DE60026841T2

DE60026841T2 - Zündkerze mit vorwärtstreibendem funken und langer lebensdauer und zugehörige zündschaltung

Info

Publication number: DE60026841T2
Application number: DE60026841T
Authority: DE
Inventors: Szymon Princeton SUCKEWER; Gunter Trenton SCHEMMANN; P. Artur Princeton SUCKEWER
Original assignee: Knite Inc
Current assignee: Knite Inc
Priority date: 1999-09-15
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2020-06-17
Also published as: MXPA02002939A; EP1214519A1; TW505732B; EP1214519B1; DE60026841D1; CA2383187C; WO2001020160A1; ATE321206T1; CA2383187A1; US6474321B1; AU5620100A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Brennkraftmaschinen-Zündsysteme, und spezieller eine Wanderfunken-Zündvorrichtung, die eine lange Lebensdauer aufweist, und eine zugehörige Zündschaltung für diese.
Hintergrund der Erfindung
Bei Brennkraftmaschinen sind zahlreiche Änderungen vorgenommen worden, seit ihrer ursprünglichen Entwicklung am Ende des letzten Jahrhunderts. Zahlreiche dieser evolutionären Änderungen können als Reifen der Technik angesehen werden, wobei die fundamentalen Grundlagen gleich bleiben. Dies ist der Fall bei dem Zündsystem. Einige seiner Entwicklungen umfassen das Ersetzen mechanischer Verteiler durch elektronische, was die Verlässlichkeit verbessert, und eine einfache Zündeinstellung unter unterschiedlichen Brennkraftmaschinen-Betriebszuständen ermöglicht. Die elektronischen Einrichtungen, die zur Erzeugung der Hochspannung verantwortlich sind, die für die Entladung benötigt wird, haben sich geändert, wobei heutzutage Systeme mit transistorisierter Spulenzündung (TCI) und kapazitiver Entladungszündung (CDI) heutzutage üblich sind.
Da Bedürfnis nach einer verbesserten Zündquelle wurde seit langem erkannt. Viele Erfindungen wurden entwickelt, welche vergrößerte Zündkerne zur Verfügung stellen. Der Einsatz von Plasmadüsenstrahlen und Lorentzkraft-Plasmabeschleunigern waren der Gegenstand zahlreicher Untersuchungen und vieler Patente. Die Hauptschwäche einiger der früheren Erfindungen war das Erfordernis einer übermäßig hohen Zündenergie, was jede mögliche Wirkungsgradverbesserung bei der Brennkraftmaschine ausschaltet, bei welcher sie eingesetzt werden. Diese Erfordernisse einer höheren Zündenergie haben zu höheren Raten der Zündvorrichtungselektrodenerosion geführt, was die Betriebslebensdauer derartiger Zündvorrichtungen auf nicht akzeptable Niveaus herabsetzt.
Die elektrische Energie, die bei diesen frühren Systemen benötigt wird, beispielsweise von Fitzgerald et al, US-Patent 4,122,816, wird als mehr als 2 Joules pro Zündung angegeben (Spalte 2, Zeilen 55–63). Diese Energie ist etwa 40 mal höher als jene, die bei herkömmlichen Zündkerzen eingesetzt wird.
Matthew et al., unten angegeben, berichten den Einsatz elektrischer Energie von 5,5 Joules pro Zündung oder mehr als das hundertfache jener Energie, die in herkömmlichen Zündsystemen eingesetzt wird.
Man betrachte eine Sechszylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine, die bei 3.600 U/min betrieben wird, die ein Zünden von drei Zylindern bei jeder Umdrehung benötigt, oder 180 Zündungen pro Sekunde. Bei 2 Joule pro Zündung ergibt dies 360 Joules/Sekunde. Diese Energie muss von der Brennkraftmaschine bei einem typischen Wirkungsgrad von etwa 18% bereitgestellt werden, und in geeignete Hochspannung durch Energiewandlervorrichtungen mit einem typischen Wirkungsgrad von etwa 40% umgewandelt werden, bei einem Nettoeinsatz des Brennkraftmaschinen-Kraftstoffs von etwa 7,2%. Bei Fitzgerald wird ein Kraftstoffenergieverbrauch von 360/0,072 Joule/Sekunde benötigt, oder etwa 5.000 Joules/Sekunde, nur um das Zündsystem zu betreiben.
Um ein Fahrzeug von 1.250 kg auf einer ebenen Straße bei etwa 80 km/h (etwa 50 mph) zu bewegen, ist eine Energieverbrauchsrate von etwa 9.000 Joules/Sekunde erforderlich. Bei einem Umwandlungswirkungsgrad von Brennkraftmaschinen-Kraftstoff in Bewegungskraft von 18% werden etwa 50.000 Joules/Sekunde an Kraftstoff verbraucht. Das System, das von Fitzgerald et al. eingesetzt wird, nachstehend angegeben, setzt daher etwa 10% der Kraftstoffenergie, die zum Fahren des Fahrzeugs verbraucht wird, zum Betrieb des Zündsystems ein. Dies ist mehr als die Wirkungsgraderhöhung, die durch Einsatz des Zündsystems von Fitzgerald et al. erwartet wird.
Im Vergleich setzen herkömmliche Zündsysteme etwa 0,25% der Kraftstoffenergie für den Betrieb des Zündsystems ein. Die hohe Energie, die bei diesen Systemen verwendet wird, führt jedoch zum Auftreten hoher Ausmaße an Erosion in den Elektroden der Zündkerzen, wodurch die nutzbare Lebensdauer wesentlich verringert wird. Diese verkürzte Lebensdauer ist in der Arbeit von Matthews et al., nachstehend angegeben, verdeutlicht, wo das Erfordernis zur Verringerung der Zündenergie anerkannt wird, obwohl keine Lösung zur Verfügung gestellt wird.
Zusätzliche Versuche zur Lösung dieses Problems sind in der Arbeit von Tsao und Durbin (Tsao, L. und Durbin, E. J., „Evaluation of Cyclic Variation and Lean Operation in a Combustion Engine with a Multi-Electrode Spark Ignition System" angegeben, Princeton University, MAE Report, (Januar 1984), wo ein Zündkern, der größer als üblich war, durch eine Zündkerze mit mehreren Elektroden erzeugt wurde, was zu einer Verringerung der zyklischen Schwankungen der Verbrennung führte, einer Verringerung der Funkenvoreilung, und einer Erhöhung der Ausgangsleistung. Die Zunahme der Kerngröße betrug nur das Sechsfache als bei einer üblichen Zündkerze.
Bradley und Critchley (Bradley, D., Critchley, I. L., "Electromagnetically Induced Motion of Spark Ignition Kernels", Combust. Flame 22, Seiten 143–152 (1974)) waren die ersten, die den Einsatz elektromagnetischer Kräfte zum Hervorrufen einer Bewegung des Funkens in Betracht gezogen haben, mit einer Zündenergie von 12 Joules. Fitzgerald (Fitzgerald, D. J., "Pulsed Plasma Ignitor for Internal Combustion Engines", SAE-Veröffentlichung 760764 (1976); und Fitzgerald, D. J., Breshears, R. R., "Plasma Ignitor for Internal Combustion Engines", US-Patent Nr. 4,122,816 (1978)) schlugen vor, gepulste Plasmaschubvorrichtungen für die Zündung von Kraftfahrzeugbrennkraftmaschinen mit erheblich niedrigerer, jedoch immer noch beträchtlicher Zündenergie einzusetzen (annähernd 1,6 J). Obwohl ermöglicht wurde, die Grenze für den Magerbetrieb auszudehnen, war die Gesamtleistung derartiger Plasmaschubvorrichtungen, die für Zündsysteme eingesetzt wurde, nicht signifikant besser als jene üblicher Zündkerzen und der Funken, die sie erzeugen. In diesem System wurde erheblich mehr Zündenergie eingesetzt, ohne eine signifikante Vergrößerung der Plasmakerngröße. (Clements, R. M., Smy, P. R., Dale, J. D., „An Experimental Study of the Ejection Mechanism for Typical Plasma Jet Ignitors", Combustion Flame 42, Seiten 287–295 (1981)). In jüngerer Zeit haben Hall et al. (Hall, M. J., Tajima, H., Matthews, R. D., Koeroghlian, M. M., Weldon, W. F., Nichols, S. P., "Initial Studies of a New Type of Ignitor: The Railplug", SAE-Veröffentlichung 912319 (1991)), and Matthews et al. (Matthews, R. D., Hall, M. J., Faidley, R. W., Chiu, J. P., Zhao, X. W., Annezer, I., Koening, M. Hl, Harber, J. Fl, Darden, M. H., Weldon, W. F., Nichols, S. P., „Furhter Analysis of Railplugs as a New Type of Ignitor", SAE-Veröffentlichung 922167 (1992)), gezeigt, das ein „Schienenstopfen" bei einer Energie von mehr als 6 J (2,4 cm lang) eine sehr beträchtliche Verbesserung bei Exposionskalurimeterversuchen zeigte. Sie beobachteten auch Verbesserungen im Magerbetrieb einer Brennkraftmaschine, wenn sie mit ihrer Zündkerze bei einer Zündenergie von 5,5 J betrieben wurde. Sie schrieben das Erfordernis dieser übermäßig hohen Energie einer schlechten Anpassung zwischen der elektrischen Schaltung und der Zündkerze zu. Dieses Niveau der Energie, die in der Zündkerze verbraucht wird, beträgt etwa 25% der Energie, die beim Vorwärtsbewegen eines Fahrzeugs von 1250 kg bei 80 km/h auf einer ebenen Straße verbraucht wird. Irgendwelche Wirkungsgradverbesserungen bezüglich der Brennkraftmaschinenleistung würden mehr als verbraucht durch die erhöhte Energie im Zündsystem.
In der US-A-5,704,321 wird ein Wanderfunkenzündsystem beschrieben, das einen Plasmainjektor und eine zugehörige Elektronikschaltung einsetzt, die effizient zugeführte elektrische Energie zum Betreiben des Plasmainjektors einsetzt.
In der US-A-5,456,241 wird ein Hochleistungs-Hochenergie-Zündsystem für Brennkraftmaschinen beschrieben.
Zusammenfassung der Erfindung
Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung überwinden die voranstehenden und andere Nachteile im Stand der Technik bei Zündvorrichtungen und Zündsystemen für Brennkraftmaschinen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Plasmaerzeugungsvorrichtung beschrieben, die eine lange Lebensdauer aufweist. Der hier verwendete Begriff „Plasmaerzeugungsvorrichtung" bezeichnet eine Zündvorrichtung (Zündkerze), die ein großes Plasmavolumen erzeugt. Eine spezielle Art einer Plasmaerzeugungsvorrichtung ist eine Wanderfunken-Zündvorrichtung (TSI). Eine TSI erzeugt einen ursprünglichen Funken zwischen zwei Elektroden infolge einer ersten Hochspannung zwischen den Elektroden. Dieser ursprüngliche Funken erzeugt ein Plasma, das dann nach außen bewegt wird, durch sowohl Lorentzkräfte als auch Wärmeausdehnungskräfte. Wenn der Funken nach außen bewegt wird, wird zumindest ein Anteil des Gases, das in dem Raum zwischen den Elektroden vorhanden ist, in ein Plasma umgewandelt. Beispiele für TSIs sind beschrieben im US-Patent Nr. 5,704,321, voranstehend erwähnt, und in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/204,440 mit dem Titel „High Efficiency Traveling Spark Ignition System and Ignitor therefore", in welchen sich weitere Einzelheiten finden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Plasmaerzeugungsvorrichtung zur Verfügung gestellt, welche aufweist: zumindest zwei beabstandete Elektroden, zwischen denen ein Entladungsspalt vorgesehen ist; und gekennzeichnet durch ein elektrisch isolierendes Material, das einen wesentlichen Abschnitt des Raums zwischen den Elektroden ausfüllt, wobei das elektrisch isolierende Material eine obere Oberfläche aufweist, die sich nicht über die gesamte Entfernung zwischen den Elektroden erstreckt; wobei die Elektroden solche Abmessungen und eine solche Ausbildung aufweisen, und ihr Abstand so ausgewählt ist, dass dann, wenn ein Plasma zwischen den Elektroden in einem Einleitungsbereich ausgebildet wird, eine Lorentzkraft durch den Strom in zumindest einer Elektrode und ein Strom erzeugt wird, der zwischen den Elektroden, über die obere Oberfläche und die Entfernung zwischen den Elektroden fließt, die nicht von der oberen Oberfläche eingenommen wird, und sich das Plasma nach außen entlang den Elektroden und weg von dem Einleitungsbereich und der Einwirkung zumindest der Lorentzkraft bewegt, und wobei zumindest ein Abschnitt des Einleitungsbereiches auf zumindest einem Abschnitt der oberen Oberfläche angeordnet ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung eines großen Volumens eines sich bewegendem Plasma zur Verfügung gestellt, wobei vorgesehen sind: Bereitstellung einer Plasmaerzeugungsvorrichtung, die zumindest zwei beabstandete Elektroden aufweist, zwischen denen ein Entladungsspalt vorhanden ist, und eines elektrisch isolierenden Materials, das einen wesentlichen Abschnitt des Raums zwischen den Elektroden ausfüllt, wobei das elektrisch isolierende Material eine obere Oberfläche aufweist, die sich nicht über die gesamte Entfernung zwischen den Elektroden erstreckt, und zumindest ein Abschnitt eines Plasmaeinleitungsbereiches auf zumindest einem Abschnitt der oberen Oberfläche angeordnet ist, und die Elektroden solche Abmessungen und eine solche Ausbildung aufweisen, und ihr Abstand so gewählt ist, dass dann, wenn ein Plasma zwischen den Elektroden in dem Einleitungsbereich ausgebildet wird, eine Lorenzkraft durch den Strom in zumindest einer Elektrode und einen Strom erzeugt wird, der zwischen den Elektroden, über die obere Oberfläche und die Entfernung zwischen den Elektroden fließt, die nicht von der oberen Oberfläche eingenommen wird, und sich das Plasma nach außerhalb der Elektroden und weg von dem Einleitungsbereich unter Einfluss dieser Lorenzkraft bewegt, und Energieversorgung einer elektrischen Vorrichtung zur Erzeugung zumindest eines elektrischen Impulses, der dazu ausreicht, ein Plasma zwischen den Elektroden der Plasmaerzeugungsvorrichtung zu erzeugen, und eine Lorenzkraft, die auf das Plasma einwirkt, und dazu ausreicht, das Plasma dazu zu veranlassen, sich weg von dem Einleitungsbereich unter Einwirkung zumindest der Lorenzkraft zu bewegen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert und beschrieben, in welchen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, wobei:
1 eine Querschnittsansicht einer zylindrischen Marshall-Kanone mit einer schematischen Darstellung von deren Betrieb ist, was nützlich zum Verständnis der Erfindung ist;
2 eine Querschnittsansicht einer zylindrischen Wanderfunken-Zündvorrichtung ist, nicht entsprechend der vorliegenden Erfindung, aber nützlich für deren Verständnis, entlang den Achsen des Zylinders, einschließlich zweier Elektroden, wobei das erzeugte Plasma sich durch Expansion in Axialrichtung ausbreitet;
3A eine detaillierte Ansicht der Spitze einer zylindrischen Wanderfunken-Zündvorrichtung für die Anordnung von 2 ist;
3B eine detaillierte Ansicht der Spitze einer Ausführungsform der Erfindung einer zylindrischen Wanderfunken-Zündvorrichtung ist;
4 eine dreidimensionale Querschnittsansicht ist, welche weiterhin eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 eine Querschnittsansicht einer Wanderfunken-Zündvorrichtung für eine andere Anordnung nicht gemäß der vorliegenden Erfindung ist, jedoch nützlich zu deren Verständnis, bei welcher sich das erzeugte Plasma durch Expansion in Radialrichtung ausbreitet;
6 eine geschnittene Ansicht einer Wanderfunken-Zündvorrichtungsanordnung ist, nicht gemäß der vorliegenden Erfindung, angebracht in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine;
7 eine geschnittene Ansicht einer Wanderfunken-Zündvorrichtung ist, nicht gemäß der Erfindung, angebracht in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine;
8 eine Querschnittsansicht noch einer anderen Wanderfunken-Zündanordnung zeigt, nicht gemäß der vorliegenden Erfindung;
9A eine Längsschnittansicht einer anderen Wanderfunken-Zündvorrichtungsanordnung zeigt, nicht gemäß der Erfindung;
9B eine Ansicht von hinten der Wanderfunkenzündvorrichtung von 9A ist, wobei die freien Enden gegenüberliegender Elektroden gezeigt sind;
9C eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts von 9B ist;
10 eine Darstellung der Zündvorrichtungsanordnung von 2 ist, angeschlossen an eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine elektrische Zündschaltung zum Betreiben der Zündvorrichtung;
11 ein schematisches Blockschaltbild einer Zündschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
12 ein schematisches Schaltbild einer anderen Zündschaltungsausführungsform gemäß der Erfindung zeigt;
13 eine Ausführungsform der sekundären Elektronik von 11 zeigt;
14A–14C alternative Ausführungsformen einer primären Elektronik von 11 zeigen;
15A–15C alternative Ausführungsformen der sekundären Elektronik von 11 zeigen;
16 ein schematisches Blockschaltbild einer elektrischen Zündschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
17 eine detailliertere Version der in 16 gezeigten Schaltung ist;
18 eine detailliertere Version der sekundären Schaltung ist, die in 17 gezeigt ist;
19 ein Diagramm ist, das ein Beispiel für die Spannung zwischen den Elektroden einer Zündkerze im Verlauf der Zeit zeigt, die durch die Schaltung von 18 erzeugt werden kann;
20 eine Alternative für die in 18 gezeigte, sekundäre Schaltung ist;
21 eine weitere Alternative für die in 18 gezeigte, sekundäre Schaltung ist;
22 eine Abänderung der in 21 gezeigten Schaltung ist;
23 eine Reihenschaltungsversion der in 17 gezeigten Schaltung ist;
24 eine Abänderung der in 23 gezeigten Schaltung ist;
25 eine weitere Abänderung der Zündschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
26 eine weitere Ausführungsform der Zündschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
27 die sekundäre Elektronik zeigt, die in einer Zusatzeinheit enthalten ist, die in Kombination mit einem herkömmlichen Zündsystem eingesetzt werden soll;
28 zeigt, wie eine herkömmliche Zündkerze in einem Brennraum angeordnet werden kann; und
29 zeigt, wie Zündvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Brennraum angeordnet werden können.
Detaillierte Beschreibung
Die folgende, detaillierte Beschreibung schildert verschiedene Ausführungsformen und Bestandteile von Aspekten der vorliegenden Erfindung. Es wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Aspekte der Erfindung kombiniert oder weggelassen werden können, abhängig vom Zusammenhang, und dass die erforderlichen Elemente für jede Ausführungsform nur in den beigefügten Patentansprüchen enthalten sind.
I. Allgemeine Theorie des Betriebs
Die folgende Diskussion betrifft den allgemeinen Betrieb einer Plasmaerzeugungsvorrichtung, um deutlicher Aspekte der vorliegenden Erfindung zu erläutern.
1 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform einer Marshall-Kanone (Plasmakanone) nach dem Stand der Technik, die mit Einschränkungen eine wirksame Art und Weise zur Erzeugung eines großen Plasmavolumens darstellt. Die schematische Darstellung in 1 zeigt den elektrischen Strom und das Magnetfeld 4 in einem Beispiel für eine Marshall-Kanone, wobei B_θ das poloidale Magnetfeld entlang der Feldlinie 4 ist. Das Plasma 16 wird in Richtung 6 nach außen durch die Wirkung des Lorentz-Kraftvektors F und der Wärmeexpansion bewegt, wobei ständig neues Plasma durch den Durchschlag frischen Gases erzeugt wird, wenn die Entladung weiter geht. V_z ist der Plasmakern-Geschwindigkeitsvektor, der ebenfalls in die durch den Pfeil 6 angedeutete z-Richtung gerichtet ist. Daher wächst das Plasma, wenn es sich entlang den Räumen zwischen Elektroden 10, 12 (die beabstandet voneinander durch einen Isolator oder ein Dielektrikum 14 gehalten werden) und durch diese hindurch bewegt. Sobald das Plasma 16 den Entladungsspalt zwischen den Elektroden 10, 12 verlässt, nimmt sein Volumen zu, wobei es abkühlt. Es zündet die brennbare Mischung, wenn es auf die Zündtemperatur abkühlt. Glücklicherweise ist ein zunehmendes Plasmavolumen verträglich mit bekannten Vorgehensweisen zur Verringerung von Emissionen und bezüglich Verbesserungen des Kraftstoffverbrauchs. Zwei derartige Vorgehensweisen bestehen darin, die Verdünnung der Gasmischung in dem Zylinder zu erhöhen, und Schwankungen von Zyklus zu Zyklus zu verringern.
Die Verdünnung der Gasmischung, die am häufigsten entweder durch Einsatz überschüssiger Luft (Magerbetrieb der Brennkraftmaschine) oder durch Abgasrückführung (EGR) erzielt wird, verringert die Erzeugung von Stickoxiden durch Verringerung der Verbrennungstemperatur. Stickoxide spielen eine kritische Rolle bei der Ausbildung von Smog, und ihre Verringerung ist eine der ständigen Anforderungen an die Kraftfahrzeugindustrie. Die Verdünnung der Gasmischung erhöht auch den Kraftstoffwirkungsgrad durch Verringerung der Temperatur und daher Verringerung der Wärmeverluste durch die Brennraumwände, durch das Verbessern des Verhältnisses spezifischer Wärmen, und durch Verringerung der Pumpverluste bei Teillast.
Zeilinger bestimmte die Stickoxiderzeugung pro PS-Stunde der geleisteten Arbeit, in Abhängigkeit von den Luft/Kraftstoffverhältnis, für drei unterschiedliche Zündungseinstellungen (Zeilinger, K., Dissertation, Technische Universität München, (1974)). Er fand heraus, dass sowohl das Luft/Kraftstoffverhältnis als auch die Zündungseinstellung die Verbrennungstemperatur beeinflussen, und daher die Erzeugung von Stickoxid. Wenn die brennbare Mischung oder das Luft/Kraftstoffverhältnis (A/F) durch überschüssige Luft verdünnt wird (also wenn A/F größer ist als stoichiometrisch), sinkt die Temperatur ab. Zuerst wird dieser Effekt durch die Zunahme der Menge an Sauerstoff verringert. Die NO_x-Erzeugung nimmt zu. Wenn die Mischung weiter verdünnt wird, nimmt die NO_x-Erzeugung auf Werte erheblich unterhalb jener bei einer stoichiometrischen Mischung ab, da die Abnahme der Verbrennungstemperatur die Zunahme an O₂ überwindet.
Eine stärker voreilende Zündungseinstellung (also das Einleiten der Zündung in einen größeren Gradabstand vor dem oberen Todpunkt) erhöht den Temperaturspitzenwert, und verringert den Brennkraftmaschinenwirkungsgrad, da ein größerer Anteil der brennbaren Mischung verbrennt, bevor der Kolben den oberen Todpunkt (TDC) erreicht, und die Mischung auf eine höhere Temperatur komprimiert wird, was zu erheblich höheren Niveaus an NO_x und Wärmeverlusten führt. Wenn die Mischung mager ausgebildet wird, nimmt die Zündungseinstellung zu, welche das maximale Brenndrehmoment ergibt (MBT-Einstellung).
Die Verdünnung der Mischung führt zu einer Verringerung der Energiedichte und der Flammenausbreitungsgeschwindigkeit, welche die Zündung und die Verbrennung beeinflussen. Die niedrigere Energiedichte verringert die Wärme, die von der chemischen Reaktion in einem vorgegebenen Volumen abgegeben wird, und verschiebt daher das Gleichgewicht zwischen der Abgabe chemischer Wärme und den Wärmeverlusten an das umgebende Gas. Wenn die abgegebene Wärme kleiner ist als jene, die verloren geht, breitet sich die Flamme nicht aus. Daher wird eine größere Anfangsflamme benötigt.
Die Verringerung der Flammenausbreitungsgeschwindigkeit erhöht die Dauer der Verbrennung. Eine Zündverzögerung rührt von der Tatsache her, dass die Flammenfront zu Beginn sehr klein ist, was dazu führt, dass sie sehr langsam wächst, da die Menge der gezündeten Kraftstoff-Luftmischung proportional zur Flammenfrontoberfläche ist. Die Abnahme der Zündverzögerung und der Verbrennungsdauer führt zu einer Erhöhung der Funkenvoreilung und zu größeren Schwankungen von Zyklus zu Zyklus, wodurch die abgegebene Arbeit verringert wird, und die Brennkraftmaschine rauer läuft. Ein größerer Zündkern verringert die Voreilung der Zündeinstellung, die benötigt wird, und verringert daher die negativen Auswirkungen, die bei einer derartigen Voreilung vorhanden sind. (diese negativen Auswirkungen stellen eine erhöhte Schwierigkeit zum Zünden der brennbaren Mischung dar, infolge der niedrigeren Dichte und der Temperatur zum Zeitpunkt des Funkens, und zu einer Erhöhung der Schwankung der Zündverzögerung, was das Fahrverhalten verschlechtert.
Zyklische Variationen werden durch unvermeidliche Variationen des lokalen Luft-Kraftstoffverhältnisses der Temperatur, der Menge an Restgas, und Turbulenzen hervorgerufen. Die Auswirkung dieser Variationen auf den Zylinderdruck tritt hauptsächlich infolge ihrer Auswirkung auf die ursprüngliche Expansionsgeschwindigkeit der Flamme auf. Diese Auswirkung kann signifikant dadurch verringert werden, dass ein Funkenvolumen zu Verfügung gestellt wird, das deutlich größer ist als die mittleren Abmessungen der Inhomogenitäten.
Eine Verringerung der zyklischen Variationen des Brennkraftmaschinen-Verbrennungsvorgangs verringert Emissionen und erhöht den Wirkungsgrad, durch Verringerung der Anzahl an Zyklen mit schlechter Verbrennung, und durch Erweiterung des Luft-Kraftstoff-Betriebsbereiches der Brennkraftmaschine.
Während sie das Funkenvolumen erhöhen, können einige Ausführungsformen der Erfindung auch dafür sorgen, dass der Funken tiefer in die brennbare Mischung ausgestoßen wird, mit dem Effekt, dass die Verbrennungsdauer verringert wird.
Um diese Ziele zu erreichen, nutzen einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Zündvorrichtungen, die Elektroden mit relativ kurzer Länge mit einer relativ großen Entfernung zwischen ihnen aufweisen; die Entfernung zwischen den Elektroden ist daher groß relativ zur Elektrodenlänge.
II. Ausbildung der Plasmaerzeugungsvorrichtungen (Zündvorrichtungen)
Die folgende Beschreibung erläutert verschiedene Aspekte von Ausführungsformen von Plasmaerzeugungsvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ein Beispiel für eine Anordnung einer TSI 17, nicht gemäß der vorliegenden Erfindung, jedoch nützlich für deren Verständnis. Diese Anordnung weist Standardmontagevorrichtungen 19 wie beispielsweise Gewinde auf, um die TSI 17 in einem Brennraum, beispielsweise einer Kolbenkammer, einer Brennkraftmaschine anzubringen. Mit diesen Gewinden kann die TSI in dem Brennraum so angebracht werden, dass sich die Elektroden um bestimmte Entfernungen in den Brennraum hinein erstrecken. Die Montage der TSI 17 kann den Betrieb einer Brennkraftmaschine beeinflussen, und wird nachstehend genauer erläutert.
Die TSI enthält auch einen Standard-Zündkerzenverbinder 21, und Isoliermaterial 23. Die Spitze 22 der TSI 17 ist wesentlich von einer Standardzündkerze verschieden. Bei einer Anordnung weist die Spitze 22 zwei Elektroden auf, eine erste Elektrode 18 und eine zweite Elektrode 20. Die spezielle, in 2 gezeigte Anordnung ist so ausgebildet, dass die erste Elektrode 18 koaxial in der zweiten Elektrode 20 angeordnet ist; daher umgibt die zweite Elektrode 20 die erste Elektrode 18. Die erste Elektrode 18 ist an einem distalen Muffenverbinder 21 angebracht. Der Raum zwischen den Elektroden ist im Wesentlichen mit Isoliermaterial (oder einem Dielektrikum) 23 gefüllt.
Das Anlegen einer Spannung an die TSI 17 zwischen der ersten und zweiten Elektrode 18, 20 führt zum Entstehen einer Entladung auf der Oberfläche des Isoliermaterials 23. Die Spannung, die für eine Entladung über dem Isoliermaterial 23 benötigt wird, ist niedriger als jene für eine Entladung zwischen den Elektroden 18 und 20 in einer gewissen Entfernung weg von dem Isoliermaterial 23. Daher tritt die anfängliche Entladung über dem Isoliermaterial 23 auf. Der Ort der anfänglichen Entladung wird hier als „Einleitungsbereich" bezeichnet. Diese anfängliche Entladung führt zu einer Ionisierung des Gases (einer Luft/Kraftstoffmischung), wodurch ein Plasma 24 erzeugt wird.
Dieses Plasma 24 stellt einen guten Leiter dar, und unterstützt einen Strom zwischen der ersten Elektrode 18 und der zweiten Elektrode 20 bei einer Spannung, die niedriger ist als jene, die zur Ausbildung des Plasmas benötigt wurde. Der Strom durch das Plasma dient dazu, noch mehr Gas zu Ionisieren, zu einem Plasma. Die Strom induzierten Magnetfelder, welche die Elektrode umgeben, und der Strom, der durch das Plasma hindurchgeht, stehen in Wechselwirkung, sodass eine Lorentzkraft auf das Plasma erzeugt wird. Diese Kraft führt dazu, dass sich der Ausgangspunkt des Stroms durch das Plasma bewegt, und daher ein größeres Plasmavolumen erzeugt. Dies ist im Gegensatz zu herkömmlichen Zündsystemen, bei welchen der Funkeneinleitungsbereich fest bleibt. Die erzeugte Lorentzkraft dient auch zum Austreiben des Plasmas aus der TSI 17. Die inhärente Wärmeexpansion des Plasmas unterstützt dieses Heraustreiben. Wenn sich das Plasma erwärmt und expandiert, wird es zur Bewegung nach außen gezwungen, weg von der Oberfläche des dielektrischen Materials 23.
Die erste und zweite Elektrode 18 bzw. 20 können aus Materialien bestehen, die jeden geeigneten Leiter enthalten können, beispielsweise Stahl, beschichtete Metalle, Platin-platierter Stahl (für einen Erosionswiderstand oder für „Leistungsbrennkraftmaschinen"), Kupfer, und Hochtemperaturelektrodenmetalle, beispielsweise Molybdän oder Wolfram. Die Elektroden (eine oder beide) können aus einem Metall bestehen, das eine kontrollierte Wärmeausdehnung aufweist, wie Kovar (eine Marke und ein Erzeugnis von Carpenter Technology Corp.) und mit einem Material wie beispielsweise Kupferoxid beschichtet ist, sodass eine gute nachfolgende Dichtung gegenüber Glas oder Keramik erzielt wird. Elektrodenmaterialien können auch zur Verringerung des Energieverbrauchs ausgewählt werden. So kann beispielsweise thoriertes Wolfram verwendet werden, da seine geringe Radioaktivität eine Vorionisierung der Luft oder der Luft/Kraftstoffmischung zwischen den Elektroden unterstützen kann, wodurch möglicherweise die erforderliche Zündspannung verringert wird. Weiterhin können die Elektroden aus Permanentmagnetmaterialien mit hoher Curietemperatur bestehen, die gepolt sind, um die Lorentzkraft beim Austreiben des Plasmas zu unterstützen.
Die Elektroden sind, mit Ausnahme einiger weniger Millimeter an ihren Enden, durch Isoliermaterial 23 getrennt, das ein Isolator oder ein isolierendes Material sein kann, der bzw. das ein Hochtemperatur-Dieelektrikum ist. Dieses Material kann Porzellan sein, oder eine hartgebrannte Keramik mit einer Glasur, wie dies beispielsweise bei herkömmlichen Zündkerzen der Fall ist. Alternativ kann es aus Feuerfestzement bestehen, einer bearbeitbaren Glaskeramik wie Marcor (eine Marke und ein Erzeugnis von Corning Glass Company), oder aus geformtem Aluminiumoxid, stabilisiertem Zirkonoxid oder dergleichen, hart gebrannt und abgedichtet an den Metallelektroden beispielsweise durch eine Lötglasmasse. Ebenso wie voranstehend kann die Keramik auch ein Permanentmagnetmaterial enthalten, beispielsweise Bariumferrit.
Es wird darauf hingewiesen, dass die zweite Elektrode 20 nicht unbedingt ein vollständiger Zylinder sein muss, der vollständig die erste Elektrode 18 umgibt. Von der zweiten Elektrode 20 können daher Abschnitte entfernt sein, sodass Räume vorhanden sind, die Teile der zweiten Elektrode 20 von anderen Teilen trennen. Diese Teile würden, wären sie verbunden, einen vollständigen Kreis bilden, der die erste Elektrode 18 umgibt.
3A ist eine detaillierte Querschnittsansicht einer möglichen Anordnung für die in 2 gezeigte Spitze 22. Die hier gezeigte, spezielle Anordnung betrifft die TSI 17. Allerdings wird darauf hingewiesen, dass die speziellen Eigenschaften dieser Ausbildung bei jeder der nachstehend geschilderten Anordnungen eingesetzt werden können, beispielsweise TSIs 27, 101 und 120, oder bei jeder Anordnung, die später ermittelt wird.
Die Spitze 22 weist, wie gezeigt, eine erste Elektrode 18 und eine zweite Elektrode 20 auf. Zwischen der ersten und der zweiten Elektrode befindet sich ein Isoliermaterial 23. Das Isoliermaterial 23 füllt einen wesentlichen Abschnitt des Raums zwischen den Elektroden 18 und 20. Der Abschnitt des Raums zwischen den Elektroden 18 und 20, der nicht mit dem Isoliermaterial 23 gefüllt ist, wird hier als der Entladungsspalt bezeichnet. Dieser Entladungsspalt weist eine Breite W_dg auf, welche die Entfernung zwischen den Elektroden 18 und 20 darstellt, und an ihrem nähesten Punkt gemessen wird. Die Länge, um welche sich die erste Elektrode 18 über das Isoliermaterial 23 hinaus erstreckt, ist hier mit l₁ bezeichnet, und die Länge, um welche sich die zweite Elektrode 20 über das Isoliermaterial hinaus erstreckt, ist mit l₂ bezeichnet. Die kürzere Länge unter l₁ und l₂ wird hier als die Länge des Entladungsspaltes bezeichnet. Die erste Elektrode q18 weist einen Radius r₁ auf, und die zweite Elektrode 20 einen Radius r₂. Die Differenz r₂ – r₁ zwischen den Radien der ersten und zweiten Elektrode stellt die Breite des Entladungsspaltes W_dg dar. Allerdings wird darauf hingewiesen, dass W_dg auch durch die Entfernung zwischen zwei beabstandeten, nicht-konzentrischen Elektroden repräsentiert werden kann.
Der Strom durch die erste Elektrode 18 und das Plasma 24 zur zweiten Elektrode 20 erzeugt um die erste Elektrode 18 herum ein poloidales (winkliges) Magnetfeld B_θ (I, r), das von dem Strom und der Entfernung r₀ (vergl. 1) von der Achse der ersten Elektrode abhängt. Daher erzeugt ein Strom I, der durch das Plasma 24 senkrecht zu dem poloidalen Magnetfeld B_θ fließt, eine Lorentzkraft F bei den geladenen Teilchen in dem Plasma 24 entlang der Axialrichtung z der Elektroden 18, 20. Die Kraft lässt sich annähernd anhand der folgenden Gleichung (1) berechnen. F ~ I × B → Fz ~ Ir·Bθ (1)
Diese Kraft beschleunigt die geladenen Teilchen, die infolge von Zusammenstößen mit ungeladenen Teilchen das gesamte Plasma beschleunigen. Es wird darauf hingewiesen, dass das Plasma aus geladenen Teilchen (Elektronen und Ionen) sowie neutralen Atomen besteht.
Die ursprünglichen Marshall-Kanonen als Quelle für ein Plasma für Fusionseinrichtungen wurden im Vakuum mit einem kurzen Impuls der Gaseinspritzung zwischen den Elektroden betrieben. Das Plasma, das zwischen den Elektroden durch die Entladung eines Kondensators erzeugt wurde, wurde auf eine Entfernung einiger Dutzend Zentimeter zu einer endgültigen Geschwindigkeit von etwa 10⁷ cm/sec beschleunigt. Die Zugkraft F_v, die auf das Plasma einwirkt, ist annähernd proportional dem Quadrat der Plasmageschwindigkeit, wie dies nachstehend in Gleichung (2) angegeben ist: Fv ~ vp 2 (2)
Die Entfernung, über welche das Plasma beschleunigt wird, ist kurz (1–3 mm). Tatsächlich haben Versuche gezeigt, dass die Vergrößerung der Länge der Plasmabeschleunigungsentfernung über 1 bis 3 mm hinaus nicht signifikant die Plasmaaustrittsgeschwindigkeit erhöht, obwohl die elektrische Energie, die zum Betrieb einer derartigen TSI eingesetzt wird, signifikant zunimmt. Bei Atmosphärendruck und bei einer elektrischen Eingangsenergie von etwa 300 mJ liegt die mittlere Geschwindigkeit nahe bei 5 × 10⁴ cm/sec, und ist niedriger bei einem hohen Druck in der Brennkraftmaschine. Bei einem Verdichtungsverhältnis von 8 zu 1 beträgt diese mittlere Geschwindigkeit 3 × 10⁴ cm/sec.
Im Gegensatz hierzu wird, wenn mehr Energie einer einzelnen Entladung eines herkömmlichen Funkens zugeführt wird, dessen Intensität in gewisser Weise erhöht, jedoch nimmt das Volumen des Plasmas, das erzeugt wird, nicht signifikant zu. Bei einem herkömmlichen Funken ist ein erheblich höherer Anteil der Energie daran beanteiligt, die Aufheizung der Elektroden durchzuführen, wenn die Leitfähigkeit des Entladungsweges erhöht wird.
Unter den voranstehend geschilderten Randbedingungen in Bezug auf die Abmessungen erfolgt eine Optimierung der elektromagnetischen Kräfte (Lorentzkräfte) und Wärmeausdehnungskräfte, wenn die TSI wie voranstehend geschildert, ausgebildet ist, unter den nachstehenden approximierten Bedingungen: (r2 – r1)/lx ≥ 1/3 (3)wobei l_x die kürzere Länge unter l₁ und l₂ ist. Es wird darauf hingewiesen, dass die Abmessungsgrenzen, die voranstehend angegeben wurden, nur annähernd zu verstehen sind; kleine Abweichungen nach oberhalb oder unterhalb dieser Werte ergeben immer noch eine funktionsfähige TSI, obwohl mit einer Leistung unterhalb der optimalen Leistung. Da diese Abmessungen nur die Außengrenzen angeben, werden Fachleute erkennen, dass zahlreiche Ausbildungen vorhanden sind, welche diese Dimensionseigenschaften erfüllen.
Die Größe (r₂ – r₁)/l_x gibt das Verhältnis von Spalt zur Länge bei dieser Darstellung an. Ein kleineres Verhältnis des Spaltes zur Länge kann die Lorentzkraft vergrößern, welche das Plasma aus der TSI bei derselben Eingangsenergie heraus treibt (wenn ein höherer Strom infolge eines niedrigeren Plasmawiderstands vorhanden ist). Wenn dieses Verhältnis von Spalt zur Länge zu klein ist, wirkt sich die zusätzliche Energie, die durch die Lorentzkraft bereitgestellt wird, hauptsächlich als Erosion der Elektroden aus, infolge einer Zunahme des Sputterprozesses bei den Elektroden. Weiterhin sollte, wie voranstehend erwähnt, eine optimal arbeitende TSI ein Plasma mit einem großen Volumen erzeugen. Die Erhöhung des Verhältnisses vom Spalt zur Länge bei derselben Elektrodenmenge vergrößert das Volumen, in welchem das Plasma ausgebildet wird, und trägt daher zur Erhöhung des erzeugten Plasmavolumens bei. Daher weist die TSI vorzugsweise ein ausreichend großes Verhältnis von Spalt zur Länge auf, sodass dort ein ausreichendes Volumen vorhanden ist, in dem ein Plasma ausgebildet werden kann. Diese Volumeneinschränkung dient darüber hinaus zur Festlegung einer Untergrenze für das Verhältnis von Spalt zur Länge. Ein Verhältnis des Spalts zur Länge von etwa 1/3 oder mehr hat sich so herausgestellt, dass ein optimaler Ausgleich zwischen diesen beiden Randbedingungen erzeugt wird.
Im Gegensatz zu früheren Versuchen, bei welchen die Beschleunigung des Plasmas zu einem Eingangsenergieverlust geführt hat, infolge von Zugkräften, die sich entsprechend dem Quadrat der Geschwindigkeit entwickeln, sorgt das hohe Verhältnis zwischen Spalt zur Länge für die Erzeugung eines großen Plasmavolumens, das bei einer niedrigeren Geschwindigkeit ausgestoßen wird. Die niedrigere Geschwindigkeit verringert die Zugkraft, wodurch die erforderliche Eingangsenergie verringert wird. Ende verringerte Eingangsenergie führt zu einem geringeren Ausmaß der Elektrodenerosion, was wiederum zu einer TSI führt, die eine vorher nicht erreichbare Lebensdauer erreicht.
Vorzugsweise setzt das TSI-Zündsystem nicht mehr als etwa 400 mJ pro Zündung ein. Im Gegensatz hierzu konnten frühere Plasma- und Marshall-Kanonen-Zündvorrichtungen nicht in der Praxis eingesetzt werden, da sie erheblich höhere Zündenergien einsetzen (beispielsweise 2 bis 10 Joules pro Zündung), die zu einer schnellen Erosion der Zündvorrichtung und zu einer kurzen Lebensdauer geführt haben. Weiterhin wurden Erhöhungen des Wirkungsgrades bezüglich der Brennkraftmaschinenleistung durch einen erhöhten Energieverbrauch des Zündsystems ausgeglichen.
3B zeigt eine Ausführungsform eines Abschnitts einer Spitze 22 einer TSI gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist ein Luftspalt 200 in dem direkten Weg über die Oberfläche des Isoliermaterials 23 zwischen der ersten Elektrode 18 und der zweiten Elektrode 20 vorhanden. Dieser Luftspalt 200 weist eine Breite W_ag und eine Tiefe D_ag auf. Die Breite W_ag und die Tiefe D_ag können zwischen einzelnen TSIs verschieden sein, liegen jedoch für jede einzelne TSI fest. Das Isoliermaterial bei der vorliegenden Ausbildung umfasst eine obere Oberfläche 204 und eine untere Oberfläche 205, die an der untern Basis des Luftspaltes 200 angeordnet ist. Eine Zündvorrichtung, die eine obere Oberfläche 204 und eine untere Oberfläche 205 aufweist, beispielsweise jene, die in 3B gezeigt ist, wird vorliegend als eine Zündvorrichtung mit einer „Halboberflächenentladung" bezeichnet. Es wird darauf hingewiesen, dass eine Zündvorrichtung mit einer Halboberflächenentladung nicht die Abmessungsverhältnisse aufweisen muss, die in 3B gezeigt sind.
Der Luftspalt 200 erfüllt mehrere, unterschiedliche Anforderungen, jedoch liegt seine hauptsächliche Auswirkung in der Erhöhung der Lebensdauer der TSI. Weiterhin unterstützt der Luftspalt 200, dass verhindert wird, dass die Elektroden 18 und 20 kurzgeschlossen werden, infolge des Aufbaus eines vollständigen Leitungsweges über das Isoliermaterial 23. Ein derartiger Leitungsweg kann durch eine Anzahl von Mechanismen erzeugt werden. Jedes Mal dann, wenn eine TSI gezündet wird, wird ein Abschnitt des Metalls der Elektroden weggeschleudert. Diese Entfernung von Elektrodenmetall ist als Ablation bekannt. Eine Ablation der Elektroden ruft einen Film von Metallablagerungen über der Oberfläche des Isoliermaterials 23 hervor. Dieser Film kann im Verlauf der Zeit ausreichend fest und dick werden, um einen Strom zu leiten, und so zu einem Leitungsweg zu werden. Eine weitere Art und Weise, auf welche ein Leitungsweg zwischen den Elektroden hervorgerufen werden könnte, besteht in einer zu hohen Ansammlung von Kohlenstoffablagerungen oder dergleichen auf dem leitfähigen Material 204. Wenn die Ansammlung von Kohlenstoffablagerungen so groß wird, dass sie einen Strom führen kann, kann ein Kurzschluss der Elektroden die Folge sein. Diese direkte Verbindung führt dazu, dass ein größeres Ausmaß an Energie der TSI 17 zugeführt und von dieser verbraucht wird, ohne eine zufriedenstellende Zunahme des Plasmavolumens. Der Luftspalt 200 stellt eine physikalische Sperre zur Verfügung, welche der Leitungsweg überbrücken muss, bevor ein derartiger Kurzschluss auftreten kann. Damit ein Kurzschluss auftreten kann, muss daher der Luftspalt vollständig durch ein Metall oder Kohlenstoff oder eine Kombination von diesen überbrückt werden.
Der Luftspalt 200 dient auch zur Unterstützung der Verringerung eines Elektrodenverschleißes. Bei Nichtvorhandensein des Luftspaltes 200 hat sich herausgestellt, dass die ursprüngliche Entladung zwischen denselben Punkten auf den Elektroden jedes Mal dann auftritt, wenn die TSI 17 dazu verwendet wird, einen Plasmakern zu zünden. Die ursprüngliche Entladung würde dann nämlich an dem Punkt auftreten, an welchem das isolierende Material in Kontakt mit der zweiten Elektrode 20 steht (unter Annahme einer Entladung von der ersten Elektrode 18 zur zweiten Elektrode 20). Da die Entladung an demselben Punkt auftritt, verschleißt die zweite Elektrode 20 schneller an dem Entladungspunkt, und wird schließlich zerstört. Das Vorsehen des Luftspaltes 200 führt dazu, dass die ursprünglichen Entladungspunkte variieren. Durch Ausbreiten der Entladungspunkte über die Elektrode 20 wird der Verschleiß über eine größere Oberfläche ausgebreitet; dies erhöht signifikant die Elektrodenlebensdauer. Die zweite Elektrode 20 ist vorzugsweise eine im Wesentlichen glatte Oberfläche. Dies ermöglicht es, dass der Funken auf mehr Orte auf der zweiten Elektrode 20 überspringen kann, und vergrößert daher die Fläche, über welcher ein Verschleiß auftritt. Dies ist schematisch in 4 gezeigt und wird mit weiteren Einzelheiten in Bezug auf diese erläutert.
4 ist ein Beispiel für eine weggeschnittene Seitenansicht einer Seite eines Abschnitts eines Entladungsspaltes einer TSI. Dieses Beispiel weist die erste Elektrode 18 auf, die zweite Elektrode 20, das Isoliermaterial 23, und den Luftspalt 200. Wie voranstehend geschildert würde, wäre der Luftspalt 200 nicht vorhanden, der ursprüngliche Durchbruchspunkt im Wesentlichen am selben Ort aufgetreten, also an dem engsten Ort des Kontakts zwischen der zweiten Elektrode 20 und dem Isoliermaterial 23. Dies führt zu einer schnellen Erosion der zweiten Elektrode 20 an diesem Punkt, und begrenzt die Lebensdauer der Zündvorrichtung. Der Luftspalt 200 dient dazu, dieses Problem zu überwinden, durch Änderung des Ortes der ursprünglichen Entladung so, dass die zweite Elektrode 20 nicht verschleißt (eine Ablation erfährt), an demselben Ort durch jede Entladung. Dies ist graphisch in 4 dargestellt, in welcher eine Ablationsfläche 400 ein Breite W_a und eine Höhe H_a aufweist. Das erste Mal, an welchem die Zündvorrichtung gezündet wird, tritt der ursprüngliche Durchbruch an dem Punkt auf, an welchem die beiden Elektroden am nähesten zueinander angeordnet sind. Zu diesem Zeitpunkt tritt eine gewisse Ablation der Elektrode auf, sodass der Punkt nicht länger mehr der nächste Punkt ist, sodass der nächste Durchbruch an dem „neuen" nächsten Punkt auftritt (unter Annahme einer gleichförmigen Gasmischung). Daher weitet der Luftspalt 200 beträchtlich den Bereich aus, über welchem die Entladung auftritt. Wenn ein dünner Ablationsring über dem gesamten Durchmesser der zweiten Elektrode 20 ausgebildet wird, liegt der nächste Punkt etwas oberhalb oder unterhalb dieses Rings, wodurch ein neuer Entladungseinleitungsbereich ausgebildet wird. Dies tritt während der gesamten Lebensdauer der Zündvorrichtung auf.
Schließlich wird die Ablationsfläche 400 ausgebildet; die Abmessung dieser Fläche ist groß, und reicht dazu aus, dass die Zündvorrichtung über einen kommerziell verträglichen Zeitraum beständig ist, bevor die zweite Elektrode 20 durch Ablation entfernt wird. Die Breite des Luftspaltes W_ag ist so eingeschränkt, dass sie etwa die Hälfte der Breite des Entladungsspaltes W_dg beträgt, wobei dann, wenn diese Breite größer ist, die Auswirkungen des Durchbruchs über das isolierende Material 23 verloren gehen können, infolge einer Erhöhung des Widerstands, der durch die vergrößerte Entfernung zwischen den Elektroden hervorgerufen wird.
Der Ablationbereich 400 führt zu einer weiteren physikalischen Einschränkung für eine Zündvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Im Falle konzentrischer, zylindrischer Elektroden, sollte die Innenseite der zweiten Elektrode 20 ausreichend glatt sein, um sicherzustellen, dass die Entfernung zwischen den Elektroden im Wesentlichen über die gesamte Länge des Entladungsspaltes gleich ist. Insbesondere sollte in der Nähe der Oberseite des Luftspaltes 200 kein Abschnitt der zweiten Elektrode 20 näher an der ersten Elektrode 18 als in einem anderen Bereich des Spaltes angeordnet sein. Eine im Wesentlichen glatte Oberfläche der zweiten Elektrode 20 ermöglicht es, dass die Ablation der zweiten Elektrode 20 um den gesamten Ablationsbereich 400 herum auftritt.
Momentan weisen jene herkömmliche Zündkerzen, die einen konzentrischen Aufbau aufweisen, und eine Zentrumselektrode haben, die sich über ein dielektrisches Material heraus erstreckt, äußere Elektroden auf, die nicht dazu geeignet sind, die Lorentz-Kraft zu nutzen. Bei diesen, herkömmlichen Zündkerzen ist der Hauptanteil der äußeren Elektrode (zumindest in gewissem Ausmaß) radial weg von der Zentrumselektrode gerichtet. Um eine Lorentz-Kraft auf das Plasma auszuüben, muss die äußere Elektrode einen Rückkehrweg für den elektrischen Strom zur Verfügung stellen, der im Wesentlichen parallel zur Zentrumselektrode verläuft. Daher kann es bei einigen Ausführungsformen wünschenswert sein, dass die erste und die zweite Elektrode so angeordnet sind, dass die gegenüberliegenden Seiten der Elektroden im Wesentlichen parallel verlaufen, zumindest in dem Einleitungsbereich. Bei anderen Ausführungsformen sollten die Elektroden im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, über die Länge des Entladungsspaltes. Daher sollten die erste und zweite Elektrode parallel zueinander von zumindest einem Bereich in der Nähe der oberen Oberfläche 204 bis zu den Enden der Elektroden verlaufen. Bei anderen Ausführungsformen können die erste und die zweite Elektrode parallel zueinander über eine gewisse Entfernung unterhalb der oberen Oberfläche 204 verlaufen. So können beispielsweise die erste und zweite Elektrode parallel zueinander über eine Entfernung unterhalb der oberen Oberfläche 204 verlaufen, die annähernd gleich der Breite des Entladungsspaltes W_dg ist, oder parallel zueinander über eine Entfernung verlaufen, die einen beliebigen Bruchteil zwischen und 1 der Breite des Entladungsspaltes W_dg darstellt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Elektroden jeder der Ausführungsformen einer TSI, die hier beschrieben werden, so angeordnet sein können.
Es wird nunmehr erneut Bezug auf die Ausführungsform von 3B genommen, wobei ein anderer Spalt, der Erweiterungsspalt 203, zwischen dem isolierenden Material 23 und der ersten Elektrode 18 vorhanden sein kann. Der Erweiterungsspalt 203 weist eine anfängliche Breite W_e auf, wenn die TSI 17 kalt ist. Bei einigen Ausführungsformen ist der Erweiterungsspalt 203 zwischen dem isolierenden Material 23 und der ersten Elektrode 18 über im Wesentlichen die Gesamtlänge der TSI 17 vorhanden. Bei anderen Ausführungsformen kann der Erweiterungsspalt 103 nur zwischen der ersten Elektrode 18 und dem dielektrischen Material 23 über wenige Zentimeter (beispielsweise 0,5 bis 5 cm) unterhalb der oberen Oberfläche 204 vorhanden sein.
Ein Zweck des Erweiterungsspalts 203 besteht darin, einen Raum zur Verfügung zu stellen, in welchen sich die erste Elektrode 18 ausbreiten kann, wenn sie im Betrieb erwärmt wird. Ohne den Erweiterungsspalt 203 kann jede Ausbreitung der ersten Elektrode 18 eine Rissbildung des isolierenden Materials 23 hervorrufen. Wenn das isolierende Material bricht, könnten seine dielektrischen Eigenschaften sich ändern, wodurch der Wirkungsgrad der TSI beeinträchtigt wird. Weiterhin unterstützt der Erweiterungsspalt 203 die Möglichkeit der Verringerung von Kurzschlüssen, auf ähnliche Weise wie bei dem Luftspalt 200. Allerdings wird darauf hingewiesen, dass die Ausführungsformen, die in 3B gezeigt sind, ohne den Erweiterungsspalt 203 ausgebildet sein können, wenn ein flexibleres und weniger sprödes Isoliermaterial entdeckt wird.
Eine TSI, bei welcher sich herausgestellt hat, dass sie gut arbeitet, wurde mit einer Luftspaltbreite W_ag von etwa 0,53 mm hergestellt, einer Luftspalttiefe D_ag von etwa 5,00 mm, und einer Erweiterungsspaltbreite W_e von etwa 0,08 mm. Diese Abmessungen sind bei einer TSI mit konzentrischer Elektrode verwirklicht, ähnlich der TSI 17 von 2, bei welcher die Länge der ersten Elektrode 18 etwa 2,7 mm beträgt, die Länge der zweiten Elektrode 20 etwa 1,2 mm beträgt, und der Spalt dazwischen (r₂ – r₁) etwa 2,4 mm beträgt.
Es wird darauf hingewiesen, dass entweder der Luftspalt und der Erweiterungsspalt, oder beide, wie sie voranstehend erläutert werden, bei jeder der Ausführungsformen einer TSI eingesetzt werden können, die nachstehend erläutert wird.
5 ist ein Beispiel für eine andere Anordnung einer TSI, nicht gemäß der vorliegenden Erfindung, die jedoch zu deren Verständnis hilfreich ist. Die TSI 27 weist eine innere Elektrode 25 auf, die koaxial zu einer äußeren Elektrode 28 angeordnet ist. Der Raum zwischen den Elektroden 25 und 28 ist im Wesentlichen durch ein Isoliermaterial 23 (beispielsweise Keramik) ausgefüllt. Der Unterschied zwischen der Anordnung in 5 und jener in 2 besteht darin, dass eine ebene, scheibenförmige (kreisförmige) Elektrodenoberfläche 26 einstückig oder vereinigt mit dem freien Ende der zentralen Elektrode 25 ausgebildet ist, oder an dieser angebracht ist, die sich in Seitenrichtung zur Längsachse der Elektrode 25 erstreckt, und der Elektrode 28 zugewandt ist. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Horizontalebene der Scheibe 26 parallel zum zugeordneten Kolbenkopf (nicht gezeigt) angeordnet ist, wenn die Plasmazündvorrichtung 27 in einem Kolbenzylinder angebracht ist. Die Endoberfläche der Elektrode 28, die der Scheibenelektrode 26 zugewandt ist, weist eine im Wesentlichen flache, kreisförmige Form auf, die sich parallel zur zugewandten Oberfläche der Elektrode 26 erstreckt. Dies führt dazu, dass ein ringförmiger Hohlraum 29 zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der Elektroden 26 und 28 ausgebildet wird. Genauer gesagt, gibt es zwei, im Wesentlichen parallele Oberflächen der Elektroden 26 und 28, die beabstandet sind, und so ausgerichtet sind, dass sie parallel zur Oberseite eines zugeordneten Kolbenkopfes verlaufen, im Gegensatz zur Ausführungsform von 2, bei welcher die Elektroden senkrecht zu einem zugehörigen Kolbenkopf im Gebrauch verlaufen. Man kann sich überlegen, dass dann, wenn die Luft/Kraftstoffmischung gezündet wird, der zugehörige Kolben „ansteigt", und sich nahe an der Zündkerze oder der Zündvorrichtung 27 befindet, sodass er vorzugsweise weiter entfernt von dem Spalt 29 der Zündvorrichtung 27 zur Wand des zugehörigen Zylinders angeordnet ist, als zum Kolbenkopf. Die im Wesentlichen parallel verlaufenden Elektroden 26 und 28 verlaufen im Wesentlichen parallel zur längsten Abmessung des Volumens der brennbaren Mischung zum Zeitpunkt der Zündung, anstatt senkrecht zu dieser Abmessung angeordnet zu werden, und zum Kolbenkopf hin, wie bei der Anordnung von 2 und nach dem Stand der Technik. Es wurde ermittelt, dass dann, wenn die gleichen elektrischen Bedingungen für Energieversorgung der Zündvorrichtungen 17 und 27 eingesetzt werden, die Plasmabeschleunigungslängen l und L im Wesentlichen gleich sind, um eine optimale Plasmaerzeugung zu erzielen. Weiterhin sind in Bezug auf die TSI 27 unter den folgenden Bedingungen die folgenden Abmessungen so, dass ein ordnungsgemäßes Arbeiten erzielt wird: Der Radius der Scheibenelektrode 26 ist R₂ = 6,8 mm, der Radius des isolierten Keramiks beträgt R₁ = 4,3 mm, der Spalt zwischen den Elektroden g₂ = 1,2 mm und die Länge L = 2,5 mm.
Bei der Anordnung von 5 entsteht das Plasma 32 im Entladungsspalt 29 an der freiliegenden Oberfläche des Isolators 25 und wächst und expandiert nach außen in Radialrichtung der Pfeile 29A. Dies kann Vorteile gegenüber der TSI-Anordnung von 2 hervorrufen. Erstens ist die Oberfläche der Scheibenelektrode 26, die dem Plasma 32 ausgesetzt ist, im Wesentlichen gleich jener des Endabschnitts der äußeren Elektrode 28, die dem Plasma 32 ausgesetzt ist. Dies bedeutet, dass sich erwarten lässt, dass die Erosion des inneren Abschnitts der Scheibenelektrode 26 signifikant geringer ist als jene des freiliegenden Abschnitts der inneren Elektrode 18 der TSI 17 von 2, da letztere eine erheblich kleinere Oberfläche aufweist, die dem Plasma ausgesetzt ist. Zweitens stellt das Isolatormaterial 23 in der TSI 27 einen zusätzlichen Wärmeleitungsweg für die Elektrode 26 zur Verfügung. Darüber hinaus trifft unter Verwendung von TSI 27 das Plasma nicht auf den zugehörigen Kolbenkopf auf, und erodiert diesen daher nicht.
Die 6 und 7 erläutern schematisch die Unterschiede der Plasmatrajektorien zwischen der TSI 17 von 2 und der TSI 27 von 5, wenn sie in einer Brennkraftmaschine angebracht sind. In 6 ist eine TSI 17 in einem Zylinderkopf 90 angebracht, zugeordnet einem Zylinder 92 und einem Kolben 94, der sich in dem Zylinder 92 hin- und herbewegt, also sich nach oben und unten bewegt. Wie bei jeder herkömmlichen Brennkraftmaschine wird, wenn sich der Kolbenkopf 96 dem oberen Todpunkt annähert, die TSI 17 mit Energie versorgt. Hierdurch wird das Plasma 24 erzeugt, das sich in der Richtung des Pfeils 98 ausbreitet, nur über eine kurze Entfernung zum Kolbenkopf 96. Während dieser Bewegung zündet das Plasma 24 die Luft/Kraftstoffmischung (nicht gezeigt) in dem Zylinder 92. Die Zündung beginnt in der Nähe des Plasmas 24. Im Gegensatz zu einer derartigen Ausbreitung des Plasmas 24 sorgt die TSI 27, wie in 7 gezeigt, für eine Bewegung des Plasmas 32 in der Richtung der Pfeile 100, was dazu führt, dass eine größere Menge einer Luft/Kraftstoffmischung gezündet wird, als jene, die von der TSI 17 bereitgestellt wird, wie dies voranstehend erläutert wurde.
Eine Triggerelektrode kann zwischen der inneren und äußeren Elektrode der 2 bis 5 hinzugefügt werden, um die Spannung abzusenken, die zur Erzeugung eines anfänglichen Durchbruchs zwischen der ersten und zweiten Elektrode benötigt wird. 8 zeigt schematisch eine derartige Plasmazündvorrichtung 101 mit drei Elektroden. Eine innere Elektrode 104 ist koaxial in der äußeren Elektrode 106 angeordnet, wobei die beiden Elektroden einen Durchmesser in der Größenordnung von mehreren Millimetern aufweisen. Radial zwischen der inneren Elektrode 4 und der äußeren Elektrode 106 ist eine dritte Elektrode 108 angeordnet. Diese dritte Elektrode 108 ist an eine Wicklung (nicht gezeigt) für eine Hochspannung (HV) angeschlossen. Die dritte Elektrode 108 leitet eine Entladung zwischen den beiden Hauptelektroden 104 und 106 ein, durch Aufladen der freiliegenden Oberfläche 114 des Isolators 112. Der Raum zwischen allen drei Elektroden 104, 106, 108 ist mit einem isolierenden Material 112, (beispielsweise Keramik) ausgefüllt, mit Ausnahme des Raums in den letzten 2 bis 3 mm zwischen den Elektroden 104 und 106 am Verbrennungsende der Zündvorrichtung 101. Eine Entladung zwischen den beiden Hauptelektroden 104 und 106, nach Einleitung durch die dritte Elektrode 108, beginnt entlang der Oberfläche 114 des Isolators 112. Das Gas (die Luft/Kraftstoffmischung) wird durch die Entladung ionisiert. Diese Entladung erzeugt ein Plasma, das ein guter elektrischer Leiter wird, und eine Erhöhung der Stromstärke ermöglicht. Der erhöhte Strom ionisiert mehr Gas (die Luft/Kraftstoffmischung), und erhöht das Volumen des Plasmas, wie dies voranstehend erläutert wurde.
Wie in den 9A, 9B und 9C gezeigt ist, weist eine andere Anordnung, die nicht gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, aber zu deren Verständnis nützlich ist, eine TSI 120 auf, die parallele, stangenförmige Elektroden 122 und 124 aufweist. Die parallelen Elektroden 122, 124 sind so ausgebildet, dass ein wesentlicher Abschnitt ihrer jeweiligen Längen von einem dielektrischen Isolatormaterial 126 eingekapselt ist, wie dargestellt. Ein oberes Ende des Isolators 126 haltert einen Zündkerzen-Muffenverbinder, der sowohl mechanisch als auch elektrisch am oberen Ende der Elektrode 122 verbunden ist. Das dielektrische Material 126 haltert starre Elektroden 122 und 124 parallel, und ein Abschnitt haltert starr den äußeren Metallkörper 128, der wie gezeigt Montagegewinde 19 um einen unteren Abschnitt herum aufweist. Die Elektrode 124 ist sowohl mechanisch als auch elektrisch an einer Innenwand des Metallkörpers 128 über eine starre Stütze 130 befestigt, wie bei diesem Beispiel gezeigt. Wie aus 9A hervorgeht, erstreckt sich jede der Elektroden 122 und 124 um eine Entfernung l₁ und l₂ nach außen von der Oberfläche des unteren Ende des Isolators 126 aus.
Wie aus den 9B und 9C hervorgeht, können die Elektroden 122 und 124 beabstandete Stangen sein, die um eine Entfernung G beabstandet sind, wobei G die Breite des Entladungsspaltes W_dg zwischen den Elektroden 122, 124 bezeichnet (siehe die 9C).
Es wurde ermittelt, dass im Betrieb einer TSI wie voranstehend geschildert, ein erhebliches Ausmaß an RF- Rauschen (Funkfrequenzrauschen) erzeugt werden kann. Während des ursprünglichen Abbaus der Hochspannung fließt Strom in einer Richtung durch eine erste Elektrode, und ein anderer Strom durch eine zweite Elektrode. Diese entgegengesetzt fließenden Ströme erzeugen das RF-Rauschen. Bei herkömmlichen Zündkerzen stellt dies keinen wesentlichen Punkt dar, da ein Widerstandselement in der Zündkerze in dem Weg für den ankommenden Strom angeordnet werden kann. Infolge der starken Ströme, die in der Hochstromstufe des Betriebs gemäß der vorliegenden Erfindung auftreten können, ist eine derartige Lösung nicht durchführbar, da ein derartiger Widerstand es nicht ermöglichen würde, dass ausreichend Strom fließt, um einen großen Plasmakern zu erzeugen.
Derartiges RF-Rauschen kann verschiedene elektronische Geräte stören, und kann die Vorschriften überschreiten, wenn es nicht ordnungsgemäß abgeschirmt wird. Hierbei kann, wobei erneut Bezug auf 9A genommen wird, die TSI 120 auch einen koaxialen Verbinder 140 aufweisen, zum Anbringen eines Koaxialkabels (nicht gezeigt) an der TSI 120. Der Koaxialverbinder 140 kann ein Gewinde, eine Schnappverbindung, oder irgendwelche anderen geeigneten Verbinder aufweisen, um ein Koaxialkabel an einer Zündvorrichtung anzubringen. Es wird darauf hingewiesen, dass ein derartiger Koaxialverbinder 140, obwohl er nicht bei der voranstehenden Anordnung dargestellt ist, bei jeder der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein könnte. Weiterhin kann der Koaxialverbinder 140 bei jeder Halboberflächenzündvorrichtung vorgesehen sein, die momentan verfügbar ist, oder später erzeugt wird. Kabel dieser Art stellen typischerweise elektrischen Strom für den Muffenverbinder 21 zur Verfügung, umgeben das Dielektrikum 126, und sind an den Körper 128 angepasst, um Masse zur Verfügung zu stellen. Das Kabel sollte auch hohen Spannungen widerstehen können (während der primären Entladung), einen hohen Strom transportieren können (während der sekundären Entladung), und die schädlichen Umgebungsbedingungen überstehen, die in einem Motorraum vorhanden sind. Ein geeignetes Koaxialkabel ist ein Teflon-Koaxialkabel des Typs RG-225 mit einer Doppelgeflechtabschirmung. Andere geeignete Kabel umfassen jene, die in der veröffentlichten PCT-Anmeldung WO 98/10431 beschrieben werden, die den Titel "Zündkernzenleiter für hohe Energien" aufweist, und am 7. September 1997 eingereicht wurde, aus welcher weitere Einzelheiten hervorgehen.
III. Die Zündschaltung
Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf verschiedene Ausführungsformen der Zündschaltung, die zu einer wirksamen Nutzung der voranstehend geschilderten Plasmaerzeugungsvorrichtungen führen können. Es wird darauf hingewiesen, dass der Einsatz der Zündsatzelektroniken, die nachstehend geschildert werden, auch bei anderen Arten von Zündkerzen erfolgen kann.
10 zeigt eine TSI 17 mit einer schematischen Darstellung der grundlegenden Elemente einer elektrischen oder elektronischen Zündschaltung, die an sie angeschlossen ist, welche den Strom und die Spannung für die Entladung (das Plasma) zu Verfügung stellt. (Die gleiche Schaltung und die gleichen Schaltungselemente können dazu eingesetzt werden, jede Ausführungsform einer TSI zu betreiben, die hier geschildert wird, oder später aufgefunden wird). Eine Entladung zwischen den beiden Elektroden 18 und 20 beginnt entlang der Oberfläche 56 des Dielektrikummaterials 23. Die gasförmige Luft/Kraftstoffmischung wird durch die Entladung ionisiert, wodurch ein Plasma 24 erzeugt wird, das zu einem guten Stromleiter wird, und einen Strom zwischen den Elektroden auf einer niedrigen Spannung als jene ermöglicht, die das Plasma eingeleitet hat. Dieser Strom erzeugt weiteres Gas (Luft/Kraftstoffmischung), und erhöht das Volumen des Plasmas 24.
Wie gezeigt, breitet sich die Entladung von der ersten Elektrode 18 zur zweiten Elektrode 20 aus. Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, dass die Polung der Elektroden umgekehrt werden könnte. Allerdings sind Vorteile in der Hinsicht vorhanden, wenn sich die Entladung von der ersten Elektrode 18 zur zweiten Elektrode 20 ausbreitet. Physikalische Randbedingungen, nämlich die Tatsache, dass bei der vorliegenden Ausführungsform die zweite Elektrode 20 die erste Elektrode 18 umgibt, ermöglichen es der zweiten Elektrode 20, eine größere Oberfläche aufzuweisen. Je größer die Oberfläche einer Elektrode ist, desto widerstandsfähiger ist sie gegenüber Abschälung. Wenn die zweite Elektrode 20 das Ziel des Beschusses mit positiver Ionen darstellt, wird infolge ihrer höheren Widerstandsfähigkeit gegenüber Abschälungen die Herstellung einer TSI 17 ermöglicht, die eine längere Lebensdauer aufweist.
Die in 10 gezeigte, elektrische Schaltung weist ein herkömmliches Zündsystem 42 (beispielsweise eine kapazitive Entladungszündung (CDI) oder eine transistorisierte Spulenzündung (TCI)) auf, eine Stromversorgung 44 für eine niedrige Spannung (V_S), Kondensatoren 44 und 48, Dioden 50 und 52, und einen Widerstand 54. Das herkömmliche Zündsystem stellt die Hochspannung zur Verfügung, die zur Erzeugung des Funkens nötig ist, oder um die Luft/Kraftstoffmischung in dem Entladungsspalt entlang der Oberfläche 56 des dielektrischen Materials 23 zu ionisieren. Sobald der leitfähige Weg eingerichtet wurde, entlädt sich der Kondensator 46 schnell über die Diode 50, und stellt so die Zufuhr hoher Energie oder eines hohen Stroms in das Plasma 24 zur Verfügung. Die Dioden 50 und 52 isolieren elektrisch die Zündspule (nicht gezeigt) des herkömmlichen Zündsystems 42 gegenüber dem relativ großen Kondensator 46 (zwischen 1 und 4 μF). Wären die Dioden 50, 52 nicht vorhanden, könnte die Spule keine hohe Spannung erzeugen, infolge der geringen Impedanz, die von dem Kondensator 46 zur Verfügung gestellt wird. Stattdessen würde die Spule den Kondensator 46 laden. Die Aufgabe des Widerstands 54, des Kondensators 48 und der Spannungsquelle 44 besteht darin, den Kondensator 46 nach einem Entladungszyklus wieder aufzuladen. Der Einsatz des Widerstands 54 stellt eine Art und Weise dar, einen Stromweg mit niedrigem Widerstand zwischen der Spannungsquelle 44 und dem Funkenspalt der TSI 17 zu verhindern.
11 ist ein schematisches Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform einer Zündschaltung 201 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung gemäß dieser Ausführungsform weist eine primäre Schaltung 202 auf, eine Zündspule 300, und eine sekundäre Schaltung 208.
Bei einer Ausführungsform weist die primäre Schaltung 202 eine Stromversorgung 210 auf. Die Stromversorgung 210 kann beispielsweise ein Gleichspannungs-Gleichspannungswandler mit einem Eingang von 12 Volt und einem Ausgang von 400 bis 500 Volt sein. Bei anderen Ausführungsformen kann die Stromversorgung 210 eine Oszillator-Spannungsquelle sein. Die primäre Schaltung 202 kann auch eine Ladeschaltung 212 und eine Spulentreiberschaltung 214 aufweisen. Die Ladeschaltung lädt eine Vorrichtung, beispielsweise einen Kondensator (nicht gezeigt), um die Spulentreiberschaltung 214 mit einer Ladung für den Betrieb der Zündspule 300 zu versorgen. Bei einer Ausführungsform können die Stromversorgung 210, die Ladeschaltung 212, und der Spulentreiber 214 eine CDI-Schaltung sein. Allerdings wird darauf hingewiesen, dass diese drei Elemente kombiniert werden könnten, um jede Art einer herkömmlichen Zündschaltung auszubilden, die eine Entladung zwischen zwei Elektroden einer Zündkerze hervorrufen kann, beispielsweise ein TCI-System. Die Spulentreiberschaltung 214 ist an eine Niederspannungswicklung der Zündspule 300 angeschlossen. Die Hochspannungswicklung der Zündspule 300 ist elektrisch mit der sekundären Schaltung 208 verbunden.
Bei der Ausführungsform von 11 weist die Sekundärschaltung 208 eine Zündkerze und zugehörige Schaltung 220 auf, eine sekundäre Ladeschaltung 222, und eine Stromversorgung 224. Die Zündkerze und die zugehörige Schaltung 220 können einen Kondensator (nicht gezeigt) aufweisen, der zum Speichern von Energie in der sekundären Schaltung 208 verwendet wird. Die beiden Stromversorgungen 210 und 224 für die primäre bzw. sekundäre Schaltung 202 bzw. 208 können von einer einzigen Stromversorgungsquelle abgeleitet sein. Es wird darauf hingewiesen, dass der Begriff "Zündkerze", wie er in Bezug auf die folgende Zündschaltung verwendet wird, jede Zündkerze bezeichnen kann, die ein Plasma erzeugen kann, beispielsweise die Plasmaerzeugungs- und Plasmaausstossvorrichtungen, die voranstehend beschrieben wurden.
12 ist eine detaillierte Darstellung der voranstehend in Bezug auf 10 geschilderten Schaltung. Bei einem kommerziellen Einsatz wird die Schaltung von 12 dazu vorgezogen, den Kondensator 46 (10) auf Energie sparende Weise wieder aufzuladen, unter Verwendung einer Resonanzschaltung. Weiterhin ist das herkömmliche Zündsystem 42 (10), dessen einziger Zweck darin besteht, den ursprünglichen Spannungszusammenbruch hervorzurufen, so abgeändert, dass weniger Energie verbraucht wird, und eine schnellere Entladung erfolgt, als dies bisher der Fall war. Praktisch die gesamte Zündenergie wird von dem Kondensator 46 (10) geliefert. Die Abänderung dient hauptsächlich dazu, die Hochspannungs-Spuleninduktivität durch den Einsatz von weniger Sekundärwicklungen zu verringern. Dies ist deswegen möglich, da die ursprüngliche Entladung bei einer erheblich niedrigen Spannung stattfinden kann, wenn die Entladung über einer Isolatoroberfläche stattfindet. Die erforderliche Spannung kann etwa 1/3 jener sein, die dazu benötigt wird, einen Gasdurchbruch in Luft über dieselbe Entfernung hervorzurufen.
Die Anpassung der Elektronikschaltung an die Parameter der TSI (Länge von Elektroden, Durchmesser koaxialer Zylinder, Dauer der Entladung) maximiert das Volumen des Plasmas, wenn es die TSI verlässt, für eine vorgegebene Speicherung elektrischer Energie. Durch ordnungsgemäße Auswahl der Parameter der Elektronikschaltung wird ermöglicht, Strom- und Spannungsprofile zu erzielen, die im Wesentlichen eine maximale elektrische Energie an das Plasma übertragen.
Die Zündelektronik kann auf vier Teile unterteilt werden, wie dargestellt: Die primäre und die sekundäre Schaltung 202 bzw. 208, und ihre zugehörigen Ladeschaltungen 212 bzw. 222. Die primäre Schaltung 202 weist weiterhin eine Spulentreiberschaltung 214 auf. Die sekundäre Schaltung 208 kann eine Zündkerze und zugehörige Elektronikschaltung 220 aufweisen, die auf einen Hochspannungsabschnitt 283 und einen Niederspannungsabschnitt 285 aufgeteilt werden kann.
Die primäre bzw. sekundäre Schaltung 202 bzw. 208 entspricht der Primärwicklung 258 bzw. der Sekundärwicklung 260 einer Zündspule 300. Wenn der SCR 264 durch Anlegen eines Triggersignals an sein Gate 265 eingeschaltet wird, entlädt sich der Kondensator 266 über den SCR 264, was einen Strom in der Spulenprimärwicklung 258 hervorruft. Dies wiederum legt eine Hochspannung über die zugehörige Sekundärwicklung 260 an, was dazu führt, dass das Gas in einem Bereich in der Nähe der Zündkerze 206 einen Durchschlag erfährt, und einen leitfähigen Weg ausbildet, also ein Plasma. Sobald das Plasma hervorgerufen wurde, schalten die Dioden 286 ein, und entlädt sich der sekundäre Kondensator 270.
Nachdem der primäre und der sekundäre Kondensator 266 bzw. 270 entladen wurde, werden sie durch ihre jeweilige Ladeschaltung 212 bzw. 222 wieder aufgeladen. Beide Ladeschaltungen 212 und 222 weisen eine Induktivität 272 bzw. 274 und eine Diode 276 bzw. 278 auf, zusammen mit einer Stromversorgung 210 bzw. 224. Die Aufgabe der Induktivitäten 272 und 274 besteht darin, einen Kurzschluss der Stromversorgungen durch die Zündkerzen 206 zu verhindern. Die Aufgabe der Dioden 276 und 278 besteht darin, Schwingungen zu verhindern. Der Kondensator 284 verhindert, dass die Spannung V₂ der Stromversorgung 224 starken Schwankungen unterliegt.
Die Stromversorgungen 210 und 224 liefern beide eine Spannung V₁ bzw. V₂ in der Größenordnung von 500 Volt oder weniger. Sie können zu einer Stromversorgung vereinigt sein. Die Stromversorgungen 210 und 224 können Gleichspannungs-Gleichspannungswandler von einem CDI-System (einem kapazitiven Entladungszündsystem) zu sein, das von dem elektrischen System eines Kraftfahrzeugs mit 12 Volt versorgt werden kann, zum Beispiel.
Die Hochstromdioden 286, die in Reihe geschaltet sind, weisen eine hohe, gesamte Rückwärtsdurchbruchspannung auf, die größer ist als die maximale Zündkerzendurchbruchsspannung jeder der voranstehend geschilderten Plasmaerzeugungsvorrichtungen, bei sämtlichen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine. Die Aufgabe der Diode 286 besteht darin, den sekundären Kondensator 270 gegenüber der Zündspule 300 zu isolieren, durch Sperren des Stroms von der Sekundärwicklung 260 zum Kondensator 270. Wäre diese Isolierung nicht vorhanden, würde die Sekundärspannung der Zündspule 300 den sekundären Kondensator 270 aufladen; und könnte, wenn die Kapazität groß ist, die Zündspule 300 niemals eine ausreichend hohe Spannung entwickeln, um einen Durchschlag in der Luft/Kraftstoffmischung in einem Bereich nahe der Zündkerze 206 hervorzurufen.
Die Diode 288 verhindert, dass sich der Kondensator 270 über die Sekundärwicklung 260 entlädt. Weiterhin kann der optionale Widerstand 290 dazu verwendet werden, den Strom durch die Sekundärwicklung 260 zu verringern, wodurch elektromagnetische Strahlung (Funkrauschen) verringert wird, die von der Schaltung ausgesandt wird.
Die 13–15 erläutern allgemeine, verschiedene, alternative, sekundäre Schaltungen 208, die gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können.
13 zeigt ein Beispiel für eine Ausführungsform einer sekundären Schaltung 208 gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Schaltung sorgt für einen schnellen, ursprünglichen Durchschlag über der Zündkerze 206, gefolgt von einem niedrigen Nachlaufstrom zwischen der Elektrode der Zündkerze 206 infolge der Induktivität L1. An sich kann diese Schaltung als eine "schnell-langsame" Schaltung angesehen werden.
Die Sekundärwicklung 260 (Hochspannung) der Zündspule 300 empfängt elektrische Energie von der primären Schaltung (nicht gezeigt), die an der Wicklung (nicht gezeigt) an der niedrigen Seite der Zündspule 300 angebracht ist, um den Kondensator C1 aufzuladen, der parallel zur Zündspule 300 geschaltet ist. Wenn die Spannung über dem Kondensator C1 ausreichend groß wird, um einen Durchbruch sowohl über dem Funkenspalt 302 als auch zwischen den Elektroden der Zündkerze 206 hervorzurufen, wird der Kondensator C1 über den Funkenspalt 302 und die Zündkerze 206 entladen. Der Kondensator C1 wird an einer Entladung in den Kondensator C2 durch die Induktivität L1 gehindert, die als hoher Widerstand gegenüber sich schnell änderndem Strom dient.
Dieser ursprüngliche Durchschlag, der durch die Entladung des Kondensators C1 hervorgerufen wird, stellt die Ausgangsphase dar, welche die Ausbildung eines Plasmakerns zwischen den Elektroden der Zündkerze beginnt.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Funkenspalt 302 durch eine Diode oder eine andere Vorrichtung ersetzt werden könnte, welche mit der Hochspannung über der Sekundärwicklung 260 fertig werden kann, und die Entladung eines starken Stroms in die Sekundärwicklung 260 sperren kann. Ab und zu wird in der folgenden Beschreibung und in den beigefügten Figuren der Funkenspalt 302 als eine Diode dargestellt und beschrieben, um deren theoretische Austauschbarkeit für bestimmte Untersuchungszwecke zu erläutern.
Bevor der ursprüngliche Durchschlag auftritt, wird der Kondensator C2 durch die Stromversorgung 224 aufgeladen. Die Stromversorgung 224 ist so ausgebildet, dass sie keine ausreichend hohe Spannung über dem Kondensator C2 erzeugt, um einen Durchschlag über der Zündkerze 206 hervorzurufen. Nachdem der Kondensator C1 damit begonnen hat, sich über die Zündkerze 206 zu entladen, entlädt sich dann der Kondensator C2 durch die Zündkerze 206. Diese Entladung ist eine Entladung mit niedriger Spannung und höherem Strom als jene, die durch die Entladung des Kondensators C1 hervorgerufen wird. Der Kondensator C2 wird an einer Entladung über die Sekundärwicklung 260 durch den Zündspalt 302 gehindert. Wie voranstehend geschildert, könnte der Zündspalt 302 durch eine Diode ersetzt werden, welche der Hochspannung über dem Kondensator C1 widerstehen kann, und die Hochstromentladung des Kondensators C2 daran hindern kann, sich zur Sekundärwicklung 260 auszubreiten, jedoch immer noch eine schnelle Entladung ermöglicht (beispielsweise eine Durchbruchsdiode oder ein selbst getriggerter SCR). Die Entladung des Kondensators C2 durch die Zündkerze 206 stellt den nachfolgenden Niederspannungs-Hochstromimpuls dar, der dazu führt, dass sich der Plasmakern aufweitet, und aus dem Raum zwischen den Elektroden der Zündkerze 206 herausbewegt wird, wie voranstehend geschildert. Die Entladung des Kondensators C2 über die Zündkerze 206 ist langsamer als die Entladung des Kondensators C1, infolge der Induktivität L1.
Der Widerstand R1 dient als ein Strombegrenzungswiderstand, so dass die Stromversorgung keinen ständigen Strom über die Zündkerze 206 liefert, nachdem sich der Kondensator C2 entladen hat, und begrenzt den Ladestrom für den Kondensator C2. Es wird darauf hingewiesen, dass die Verbindung zwischen dem Widerstand R1 und der Stromversorgung 224 die Thevenin-Entsprechung einer strombegrenzten Stromversorgung ist. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass der Widerstand R1 durch eine Induktivität mit entsprechenden Werten ersetzt werden könnte, um zu verhindern, dass ein ständiger Strom von der Stromversorgung 224 durch die Zündkerze 206 hindurchgeht, und um den Ladestrom des Kondensators C2 zu begrenzen. Die Kombination aus dem Widerstand R1 und der Stromversorgung 224 kann zeitweilig hier allgemein als eine sekundäre Ladeschaltung bezeichnet werden.
Geeignete Werte für die Bauteile, die zum Zusammenhang mit 13 beschrieben wurden, umfassen C1 = 200 pF, L1 = 200 μH, C2 = 2 μF, und R1 = 2 kOhm, wenn die Stromversorgung 224 500 Volt zur Verfügung stellt.
Die 14A–14C zeigen verschiedene Schaltungen für unterschiedliche Ausbildungen der primären Schaltung. Sie setzen sämtlich einen Kondensator 620 ein, der durch die primäre Ladeschaltung 212 durch die Primärwicklung 258 der Spule geladen wird. Sämtliche, in den 14A–14C gezeigten Ausführungsformen weisen weiterhin einen SCR 264 auf, der dazu verwendet wird, schnell den Kondensator 620 durch die Wicklung 258 zu entladen, welche die Hochspannung an der Sekundärwicklung 260 erzeugt. Die drei Schaltungen weisen eine Diode 622 an unterschiedlichen Orten auf.
In 14A ist die Diode 622 parallel zur Primärwicklung 258 geschaltet. Sobald der Kondensator 620 vollständig entladen ist, und mit entgegengesetzter Polung erneut wieder aufgeladen wird, wird die Diode 264 leiten, und setzt sich ein Strom durch die Primärwicklung 258 durch die Diode 622 fort, bis er durch die Widerstände der Primärwicklung 258 bzw. der Diode 622 verteilt wird, und durch die Energieübertragung auf die Sekundärwicklung. Der Spulenstrom und die Sekundärspannung (Hochspannung) ändern daher nicht ihre Polung.
In 14B ist die Diode parallel zum SCR 264 geschaltet. Wenn der SCR 264 zündet, entlädt sich der Kondensator 620, und wird dann mit entgegengesetzter Polung wieder aufgeladen, infolge der Induktivität der Primärwicklung 258. Sobald der Kondensator 620 auf die Maximalspannung aufgeladen wurde, kehrt sich der Strom um, und geht durch die Diode 622. Dieser Zyklus wird dann wiederholt, bis die gesamte Energie verteilt ist. Daher oszillieren der Spulenstrom und die Hochspannung.
Die Schaltung von 14C ist so ausgelegt, dass sie einen einzelnen Stromdurchgang durch die Primärwicklung 258 hervorruft, wodurch der Kondensator 620 in entgegengesetzter Richtung wieder aufgeladen wird. Der zweite Durchgang des Stroms in entgegengesetzter Richtung tritt dann durch die Diode 622 und die Induktivität 624 (die in Reihe zwischen die Kathode des SCR 264 und Masse geschaltet sind), mit niedrigerer Rate, so dass der Kondensator wieder aufgeladen wird, nachdem der Funken in der Zündkerze (nicht gezeigt) erloschen ist. Die Diode 622 und die Induktivität 624 dienen als eine Energierückgewinnungsschaltung.
Die 15A–15C zeigen weitere Ausführungsformen der sekundären Schaltung 208. Die in den 15A–15C gezeigten Ausführungsformen weisen die Zündkerze und die zugehörige Schaltung 220 (11) auf.
Die Ausführungsform von 15A enthält eine einzige Diode 626. Es wird darauf hingewiesen, dass die Diode 626 durch mehrere, in Reihe geschaltete Dioden ersetzt werden könnte. Die Diode 626 stellt einen Weg mit niedriger Impedanz für die Entladung des Kondensators 626 zur Verfügung. Bei dieser Ausführungsform ist vorzuziehen, dass die beiden Wicklungen 258 und 260 vollständig getrennt sind.
15B ist ein Beispiel für eine Durchgangsschaltung. Diese Ausführungsform enthält den Kondensator C2, der sich über die Sekundärwicklung 260 entlädt. Üblicherweise würde dies zu einer sehr langsamen Entladung führen, infolge der hohen Induktivität der Sekundärwicklung 260. Wenn der Spulenkern 628 in Sättigung gelangt, wird jedoch die Spuleninduktivität drastisch verringert, so dass dann die Entladung schneller ablaufen kann.
15C zeigt eine andere Ausführungsform einer sekundären Schaltung. Bei dieser Ausführungsform ist die Induktivität 632 parallel zur zweiten Wicklung 260 angeordnet. Der Funkenspalt 630 ist in Reihe zwischen die Sekundärwicklung 260 und die Zündkerze 206 geschaltet.
Bei den voranstehend geschilderten Ausführungsformen kann die Art und Weise der Entladung als Art einer Doppelstufe bezeichnet werden. Allerdings kann es bei einigen Situationen wünschenswert sein, der Entladung eine dritte Stufe hinzuzufügen. Es wurde festgestellt, dass ein ursprünglicher Hochstromstroß dazu erforderlich sein kann, um zu ermöglichen, dass der Stromentladungskanal sich weg von der oberen Oberfläche des Isoliermaterials zwischen den Elektroden einer Plasmaerzeugungsvorrichtung zu bewegen beginnt. Wenn dieser ursprüngliche Hochstromstoß die Energie zu schnell liefert, kann jedoch das Plasma nicht lang genug vorhanden sein, um einen großen Kern zu erzeugen. Wenn der Strom ausreichend hoch ist, um eine Lorentzkraft zu erzeugen, die dazu ausreicht, den Funken zur Bewegung zu veranlassen, kann ein derartiger Strom daher die gesamte, gespeicherte Energie schnell entladen, so dass der Funken sich weit genug bewegt, um einen vergrößerten Plasmakern zu erzeugen. Weiterhin führen hohe Ströme zu einer erhöhten Ablation der Elektrode. Diese Nachteile können dadurch ausgeglichen werden, dass die Entladung verlängert wird, oder die Stromstärke für eine vorgegebene Entladung verringert wird. Wenn der Strom verringert wird, um eine längere Entladung zu erreichen, kann jedoch die sich ergebende Lorentzkraft nicht stark genug dazu sein, den Funken weg von dem Ort zu bewegen, an welchem der Funken entstanden ist (also der oberen Oberfläche des isolierenden Materials). Die folgenden Beispiele erläutern verschiedene Schaltungen, welche diese Probleme und andere überwinden, durch Kombination des ursprünglichen Durchschlags mit einer schnellen Hochstromentladung, damit der Funken in Bewegung gesetzt wird, und einer längeren Niederstromentladung, damit der Plasmakern wächst, währen eine Ablation der Elektrode minimiert wird.
16 zeigt ein Beispiel, das hier als paralleles Dreischaltungs-Zündsystem 700 bezeichnet wird. Dieses System weist eine herkömmliche Hochspannungsschaltung 702 auf, eine zweite Schaltung 704, und eine dritte Schaltung 706. Die Hochspannungsschaltung 702 und die zweite Schaltung 704 sind parallel zur Zündkerze 206 geschaltet. Die Parallelschaltung ist ähnlich wie jene, die voranstehend beschrieben wurde. Die Hochspannungsschaltung 702 kann jede herkömmliche Zündschaltung sein, beispielsweise eine CDI-Schaltung, eine TCI-Schaltung oder ein Magneto-Zündsystem. Die Hochspannungsschaltung 702 stellt die ursprüngliche Hochspannung zum Ionisieren der Luft/Kraftstoffmischung in dem Entladungsspalt einer Plasmaerzeugungsvorrichtung zur Verfügung. Bei den folgenden Beispielen wird darauf hingewiesen, dass die Hochspannungsschaltung sowohl die Primärwicklung als auch die Sekundärwicklung der Zündspule enthält. Die zweite Schaltung 704 stellt den Nachlaufstrom zur Verfügung, der dazu dient, den Plasmakern zu erweitern. Die Ausführungsform von 16 weist weiterhin eine dritte Schaltung 706 auf, die an die zweite Schaltung 704 angeschlossen ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die dritte Schaltung 706 eine Unterschaltung der zweiten Schaltung 704 sein. Die dritte Schaltung 706 stellt einen Anfangsimpuls des Stroms nach dem Nachlaufstrom zur Verfügung, der es dem ursprünglichen Stromkanal (und dem umgebenden Plasma) ermöglicht, sich weg von der oberen Oberfläche des Isoliermaterials zu bewegen.
17 zeigt ein detaillierteres Beispiel der in 16 gezeigten Schaltung. Diese Schaltung weist eine Hochspannungsschaltung 702 auf, eine zweite Schaltung 704, und die dritte Schaltung 706.
Parallel zur Hochspannungsschaltung 702 ist der erste Kondensator C1 geschaltet. Die Funktion des ersten Kondensators C1 besteht darin, den ursprünglichen Funken zwischen den Elektroden der Zündkerze 206 zu verstärken, durch Bereitstellung einer schnellen Hochspannungsentladung. Bei einigen Ausführungsformen kann der erste Kondensator C1 weggelassen werden. Zum Zwecke der vorliegenden Erläuterung sollte die Kombination aus Kondensator C1 und Hochspannungsschaltung als die primäre Schaltung 708 bezeichnet werden.
Die primäre Schaltung 708 kann auch eine erste Unterschaltung SC1 enthalten, die zwischen den Kondensator SC1 und die Zündkerze 206 geschaltet ist. Die erste Unterschaltung SC1 kann jede Vorrichtung sein, die verhindern kann, dass sich die Kondensatoren der zweiten Schaltung 704 und der dritten Schaltung 706 in dem ersten Kondensator C1 entladen, nachdem der Kondensator C1 entladen wurde. Ein zusätzliches Merkmal der ersten Unterschaltung SC1 kann darin bestehen, die Anstiegszeit der Hochspannung zu verringern. Geeignete Elemente, die als die erste Unterschaltung SC1 eingesetzt werden können, umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Dioden, Durchbruchsdioden und Funkenspalte.
Die zweite Schaltung 704 enthält einen zweiten Kondensator C2 und eine Induktivität L1, sowie die zweite Unterschaltung SC2. An die zweite Schaltung 704 ist die sekundäre Ladevorrichtung 710 angeschlossen, welche den Widerstand R1 und die Spannungsversorgung 224 aufweist.
Die Induktivität L1 dient zum Verlangsamen der Entladung des zweiten Kondensators C2. Wie nachstehend erläutert, ermöglicht dies der gewünschten dreistufigen Spannung, ein erhöhtes Plasmawachstum zu erzeugen. Die zweite Unterschaltung SC2 dient zum Isolieren der sekundären Schaltung 704 von der Hochspannung, die in der primären Schaltung 708 erzeugt wird, um sowohl die sekundäre Schaltung 704 zu schützen, als auch um eine hohe Impedanz zur Verfügung zu stellen, um die primäre Schaltung 708 zu zwingen, eine ausreichend hohe Spannung zu erzeugen, dass ein ursprünglicher Durchbruch zwischen den Elektroden der Zündkerze 206 hervorgerufen wird. Für diesen Zweck kann die zweite Unterschaltung SC2 eine Hochspannungsdiode oder eine Induktivität sein.
Die dritte Schaltung 706 enthält einen dritten Kondensator C3, der parallel zur Zündkerze 206 geschaltet ist. Die dritte Schaltung 706 kann wahlweise auch eine dritte Unterschaltung SC3 enthalten. Der dritte Kondensator C3 stellt einen Anfangsstromimpuls zur Verfügung, der es dem Plasma ermöglicht, sich weg von dem Bereich des ursprünglichen Durchschlags zu bewegen. Die wahlweise dritte Unterschaltung SC3 kann dazu verwendet werden, die schnelle Wiederaufladung des dritten Kondensators C3 zu verhindern. Wenn die dritte Unterschaltung SC3 weggelassen ist, kann der dritte Kondensator C3 eine Oszillatorschaltung mit dem zweiten Kondensator C2 und die Induktivität L1 bilden. Mögliche Ausführungsformen der dritten Unterschaltung SC3 umfassen, sind jedoch nicht hierauf beschränkt, eine Diode, die parallel zur entweder einer Induktivität oder einem Widerstand geschaltet ist, oder nur eine einzelne Diode. Selbstverständlich ist die Diode so angeschlossen, dass ihre Anode an den dritten Kondensator C3 angeschlossen ist, und ihre Kathode mit der Induktivität L1 verbunden ist.
18 zeigt eine andere Ausführungsform einer sekundären Schaltung 208. Diese Schaltung stellt eine ursprüngliche Hochspannung über der Zündkerze 206 zur Verfügung, gefolgt von einer schnellen Entladung eines hohen Stroms und einer langsameren Entladung. 18 wird weiterhin zur Erläuterung des Betriebsablaufs einer dreistufigen Schaltung verwendet. Wie voranstehend geschildert, liefert die Hochspannungsschaltung (nicht gezeigt) Energie an die Sekundärwicklung 260 der Zündspule 300. Wenn die Spannung über der Sekundärwicklung 260 die Durchbruchsspannung zwischen den Elektroden der Zündkerze 206 überschreitet, tritt eine ursprüngliche Entladung einer hohen Spannung zwischen den Elektroden auf. Bei dieser Ausführungsform wurde die erste (SC1) und die zweite (SC2) Unterschaltung (17) durch Dioden D1 und D2 ersetzt.
Die Anfangsspannung, die über der Zündkerze 206 entladen wird, kann im Bereich von 500 Volt liegen. Daher sollte die Diode D1 dazu fähig sein, einen Spannungsabfall über ihr in der Nähe von 500 Volt auszuhalten. Allerdings stellen 500 Volt nur ein Beispiel dar, und wissen Fachleuten auf diesem Gebiet, dass diese Spannung höher oder niedriger sein kann, abhängig von dem Einsatzzweck.
Die ursprüngliche Hochspannung dient verschiedenen Zwecken. Zuerst kann diese Hochspannung unterstützen, irgendwelche Kohlenstoff- und/oder Metallablagerungen zu lösen, die zwischen den Elektroden der Zündkerze 206 vorhanden sind. Weiterhin kann diese Hochspannung auch mit der Ausbildung des Plasmakerns beginnen.
Während jener Zeit, in welcher die primäre Schaltung die Wicklung 300 auflädt, lädt die Stromversorgung 224 die Kondensatoren C3 und C2 auf. Die Diode D2 hindert die Sekundärwicklung 260 an einer Entladung entweder über den Kondensator C3 oder den Kondensator C2.
Nach der ursprünglichen Entladung der Sekundärwicklung 260 über die Zündkerze 206 beginnen sich beide Kondensatoren C2 und C3 über die Zündkerze 206 zu entladen. Die Entladung des Kondensators C3 ist eine schnelle Entladung, im Vergleich zur Entladung des Kondensators C2, infolge der Induktivität L1, die zwischen diesen beiden angeordnet ist. Daher stellt der Kondensator C3 eine schnelle Hochstromentladung über die Zündkerze 206 zur Verfügung, die dazu dient, den Plasmakern zwischen den Elektroden der Zündkerze 206 zum Aufweiten und zur Bewegung nach außerhalb zwischen den Elektroden zu veranlassen. Infolge der Induktivität L1 ist die Entladung des Kondensators C2 langsamer als jene des Kondensators C3, und hält einen Strom zwischen den Elektroden aufrecht, selbst nachdem sich der Kondensator C3 entladen hat. Der Kondensator C2 wird durch die Sperrdiode D3 daran gehindert, sich über den Kondensator C3 zu entladen, und diesen hierdurch aufzuladen.
19 ist ein Diagramm der Spannung über den Elektroden der Zündkerze 206 im Verlauf der Zeit. Vom Zeitpunkt t₀ bis zum Zeitpunkt t₁ steigt die Spannung über den Elektroden der Zündkerze 206 so an, wie die Spannung über der Sekundärwicklung 260 ansteigt, bis zum Zeitpunkt t₁. Zum Zeitpunkt t₁ hat sich die Spannung auf einen Pegel erhöht, an welchem ein Durchschlag zwischen den Elektroden der Zündkerze 206 auftreten kann. Da keine Induktivität zwischen dem Kondensator C3 und der Zündkerze vorhanden ist, beginnt sich darüber hinaus auch der Kondensator C3 zu entladen, was den Strom durch die Zündkerze verstärkt, und zum "Überschlag" über den Elektroden führt. Sowohl die Sekundärwicklung 260 als auch der Kondensator C3 können sich frei entladen. Daher sinkt die Spannung schnell zwischen dem Zeitpunkt t₁ und dem Zeitpunkt t₂ ab. Zum Zeitpunkt t₂ beginnt sich der Kondensator C2 (dessen Entladung durch die Induktivität L1 verzögert wurde) durch die Zündkerze 206 zu entladen. Die vereinigten Entladungen der Sekundärwicklung 260 und der Kondensatoren C2 und C3 sorgen für den ebenen Verlauf der Spannungskurve zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃. Zum Zeitpunkt t₃ haben sich der Kondensator C3 und die Sekundärwicklung 260 vollständig entladen, und kann sich der Kondensator C2 selbstständig entladen, und einen Strom durch das Plasma zwischen den Elektroden für einen verlängerten Zeitraum zur Verfügung stellen (also bis er vollständig entladen ist, oder ein neuer Zyklus beginnt).
Als geeignete Werte für die Bauteile der Schaltungen in 18 haben sich folgende herausgestellt: C2 = 2 μF, C3 = 0,2 μF, L1 = 200 μH, und R1 = 2 kOhm, wenn die Stromversorgung 224 500 Volt zur Verfügung stellt.
Es wird darauf hingewiesen, das die voranstehende Funktionsbeschreibung für jede der dreistufigen Schaltungen gelten kann, die hier geschildert werden.
20 zeigt eine andere Ausführungsform einer sekundären Schaltung 208. Diese Ausführungsform ist im Wesentlichen die gleiche wie jene, die unter Beziehung auf 18 erläutet wurde, unter Hinzufügung der dritten Unterschaltung SC3. Beim vorliegenden Beispiel enthält die dritte Unterschaltung SC3 eine Diode D3, die parallel zu einer Induktivität L3 geschaltet ist. Die Kathode der Diode D3 ist zwischen D2 und L1 geschaltet, und ihre Anode ist an den Kondensator C3 angeschlossen. C1 wurde zur Verdeutlichung weggelassen, kann jedoch vorgesehen sein, wie dies Fachleute erkennen werden.
21 zeigt eine ähnliche Schaltung wie jene von 18, mit Ausnahme der Tatsache, dass die Dioden D1 und D2 durch einen Funkenspalt 712 bzw. eine Induktivität L2 ersetzt wurden. Diese Ausführungsform arbeitet im Wesentlichen ebenso wie jene von 18. Der Funkenspalt 712 und die Induktivität L2 stellen dieselben Funktionen wie die Dioden D1 und D2 zur Verfügung, welche sie ersetzen, allerdings auf unterschiedliche Art und Weise. Der Funkenspalt 712 stellt eine Impedanz zur Verfügung, so dass sich C3 und C2 nicht in die Sekundärwicklung 260 entladen, oder C1 anstelle der Zündkerze 206 aufladen, und die Induktivität L2 stellt eine entsprechende Impedanz zu Verfügung, damit die Spannung von der Sekundärwicklung 260 nicht die Kondensatoren C2 und C3 auflädt, anstatt sich über den Elektroden der Zündkerze 206 zu entladen. Die Induktivität L2 stellt diese Funktionalität infolge der inhärenten Eigenschaften von Induktivitäten zur Verfügung, und infolge der charakteristischen Frequenz des Durchschlags über dem Funkenspalt 712. Die Induktivität L2 sollte so groß sein, dass sie eine ausreichend hohe Impedanz bei der charakteristischen Frequenz des Luftspaltdurchschlags (etwa 10 MHz) zur Verfügung stellt, wobei sie immer noch ermöglicht, dass sich sowohl C3 als auch C2 über L2 entladen. Bei einigen Ausführungsformen kann der Funkenspalt 712 durch Festköperelemente ersetzt werden, die auf entsprechende Art und Weise wie ein Funkenspalt arbeiten, beispielsweise durch eine Durchbruchsdiode oder einen selbst getriggerten SCR. In anderen Aspekten ist die mehrstufige Entladung ebenso wie voranstehend geschildert.
Selbstverständlich, und wie in 22 gezeigt, kann die sekundäre Schaltung die dritte Unterschaltung SC3 enthalten, die voranstehend geschildert wurde. Bei der Ausführungsform von 22 enthält die dritte Unterschaltung SC3 eine Diode D3, die parallel zu einer Induktivität L3 geschaltet ist, wobei die Kathode der Diode D3 zwischen D2 und L1 geschaltet ist, und ihre Anode mit dem Kondensator C3 verbunden ist. Selbstverständlich könnte SC3 nur eine Diode D3 aufweisen.
23 ist eine alternative Ausführungsform einer Schaltung, welche eine dreistufige Entladung durch die Zündkerze 206 zur Verfügung stellt. Bei dieser Ausführungsform kann eine herkömmliche Hochspannungsschaltung 702 direkt an die Zündkerze 206 angeschlossen sein. Die Sperrdiode 720 ist zwischen die Ausgangsklemmen 722 und 724 der Hochspannungsschaltung 702 geschaltet, und dient dazu, zu verhindern, dass die Hochspannungsschaltung die Kondensatoren C2 und C3 auflädt. Der Kondensator C3 ist zwischen die Anode der Sperrdiode 720 und Masse geschaltet. Parallel zum Kondensator C3 ist die Reihenschaltung der Induktivität L1 und des Kondensators C3 geschaltet. Nach dem ursprünglichen Durchbruch zwischen den Elektroden der Zündkerze 206, hervorgerufen durch die Hochspannung der herkömmlichen Hochspannungsschaltung 702, wie voranstehend beschrieben, entlädt sich C3 schnell über die Zündkerze 206, während die Entladung C2 durch die Induktivität L1 verlangsamt wird. Die Entladung bei dieser Ausführungsform ist ähnlich jener, die anhand von 19 erläutert wurde. Selbstverständlich, und wie voranstehend geschildert, enthält die Schaltung von 23 auch eine Ladeschaltung 726 zum Aufladen der Kondensatoren C2 und C3 vor jeder Entladung.
24 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie jene, die in 23 gezeigt ist, unter Hinzufügung der dritten Unterschaltung SC3. Diese Ausführungsform weist eine Diode D3 auf, die parallel zu einer Induktivität L3 geschaltet ist, wobei die Kathode der Diode D3 zwischen D2 und L2 geschaltet ist, und ihre Anode an den Kondensator C3 angeschlossen ist.
25 ist ein Beispiel für eine andere Ausführungsform einer sekundären Schaltung 208 gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den vorherigen Ausführungsformen in zumindest zwei Aspekten. Erstens verwendet diese Ausführungsform keinen Funkenspalt oder eine Diode, um zu verhindern, dass der Kondensator C2 der sekundären Schaltung 208 durch die Spannung über der Sekundärwicklung 260 der Zündspule 300 aufgeladen wird. Zweitens liefert die Stromversorgung 210 der primären Schaltung 202 eine Oszillatorspannung. Bei einer Ausführungsform kann die Stromversorgung 210 auf einer Funkfrequenz schwingen.
Die Zündspule 300 im vorliegenden Fall weist eine Primärwicklung 402 auf, die weniger Windungen hat als die Sekundärwicklung 260. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Sekundärwicklung 260 der Zündspule 300 eine Eigenresonanz annähernd gleich der Oszillationsfrequenz f₀ der oszillierenden Stromversorgung 210 auf. Da die Primärwicklung 402 der Zündspule 300 weniger Windungen aufweist als die Sekundärwicklung, passt ihre Resonanzfrequenz nicht zu jener der oszillierenden Stromversorgung 210. Hierbei wird ein Kondensator C5 mit geeigneten Werten dazu verwendet, die Primärwicklung 402 auf die Resonanzfrequenz der oszillierenden Stromversorgung 210 abzustimmen. Daher ist am Knoten 404 eine oszillierende Hochspannung vorhanden. Die Diode D1, wie voranstehend erläutert, verhindert die Entladung des Kondensators C2 in die Sekundärwicklung 260. Die Diode D1 dient auch als Halbwellengleichrichter. Wie Fachleute auf diesem Gebiet leicht erkennen werden, kann jedoch die Diode durch einen Kondensator ersetzt werden, der das vollständige Oszillatorsignal hindurch lässt, aber immer noch die Gleichspannungsentladung vom Kondensator C2 sperrt.
Im Gegensatz zu den voranstehend erläuterten, vorherigen Ausführungsformen wird eine Entladung der Spannung über der Wicklung 260 in den Kondensator C2 durch die Parallelschaltung der Induktivität L1 und des Kondensators C4 anstatt durch eine Diode verhindert. Die Induktivität L1 weist vorzugsweise einen hohen Q Faktor auf, der es ihr ermöglicht, theoretisch eine unendliche Impedanz an ihrer Resonanzfrequenz zur Verfügung zu stellen. Der Kondensator C4 wird dazu verwendet, die Induktivität L1 so abzustimmen, dass ihre Resonanzfrequenz zu jener der oszillierenden Stromversorgung 210 passt. Auf diese Weise wird verhindert, dass die oszillierende Spannung zum Kondensator C2 hindurchgeht.
Wie voranstehend geschildert wird, wenn die Spannung am Knoten 404 die Durchbruchsspannung über den Elektroden der Zündkerze 206 überschreitet, die Sekundärwicklung 260 über die Elektroden der Zündkerze 206 entladen. Dann stellt der Kondensator C2 den Nachlaufstrom zur Verfügung, der den Plasmakern zum Erweitern und zum Ausstoßen aus dem Raum zwischen den Elektroden der Zündkerze 206 veranlasst. Die Parallelschaltung des Kondensators C4 und der Induktivität L1 beeinflusst nicht die Entladung des Kondensators C2, da diese Entladung bei einer niedrigeren Frequenz stattfindet.
26 zeigt eine Schaltung gemäß einer alternativen Ausführungsform, die dazu eingesetzt werden kann, eine mehrstufige Entladung bei einer Plasmaausstoßvorrichtung zur Verfügung zu stellen. Diese Ausführungsform enthält einen ersten Transformator 730, der typischerweise ein Teil eines Hochspannungszündsytems ist. Parallel zur Sekundärseite 732 des ersten Transformators 730 ist ein Versteilerungskondensator 734 geschaltet. Dieser Versteilerungskondensator 734 ist parallel zur Reihenschaltung eines Funkenspaltes 736 und der Primärseite 738 eines zweiten Transformators 740 geschaltet. Bei einer Ausführungsform ist der zweite Transformator 740 ein Ringkerntransformator (beispielsweise mit einem Metallkern), der eine größere Anzahl an Windungen an seiner Sekundärseite 742 als an seiner Primärseite 738 aufweist (es kann beispielsweise ein Windungsverhältnis von 4:1 geeignet sein).
Wenn eine ausreichende Spannung in dem Versteilungskondensator 734 gespeichert wurde, kann ein schneller Durchschlag über dem Funkenspalt 736 auftreten. Der schnelle Durchschlag induziert eine hohe Spannung in der Sekundärseite 742 des zweiten Transformators 740. Die in der Sekundärseite 742 induzierte Hochspannung ruft den ursprünglichen Durchschlag zwischen Elektroden der Zündkerze 206 hervor, die zwischen einer ersten Klemme 744 der Sekundärseite 742 und Masse geschaltet ist.
Zwischen die zweite Klemme 746 der Sekundärseite 748 und Masse ist der dritte Kondensator C3 geschaltet. Der dritte Kondensator C3 ist parallel zur Reihenschaltung aus Induktivität L1 und Kondensator C2 geschaltet. Eine Ladeschaltung 748 kann an einem Punkt zwischen der Induktivität L1 und dem Kondensator C2 angeschlossen sein, um die Kondensatoren C2 und C3 aufzuladen (eine derartige Ladeschaltung kann, wie voranstehend erläutert, eine Stromversorgungsquelle und einen Widerstand aufweisen, wobei der Widerstand an dem Punkt zwischen Induktivität L1 und Kondensator C2 angeschlossen ist).
Nach dem ursprünglichen Durchschlag zwischen den Elektroden der Zündkerze 206 beginnen sich die Kondensatoren C3 und C2 zu entladen (also beginnt von diesen aus ein Strom zu fließen), durch die Sekundärseite 742 des zweiten Transformators 742 zur Zündkerze 206. Der Strom durch die Sekundärseite 742 führt dazu, dass der Kern des zweiten Transformators 740 in Sättigung gelangt, und verringert hierdurch die wirksame Impedanz der Sekundärseite 742. Wie bislang verlangsamt die Induktivität L1 die Entladung des Kondensators C2, um eine Entladung durch die Zündkerze 206 zu erzeugen, wie sie in 19 gezeigt ist. Bei einer Ausführungsform sollten die erste und zweite Seite 732 bzw. 742 in einer solchen Phasenbeziehung stehen, dass der induzierte Strom in der Sekundärseite 742 infolge des ursprünglichen Durchschlags in derselben Richtung fließt, wie die Entladung von den Kondensatoren C2 und C3. Hierdurch wird vermieden, dass das Magnetfeld in dem Kern umgekehrt werden muss, wodurch Verluste vermieden werden, die bei einer derartigen Umkehr auftreten.
Beispiele für Werte von Bauteilen, die in Bezug auf 26 beschrieben wurden, sind: C1 = 200 pF, C2 = 2,2 μF, C3 = 0,67 μF, und L1 = 200 μH.
IV. Zusatzeinheiten
Jede der voranstehenden geschilderten Ausführungsformen der sekundären Schaltung kann als Zusatzeinheit ausgebildet sein, um im Zusammenhang mit einem herkömmlichen Zündsystem eingesetzt zu werden, das bei einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist, damit derartige Brennkraftmaschinen eine Plasmaerzeugungsvorrichtung auf wirksame Art und Weise betreiben. So kann beispielsweise, wobei nunmehr auf 27 Bezug genommen wird, die sekundäre Schaltung 208 vollständig in einem kleinen Gehäuse eingeschlossen sein, das an den Ausgang der primären Elektronik (Schaltung) 202 angeschlossen ist (die jedes herkömmliche Zündsystem sein kann, und wie dargestellt, die Zündspule 300 enthält). Bei einer Ausführungsform enthält die Zusatzeinheit die zwei Dioden D1 und D2 oder es können alternativ Funkenspalte, wie voranstehend erläutert, an deren Stelle vorgesehen sein. Zwischen den Kathoden der D1 und D2 befindet sich die Zündkerze 206. Die Nachlaufstromerzeugungsvorrichtung 602 kann jede der voranstehend geschilderten, sekundären Schaltungen enthalten, gesehen von der rechten Seite des Sperrelements D2 aus. Es wird darauf hingewiesen, dass D2 durch die parallele LC-Schaltung ersetzt werden kann, die voranstehend geschildert wurde, wenn die primäre Elektronik eine Wechselstromquelle einsetzt. Weiterhin kann die Stromversorgung 224 vorgesehen sein, oder kann Strom von der Stromquelle der primären Elektronik empfangen werden.
Bei einer Ausführungsform kann die sekundäre Elektronik 208 abgeschaltet werden, damit die primäre Elektronik nur die Zündkerze steuert. Dies kann vorteilhaft für einige Brennkraftmaschinenbetriebszustände sein. Wenn beispielsweise die Brennkraftmaschine mit hohen Drehzahlen läuft, infolge der Luft/Kraftstoffmischung, die von einem Vergaser bei diesen Drehzahlen zur Verfügung gestellt wird. Daher kann der Schalter 604 öffnen, wenn bestimmt wird, dass die Brennkraftmaschine bei ausreichend hohen Drehzahlen arbeitet, um eine gute Mischung aufzuweisen, und eine Nachlaufspannung nicht benötigt wird, um einen größeren Plasmakern zu erzeugen.
V. Anordnen einer Plasmaerzeugungsvorrichtung in einem Brennraum
Die optimale Anordnung einer Zündvorrichtung wird unter Bezugnahme auf die 26–27 nachstehend erläutert. Allgemein sollte, beim Betrieb bei Systemen, die geschichtete Mischungen enthalten, die Zündvorrichtung so in dem Brennraum angeordnet sein, dass sie nicht die Kraftstoffschwade berührt, die in dem Brennraum eingegeben wird, sondern stattdessen das Plasma in die Kraftstoffschwade aus einer Entfernung hinaus stößt.
28 ist ein Beispiel für eine herkömmliche Zündanlage für eine Brennkraftmaschine. Ein Kraftstoffinjektor 802 spritzt periodisch eine Kraftstoffschwade 804 in einen Brennraum 806 ein. Nachdem die Kraftstoffschwade 804 eingespritzt wurde, enthält der Brennraum 806 eine geschichtete Mischung, die einen an Kraftstoff reichen Bereich (die Kraftstoffschwade 804) und einen Bereich 808 ohne einen wesentlichen Kraftstoffanteil aufweist. Eine Zündkerze, beispielsweise eine herkömmliche Zündkerze 810, zündet die Kraftstoffschwade 804 durch Erzeugung einer elektrischen Entladung (Funken) zwischen der ersten Elektrode 812 und einer zweiten Elektrode 814. Der Funken führt zum Zünden der Kraftstoffschwade 804, und treibt den Kolben 816 in Richtung nach unten.
Wie voranstehend erläutert, treten bei einem derartigen System verschiedene Probleme auf. Der Ort der Kraftstoffschwade 804 muss nämlich so gerichtet werden, dass eine minimale Menge an Kraftstoff in der Nähe der Wände des Brennraums 806 vorhanden ist, um ein Zusammendrücken der Flamme durch die Wände des Brennraums 806 zu verhindern. Weiterhin muss die Entladung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 812 bzw. 814 so angeordnet sein, dass sie die Kraftstoffschwade 804 berührt, da es sonst auftreten kann, dass die Kraftstoffschwade 804 nicht gezündet wird. Das Anordnen der Elektroden 812 und 814 direkt im Weg der Kraftstoffschwade 804 kann dazu führen, dass der Funken durch vorbeikommenden Kraftstoff erlischt, oder ein signifikantes Ausmaß der Verschmutzung der Zündkerze 810 hervorgerufen wird.
29 erläutert beispielhaft eine Art und Weise zur Vermeidung dieser Probleme unter Verwendung der hier vorgeschlagenen Lehren. Wie bislang, spritzt der Kraftstoffinjektor 802 eine geschichtete Mischung (also eine Kraftstoffschwade 804) in den Brennraum 806 ein. Daher enthält der Brennraum 806 eine geschichtete Mischung aus der Kraftstoffschwade 804 und einem Bereich 808, der keinen wesentlichen Anteil an Kraftstoff enthält. Es wird darauf hingewiesen, dass der Kraftstoffinjektor die Kraftstoffschwade 804 in dem Brennraum 806 durch verschiedene Verfahren einlassen kann, beispielsweise durch direkte Kraftstoffeinspritzung.
Eine Plasmaerzeugungsvorrichtung 820 wird so in dem Brennraum angeordnet, dass die Enden ihrer Elektroden 822 und 824 mit der Wand des Brennraums 106 fluchten, oder nahezu fluchten. Bei einer Ausführungsform erstreckt sich das Ende der längeren Elektrode 822 oder 824 um weniger als 2,54 cm (1 Zoll) in den Brennraum 806. Bei anderen Ausführungsformen können sich die Elektroden um jede Entfernung zwischen etwa 0 und 2,54 cm in den Brennraum 806 erstrecken. Die Plasmaerzeugungsvorrichtung 820 erzeugt ein Volumen aus Plasma 832, wie voranstehend erläutert, das aus dem Raum zwischen den Elektroden 822 und 824 ausgestoßen wird, in die Kraftstoffschwade 804, und diese zündet. Ein derartiges System ermöglicht es dem Konstrukteur des Zündsystems, eine Plasmaerzeugungsvorrichtung vorzusehen, die mit einem optimierten Brennraum fluchtet oder nahezu fluchtet. Anstatt die Zündkerze so zu verlängern, dass sie in die Kraftstoffschwade 804 hineingelagt (und zahlreiche der voranstehend geschilderten Probleme hervorzurufen), verwendet eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Kombination aus speziellen Elektroniken 830 mit zwei Energien (wie voranstehend beschrieben) und einer entsprechend ausgelegten Plasmaerzeugungsvorrichtung, um ein Plasma 832 auszubilden, und es in die Kraftstoffschwade 804 einzuspritzen.
Bei höheren Drehzahlen werden Brennkraftmaschinen normalerweise in einer Betriebsart mit homogener Mischung betrieben, bei welcher der Kraftstoffinjektor die Kraftstoffschwade 804 in den Brennraum 806 früh in dem Zyklus einspritzt, um eine gleichmäßige Mischung über den Brennraum 806 bereitzustellen, wenn die Verbrennung in der Nähe des oberen Totpunktes des Brennkraftmaschinenzyklus eingeleitet wird. Das Zündsystem gemäß der vorliegenden Erfindung stellt sich als vorteilhaft auch in dieser Betriebsart heraus. Erstens kann die Plasmaerzeugungsvorrichtung 820 mit der Zylinderwand fluchten oder nahezu fluchten, was Kohlenwasserstoffemissionen verringert, und eine teilweise Verbrennung, die infolge einer Flammeneinquetschung um vorstehende Zündkerzen herum auftreten. Zweitens ist die Plasmaerzeugungsvorrichtung 820 konstruktiv eine „kalte" Zündkerze, die mögliche Vorzündungsprobleme ausschaltet, die bei vorstehenden Zündkerzenkonstruktionen auftreten, die in heutigen Brennnkraftmaschinen mit geschichteten Mischungen verwendet werden. Drittens ermöglicht die vorliegende Erfindung, dass der Brennraum optimaler für Leistungen bei höheren Drehzahlen ausgelegt wird.
Schließlich kann die vorliegende Erfindung bei einigen Ausführungsformen in einer herkömmlichen Betriebsart (im Gegensatz zu der voranstehend geschilderten Betriebsart mit zwei Stufen) betrieben werden. Bei diesen Ausführungsformen kann das System ein Sperrelement (entweder extern oder eingebaut; möglicherweise bei der Elektronik vorgesehen) aufweisen, um den Einsatz des TSI-Betriebs gegenüber dem normalen Betrieb zu steuern, bei welchem Betriebsbereiche einen Zündkern mit höherer Energie benötigen. Das Sperrelement dient dazu, die Bereitstellungsvorrichtung für den Nachlaufstrom (also die sekundäre Elektronik) zu sperren, oder alternativ dazu, zu verhindern, dass der in der Bereitstellungsvorrichtung erzeugte Strom über die Zündvorrichtung entladen wird. In jedem dieser Fälle besteht der Nettoeffekt darin, dass verhindert wird, dass der Nachlaufstrom an die Zündvorrichtung übertragen wird.
Das System kann die Betriebsart umschalten auf Grundlage der Brennkraftmaschinendrehzahl, der Drosselklappenposition, der Rate, mit welcher sich Drehzahlen ändern, oder in Abhängigkeit von jedem anderen, verfügbaren Brennkraftmaschinenzustand, der Aufschluss darüber gibt, wie gut der Kraftstoff gemischt ist. Eine einfache Art und Weise zur Ausführung eines derartigen Systems umfasst, wie wiederum unter Bezugnahme auf 27 nur beispielhaft erläutert wird, das Vorsehen eines zusätzlichen Elements (beispielsweise eines Thyristors) zwischen dem Abschnitt der Schaltung, der den Nachlaufstrom erzeugt (also links von D2), der es nur zulässt, den Nachlaufstrom zur Verfügung zu stellen, wenn das Element aktiv ist. Ein derartiges Element sperrt in der Auswirkung den Strom von der Bereitstellungsvorrichtung für den Nachlaufstrom. Alternativ, und wie voranstehend erläutert, kann der Schalter 604 dazu dienen, die Bereitstellungsvorrichtung für den Nachlaufstrom abzuschalten, wenn ein derartiger Nachlaufstrom nicht benötigt wird. Entweder der Schalter 604 oder das zusätzliche Element kann, wie man leicht merkt, von einer Schaltung gesteuert werden, welche die beste Betriebsart bestimmt, abhängig von den voranstehend geschilderten Betriebsbedingungen sowie anderen.
Nachdem nunmehr einige wenige Ausführungsformen beschrieben wurden, sollte Fachleuten deutlich geworden sein, dass die voranstehenden Ausführungen nur erläuternd und nicht einschränkend sind, und nur als Beispiele zur Verfügung gestellt wurden. Zahlreiche Abänderungen und andere Ausführungsformen sind vom Umfang der vorliegenden Erfindung, wie er in den folgenden Patentansprüchen angegeben ist, für Fachleute auf diesem Gebiet umfasst.

Claims

Plasmaerzeugungsvorrichtung, welche aufweist: zumindest zwei beabstandete Elektroden (18, 20), zwischen denen ein Entladungsspalt (W_dg) vorgesehen ist; und gekennzeichnet durch ein elektrisch isolierendes Material (23), das einen wesentlichen Abschnitt des Raums zwischen den Elektroden (18, 20) ausfüllt, wobei das elektrisch isolierende Material (23) eine obere Oberfläche (204) aufweist, die sich nicht über die gesamte Entfernung zwischen den Elektroden erstreckt; wobei die Elektroden solche Abmessungen und eine solche Ausbildung aufweisen, und ihr Abstand so ausgewählt ist, dass dann, wenn ein Plasma zwischen den Elektroden in einem Einleitungsbereich ausgebildet wird, eine Lorentzkraft durch den Strom in zumindest einer Elektrode und einen Strom erzeugt wird, der zwischen den Elektroden, über die obere Oberfläche und die Entfernung zwischen den Elektroden fließt, die nicht von der oberen Oberfläche eingenommen wird, und sich das Plasma nach außen entlang den Elektroden und weg von dem Einleitungsbereich unter Einwirkung zumindest der Lorentzkraft bewegt, und wobei zumindest ein Abschnitt des Einleitungsbereiches auf zumindest einem Abschnitt der oberen Oberfläche (204) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Elektroden solche Abmessungen und eine solche Ausbildung aufweisen, und ihr Abstand so gewählt ist, dass die Länge (l₁, l₂) von zumindest einer der Elektroden relativ kurz in Bezug auf die Entladungsspaltbreite ist, und die Breite des Entladungsspaltes (W_dg) durch die Entfernung zwischen den Elektroden am Entladungseinleitungsbereich festgelegt ist, und die Länge des Entladungsspaltes durch die Entfernung von dem Entladungseinleitungsbereich zum Ende der kürzesten Elektrode festgelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die minimale Länge der Elektroden des Entladungsspaltes so ist, dass sie es dem Plasma ermöglicht, sich entlang den Elektroden weg von dem Einleitungsbereich unter der Auswirkung der Lorentzkraft zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Entladungsspaltlänge größer oder gleich 1/3 der Entladungsspaltbreite ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Entladungsspaltbreite größer ist als 1/3 der Entladungsspaltlänge.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Entladungsspaltbreite größer ist als ½ der Entladungsspaltlänge.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher sich die Oberfläche des elektrisch isolierenden Materials (23) weiter als die Hälfte der Entfernung zwischen den Elektroden (18, 20) erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Elektroden des Entladungsspaltes annähernd parallel zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Elektroden des Entladungsspaltes Zylinder sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher die Elektroden konzentrisch sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher von der äußeren Elektrode Abschnitte entfernt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher zumindest eine der Elektroden eine ebene Oberfläche ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Entladungsoberflächen der Elektroden im Wesentlichen parallel zueinander von einem Ort, der zumindest die Hälfte einer Breite des Entladungsspaltes unterhalb der oberen Oberfläche des elektrisch isolierenden Materials ist, zu einem Ende der kürzesten der Elektroden verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche weiterhin eine dritte Elektrode (108) aufweist, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (104, 106) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Oberfläche des elektrisch isolierenden Materials (23) nicht in Kontakt mit irgendeiner der Elektroden steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche weiterhin eine Vorrichtung (140) zur Anbringung der Vorrichtung an der elektrischen Schaltung über eine koaxiale Verbindung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher zumindest ein Abschnitt zumindest einer der Elektroden aus einem magnetischen Material besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher ein Spalt in der Oberfläche des elektrisch isolierenden Materials, welche die obere Oberfläche festlegt, in dem Bereich entfernt von einer der Elektroden angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Verwendung als eine Zündvorrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 19, welche weiterhin eine Vorrichtung zum Anbringen (19) der Zündvorrichtung in einer Brennkraftmaschine aufweist.
Plasmaerzeugungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche in Kombination mit einer elektrischen Schaltung zur Ausbildung eines Plasmaerzeugungssystems, wobei die elektrische Schaltung dazu ausgebildet ist, zumindest einen Impuls zu erzeugen, der dazu ausreicht, ein Plasma zwischen den Elektroden zu erzeugen, und die Lorentzkraft zu erzeugen, die auf das Plasma einwirkt.
System nach Anspruch 21, bei welchem die elektrische Schaltung dazu ausgebildet ist, einen schnell ansteigenden Hochstromimpuls zur Verfügung zu stellen, der zwischen den Elektroden nach Einleitung der Entladung angelegt wird.
System nach Anspruch 21 in Abhängigkeit von Anspruch 19, bei welchem die Schaltung dazu ausgebildet ist, eine Gesamtenergie der Zündvorrichtung pro Entladung von weniger als etwa 1% der verfügbaren Energie einer gezündeten Mischung zur Verfügung zu stellen.
System nach Anspruch 21, bei welchem die Gesamtenergie, die der Plasmaerzeugungsvorrichtung zur Verfügung gestellt wird, kleiner ist als etwa 400 mJ pro Entladung.
System nach Anspruch 21 in Abhängigkeit von Anspruch 19, bei welchem das Luft-Kraftstoffverhältnis einer brennbaren Mischung magerer ist als eine stöchiometrische Mischung.
System nach Anspruch 21, bei welchem die elektrische Schaltung zumindest zwei Spannungen zur Verfügung stellt, und die erste angelegte Spannung eine relativ hohe Amplitude und einen relativ niedrigen Strom in Bezug auf die zweite Spannung aufweist.
System nach Anspruch 21 in Abhängigkeit von Anspruch 19 zum Einsatz beim Zünden eines geschichteten Luft/Kraftstoffgemisches in einem Verbrennungssystem.
Verfahren zur Erzeugung eines großen Volumens an sich bewegendem Plasma, wobei vorgesehen sind: Bereitstellung einer Plasmaerzeugungsvorrichtung, die zumindest zwei beabstandete Elektroden (18, 20) aufweist, zwischen denen ein Entladungsspalt (W_dg) vorhanden ist, und eines elektrisch isolierenden Materials (23), das einen wesentlichen Abschnitt des Raums zwischen den Elektroden (18, 20) ausfüllt, wobei das elektrisch isolierende Material (23) eine obere Oberfläche (204) aufweist, die sich nicht über die gesamte Entfernung zwischen den Elektroden erstreckt, und zumindest ein Abschnitt eines Plasmaeinleitungsbereiches auf zumindest einem Abschnitt der oberen Oberfläche (204) angeordnet ist, und die Elektroden solche Abmessungen und eine solche Ausbildung aufweisen, und ihr Abstand so gewählt ist, dass dann, wenn ein Plasma zwischen den Elektroden in dem Einleitungsbereich ausgebildet wird, eine Lorentzkraft durch den Strom in zumindest einer Elektrode und einen Strom erzeugt wird, der zwischen den Elektroden, über die obere Oberfläche und die Entfernung zwischen den Elektroden fließt, die nicht von der oberen Oberfläche eingenommen wird, und sich das Plasma nach außerhalb der Elektroden und weg von dem Einleitungsbereich unter Einfluss dieser Lorentzkraft bewegt, und Energieversorgung einer elektrischen Vorrichtung (201) zur Erzeugung zumindest eines elektrischen Impulses, der dazu ausreicht, ein Plasma zwischen den Elektroden der Plasmaerzeugungsvorrichtung zu erzeugen, und eine Lorentzkraft, die auf das Plasma einwirkt, und dazu ausreicht, das Plasma dazu zu veranlassen, sich weg von dem Einleitungsbereich unter Einwirkung zumindest der Lorenzkraft zu bewegen.
Verfahren nach Anspruch 28, bei welchem der zumindest eine elektrische Impuls einen ersten Impuls aufweist, der eine ausreichende Amplitude und Dauer aufweist, und die Elektroden (18, 20) eine ausreichende Länge aufweisen, um das Plasma zur Bewegung entlang den Elektroden zu veranlassen, weg von dem Einleitungsbereich, unter Einwirkung einer Lorentzkraft.
Verfahren nach Anspruch 28, welches den Schritt umfasst, die Amplitude und die Dauer des elektrischen Hochstromimpulses einzustellen, um die Geschwindigkeit des Plasmas zu steuern, wenn es den Entladungsspalt überquert.
Verfahren nach Anspruch 28, welches weiterhin die Schritte umfasst, die Plasmaerzeugungsvorrichtung als eine Zündvorrichtung einzusetzen, und die Zündvorrichtung in einem Verbrennungssystem anzubringen, so dass der Entladungsspalt dem Verbrennungsbereich ausgesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 28, welches weiterhin die Schritte umfasst, die Plasmaerzeugungsvorrichtung als eine Zündvorrichtung einzusetzen, und die Zündvorrichtung in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine so anzubringen, dass der Entladungsspalt der Zündvorrichtung zum Verbrennungsbereich hin frei liegt.
Verfahren nach Anspruch 28, welches weiterhin umfasst, die Plasmaerzeugungsvorrichtung bei einer Direkteinspritzbrennkraftmaschine anzubringen, so dass das Plasma in die Kraftstoffschwade unter zumindest einem Zustand mit geschichteter Beschickung eindringt.
Verfahren nach Anspruch 28, welches weiterhin umfasst, die Plasmaerzeugungsvorrichtung bei einer Direkteinspritzbrennkraftmaschine anzubringen, so dass das Plasma in die Kraftstoffschwade unter sämtlichen Bedingungen mit geschichteter Beschickung eindringt.
Verfahren nach Anspruch 28, welches weiterhin umfasst, die Plasmaerzeugungsvorrichtung bei einer Direkteinspritzbrennkraftmaschine anzubringen, so dass die Enden der Elektroden mit dem Rand des Verbrennungsbereiches fluchten.
Verfahren nach Anspruch 28, welches weiterhin umfasst, die Plasmaerzeugungsvorrichtung bei einer Direkteinspritzbrennkraftmaschine anzubringen, so dass sich die Enden der Elektroden an dem Rand einer Kraftstoffschwade in einem Brennraum der Brennkraftmaschine befinden.