DE3015611C2

DE3015611C2 - Plasmastrahl-Zündsystem

Info

Publication number: DE3015611C2
Application number: DE3015611A
Authority: DE
Inventors: Yukitsugu Yokohama Hirota; Iwao Yokosuka Imai
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1979-04-24
Filing date: 1980-04-23
Publication date: 1986-02-27
Also published as: DE3015611A1; JPS5842620Y2; JPS55156263U; US4308488A

Description

2. Plasmastrahl-Zündsystem nach Anspruch !,gekennzeichnet durch mehrere Zündkerzenkappen (30), die auf die Plasmastrahl-Zündkerzen (7) jeweils aufgesetzt werden und einen Metalleiter (22) aufweisen, der mit den jeweiligen Plasmastrahl-Zündkerzen in Kontakt kommt, und daß die Anode (Haider jeweiligen Sperrdiode (13) mit dem Metalleiter der jeweiligen Zündkerzenkappe verbunden ist.

3. Plasmastrahl-Zündsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrdioden (13) in den jeweiligen Zündkerzenkappen (30) eingebettet sind.

4. Plasmastrahl-Zündsystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerzen-Kappen (30) einen Verbindungsbereich umschließen, in dem der Metalleiter (22) der Zündkerzenkappe mit der Anode (Ma) der jeweiligen Sperrdiode (13) in Verbindung steht.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Plasmastrahl-Zündsysiem für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen.

Um Fehlzündungen und Aussetzen 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 BetriebsverhaJten 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 F i g. 1 dargestellt und umfaßt ein Plasmastrahl-Energie-Speichersystem, das als Zusatz- bzw. Erweiterung des Systems ausgebildet ist und zusammen mit einem herkömmlichen Zündsystem verwendet wird, welches das Funkenzeitsteuer· und Hochspannungsaus-Iöse-Basissignal den 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. Ballastwiderstand Rn, und deren Sekundärwicklung über eine Hochspannungsdiode mit einem Verteiler 4 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.

Das Plasmastrahlenergie-Speichersystem 6 umfaßt eine Hochspannungsquelle 8, einen Lade- bzw. Dämpfungswiderstand 9, einen Speicherkondensator 10, eine Freilaufdiode 11, die die Energiezuführung dadurch verbessert, daß sie 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 Freilaufdiode 11 und die Induktivität 12 bilden eine Energiespeicher- und Impulsformerschaltung, die mit allen Plasmastrahl-Zündkerzcn 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 Funkenergie zum Speicherkondensator 10 gelanget, sind Sperrdioden 13 vorgesehen.

Die in F i g. 1 dargestellte Plasmastrahl-Zündkerze 7 weist eine erste oder stabförmige Elektrode 14, 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 4 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 3 auftritt, ergibt sich ein elektrischer Überschlag im Plasmaspalt. Die im Speicherkondensator 10 gespeicherte Energie gelangt mit dem Entladestrom plötzlich zum Plasmaspalt. Wenn ausreichend elektrische Energie im Plasmaraum 17 während eines ausrcichend kurzen Zeitraums bereitgestellt wird, wird ein Plasmastrahl erzeugt. Ein Teil des Plasmas im Plasmaraum 17 wird durch die Öffnung 18 aus dem Plasmaraum ^ausgeschleudert.

Im Unterschied zum herkömmlichen elektronischen Zündsystem arbeitet das in F i g. 1 dargestellte Plasmanrahl-Zündsystem folgendermaßen: Wenn zwischen der ersten und zweiten Elektrode 14,15 ein Funke auftritt wird im Plasmaraum 17 ein Plamastrahl erzeugt. Das elektrisch leitende Plasma im Plasmaraum löst eine Entladung der im Entladekondensator *0 gespeicherten Energie in Form eines Entladestroms aus, der den gasförmigen Plasmabereich weiter aufrechterhält Dieses Plasma besteht aus freien Elektronen und ionen nut 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 μΡ hat und auf 3000 V aufgeladen wird, so daß die gespeicherte Energie 1,125 J beträgt.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Plasmastrahl-Zündsystem tritt jedoch ein Problem auf, das durch die Verwen dung eines Plasmastrahlenergie-Speichersystems zusammen mit einem herkömmlichen elektronischen Zündsystem herrührt. Das Problem liegt in der Vergrößerung einer Kapazität C₅ 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 17 zu erzeugen, ist eine relativ hohe Spannung von 20 KV bis 30 KV am Plasmaspalt bzw. -raum erforderlich. Wenn die Kapazität Cs, die dem Plasmaspalt parallel liegt, jedoch größer wird, steigt auch der Teil der von dieser Kapazität C₅ aufgenommenen Funkenenergie an, so daß die am Plasmaspalt anliegende Spannung nicht mehr den erforderlichen hohen Wert erreicht und Fehlzündungen oder Aussetzen beim Zündvorgang auftreten. Elektromagnetische Störschwingungen entsteinen da-Beim erfindungsgemäßen Zündsystem sind die Sperrdioden mit ihren Anoden direkt an die Plasmastrahl-Zündkerzen angeschlossen, wodurch ein Abfall der Versorgungsspannung am Plasmaspalt aufgrund der an s Masse liegenden Kapazität der Kabel vermieden wird. so daß ein guter Zündfunke erzeugt werden kann. Da nachteilige, durch die abgeschirmte Kapazität verursachte Wirkungen reduziert werden können, können die abgeschirmten Kabel als Mittel zur Unterdrückung einer Abstrahlung von Störsignalen verv/endet werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 schematisch ein Plasmastrahl-Zündsystem, F i g. 2 ein erfindungsgemäßes Plasmastrahl-Zündsystern 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 F i g. 2 dargestellten Plasmastrahl-Zündsystems mit einer zusätzlichen Ersatzschaltung.

Anhand der F i g. 2 und 3 wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im weiteren erläutert, wobei der Einfachheit halber für die Teile, die denen von Fig. 1 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen wie in F i g. 1 versehen wurden. F i g. 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 Funkenenergie-Zuführkabelbaum weist mehrere Hochspannungs-Widerstandskabel bzw. hochspannungsfeste Kabel 20 auf, die jeweils in herkömmlicher Weise zu dem Plasmastrahl-Zündkerzen 7 führen.

Der Plasmastrahlenergie-Zuführkabelbaum weist mehrere Sperrperioden 13 auf, die verhindern, daß Funkenenergie auf einen Speicherkondensator 10 (vgl. F i g. 1) gelangt. Die Anode 13a der jeweiligen Sperrdioden 13 ist mit der jeweiligen Plasmastrahl-Zündkerze 7 verbunden, wie dies aus F i g. 3 zu ersehen ist.

Wie F i g. 3 weiter zeigt, ist eine Zündkerzenkappe 30 aus elektrisch isolierendem Material einstückig mit einem Außenmantel 32 des Hochspannungs-Widerstands-

durch, daß ein hoch-energetischer pulsierender Strom 50 kabeis 20 ausgebildet. Die Zündkerzenkappe 30 weist über den Plasmastrahlenergie-Zuführkabelbaum fließt. einen Metalleiter 22 auf, der mit den Plasmastrahl-Wenn abgeschirmte Kabel zum Unterdrücken von Stör- Zündkerzen in Kontakt gebracht wird. Die Anode 13a schwingungen verwendet werden, nimmt die parallel der Sperrdiode 13 ist mit dem Metalleiter 34 verbunden, zum Plasmaspalt liegende Kapazität weiter zu, so daß Die Zündkerzenkappe 30, in der auch die Sperrdiode 13 die Wahrscheinlichkeit einer Fehlzündung oder von 55 eingebettet sein kann, umschließt einen Verbindungsbe-Zündaussetzern noch größer wird. Die Verwendung ab- reich, in dem der Metalleiter 22 mit der Anode 13a der

geschirmter Kabel ist daher nicht praktikabel und es sind auch sonst bis jetzt keine Maßnahmen bekannt, Störschwingungen oder Störsignaie 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.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem in Anspruch 1 angegebenen Plasmastrahl-Zündsystem gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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 136 der jeweiligen Sperrdiode 13 verbunden. Diese Ausführung mit abgeschirmten Kabeln 13 dient der Abschirmung oder Ve^rnngerung einer Abstrahlung von Störsignalen und Störwellen vom Plasmastrahlenergie-Zuführkabelbaum.

Anhand der F i g. 4(A) und 4(B) wird nachfolgend beschrieben, welche unterschiedlichen Finfliksp Hip liana-

zität C 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 erfindungsgemäße Schaltung. Bei der in Fig.4(A) dargestellten Schaltung wird die Plasmastrahl-Zündkerze auf Grund der statischen Kapazität des abgeschirmten Kabels 19 auch dann überbrückt, wenn ein negativer Hochspannungsimpuls in der Zündspule 2 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 Cd (die wesentlich kleiner als C_s ist). Bei der in F i g. 4(B) dargestellten Schaltungsanordnung befindet sich die Diode 13 zwisehen 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 Cd wirkt. Da die Kapazität Cd in Reihe mit G und Cliegt, ist die statische Kapazität, die parallel zur Zündkerze 7 liegt, bei dieser Schaltungsausführung wesentlich verringert.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

30

40

45

50

55

Claims

Patentansprüche:
1. Plasmastrahl-Zündsystem mit

— einem Funkenenergie-Speichersystem mit einer Zündspule (2), die eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweist, einem Zündauslöser (3), der mit der Primärwicklung der Zündspule verbunden ist, und einem Verteiler (4) der mit der Sekundärwicklung der Zündspule in Verbindung steht,

— mehreren Plasmastrahl-Zündkerzen (7),

— einem Funkenenergie-Zuführkabelbaum (20), der die Plasmastrahl-Zündkerzen mit dem Verteiler verbindet,

— einem Plasmastrahlenergie-Speichersystem mit einer Hochspannungsquelle (8), einem Energiespeicher und einer Impulsformerschaltung, die einen mit der Hochspannungsquelle (8) in Verbindung stehenden Kondensator (10) aufweist,

— einem Plasmastrahlenergie-Zuführkabelbaum mit Plasmastrahlenergie-Zuführkabeln (19), die die Phsmastrahl-Zündkerzen mit dem Energiespeicher und der Impulsformerschaltung des Plasmastrahlenergie-Speichersystems verbinden, und

— jeweils einer Sperrperiode (13) in Verbindung mit jedem Plasmastrahlenergie-Zuführkabel (19), dadurch gekennzeichnet, daß

— die Anode jeder Sperrdiode (13) direkt mit der zugeordneten Plasmastrahl-Zündkerze (7) und die Kathode jeder Sperrdiode (13) mit dem zugeordneten Plasmastrahienergie-Zuführkabel (19) verbunden ist und daß jedes Piasmastrahlenergie-Zuführkabel (19) eine geerdete Abschirmung aufweist.