DE3015611A1 - Plasmastrahl-zuendsystem - Google Patents
Plasmastrahl-zuendsystemInfo
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Description
M s san G-046-80
TER MEER · MÜLLER ■ STEINiviEiSTER
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Plasmastrahl-Zündsystem
für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen.
Um Fehlzündungen und Aussetzei bei herkömmlichen Funkenzündsystemen
für Brennkraftmaschinen auch bei mageren Luft-/Kraftstoff-Gemischen zu vermeiden, besteht ein
erheblicher Bedarf an neuen Zündsystemen und -quellen, die darüberhinaus das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine
und die Auspuffgase bzw. die Zusammensetzung der Auspuffgase positiv beeinflussen. Es wurden bereits
verschiedene neue Zündsysteme vorgeschlagen.
Ein bereits vorgeschlagenes Plasmastrahl-Zündsystem ist in Fig. 1 dargestellt und umfasst ein PlasmastrahtEnergie-Speichersystem,
das als Zusatz- bzw. Erweiterung des Systems ausgebildet ist und zusammen mit einem herkömmlichen
Zündsystem verwendet wird, welches das Funkenzeitsteuer-
und Hochspannungsauslöse-Basissignal dem Plasmastrahl-Zündkerzen
bereitstellt.
Das herkömmliche Zündsystem besitzt ein Funkenenergie-Speichersystem
5 mit einer Batterie 1, einer Zündspule 2, deren Primärwicklung mit der Batterie über einen Dämpfungs-
bzw. Ballastwi der stand R-g, und deren Sekundärwicklung
über eine Hochspannungsdiode mit einem Verteiler verbunden ist, sowie mit einem Zündauslöser, der schematisch
als Unterbrecher 3 dargestellt und mit der Zündspule 2 verbunden ist. Der Verteiler 4- ist mit allen Plasmastrahl-Zündkerzen
7 der Brennkraftmaschine über einen Funkenenergie-Zuführkabelbaum verbunden, der mehrere Funkenenergie-Zuführkabel
20 aufweist, die jeweils an eine der Plasmastrahl-Zündkerzen 7 führen.
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Das Plasmastrahlenergie-Speichersystem 6 umfasst eine
Hoch.spannungsqu.elle 8, einen Lade- bzw. Dämp fungswi der stand
9, einen Speicherkondensator 10, eine TJmpoldioäe bzw.
einen Umpolgleichrichter (free wheeling diode) 11, der die Energiezuführung dadurch, verbessert, dass er einen
Spannungsrückschlag auf den Speicherkondensator 10 verhindert, sowie eine Induktivität oder eine Drosselspule 12,
die den vom Kondensator 10 kommenden Spitzenentladestrom begrenzt. Der Speicherkondensator, die Umpoldiode 11 und
die Induktivität 12 bilden eine Energiespeicher- und
Impulsformerschaltung, die mit allen Plasmastrahl-Zündkerzen
7 über einen Plasmastrahlenergie-Zuführkabelbaum mit mehreren Plasmastrahlenergie-Zuführkabeln 19 verbunden
ist, wobei jedes Kabel zu einer Plasmastrahl-Zündkerze 7 führt. Um zu verhindern, dass Funkenenergie zum Speicherkondensator
10 gelangt, sind Sperrdioden (steering diodes) 13 vorgesehen.
Die in Pig. 1 dargestellte Plasmastrahl-Zündkerze 7 weist eine erste oder stabförmige Elektrode 1A-, eine zweite
Elektrode 15 und einen Isolierkörper 16 auf, der zusammen
mit der ersten und zweiten Elektrode 14 bzw. 15 einen im wesentlichen umschlossenen Plasmaraum 17 bildet. Die
zweite Elektrode schliesst eine Seite des Plasmaraumes 17 ab, wobei in dieser zweiten Elektrode eine Öffnung 18
ausgebildet ist. Die erste stabförmige Elektrode 14- steht zur zweiten Elektrode 15 hin vor, so dass ein Plasmaraum-Spalt
zwischen der ersten und zweiten Elektrode 14, 15 gebildet wird. Die erste Elektrode 14 ist mit dem Verteiler
über das Funkenenergie-Zuführkabel 20 und mit dem Plasmastrahlenergie-Speichersystem
6 über das Plasmastrahlenergie-Zuführkabel 19 verbunden. Die zweite Elektrode 15 liegt an
Masse. Wenn eine ausreichend hohe Spannung über der ersten und zweiten Elektrode 14, 15 bei Öffnen des Unterbrechers
auftritt, ergibt sich ein elektrischer Überschlag im Plasmaspalt. Die im Speicherkondensator 10 gespeicherte Energie
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gelangt mit dem Entladestrom plötzlich zum Plasmaspalt. Wenn ausreichend elektrische Energie im Plasmaraum 17
während eines ausreichend kurzen Zeitraumes bereitgestellt wird, wird ein Plasmastrahl erzeugt. Ein Teil des Plasmas
im Plasmaraum 1? wird durch die öffnung 18 aus dem Plasmaraum 17 ausgeschleudert.
Im Unterschied zum herkömmlichen elektronischen Zündsystem arbeitet das in Fig. 1 dargestellte Plasmastrahl-Zündsystem
folgendermassen: Wenn zwischen der ersten und zweiten Elektrode 14, 15 ein Funke auftritt, wird im Plasmaraum
ein Plasmastrahl erzeugt. Das elektrisch leitende Plasma im Plasmaraum löst eine Entladung der im Entladekondensator
10 gespeicherten Energie in Form eines Entladestroms aus, der den gasförmigen Plasmabereich weiter aufrechterhält.
Dieses Plasma besteht aus freien Elektronen und Ionen mit hoher Temperatur, so dass die Elektronen und Ionen
daher energetisch und chemisch äusserst aktiv sind. Das Plasma wird durch die elektrische Energie durch Schockerhitzung
des im Plasmaraum 17 eingeschlossenen Gases erzeugt. Dadurch steigt die Temperatur des eingeschlossenen
Gases an und das Gas wird teilweise ionisiert. Der plötzliche Temperaturanstieg führt auch zu einem schnellen
Druckanstieg im teilweise eingeschlossenen Plasma ', so dass ein Teil des Plasmas aus dem Plasmaraum 17 geschleudert
wird. Das eine hohe Temperatur und eine hohe Energie aufweisende, ausgeschleuderte gasförmige Plasma ruft viele
punktförmige Flammen im Verbrennungsraum hervor, so dass eine sichere Zündung des Luft-/Kraftstoff-Gemisches im
Verbrennungsraum gewährleistet ist. Die hohe Temperatur und die hohe Energie des Plasmagases ergibt sich daraus,
dass der Kondensator 10 eine Kapazität von 0,25/uF hat
und auf 3000 V aufgeladen wird, so dass die gespeicherte Energie 1,125J beträgt.
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. · Hlssan , G04-6-80
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Plasmastrahl-Zündsystem tritt jedoch ein Problem auf, das durch die Verwendung
oder die zusätzliche Benutzung eines Plasmastrahlenergie-Speichersystems zusammen mit einem herkömmlichen elektronisehen
Zündsystem herrührt- Das Problem liegt in der Vergrösserung einer Kapazität C zwischen dem Plasmastrahlenergie-Zuführkabelbaum
und Masse- Diese Kapazität C liegt dem Plasmaspalt der jeweiligen Plasmastrahl-Zündkerze
7 parallel. Um im Plasmaspalt bzw. im Plasmaraum einen ausreichend starken Funken zum Auslösen eines Plasmas
im Plasmaraum 1? zu erzeugen, ist eine relativ hohe Spannung
von 20 KV bis 30 KV am Plasmaspalt bzw. -raum erförderlich.
Wenn die Kapazität C , die de.m Plasmaspalt parallel liegt,
jedoch grosser wird, steigt auch der Teil der von dieser
Kapazität C aufgenommenen Funkenenergie an, so dass die am Plasmaspalt anliegende Spannung nicht mehr den erforderlichen
hohen Wert erreicht, / und Fehlzündungen oder Aussetzenbeim Zündvorgang auftreten.
Elektromagnetische Störschwingungen entstehen dadurch, dass ein hoch-energetischer pulsierender Strom über den Plasmastrahlenergie-Zuführkabelbaum
fliesst. Wenn abgeschirmte Kabel zum Unterdrücken von Störschwingungen verwendet werden,
nimmt die parallel zum Plasmaspalt liegende Kapazität weiter zu, so dass die Wahrscheinlichkeit einer Fehlzündung
oder/ ' von Aussetzen noch grosser wird. Die Verwendung abgeschirmter Kabel ist daher nicht praktikabel und es sind
auch sonst bis jetzt keine Massnahmen bekannt, Störschwingungen oder Störsignale zu unterdrücken.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Plasmastrahl-Zündsystem
zu schaffen, bei dem die Wirkung einer Kapazität zwischen einem Plasmastrahlenergie-Zuführkabelbaum
und Masse bezüglich der Funkenentladenergie wesentlich verringert sein soll, und wobei es nicht erforderlich ist,
abgeschirmte Kabel für den Plasmastrahlenergie-Zuführkabel-
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baum zu verwenden, um StörSchwingungen und -signale wirkungsvoll
zu unterdrücken.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit dem in Anspruch 1
angegebenen Plasmastrahl-Zündsystem gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den UnteranSprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäss Plasmastrahl-Zündsystem umfasst also
ein Funkenenergie-Speichersystem, mehrere Plasmastrahl-Zündkerzen, einen Funkenenergie-Zuführkabelbaum, ein
Plasmastrahenergie-Speichersystem, einen Plasmastrahlenergie-Zuführkabelbaum
und mehrere Sperrdioden, die Teil des Plasmastrahlenergie-Zuführkabelbaums sind, wobei
die jeweiligen Anoden der Sperrdioden mit der jeweiligen Plasmastrahl-Zündkerze direkt verbunden sind.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Plasmastrahlenergie-Zuführkabelbaum mehrere abgeschirmte
Kabel auf, deren Abschirmungen an Masse liegen. Die abgeschirmten Kabel führen jeweils zur Kathode einer Sperrdiode.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Zündkerzenkappe zum Aufsetzen auf eine Plasmastrahl-Zündkerze
vorgesehen, wobei in der zugehörigen Zündkerzenkappe eine Sperrdiode eingebettet ist.
Die Erfindung schafft also ein Plasmastrahl-Zündsystem, bei dem ein Plasmastrahlenergie-Speichersystem als Zusatz-
bzw. Erweiterungssystem ausgebildet ist, das zusammen mit
einem herkömmlichen Zündsystem verwendet wird, welches ein Funkenzeitsteuer- und Hochspannungsauslöse-Grundsignal
den Plasmastrahl-Zündkerzen bereitstellt. Das Plasmastrahlenergie-Speichersystem
ist über Sperrdioden mit den Plasma-
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G04-6-8O .. ,
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stralil-Zündkerzen verbunden. Die Anode der jeweiligen
Sperrdiode ist mit der jeweiligen Plasmastrahl-Zündkerze
direkt verbunden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Plasmastrahl-Zündsystein,
Fig. 2 ein erfindungsgemässes Plasmastrahl-Zündsystem
für eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern,
Fig. 3 einen vergrösserten Teilausschnitt, der einen Verbindungsbereich
zwischen einer Zündkerzenkappe aus einem elektrischen Isolator und einer Sperrdiode
wiedergibt,
Fig.4-(A) eine Schaltungsanordnung, die einen Teil des herkömmlichen
Plasmastrahl-Zündsystems und zusätzlich eine Ersatzschaltung wiedergibt, und Fig.4(B) die Schaltungsanordnung von einem Teil des in
Fig. 2 dargestellten Plasmastrahl-Zündsystems mit einer zusätzlichen Ersatzschaltung.
Anhand der Fig. 2 und 3 wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im weiteren erläutert, wobei
der Einfachheit halber für die Teile, die denen von Fig. entsprechen, mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1
versehen wurden. Fig. 2 zeigt eine Zündspule 2, einen Verteiler 4-, Funkenenergie-Zuführkabel bzw. einen Funkenenergie-Zuführkabelbaum
20, ein Plasmastrahlenergie-Speichersystem 6, Plasmastrahlenergie-Zuführkabel bzw.
einen Plasmastrahlenergie-Zuführkabelbaum 19 und Plasmastrahl-Zündkerzen
7·
Der Plasmaenergie-Zuführkabelbaum v/eist mehrere Hochspannungs-Widerstandskabel
bzw. hochspannungsfeste Kabel auf, die jeweils in herkömmlicher Weise zu den Plasmastrahl-Zündkerzen
7 führen.
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Nissan G046-80
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Der Plasmastrahlenergie-Zuführkabelbaum weist melirere
Sperr dioden 13 auf, die verhindern, dass IPunkenenergie
auf einen Speicherkondensator 10 (vgl. Fig.- 1) gelangt.
Die Anode 13a der jeweiligen Sperrdioden 13 ist mit der jeweiligen Plasmastrahl-Zündkerze 7 verbunden, wie dies
aus !Fig. 3 zu ersehen ist.
Wie Fig. 3 weiter zeigt, ist eine Zündkerzenkappe 30 aus
elektrisch isolierendem Material einstückig mit einem Aussenmantel 32 des Hochspannungs-Widerstandskabels 20
ausgebildet. Die Zündkerzenkappe 30 weist einen Metallleiter
22 auf, der mit den Plasmastrahl-Zündkerzen in Eontakt gebracht wird. Die Anode 13a der Sperrdiode 13
ist mit dem Metalleiter 34- verbunden. Die Zündkerzenkappe
30, in der auch die Sperrdiode 13 eingebettet sein kann, umschliesst einen Verbindungsbereich, in dem der Metallleiter
22 mit der Anode 13a der Sperrdiode 13 in Verbindung steht.
Der Plasmastrahlenergie-Zuführkabelbaum besteht aus mehreren abgeschirmten Kabeln 19, deren Abschirmungen an Masse
liegen (vgl. Fig. 4(A)). Jeweils ein abgeschirmtes Kabel ist mit einer Kathode 13b der jeweiligen Sperrdiode 13 verbunden.
Diese Ausführung mit abgeschirmten Kabeln 13 dient der Abschirmung oder Verringerung einer Ab strahlung
von Störsignalen und Störwellen vom Plasmastrahlenergie-Zuführkabelbaum.
Anhand der Fig. 4(A) und 4(B) wird nachfolgend beschrieben, welche unterschiedlichen Einflüsse die Kapazität C0 des
abgeschirmten Kabels 19 in Abhängigkeit von der Stelle,
•an der die Sperrdiode 13 angeordnet ist, auf die Erzeugung eines Funkens hat. Die Fig. 4(A) zeigt die herkömmliche
Schaltung und die Fig. 4(B) zeigt die erfindungsgemasse
Schaltung. Bei der in Fig. 4(A) dargestellten Schaltung
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wird die Plasmastrahl-Zündkerze auf Grund der statischen Kapazität des abgeschirmten Kabels 19 auch dann überbrückt,
wenn ein negativer Hoch spannungsimpuls in der Zündspule
erzeugt wird, so dass ein optimaler Funke nicht erzeugt werden kann. In diesem Falle ist die Diode 13 in Sperrrichtung
vorgespannt und wirkt als Kondensator mit einer Verarmungsschicht-Kapazität C^ (die wesentlich, kleiner als
C ist). Bei der in Fig. 4(B) dargestellten Schaltungsan-
Ordnung befindet sich die Diode 13 zwischen der Plasmastrahl-Zündkerze
7 und der Kapazität C_ des abgeschirmten
Kabels 19· Die Diode 13 ist in Sperrichtung vorgespannt, wenn eine negative Hochspannung von der Zündspule 2 an der
Diode auftritt, so dass sie als Kondensor mit kleiner Kapazität Cn. wirkt. Da die Kapazität G-^ in Reihe mit C
und C liegt, ist die statische Kapazität, die parallel zur Zündkerze 7 liegt, bei dieser Schaltungsausführung
wesentlich verringert.
Aus der vorausgegangenen Beschreibung wird also ersichtlich, dass die Sperrdioden gemäss der vorliegenden Erfindung
nahe dem jeweiligen Plasmastrahl-Zündspulen angeordnet sind, indem die Sperrdioden mit ihren Anoden direkt an die
Plasmastrahl-Zündkerzen angeschlossen sind. Dadurch kann
ein Abfall der Versorgungsspannung am Plasmaspalt auf Grund der an Masse liegenden Kapazität der Kabel vermieden
werden, so dass ein guter Zündfunke erzeugt werden kann, und da nachteilige, durch die abgeschirmte Kapazität verursachte
Wirkungen reduziert werden können, können die abgeschirmten Kabel als Mittel zur Unterdrückung einer Abstrahlung
von StörSignalen oder Störwellen verwendet werden.
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•hi-
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Claims (8)
1.) Plasmastrahl-Zündsystem, gekennzeichnet
durch
- ein Funkenenergie-Speichersystem mit einer Zündspule (2), die eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung
aufweist, einem Zündauslöser (3)i der mit
der Primärwicklung der Zündspule verbunden ist, und einem Verteiler (4), der mit der Sekundärwicklung
der Zündspule in Verbindung steht,
- mehrere Plasmastrahl-Zündkerzen (7),
- einen Eunkenenergie-Zuführkabelbaum(20), der die
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Nissan G-046-80
Plasmastrahl-Zündkerzen mit dem Verteiler verbindet,
- ein Plasmastrahlenergie-Speichersystem mit einer
Hochspannungsquelle (8), einem Energiespeicher und
einer Impulsformerschaltung, die einen mit der Hochspannungsquelle
(8) in Verbindunge stehenden Speicherkondensator
(10) aufweist,
- einen Plasmastrahlenergie-Zuführkabelbaum (19, 13) ι
der die Plasmastrahl-Zündkerzen mit dem Energiespeicher und der Impulsformerschaltung des Plasmastrahlenergie-Speichersystem
verbindet und mehrere Sperrdioden, die verhindern, dass die Funkenenergie zum Speicherkondensator gelangt, aufweist, wobei
die Anoden der jeweiligen Sperrdioden direkt mit einer der Plasmastrahl-Zündkerzen verbunden sind.
2. Plasmastrahl-Zündsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Plasmastrahlenergie-Zuführkabelbaum mehrere abgeschirmte Kabel mit an Masse liegenden
Abschirmungen aufweist und die jeweiligen abgeschirmten Kabel zu der jeweiligen Sperrdiode führen und mit der
Kathode der jeweiligen Sperrdiode verbunden sind.
3- Plasmastrahl-Zündsystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet
durch mehrere Zündkerzenkappen, die auf die Plasmastrahl-Zündkerzen jeweils aufgesetzt werden
und einen Metalleiter aufweisen, der mit den jeweiligen Plasmastrahl-Zündkerzen in Kontakt kommt, und dass die
Anode der jeweiligen Sperrdiode mit dem Metalleiter der jeweiligen Zündkerzenkappe verbunden ist.
4. Plasmastrahl-Zündsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrdioden
(13) in den jeweiligen Zündkerzenkappen eingebettet sind.
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5- Plasmastrahl-Zündsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündenergie-Zuführkabelbaum
mehrere Hochspannungs-Widerstandskabel aufweist, die jeweils zu Plasmastrahl-Zündkerzen führen.
6. Plasmastrahl-Zündsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5? dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerzenkappen
einen Verbindungsbereich umschliessen, in dem der Metalleiter der Zündkerzenkappe mit der Anode
der jeweiligen Sperrdiode in Verbindung steht.
7- Plasmastrahl-Zündsystem nach einem der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündauslöser ein Unterbrecher (3) ist.
8. Plasmastrahl-Zündsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie speicherund
Impulsformerschaltung eine Umpoldiode (11), die
so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie die Energiezuführung verbessert, indem sie das Auftreten der
Umkehrspannung am Speicherkondensator (10) verhindert,
sowie eine Induktivität (12) aufweist, die so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie den Spitzenwert
des vom Speicherkondensator bereitgestellten Entladestroms begrenzt und die Entladedauer festlegt.
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