einer dielektrische behinderten Entladung) gezielt beeinflusst werden und an das Motorkennfeld adaptiert werden. Auch die Entstehungstendenzen der beiden Funkentypen relativ zueinander können durch diese Maßnahmen ebenfalls gezielt beeinflusst werden.The formation of the air spark and the dielectric hindered discharge spark can generally be specifically influenced by the polarity, the voltage rise speed, the electrode geometries (in particular the radii of curvature and component proportions) and material selection (ceramic for generating a dielectric hindered discharge) and adapted to the engine map. The development tendencies of the two types of sparks relative to one another can also be specifically influenced by these measures.

Bei einer konventionellen Zündkerze, bei der auf eine Zusatzelektrode 22 verzichtet wird, kann auf ähnliche Weise wie bei der Zündkerze in 5 auch ein Teilentladungsfunke im Bereich um den Isolator 23 entstehen. Die Zündkerze sollte dafür vorzugsweise so ausgestaltet sein, dass der Teilentladungsfunke im oberen Bereich des Atmungsraums 28 nahe der Brennraumgrenze 27 oder gar bereits im Brennraum entsteht, um eine leichte Entflammung des Gemisches zu ermöglichen. Der Teilentladungsfunke kann auch im Brennraum am oberen Bereich der Mittelelektrode entstehen, beispielsweise in der Nähe des oberen Endes der Keramik 23, insbesondere zwischen der Keramik 23 und der Mittelelektrode 21 (s. Bezugszeichen 29 in 6).In the case of a conventional spark plug, in which an additional electrode 22 is dispensed with, it can be done in a similar way to the spark plug in 5 a partial discharge spark also occurs in the area around the insulator 23. For this purpose, the spark plug should preferably be designed in such a way that the partial discharge spark occurs in the upper area of the breathing space 28 near the combustion chamber boundary 27 or even already in the combustion chamber in order to enable the mixture to easily ignite. The partial discharge spark can also arise in the combustion chamber at the upper area of the center electrode, for example nearby the upper end of the ceramic 23, in particular between the ceramic 23 and the center electrode 21 (see reference number 29 in 6 ).

Statt den vorstehend gezeigten Ausführungsformen für die Zündkerze kann auch eine klassische Elektrodenanordnung zur funktionalen Abdeckung der Zündung in einem niedrigen Motorlastbereich mit einer Korona-Entladungs tauglichen Elektrodenspitze 30 für die Zündung in einem hohen Motorlastbereich kombiniert werden. Statt eines dielektrisch behinderten Teilentladungsfunken erzeugt eine solche Zündkerze einen Teilentladungsfunken in Form einer Korona-Entladung. Die Entstehung des Luftfunkens und die Entstehung der Korona-Entladung können unter anderem durch die Polarität, die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit, die Elektrodengeometrie (insbesondere die Krümmungsradien und Bauteilproportionen) und Werkstoffstoffauswahl erfolgen.Instead of the embodiments shown above for the spark plug, a classic electrode arrangement for functionally covering the ignition in a low engine load range can also be combined with an electrode tip 30 suitable for corona discharge for ignition in a high engine load range. Instead of a dielectrically hindered partial discharge spark, such a spark plug generates a partial discharge spark in the form of a corona discharge. The formation of the air spark and the formation of the corona discharge can occur, among other things, through the polarity, the rate of voltage rise, the electrode geometry (in particular the radii of curvature and component proportions) and material selection.

Ein Beispiel für eine Zündkerze mit Massenelektrode 20, Mittelektrode 21 mit Elektrodenspitze 30 und Isolator 23 ist in 7 dargestellt. Die Mittelektrode 21 ist vorzugsweise rund und umfasst vorzugsweise eine umlaufende Edelmetallarmierung 31. Die Edelmetallarmierung 23 fungiert als Verschleißschutz, da der Grundwerkstoff zu schnell verschleißt. Für die Edelmetallarmierung wird beispielsweise ein Platinring aufgeschrumpft und dann verschweißt. Vorzugsweise werden für den Teillastbereich der Elektrodenabstand EA und der Durchmesser D der Mittelektrode groß gewählt. Der Abstand A zwischen dem Ende der Mittelektrodenspitze 30 und der Massenelektrode 20 bestimmt die Ausbildung der Korona-Entladung im Hochlastbereich.An example of a spark plug with ground electrode 20, center electrode 21 with electrode tip 30 and insulator 23 is shown in 7 shown. The center electrode 21 is preferably round and preferably includes a circumferential precious metal reinforcement 31. The precious metal reinforcement 23 acts as wear protection because the base material wears out too quickly. For the precious metal reinforcement, for example, a platinum ring is shrunk on and then welded. The electrode spacing EA and the diameter D of the center electrode are preferably chosen to be large for the partial load range. The distance A between the end of the center electrode tip 30 and the ground electrode 20 determines the formation of the corona discharge in the high-load range.

Bei einer Teilentladung fließt im Unterschied zum normalen Luftfunken nicht ein merklicher Teil der Ladung von einer Elektrode zu der anderen Elektrode ab. Stattdessen kann es bei einer Teilentladung zu einer Rückspeisung der Zündspulenergie in die Zündendstufe kommen. Insbesondere kann - wenn der Schalter der Zündendstufe 9 offen ist - die über der Zündendstufe anliegende Spannung (d. h. die Spannung zwischen Kl. 1 und Masse) so hoch (z. B. größer 400 V) werden, dass der Schalttransistor (z. B. IGBT) der Zündendstufe 9 durchbricht und leitet (es also zur sogenannten Klammerung kommt). Hierdurch kann die Zündendstufe 9 oder in dem Steuergerät 8 vor der Zündendstufe 9 liegende Schaltungsteile geschädigt werden.In a partial discharge, in contrast to a normal air spark, a noticeable portion of the charge does not flow from one electrode to the other electrode. Instead, in the event of a partial discharge, the ignition coil energy can be fed back into the ignition output stage. In particular - if the switch of the ignition output stage 9 is open - the voltage across the ignition output stage (i.e. the voltage between terminal 1 and ground) can become so high (e.g. greater than 400 V) that the switching transistor (e.g. IGBT) of the ignition output stage 9 breaks through and conducts (so so-called clamping occurs). This can damage the ignition output stage 9 or circuit parts in the control unit 8 upstream of the ignition output stage 9.

Eine Möglichkeit besteht darin, eine Zündendstufe 9 mit einem Schalttransistor vorzusehen, der trotz Rückspeisung der Zündspulenenergie keinen Schaden nimmt. Beispielsweise kann die Gesamtenergie inklusive der rückgespeiste Energie für eine Teilladungszündung 300 mJ betragen. Der Schalttransistor kann so ausgelegt sein, dass der Schalttransistor die Energie ohne Schaden verträgt.One possibility is to provide an ignition output stage 9 with a switching transistor, which is not damaged despite the ignition coil energy being fed back. For example, the total energy including the recovered energy for a partial charge ignition can be 300 mJ. The switching transistor can be designed so that the switching transistor can tolerate the energy without damage.

Alternativ können Maßnahmen ergriffen werden, um einen Defekt durch rückgespeiste Zündspulenenergie auszuschließen.Alternatively, measures can be taken to rule out a defect caused by regenerated ignition coil energy.

Beispielsweise kann durch eine Erkennung und Steuerung der Teilentladung, zum Beispiel über eine Auswertung des Signals an KI 1, die Energierückspeisung reduziert oder gar fast vollständig vermieden werden. Dies kann durch eine Reduktion des Zündspannungsangebots erfolgen. For example, by detecting and controlling the partial discharge, for example by evaluating the signal at KI 1, the energy recovery can be reduced or even almost completely avoided. This can be done by reducing the ignition voltage available.

Vorzugsweise ist die Zündanlage eingerichtet, dass die bei einer Teilentladung über der Zündendstufe 9 anliegende Spannung unter der Grenze zum Durchbruch des Schalttransistors der Zündendstufe 9 bleibt.The ignition system is preferably set up so that the voltage present across the ignition output stage 9 in the event of a partial discharge remains below the limit for breakdown of the switching transistor of the ignition output stage 9.

Dies kann dadurch realisiert werden, dass die Spulenenergie oder das Zündspannungsangebot der Zündspule während des Betriebs verringert wird. Die Verringerung kann beispielsweise dann stattfinden, nachdem eine Teilentladung über einen sogenannten Teilentladungs-Detektor 40 detektiert wurde, wie dies in 8 dargestellt ist. Das Detektorsignal des Teilentladungs-Detektors 40 wird dazu in das Steuergerät 8 gespeist. Die verringerte Spulenenergie oder das verringerte Zündspannungsangebot gelten dann beispielsweise für die nächste Zündung nach Detektion einer Teilladung.This can be achieved by reducing the coil energy or the ignition voltage available to the ignition coil during operation. The reduction can take place, for example, after a partial discharge has been detected via a so-called partial discharge detector 40, as shown in FIG 8th is shown. The detector signal from the partial discharge detector 40 is fed into the control unit 8 for this purpose. The reduced coil energy or the reduced ignition voltage available then applies, for example, to the next ignition after detection of a partial charge.

Die Teilentladungs-Detektion kann beispielsweise anhand einer Auswertung an einem Masseanschluss der Zündspule (z. B. anhand des Signals an der Klemme 1 der Zündspule 3) erfolgen. Beispielsweise kann der Teilentladungs-Detektor 40 prüfen, ob die Spannung an dem Masseanschluss einen bestimmten Schwellwert (z. B. 400 V) überschreitet. Der Teilladungsdetektor 40 kann beispielsweise eine gewisse Zeitdauer warten, nachdem die Zündendstufe geöffnet wird. Nach der Zeitdauer misst der Teilladungsdetektor 40 dann die anliegende Spannung und prüft, ob diese über dem Schwellwert liegt.The partial discharge detection can be carried out, for example, based on an evaluation at a ground connection of the ignition coil (e.g. based on the signal at terminal 1 of the ignition coil 3). For example, the partial discharge detector 40 can check whether the voltage at the ground connection exceeds a certain threshold value (e.g. 400 V). The partial charge detector 40 can, for example, wait for a certain period of time after the ignition output stage is opened. After the period of time, the partial charge detector 40 then measures the applied voltage and checks whether it is above the threshold value.

Alternativ zur Verringerung der von der Spule bereitgestellten Energie kann auch die Spannung dadurch begrenzt werden, dass ein niederohmiger Pfad von Kl 1 zur Masse gebildet wird und die Spannung sich daher nicht weiter aufbauen kann. Hierzu kann beispielsweise ein zusätzliches Schaltmittel 41 (beispielsweise ein IGBT) vorgesehen werden, welcher rechtzeitig geschlossen wird. Es wäre auch denkbar, den Schalttransistor der Zündendstufe 9 rechtzeitig wieder zu schließen. Die Ansteuerung des Schaltmittels 41 oder des Schalttransistors der Zündendstufe 9 über das Steuergerät 8 erfolgt beispielsweise bei Erkennung einer Teilentladung durch den Teilentladungs-Detektor 40. Die Schutzmaßnahme kann bereits für die soeben erkannte Teilentladung durchgeführt werden. Das Schaltmittel 41 bzw. der Schalttransistors der Zündendstufe sollten vorzugsweise nur kurz geschlossen werden, so dass es nicht zur Aufladung der Spule kommt.As an alternative to reducing the energy provided by the coil, the voltage can also be limited by forming a low-resistance path from Kl 1 to ground and therefore the voltage cannot build up any further. For this purpose, for example, an additional switching means 41 (for example an IGBT) can be provided, which is closed in a timely manner. It would also be conceivable to close the switching transistor of the ignition output stage 9 again in good time. The switching means 41 or the switching transistor of the ignition output stage 9 is activated via the control unit 8, for example when a partial discharge is detected by the partial discharge detector 40. The protection The measure can already be carried out for the partial discharge that has just been detected. The switching means 41 or the switching transistor of the ignition output stage should preferably only be closed briefly so that the coil is not charged.

Statt einen Teilentladungs-Detektor 40 zur Detektion einer Teilentladung zu verwenden, kann auch vorgesehen werden, dass in Motorlastbereichen mit Teilentladungszündung eine der vorstehend beschriebenen Maßnahmen „blind“ erfolgt, d.h. ohne zu prüfen, ob tatsächlich eine Teilentladungszündung erfolgt ist.Instead of using a partial discharge detector 40 to detect a partial discharge, it can also be provided that in engine load ranges with partial discharge ignition one of the measures described above is carried out “blindly”, i.e. without checking whether partial discharge ignition has actually occurred.

Claims

Ignition system for an internal combustion engine that can be operated at different engine loads, comprising - Means (3) for generating an ignition voltage for a spark plug (7a) and - a spark plug (7a), the ignition system being set up in such a way that - Fuel-air mixture in the internal combustion engine in a first engine load range (14) with a lower engine load compared to a second engine load range (13) due to a low-resistance air spark generated by the spark plug (7a) between a first electrode (21) and a second electrode (20) the spark plug is ignited, and - Fuel-air mixture in the internal combustion engine in the second engine load range (13) with a higher engine load compared to the first engine load range (14) is ignited by a partial discharge spark (50) generated by the spark plug (7a) and not via a low-resistance air spark.

Ignition system after Claim 1 , whereby the ignition voltage in the second engine load range (13) is below the voltage required for spark breakdown between the two electrodes (20, 21).

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein - the means (3) for generating a high voltage comprise an ignition coil (3) with a primary winding (4) and a secondary winding (5), and - the ignition voltage available from the ignition coil. (3) in the second engine load range (13) is selected so that the amount of ignition voltage available is below the voltage required for low-resistance spark breakdown.

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein - the means (3) for generating a high voltage comprise an ignition coil (3) with a primary winding (4) and a secondary winding (5), and - the ignition system is set up so that the energy stored in the ignition coil (3) is lower in the second engine load range (13) than in an engine load range below the second engine load range (13), in particular in the first engine load range (14).

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein - the means (3) for generating a high voltage comprise an ignition coil (3) with a primary winding (4) and a secondary winding (5), and - the ignition system is set up so that - When the primary circuit is interrupted, the amount of the primary current of the primary winding (4) in the second motor load range (13) is less than the amount of the primary current in a motor load range below the second motor load range (13), in particular less than in the first motor load range (14).

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein in the first engine load range (14), in the second engine load range (14) and in any range between the first engine load range (14) and the second engine load range (13) there are essentially no sliding sparks on the spark plug (7a). appear.

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein the spark plug comprises a center electrode (21) as the first electrode and an insulator (23) surrounding the center electrode (21), and the partial discharge spark (50) in particular a dielectrically hindered partial discharge spark in the area around the insulator (23). or a partial discharge spark at the center electrode.

Ignition system after Claim 7 , wherein the spark plug (7a), in addition to the first electrode (21) and the second electrode functioning as a ground electrode (20), has a third electrode (22) functioning as a ground electrode for the targeted generation of a dielectrically hindered partial discharge spark (50) in the area between the insulator (23 ) and the third electrode (22), the third electrode (22) being spaced from the outer surface of the insulator by an air duct (25).

Ignition system after Claim 8 , wherein the third electrode (22) comprises a tip, cutting edge or a surface opposite the insulator surface that is aligned with the insulator (23) and/or is designed as a ring that completely or partially encircles the insulator.

Ignition system according to one of the Claims 8 - 9 , whereby - the third electrode (22) is connected to a spark plug thread (26) surrounding the insulator (23) and - At least at the end of the spark plug thread (26), the distance between the spark plug thread (26) and the insulator (23) or the center electrode (21) is greater than the distance between the third electrode (22) and the insulator (23) or the Center electrode (21).

Ignition system according to one of the Claims 8 - 10 , wherein the insulator (23) has at least one leakage current barrier (24) on its outside to prevent sliding sparks between the center electrode (21) and the third electrode (22).

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein the spark plug comprises a third electrode (22) or a corona-compatible electrode tip (30) to generate the partial discharge spark.

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein - the means (3) for generating a high voltage comprise an ignition coil (3) with a primary winding (4) and a secondary winding (5), - the ignition system comprises an ignition output stage (9) for switching the primary current and - the ignition system is set up such that in the case of a partial discharge ignition, the voltage applied across the ignition output stage (9) remains below the limit for breakdown of the output stage (9).

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein - the means (3) for generating a high voltage comprise an ignition coil (3) with a primary winding (4) and a secondary winding (5), - the ignition system comprises an ignition output stage (9) for switching the primary current and - The ignition system is set up so that in the event of a partial discharge ignition, the coil energy or the ignition voltage available to the ignition coil (3) is reduced.

Ignition system after Claim 13 , wherein the voltage present at the ignition output stage (9) is limited by closing a low-resistance path to ground, in particular by closing an additional switching means (41).

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein the ignition system comprises a partial discharge detector (40), which is in particular set up to carry out the detection based on an evaluation of a signal at a ground connection (Kl 1) of the ignition coil (3).

Ignition method for an ignition system with at least one spark plug (7a) and means (3) for generating an ignition voltage for the spark plug (7a), the ignition system being for an internal combustion engine that can be operated at different engine loads, wherein - fuel-air mixture in the internal combustion engine is ignited in a first engine load range (14) with a lower engine load compared to a second engine load range (13) by a low-resistance air spark generated by the spark plug (7a) between a first electrode (21) and a second electrode (20) of the spark plug, and - fuel-air mixture in the internal combustion engine is ignited in the second engine load range (13) with a higher engine load compared to the first engine load range (14) by a partial discharge spark (50) generated by the spark plug and not by an air spark.

Spark plug (7a) for an ignition system, comprising - a first (21) and a second electrode (20) for generating an air spark between the first electrode (21) and the second electrode (20) and - a third electrode (22), where - the first electrode (21) is designed as a center electrode, - the second electrode (20) acts as a ground electrode, - the spark plug (7a) further comprises an insulator (23) surrounding the center electrode (21), - the third electrode (22) acts as a ground electrode, which is spaced from the outer surface of the insulator (23) by an air duct (25), and - the third electrode (22) is used to generate a dielectrically hindered partial discharge spark (50) in the area between the insulator (23) and the third electrode (22).