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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Funkenzündung in einem funkengezündeten Verbrennungsmotor, das die Verbrennung durch Plasmaerzeugung als Ergebnis einer Reaktion zwischen einem elektrischen Feld, erzeugt in einer Brennkammer, und einem Produkt, das sich aus der Funkenentladung durch eine Zündkerze ergibt, fördert.
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STAND DER TECHNIK
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Herkömmlicherweise wird, z. B. in einem Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug, eine hohe Spannung zwischen einer Mittelelektrode und einer Masseelektrode einer Zündkerze angelegt. Eine Luft-Kraftstoff-Mischung in der Brennkammer wird zu jeder Zündeinstellung durch die Funkenentladung, erzeugt in einer Lücke zwischen den zwei Elektroden, gezündet. Eine derartige Zündung durch die Zündkerze kann z. B. zu einer unzureichenden Funkenenergie führen und somit kaum einen Flammenkern hervorrufen.
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Um ein derartiges Problem mit der Funkenzündung zu lösen, beschreibt z. B. das Patentdokument 1 die Erzeugung von Plasma in einer Brennkammer und die Verursachung einer Reaktion zwischen dem Plasma und der Funkenentladung, um zuverlässig einen Flammenkern zu bilden. In der Beschreibung von Patentdokument 1 wird ein elektrisches Hochfrequenz-Feld unmittelbar vor der Funkenentladung oder fast zur gleichen Zeit wie die Funkenentladung durch Mikrowellen gebildet, die über eine Zündkerze geliefert werden. Auf diese Weise werden die Funkenentladung und das Plasma miteinander reagiert, um einen stärkeren Flammenkern zu erzeugen.
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Für den Fall der Verwendung von Mikrowellen, wie im Patentdokument 1 offenbart, wird z. B. ein Magnetron als Quelle davon verwendet. Dies neigt dazu, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenzfeldes zu komplizieren. Unter derartigen Umständen kann eine Hochfrequenzwelle, die eine niedrigere Frequenz als Mikrowellen aufweist, für ein elektrisches Hochfrequenzfeld verwendet werden. In diesem Fall wird z. B. ein Versuch unternommen, um auf die Zündkerze eine pulsierende Spannung anzulegen, die erhalten wird, indem eine Hochfrequenzspannung einer Halbwellengleichrichtung durch eine Diode unterzogen wird. In diesem Fall wird in einem Verbrennungsmotor, montiert in einem Kraftfahrzeug, eine negative Hochspannung auf die Mittelelektrode der Zündkerze angelegt, um eine Funkenentladung durchzuführen. Somit wird die pulsierende Spannung auch als eine negative Spannung erachtet, die der Funkenentladung entspricht.
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Jedoch enthält das Plasma, erzeugt durch eine Reaktion zwischen dem Produkt, das sich aus der Funkenentladung ergibt, und dem elektrischen Feld, erzeugt durch eine pulsierende Spannung, Plasmaionen, zusammen mit Radikalen wie z. B. OH-Radikalen oder Ozon. Nach der Zündung werden daher Radikale oder positive Ionen vom elektrischen Feld in der Mitte der Zündkerze und neben den Masseelektrode angezogen. Somit verlangsamt sich das Wachstum eines gebildeten Flammenkerns. Außerdem wird die Diffusion von Plasma gehemmt, und somit die Ausbreitung der Verbrennung unterdrückt. Folglich kann der ausreichende Effekt, die Verbrennung durch das Plasma zu verbessern nicht erfolgen.
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Liste der Referenzen
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Patentdokument
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- Patentdokument 1: JP-A 2010-101182
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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PROBLEME, DIE VON DER ERFINDUNG GELÖST WERDEN SOLLEN
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Dementsprechend ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Expansion der Verbrennung nach der Zündung zu fördern.
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LÖSUNGEN DES PROBLEMS
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Insbesondere ist ein Verfahren zur Steuerung der Funkenzündung in einem funkengezündeten Verbrennungsmotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Funkenzündung in einem funkengezündeten Verbrennungsmotor, der eine Zündkerze umfasst und ein Plasma erzeugt, um eine Luft-Kraftstoff-Mischung zu zünden, wobei das Plasma durch eine Reaktion zwischen einem Produkt, das sich aus der Funkenentladung, erzeugt durch eine Hochspannung, angelegt über eine Zündspule, die mit der Zündkerze verbunden ist, und einem elektrischen Feld, erzeugt ein einer Brennkammer durch ein elektrisches Erzeugungsmittel über die Zündkerze, ergibt, hervorgerufen wird. Das Verfahren umfasst die Erzeugung des elektrischen Felds durch einen positiven pulsierenden Strom.
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Bei einer derartigen Konfiguration wird das elektrische Feld durch einen positiven pulsierenden Strom erzeugt. Dies ermöglicht, zu vermeiden, dass Ionen oder dergleichen als ein Produkt, das sich aus der Funkenentladung ergibt, neben der Zündkerze ansammeln. Als ein Ergebnis stoßen das positive elektrische Feld und das Produkt einander nach der Zündung ab. Dadurch wird die Verbrennung expandiert.
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Der pulsierende Strom der Erfindung bezieht sich auf einen Strom und/oder eine Spannung, der/die in eine konstante Richtung fließt, und dessen/deren Größe auf einer regelmäßigen oder unregelmäßigen Basis fluktuiert. Insbesondere verwendet der positive pulsierende Strom nur eine positive Spannung, dadurch erhalten, dass eine Hochfrequenzwelle einer Halbwellengleichrichtung oder einer Ganzwellengleichrichtung ohne die Glättung der Spannung unterzogen wird. Alternativ kann der positive pulsierende Strom durch das Hinzufügen einer direkten positiven Spannung mit dem gleichen Wert wie dem Scheitelwert der Hochfrequenzwelle erhalten werden. Mit anderen Worten kann der positive pulsierende Strom durch die Vorspannung einer Hochfrequenzwelle durch eine direkte positive Spannung mit dem gleichen Wert wie dem Scheitelwert erhalten werden.
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Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen eine Funkenzündungs-Steuervorrichtung, die das oben angegebene Verfahren zur Steuerung der Funkenzündung durchführt, ein Funkenzündungs-Steuerprogramm, das verursacht, dass eine Steuervorrichtung mit einem Computer das oben angegebene Verfahren ausführt, und ein Programmprodukt, das Medien umfasst, die das Programm halten. Die Medien umfassen Aufzeichnungsmedien wie z. B. ROM (Festspeicher) oder Übertragungsmedien wie z. B. Kommunikationsleitungen.
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WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
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Die Erfindung ist wie oben beschrieben konfiguriert. Bei einer derartigen Konfiguration ist es möglich, die Retention eines Produkts, das sich aus der Funkenentladung ergibt, nahe einer Zündkerze zu unterdrücken. Dies ermöglicht, die Expansion der Verbrennung zu fördern und die Kraftstoffeffizienz zu verbessern.
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Gegenstände, Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der Erfindung werden mit der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen deutlicher.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Querschnittdiagramm, das die Hauptbestandteile eines Motors veranschaulicht, auf die sich ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bezieht.
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2 ist ein Diagramm, das eine elektrische Schaltung einer Zündvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
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3 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Steuerprozess gemäß dem Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unten mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 veranschaulicht eine Konfiguration eines Zylinders eines Zweizylindermotors 100, einen funkengezündeten Verbrennungsmotor mit einer Zündkerze 1. Im Motor 100 sind eine Öffnung 3 eines Einlasskanals 2 und eine Öffnung 5 eines Auslasskanals 4 symmetrisch mit Bezug auf die Zündkerze 1 angeordnet. Die Zündkerze 1 ist fast an die Mitte eines Deckenteils einer Brennkammer 6 befestigt. Somit weist jeder Zylinder zwei Öffnungen auf. Das heißt, ein Zylinderkopf 8 des Motors 100 ist an den Zylinderblock 7 befestigt und bildet den Deckenteil der Brennkammer 6. Der Zylinderkopf 8 weist eine Nockenwelle 9 auf, die an die Einlassseite befestigt ist, und eine Nockenwelle 10, die an die Auslassseite befestigt ist. Der Einlasskanal 2 des Zylinderkopfes 8 wird durch ein Einlassventil 11 geöffnet und geschlossen, das sich durch die Drehung der Nockenwelle 9 hin- und herbewegt. Der Auslasskanal 4 wird durch ein Auslassventil 12 geöffnet und geschlossen, das durch die Drehung der Nockenwelle 10 hin und herbewegt wird. Die Zündkerze 1 ist an den Deckenteil der der Brennkammer 6 befestigt. Der Einlasskanal 2 umfasst ein Kraftstoff-Einspritzventil, um eine Luft-Kraftstoff-Mischung zu erzeugen, um an die Brennkammer 6 geliefert zu werden. Der Motor 100 kann einen funkengezündeten Motor verwenden, der im Stand der Technik bekannt ist.
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Die Zündkerze 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel umfasst im Wesentlichen ein Gehäuse 13, das aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt ist, eine Mittelelektrode 14, eine Masseelektrode 15, eine Zündspule 21 mit einer eingebauten Zündelektrode, und einen Verbindungsanschluss 17. Eine Mittelelektrode 14 ist im Gehäuse 13 auf eine isolierte Weise befestigt. Die Masseelektrode 15 ist an einem unteren Ende des Gehäuses 13 bereitgestellt, um von der Mittelelektrode 14 durch eine Lücke 14 getrennt zu sein, in der die Funkenentladung erzeugt wird. In der Zündspule 21 mit einer eingebauten Zündelektrode (im Folgenden einfach als Zündspule bezeichnet) sind die Zündelektrode und die Zündspule strukturell integriert. Die Zündspule 21 ist elektrisch mit dem Verbindungsanschluss 17 verbunden. Eine Kerze, die im Stand der Technik gut bekannt ist, wird als Zündkerze 1 verwendet.
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Wie in 2 veranschaulicht, umfasst die Zündvorrichtung 20, verbunden mit der Zündkerze 1, eine Zündspule 21, eine Diode 23, und einen Hochfrequenz-Spannungsgenerator 26. Die Zündspule 21 ist mit der Zündkerze 1 im ersten Zylinder verbunden. Die Diode 23 weist eine Kathode auf, die mit einem sekundären Wickeldraht 21a der Zündspule 21 verbunden ist. Der Hochfrequenz-Spannungsgenerator 26 dient als ein Generationsmittel für ein elektrisches Feld. Das heißt, der Hochfrequenz-Spannungsgenerator 26 erzeugt ein positives elektrisches Feld in der Brennkammer 6, insbesondere in einem Bereich der Zündkerze 1, wobei die Mittelelektrode 14 zentriert ist. Ein derartiger Hochfrequenz-Spannungsgenerator 26 umfasst einen Aufspanntransformator 25, der an einer Ausgangsstufe davon angeordnet ist, eine Generator-Haupteinheit 27, die mit dem Aufspanntransformator 25 verbunden ist, und ein Schaltmittel 28. Das Schaltmittel 28 steuert eine Zeit (Einstellung) zum Anlegen einer Spannung, basierend auf einer Hochfrequenzwelle, an die Zündkerze. Das Schaltmittel 28 wird von einer elektronischen Steuervorrichtung 29 gesteuert, so dass, wenn festgelegt wird, dass die Induktionsentladung gestartet wird, eine Hochfrequenzspannung auf die Zündkerze 1 angelegt wird.
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Die Generator-Haupteinheit 27 des Hochfrequenz-Spannungsgenerators 26 ist z. B. konfiguriert, um eine Spannung einer Fahrzeugbatterie (z. B. ungefähr 12 Volt (V)) durch einen DC-DC-Umformer als eine Aufspannschaltung auf 300 bis 500 V zu erhöhen, und einen Gleichstrom, dessen Spannung durch eine H-Brückenschaltung erhöht wurde, zu einem Wechselstrom mit einer Frequenz von ungefähr 200 bis 600 kHz zu ändern. Somit ist der Hochfrequenz-Spannungsgenerator 26 konfiguriert, um eine Hochfrequenzwelle, deren Spannung auf ungefähr 4 bis 8 kVp-p erhöht wurde, vom Aufspanntransformator 25 auszugeben.
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Die Diode 23 dient als ein Gleichrichtermittel für eine Hochfrequenzwelle (Wechselstrom), erzeugt durch den Hochfrequenz-Spannungsgenerator 26, und dient auch als eine Rückflussverhinderungsdiode für eine Hochspannung zur Funkenentladung, erzeugt durch die Zündspule 21. Mit anderen Worten wird in dem Ausführungsbeispiel bei der Zündung im Verbrennungsvorgang eine positive Hochspannung vom sekundären Wickeldraht 21a der Zündspule 31 auf die Mittelelektrode 14 der Zündkerze 1 angelegt. Somit wird die Kathode der Diode 23 mit dem entsprechenden sekundären Wicklungsdraht 21a verbunden. Es kann daher verhindert werden, dass eine positive Hochspannung zurück zum Hochfrequenz-Spannungsgenerator 26 fließt.
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Die elektronische Steuervorrichtung 29 enthält ein Betriebs-Steuerprogramm. Das Betriebssteuerprogramm wird verwendet, um den Betriebszustand des Motors 100 in Antwort auf Signale zu steuern, die aus verschiedenen Sensoren, die an den Motor 100 befestigt sind, ausgegeben werden. Außerdem enthält die elektronische Steuervorrichtung 29 ein Zündsteuerprogramm zur Funkenzündung. Das Zündsteuerprogramm wird verwendet, um zu bestimmen, ob die Induktionsentladung in der Funkenentladung gestartet wird, und eine positive Hochfrequenzspannung auszugeben, wenn festgelegt wird, dass die Induktionsentladung begonnen wird. 3 veranschaulicht einen Steuerprozess im Zündsteuerprogramm.
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In 3 wird bei Schritt S1 festgelegt, ob die Induktionsentladung begonnen wird. Spezifisch wird, wenn die Funkenzündung begonnen wird, zuerst ein kapazitiver Funken von der kapazitiven Entladung erzeugt, und dann wird ein Induktionsfunken von der Induktionsentladung erzeugt. In diesem Fall wird eine sekundäre Spannung als eine Ausgangsspannung der Zündspule 21 gemessen. Wenn nachgewiesen wird, dass die sekundäre Spannung nicht höher als die maximale Spannung bei der kapazitiven Entladung ist und nicht höher als eine Bestimmungsspannung ist, die höher als eine durchschnittliche Induktions-Entladungsspannung eingestellt ist, wird bestimmt, dass die Induktionsentladung begonnen wird. Die Bestimmungsspannung dient dazu, um zu bestimmen, dass, nachdem sie höher als die maximale Entladungsspannung an der kapazitiven Entladung wurde, die sekundäre Spannung in die Nähe der Entladungsspannung an der Induktionsentspannung abfällt. Daher kann die festgelegte Einstellung für den Beginn der Induktionsentladung im Laufe der kapazitiven Entladung eintreten, die die Induktionsentladung nicht erreicht. Jedoch ist die sekundäre Spannung nicht höher als die Bestimmungsspannung. Somit wird, auch wenn eine Hochfrequenzspannung über die Spannung der kapazitiven Entladung gelagert wird, keine übermäßige Spannung erzeugt, Daher ist die Verzögerung der Einstellung für das Einschalten der Schaltmittel 28 nicht erforderlich, bis die Funkenentladung die Induktionsentladung erreicht.
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Wenn bei Schritt S1 bestimmt wird, dass die Induktionsentladung begonnen wird, wird das Schaltmittel 28 bei Schritt S2 gesteuert, um einen pulsierenden Fluss anzulegen, der dadurch erhalten wird, dass eine Hochfrequenzspannung einer Halbwellengleichrichtung an die Zündkerze 1 unterzogen wird. Dies erzeugt ein positives elektrisches Feld.
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Mit einer derartigen Konfiguration wird, wenn ein Zündsignal, ausgegeben von der elektronische Steuervorrichtung 29, in die Zündelektrode der Zündspule 21 eingegeben wird, eine positive Hochspannung vom sekundären Wickeldraht 21a der Zündspule 21 auf die Mittelelektrode 14 der Zündkerze 1 angelegt. Somit wird die Funkenentladung begonnen. Wenn die Funkenentladung begonnen hat, wird zuerst ein kapazitiver Funken durch eine kapazitive Entladung erzeugt. Danach wird ein Induktionsfunken durch die Induktionsentladung erzeugt. Dann, in Antwort auf den Beginn der Induktionsentladung, wird das Schaltmittel 28 geschlossen, und ein pulsierender Fluss, dadurch erhalten, dass eine Hochfrequenzspannung einer Halbgleichrichtung unterzogen wird, wird auf die Zündkerze 1 angelegt.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird die Hochfrequenzwelle vom Hochfrequenz-Spannungsgenerator 26 durch die Diode 23 einer Halbgleichrichtung in einen positiven pulsierenden Strom (Spannung) unterzogen. Der positive pulsierende Strom wird auf die Mittelelektrode 14 angelegt, um zwischen der Mittelelektrode 14 und einer Masseelektrode 42 zu fließen. Somit wird ein elektrisches Feld zwischen der Mittelelektrode 14 und der Masseelektrode 15 erzeugt, gleichzeitig zwischen einem Augenblick in der letzten Hälfte der kapazitiven Entladung während der Funkenentladung und einem Augenblick unmittelbar vor der Induktionsentladung oder einem Augenblick, in dem die Induktionsentladung begonnen wird. Dann findet eine Reaktion zwischen dem erzeugten positiven elektrischen Feld und einem Produkt statt, das sich aus der Funkenentladung, erzeugt zwischen der Mittelelektrode 14 und der Masseelektrode 15, ergibt, um Plasma zu erzeugen und eine Luft-Kraftstoff-Mischung zu zünden.
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Insbesondere wird das Produkt, das sich aus der Funkenentladung durch die Zündkerze 1 ergibt, im elektrischen Feld zu Plasma. Als Ergebnis wird die Luft-Kraftstoff-Mischung durch das erzeugte Plasma gezündet. Somit wird ein Flammenkern als Beginn der Flammenausbreitungs-Verbrennung größer als im Fall der Zündung nur durch die Funkenentladung. Außerdem wird eine große Anzahl von Radikalen innerhalb eines vorbestimmten Raums erzeugt. Dadurch wird die Verbrennung gefördert.
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Insbesondere vibrieren oder schlängelt sich ein Fluss von Elektronen, erzeugt von der Funkenentladung, und positiven Ionen oder Radikalen als ein Produkt, das sich aus der Funkenentladung ergibt, während sie sich von der Zündkerze 1 unter dem Einfluss des positiven elektrischen Felds bewegen. Dies verlängert den Vorgang der Plasmaionen oder -radikalen. Als Ergebnis erhöht sich die Anzahl der Kollisionen zwischen den positiven Ionen oder Radikalen und Wassermolekülen oder Nitridmolekülen in der Umgebung exponentiell. Die Wassermoleküle oder die Nitridmoleküle, kollidiert durch die positiven Ionen oder Radikale, werden zu OH-Radikalen oder N-Radikalen. Außerdem tritt das umgebende Gas, kollidiert durch die positiven Ionen oder Radikale, in einen ionisierten Zustand (d. h. einen Plasmazustand) ein. Als Ergebnis wird ein Zündbereich in der Luft-Kraftstoff-Mischung exponentiell größer. Außerdem wird der Flammenkern als Beginn der Flammenausbreitungs-Verbrennung ebenfalls größer.
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Wie oben beschrieben reagieren die positiven Ionen oder Radikale, erzeugt nach der Zündung durch die kapazitive Entladung, mit dem positiven elektrischen Feld und stoßen dieses ab. Dies erleichtert die Dispersion von Plasmaionen und dergleichen. Daher ist es möglich, die Expansion der Verbrennung zu erleichtern und somit die Verbrennungseffizienz zu verbessern.
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Außerdem bewegen sich die positiven Ionen oder Radikale im Plasma in einer Dispersionsrichtung im positiven elektrischen Feld. Somit umfassen diese positiven Ionen oder Radikale keinen Faktor, der die Expansion der Verbrennung hemmt. Dies beseitigt die Notwendigkeit, die Erzeugung eines elektrischen Felds im Prozess der Expansion der Verbrennung zu stoppen. Somit ist die Steuerung der hohen Genauigkeit der Einstellung zum Stopp der Anwendung eines pulsierenden Flusses nicht erforderlich, nachdem der Kolben den oberen Totpunkt übersteigt. Somit kann ein Steuerprogramm vereinfacht werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist.
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Zusätzlich zur Mittelelektrode kann eine Antenne zur Ausstrahlung einer Hochfrequenzwelle in der Brennkammer im Zylinderkopf enthalten sein, um ein positives elektrisches Feld zu erzeugen. Die Antenne befindet sich vorzugsweise so weit wie möglich in der Nähe der Mittelelektrode und der Masseelektrode.
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Anstatt des Hochfrequenz-Spannungsgenerators 26 kann ein Spannungsgenerator bereitgestellt werden, der einen positiven pulsierenden Strom ausgibt, der sich bei einer Frequenz ändert, die gleich der Frequenz der Hochfrequenzwelle ist. In diesem Fall dient die Diode 23 gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel nicht als Gleichrichtungsmittel, sondern dient nur als Rückflussverhinderungsmittel. Bei der Erzeugung eines elektrischen Felds kann somit ein positiver pulsierender Strom mit Hochspannungsausgang vom Spannungsgenerator nur für einen Abfall der Dioden-Vorwärtsspannung abgesenkt werden. Folglich kann die Energie, die für die Erzeugung eines elektrischen Felds entnommen wird, reduziert werden. Außerdem kann die Wärmeerzeugung von der Diode 23 reduziert werden. Der Wärmeverlust kann daher reduziert werden.
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Die Anzahl von Zylindern im Motor ist nicht auf diejenige des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels begrenzt,
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Die spezifische Konfiguration jedes Bestandteils ist nicht auf diejenige beschränkt, die im Ausführungsbeispiel beschreiben wird und kann auf verschiedene Weise modifiziert werden, ohne vom Hauptpunkt der Erfindung abzuweichen.
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Die betreffende Anmeldung basiert auf
JP 2011-012776 , eingereicht vom Anmelder der betreffenden Anmeldung in Japan am 25. Januar 2011, wobei der gesamte Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
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Zum Beispiel wird die Erfindung in einem funkengezündeten Verbrennungsmotor angewendet, die für die Zündung eine Funkenentladung durch eine Zündkerze unter Verwendung von Benzin oder flüssigem Erdgas als Kraftstoff erfordert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zündkerze
- 20
- Zündvorrichtung
- 21
- Zündspule
- 26
- Hochfrequenz-Spannungsgenerator
- 29
- Elektronische Steuervorrichtung
- 100
- Motor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2010-101182 A [0006]
- JP 2011-012776 [0037]
