DE69726569T2

DE69726569T2 - Zündsystem und dazugehörige zündkerze mit vorwärtstreibendem funken

Info

Publication number: DE69726569T2
Application number: DE69726569T
Authority: DE
Inventors: Szymon Suckewer; J. Enoch DURBIN
Original assignee: Knite Inc
Current assignee: Knite Inc
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1997-05-29
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2017-05-30
Also published as: BR9709616B1; US6131542A; CN1222956A; DE69726569D1; EA001348B1; CN1076085C; BR9709616A; KR20000016131A; CZ385198A3; CZ299358B6; EP0901572B1; AU3149697A; US5704321A; ATE255680T1; WO1997045636A1; EP0901572A1; AR008221A1; AU725458B2; KR100317762B1; JP2000511263A

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Zündanlagen von Verbrennungsmotoren einschließlich der zugehörigen Zündungsschaltungsanordnungen und Zündvorrichtungen, wie z. B. Zündkerzen.
Hintergrund der Erfindung
Seit sie Ende des letzten Jahrhunderts zuerst entwickelt wurden, haben Kraftfahrzeuge viele Veränderungen mitgemacht. Viele dieser evolutionären Veränderungen können als eine Reifung von Technologie betrachtet werden, bei der die fundamentalen Grundsätze unverändert blieben. Das ist auch bei der Zündanlage der Fall. Zu einigen ihrer Entwicklungen zählt das Ersetzen mechanischer Verteiler durch elektronische, was die Zuverlässigkeit erhöhte und die leichte Einstellung der Zündzeitpunktverstellung unter verschiedenen Motorbetriebsbedingungen zuließ. Die für das Erzeugen der für die Entladung erforderlichen Hochspannung zuständige Elektronik hat sich geändert und heute sind Transistorspulenzündungs- (TCI – Transistorized Coil Ignition) und Kondensatorentladungszündungssysteme (CDI – Capacitive Discharge Ignition) häufig. Der grundlegende Zündkerzenaufbau hat sich aber nicht verändert. Zündkerzen unterscheiden sich heute von früheren meist durch die Verwendung verbesserter Werkstoffe, die grundlegende Punkt-zu-Punkt-Entladung ist aber die gleiche geblieben.
Ein Zündfunke, der von der Kraft der Wechselwirkung des Magnetfelds, das vom Zündfunkenstrom erzeugt wird, und des Stroms selbst getrieben wird, ist ein sehr attraktives Konzept zum Vergrößern des Zündungskerns für eine bestimmte Zündanlageneingangsenergie.
Der Bedarf an einer besseren Zündquelle wird schon lange erkannt. Viele Erfindungen wurden gemacht, die vergrößerte Zündungskerne ergaben. Die Verwendung von Plasmastrahlen und Lorentz-Kraft-Plasmabeschleunigern sind das Thema vieler Nachforschungen und Patente. Keine dieser Erfindungen vom Stand der Technik hat aber eine praktische, kommerziell akzeptable Lösung ergeben. Die Hauptschwäche der Erfindungen vom Stand der Technik war die erforderliche übermäßige Zündungsenergie, was jede mögliche Leistungssteigerung in dem Motor, in dem sie eingesetzt werden, eliminiert. Diese höheren Zündungsenergieanforderungen haben zu hohen Zündelektrodenerosionsraten geführt, was die Betriebslebensdauer der Zündung auf ein unakzeptables Niveau herabsetzt.
Das Konzept der Vergrößerung des Volumens und der Oberfläche des funkengezündeten Plasmazündungskerns ist eine attraktive Idee zum Erweitern der praktischen Magergrenze für Verbrennungsgemische in einem Verbrennungsmotor. Die Aufgabe liegt darin, die Varianz des Verbrennungsverzugs zu reduzieren, die typisch ist, wenn Motoren mit mageren Gemischen betrieben werden. Im Besonderen besteht ein schon lange empfundener Bedarf, Zündverzug durch Vergrößern des Funkenvolumens zu eliminieren. Während dies unten noch ausführlicher beschrieben wird, ist zu beachten, dass, wenn ein Plasma auf das kleine Volumen zwischen den Entladungselektroden beschränkt ist (wie dies bei einer herkömmlichen Zündkerze der Fall ist), sein anfängliches Volumen ziemlich klein ist, meist ungefähr 1 mm³ Plasma mit einer Temperatur von 60.000°K gebildet wird. Dieser Kern dehnt sich auf ein Volumen von ungefähr 25 mm³ aus und kühlt auf eine Temperatur von 2.500°K ab, die das zündfähige Gemisch entzünden kann. Dieses Volumen stellt ungefähr 0,04% des Gemisches dar, das zur vollständigen Verbrennung in einem 0,5-Liter-Zylinder bei einer Verdichtung von 8 : 1 zu verbrennen ist. Aus der Besprechung unten geht hervor, dass, wenn der Zündungskern 100-fach vergrößert werden könnte, 4% des zündfähigen Gemischs gezündet würde und der Zündverzug beträchtlich verkürzt würde. Dieses attraktive Zündungsziel wurde bisher in praktischen Anlagen aber noch nicht erreicht. Die in diesen früheren Anlagen, z. B. Fitzgerald et al., US-Patent 4.122.816, benötigte elektrische Energie wird als mehr als 2 Joules pro Zündung angegeben (Spalte 2, Zeilen 55– 63). Diese Energie ist ungefähr 40 mal höher als die in herkömmlichen Zündkerzen verbrauchte.
Matthews et. al. infra, meldet den Verbrauch von 5,5 Joules elektrischer Energie pro Zündung oder mehr als das 100-fache der in herkömmlichen Zündanlagen verbrauchten Energie.
Man betrachte einen mit 3600 U/min laufenden Sechszylindermotor, bei dem bei jeder Motorumdrehung drei Zylinder gezündet werden müssen bzw. 180 Zündungen pro Sekunde erforderlich sind. Bei 2 Joules pro Zündung beträgt dies 360 Joules/Sekunde. Für einen Nettoverbrauch des Motorkraftstoffs bei einem Wirkungsgrad von ungefähr 7,2% muss diese Energie vom Verbrennungsmotor mit einem typischen Wirkungsgrad von etwa 18% zugeführt und durch Stromrichtergeräte mit einem typischen Wirkungsgrad von etwa 40 sauf eine geeignete höhere Spannung umgerichtet werden. Fitzgerald erfordert einen Kraftstoffverbrauch von 360/0,072 Joules/Sekunde oder ungefähr 5000 Joules/Sekunde zum Betrieb der Zündanlage.
Um ein Fahrzeug von 1250 kg mit ungefähr 80 km/h (etwa 50 mph) auf einer ebenen Straße zu bewegen, wird eine Kraftstoffenergie von ungefähr 9000 Joules/Sekunde benötigt. Bei einem Wirkungsgrad der Umwandlung von Motorkraftstoff in Bewegungsenergie von 18% werden ungefähr 50.000 Joules/Sekunde Kraftstoff verbraucht. Die von Fitzgerald et al., infra, eingesetzte Anlage verbraucht daher ungefähr 10% der für den Fahrzeugbetrieb verbrauchten Kraftstoffenergie zum Betreiben der Zündanlage. Das ist mehr als der Wirkungsgradgewinn, der durch die Verwendung der Zündanlagen nach Fitzgerald et al erwartet werden kann.
Vergleichsweise verbrauchen herkömmliche Zündanlagen etwa 0,25% der Kraftstoffenergie zum Betreiben der Zündanlage. Des Weiteren verursacht die in diesen Anlagen eingesetzte hohe Energie das Auftreten hochgradiger Erosion an den Elektroden der Zündkerzen, wodurch die nutzbare Betriebslebensdauer beträchtlich verkürzt wird. Diese gekürzte Lebensdauer wird im Werk von Matthews et al., infra, demonstriert, in dem die Notwendigkeit zum Verringern der Zündungsenergie anerkannt wird, obwohl keine Lösung geboten wird.
Als zusätzlichen Versuch zur Lösung dieses Problems betrachte man das Werk 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", Princeton Univ., MAE Report (Januar 1984)), in dem ein größerer Zündungskern als normal mit einer Mehrelektrodenzündkerze erzeugt wurde, was eine Verringerung der zyklischen Veränderlichkeit der Verbrennung, eine Verringerung der Frühzündung und eine Steigerung der Ausgangsleistung demonstrierte. Die Vergrößerung der Kerngröße betrug nur das Sechsfache der einer gewöhnlichen Zündkerze.
Bradley and Critchley (Bradley, D., Critchley, I. L., „Electromagnetically Induced Motion of Spark Ignition Kernels", Combust. Flame 22, Seiten 143–152 (1974)) waren die Ersten, die die Verwendung elektromagnetischer Kräfte zum Induzieren einer Bewegung des Zündfunkens mit einer Zündungsenergie von 12 Joules in Betracht zogen. Fitzgerald (Fitzgerald, D. J., „Pulsed Plasma Ignitor for Internal Combustion Engines", SAE Paper 760764 (1976), und Fitzgerald, D. J., Breshears, R. R., „Plasma Ignitor for Internal Combustion Engine", US-Patent Nr. 4.122.816 (1978)) schlugen die Verwendung pulsierter Plasmatriebwerke für die Zündung von Kraftfahrzeugmotoren mit viel weniger, aber immer noch beträchtlicher Zündungsenergie (ungefähr 1,6 J) vor. Er konnte zwar die Magergrenze erweitern, die Gesamtleistung derartiger für Zündanlagen verwendeter Plasmatriebwerke war aber nicht wesentlich besser als die normaler Zündkerzen und die von ihnen erzeugten Zündfunken. In diesem System wurde viel mehr Zündungsenergie verbraucht ohne ein wesentliche Vergrößerung der Plasmakerngröße (Clements, R. M., Smy, P. R., Dale, J. D., „An Experimental Study of the Ejection Mechanism for Typical Plasma Jet Ignitors", Combust. 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 Paper 912319 (1991)), und Matthews et al.
(Matthews, R. D., Hall, M. J., Faidley, R. W., Chiu, J. P., Zhao, X. W., Annezer, I., Koening, M. H., Harber, J. F. Darden, M. H., Weldon, W. F., Nichols, S. P., „Further Analysis of Railplugs as a New Type of Ignitor", SAE Paper 922167 (1992)) gezeigt, dass ein bei einer Energie von über 6 J betriebener (2,4 cm langer) „Rail Plug" eine sehr beträchtliche Verbesserung in Verbrennungsbombenversuchen zeigte. Sie beobachteten auch Verbesserungen m Magerbetrieb eines Motors, wenn sie ihn mit ihrer Zündkerze mit einer Zündungsenergie von 5,5 J. laufen ließen. Sie schrieben die Notwendigkeit dieses übermäßigen Energiebetrags einer schlechten Abstimmung zwischen dem elektrischen Stromkreis und der Zündkerze zu. Dieser in der Zündkerze aufgebrauchte Energiegrad beträgt etwa 25% der Energie, die beim Vorantreiben eines Fahrzeugs von 1250 kg mit 80 km/h auf einer ebenen Straße verbraucht wird. Jegliche Wirkungsgradvorteile in der Motorleistung würden von der gesteigerten Energie in der Zündanlage mehr als aufgebraucht werden.
US 5076223 beschreibt eine Plasmazünderanlage, die einen eng gebündelten Hochenergieplasmastrahl erzeugen kann. Dies wird mithilfe der Verwendung eines Hochenergiestromimpulses und einer geometrisch konfigurierten Anlage erreicht. Die Verwendung des Hochenergieplasmas in Verbindung mit einem in den Elektroden entwickelten elektromagnetischen Feld erzeugt elektromagnetische Kräfte, die den Plasmabogen aus den Elektroden und in den Brennraum hinein beschleunigt. Dies wird mithilfe eines großen Verhältnisses von Elektrodenlänge zu Elektrodenabstand, typisch ca. 6 : 1 und in einigen Anwendungen sogar 10 : 1, erreicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Die obigen Probleme werden durch Plasmazünder nach den Ansprüchen 1 und 17 und ein Verfahren zum Erzeugen eines großen Volumens von sich bewegendem Plasma nach Anspruch 14 gelöst.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist ein Plasmabrenner oder -zünder für einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Elektrode; Mitteln zum Halten der Elektroden in einer vorbestimmten beabstandeten Beziehung und Mitteln zum Anbringen in einem Verbrennungsmotor, wobei aktive Teile der Elektroden in einem Verbrennungszylinder des Motors installiert sind. Die Elektroden sind so dimensioniert und konfiguriert und ihre Beabstandung ist so angeordnet, dass, wenn eine ausreichend hohe Spannung über die Elektroden angelegt wird, während der Zünder in einem Verbrennungsmotor eingebaut ist, in der Mitte eines gasförmigen Luft-Kraftstoff-Gemischs ein Plasma im Gemisch zwischen den Elektroden gebildet wird und das Plasma sich unter einer Lorentz-Kraft zwischen den Elektroden heraus nach außen und in ein sich ausdehnendes Volumen im Zylinder hinein bewegt. Die beabstandete Beziehung zwischen den Elektroden kann aufrecht erhalten werden durch Umgeben eines beträchtlichen Teils der Elektroden mit einem dielektrischen Material, sodass sich das Plasma beim Anlegen der Spannung an die Elektroden an die oder in der Nähe der Oberfläche des Dielektrikums bildet. Die Spannung kann reduziert und mehr Strom zugeführt werden, um das Plasma nach seiner anfänglichen Bildung zu erhalten.
Im Besonderen wird im Folgenden ein Plasmabrenner oder – zünder für einen Verbrennungsmotor erklärt, dessen eine Ausgestaltung zwei Elektroden hat, die beabstandet sind und im Wesentlichen parallele und kreisförmige einander zugekehrte Flächen haben, zwischen denen über eine über die Elektroden angelegte Spannung ein sich radial nach außen bewegendes Plasma im Luft-Kraftstoff-Gemisch gebildet wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung hat ein Plasmabrenner oder -zünder für einen Verbrennungsmotor zwei beabstandete und im Wesentlichen parallele längliche Elektroden, zwischen denen ein sich längs nach außen bewegendes Plasma über eine über die Elektroden angelegte Hochspannung gebildet wird.
Vorzugsweise ist eine Zündquelle bereitgestellt und mit den zwei vorangehenden Ausgestaltungen verwendbar, die für einen Zündungsplasmakern sorgt, indem sie eine ausreichend hohe erste Spannung zum Erzeugen eines aus Plasma gebildeten Kanals zwischen den Elektroden und eine zweite Spannung mit geringerem Potential als die erste Spannung zum Unterstützen des Stroms durch das Plasma im Kanal zwischen den Elektroden bereitstellt, sodass ein elektrisches Feld aus der Potentialdifferenz zwischen den Elektroden und das mit dem genannten Strom assoziierte Magnetfeld miteinander in Wechselwirkung stehen, um eine auf das Plasma wirkende Kraft zu erzeugen, um es zum Wegbewegen aus seinem Ursprungsbereich und zum volumenmäßigen Erweitern zu veranlassen.
Vorzugsweise ist ein Zünder vorgesehen, der im Wesentlichen parallele und beabstandete Elektroden mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Elektrode hat, die zwischen sich einen Entladungsspalt bilden, wobei das Verhältnis der Summe der Radien der Elektroden zu der Länge der Elektroden größer als oder gleich vier ist, während das Verhältnis der Differenz dieser zwei Radien zur Länge der Elektroden größer als ungefähr ein Drittel ist; ein dielektrisches Material einen beträchtlichen Teil der Elektroden und des Raums zwischen ihnen umgibt; ein nichtisoliertes Ende eines Teils jeder der Elektroden frei von dem genannten dielektrischen Material ist und in zueinander entgegengesetzter Beziehung ist und wobei es Mittel zum Einbauen des Zünders gibt, sodass die freien Enden der ersten und der zweiten Elektrode in einem Verbrennungszylinder eines Verbrennungsmotors installiert sind.
Vorzugsweise ist ein Zünder vorgesehen, der wenigstens zwei parallele und voneinander beabstandete Elektroden hat, die zum Bilden von Entladungsspalten zwischen ihnen ausgeführt sind, wobei der Radius des größten Zylinders, der zwischen die Elektroden passen kann, größer als die Länge einer Elektrode geteilt durch sechs ist; ein dielektrisches Material einen beträchtlichen Teil der Elektroden und des Raums zwischen ihnen umgibt; ein nichtisoliertes Ende jeder der Elektroden frei von dem dielektrischen Material und in zueinander entgegengesetzter Beziehung ist, wobei die nichtisolierten Endteile als die Längen der Elektroden bezeichnet werden, und ferner mit Mitteln zum Einbauen des Zünders mit freien Enden der Elektrode in einem Verbrennungszylinder eines Motors.
Vorzugsweise ist eine Lauffunkenzündanlage für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, die einen Zünder und zusammen damit oder separat davon eine elektrische Einrichtung zum Erzeugen einer Potentialdifferenz zwischen Elektroden des Zünders hat. Der Zünder hat im Wesentlichen parallele und beabstandete Elektroden einschließlich wenigstens einer ersten und einer zweiten Elektrode, die zwischen sich einen Entladungsspalt bilden, wobei das Verhältnis der Summe der Radien der Elektroden zu ihrer Länge größer als oder gleich vier ist, während das Verhältnis der Differenz dieser zwei Radien zur Länge der Elektroden größer als ungefähr ein Drittel ist. Ein dielektrisches Material, wie z. B. polarisierbare Keramik, umgibt einen beträchtlichen Teil der Elektroden und des Raums zwischen ihnen, wobei ein nichtisolierter Endteil jeder der Elektroden frei von dem dielektrischen Material und in zueinander entgegengesetzter Beziehung ist. Es sind Mittel zum Einbauen des Zünders vorgesehen, sodass die freien Enden der ersten und der zweiten Elektrode in einem Verbrennungszylinder eines Verbrennungsmotors installiert sind. Derartige Mittel können das Gewinde einer der Elektroden sein. Die elektrische Einrichtung zum Erzeugen einer Potentialdifferenz zwischen den Elektroden sorgt anfänglich für eine ausreichend hohe erste Spannung zum Erzeugen eines im Kraftstoff-Luft-Gemisch zwischen den Elektroden aus Plasma gebildeten Kanals und sorgt danach für eine zweite Spannung mit niedrigerem Potential als die erste Spannung, um einen Strom durch das Plasma im Kanal zwischen den Elektroden zu unterstützen. Als Folge dessen steht ein durch die Potentialdifferenz verursachtes elektrisches Feld zwischen den Elektroden mit einem durch den genannten Strom verursachten Magnetfeld auf eine Weise in Wechselwirkung, die eine auf das Plasma wirkende Kraft erzeugt, um zu bewirken, dass es sich aus seinem Ursprungsbereich weg bewegt, was die Vergrößerung des Plasmavolumens verursacht.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Lauffunkenzündanlage für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, die einen Zünder und eine elektrische Einrichtung zum sequentiellen Bereitstellen von zwei Potentialdifferenzen zwischen Elektroden des Zünders hat. Der Zünder hat wenigstens parallel voneinander beabstandete Elektroden, die ausgeführt sind, um zwischen sich Entladungsspalten zu bilden, wobei der Radius des größten Zylinders, der zwischen die genannten Elektroden passen kann, größer ist als die Länge der Elektroden; ein dielektrisches Material einen beträchtlichen Teil der Elektroden und eines Raums zwischen ihnen umgibt, wobei das dielektrische Material z. B. ein polarisierbares Keramikmaterial ist; ein nichtisoliertes Ende jeder der Elektroden frei von dem dielektrischen Material und in zueinander entgegengesetzter Beziehung ist, wobei die nichtisolierten Endteile die bereits genannten Längen der Elektroden sind, und ein Mittel zum Montieren des Zünders mit den freien Enden der Elektroden in einem Verbrennungszylinder eines Motors bereitgestellt ist, wobei ein solches Mittel z. B. ein an einer der Elektroden befindliches Gewinde ist. Die elektrische Einrichtung zum sequentiellen Anlegen von Potentialdifferenzen zwischen den Elektroden sorgt für eine erste Potentialdifferenz, die hoch genug ist, um zwischen den Elektroden einen aus Plasma gebildeten Kanal zu bilden, wonach die Potentialdifferenz auf eine zweite Spannung mit niedrigerem Potential als die erste Spannung verringert wird, um einen Strom durch das Plasma im Kanal zwischen den Elektroden aufrecht zu erhalten. Ein durch die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden verursachtes elektrisches Feld steht mit einem durch den genannten Strom verursachten Magnetfeld auf eine Weise in Wechselwirkung, die eine auf das Plasma wirkende Kraft erzeugt, um zu bewirken, dass es sich aus seinem Ursprungsbereich weg bewegt, um das Wirkvolumen des Plasmas zu vergrößern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Unten werden verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen illustriert und beschrieben, in denen gleiche Teile mit der gleichen Bezugsbezeichnung gekennzeichnet sind. Dabei zeigt:
1 eine Querschnittansicht einer zylindrischen Marshall-Kanone mit einer Abbildung ihrer Funktionsweise, die zum Verstehen der Erfindung nützlich ist;
2 eine Ansicht eines Querschnitts durch die Achsen des Zylinders eines zylindrischen Lauffunkenzünders für eine Ausgestaltung dieser Erfindung, der zwei Elektroden hat und wobei das erzeugte Plasma sich durch Ausdehnen in der axialen Richtung bewegt;
3 eine ähnliche Querschnittansicht eines Lauffunkenzünders für eine andere Ausgestaltung der Erfindung, bei der das erzeugte Plasma sich durch Ausdehnen in der radialen Richtung bewegt;
4 eine Darstellung der Zünderausgestaltung von 2, gekoppelt mit einem Schaltbild einer beispielhaften elektrischen Zündungsschaltung zum Betreiben des Zünders gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
5 eine Schnittdarstellung eines in einem Zylinder eines Motors installierten Lauffunkenzünders für eine zweite Ausgestaltung der Erfindung;
6 eine Schnittdarstellung eines in einem Zylinder eines Motors installierten Lauffunkenzünders für eine zweite Ausgestaltung der Erfindung;
7 ein Schaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Zündungsschaltungsausgestaltung;
8 eine Querschnittansicht noch eines Lauffunkenzünders für eine Ausgestaltung der Erfindung;
9A eine Längsquerschnittansicht eines weiteren Lauffunkenzünders für eine weitere Ausgestaltung der Erfindung;
9B eine Endansicht des Lauffunkenzünders von 9A, die die freien Enden der einander entgegengesetzten Elektroden zeigt;
9C eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 9B.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung ist ein Lauffunkenanzünder oder -zünder (TSI- Traveling Spark Initiator/Ignitor) in der Form einer Miniatur-Marshall-Kanone (Koaxial-Kanone) mit hohem Wirkungsgrad der Übertragung elektrischer Energie in Plasmavolumenerzeugung. In der Ausgestaltung von 2 sollte ein Verhältnis einer Summe der Radien (r₂) und (r₁) einer äußeren Elektrode bzw. einer inneren Elektrode zur Länge (⌷) der Elektroden größer oder gleich 4 sein, während das Verhältnis der Differenz dieser zwei Radien (r₂ – r₁) = g₁/2 zur Länge (⌷) der Elektroden größer als 1/3 (vorzugsweise größer als 1/2) sein sollte, wie folgt:
und g₁ der Spaltabstand zwischen den Elektroden ist.
Ähnliche Beziehungen sind für die Ausgestaltung von 3 erforderlich, wobei r₁ und r₂ von 2 durch R₁ und R₂ ersetzt werden, wie gezeigt, der Spalt zwischen den Elektroden g₂ ist und die Länge der Elektroden L ist. Daher ist
Die Wärmeübertragung auf das zündfähige Gemisch findet in der Form der Diffusion von Ionen und Radikalen aus dem Plasma statt. Die sehr große Zunahme des Plasmavolumens steigert die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung auf das zündfähige Gemisch.
Zunächst wird das Prinzip der Marshall-Kanone besprochen.
Dem folgt eine Besprechung der durch größere Funkenvolumen gebotenen Umweltvorteile. Dann werden die Konstruktionsdetails einer solchen Anlage mit Bezug auf verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung besprochen.
Das Prinzip der Marshall-Kanone stellt eine effektive Methode zum Erzeugen eines großen Plasmavolumens dar. Die schematische Darstellung in 1 zeigt das elektrische Feld 2 und das Magnetfeld 4 in einer beispielhaften Koaxialplasmakanone, wobei B_T das entlang Feldlinie 4 gerichtete poloidale Magnetfeld ist. Das Plasma 16 wird von der Wirkung des Lorentz-Kraftvektors F und thermischer Ausdehnung in einer Richtung 6 bewegt, wobei durch den Durchschlag von frischem Gas kontinuierlich neues Plasma erzeugt wird, während die Entladung anhält. V_z ist der Geschwindigkeitsvektor des Plasmakerns, der auch in die durch Pfeil 6 dargestellte z-Richtung gerichtet ist. Das Plasma 16 wächst also, während es sich entlang der und durch die Zwischenräume zwischen den Elektroden 10, 12 (die vom Isolator oder Dielektrikum 14 in einer voneinander beabstandeten Beziehung gehalten werden) bewegt. Wenn das Plasma 16 die Elektroden 10, 12 verlässt, dehnt sich sein Volumen aus und es kühlt dabei ab. Es entzündet das zündfähige Gemisch, nachdem es auf die Zündtemperatur abgekühlt ist.
Glücklicherweise stimmt das Vergrößern des Plasmavolumens mit anerkannten Strategien zum Verringern von Emissionen und eines besseren Kraftstoffverbrauchs überein. Zwei derartige Strategien sind das Vergrößern der Verdünnung des Gasgemischs im Zylinder und das Verringern der Schwankungen von Zyklus zu Zyklus.
Das Verdünnen des Gasgemischs, das meistens durch die Verwendung entweder von überschüssiger Luft (magerer Motorbetrieb) oder von Abgasrückführung (AGR) erreicht wird, reduziert die Bildung von Stickoxiden durch Senken der Verbrennungstemperatur. Stickoxide tragen wesentlich zur Smogbildung bei und ihre Verringerung ist eine der anhaltenden Herausforderungen für die Kraftfahrzeugindustrie. Die Verdünnung des Gasgemischs steigert auch den sparsamen Kraftstoffverbrauch durch Senken der Temperatur und somit durch Verringern des Wärmeverlusts durch die Brennraumwände, was das Verhältnis der spezifischen wärmen verbessert, und durch Senken der Schichtbetriebverluste bei Teillast.
Zeilinger bestimmte die Stickoxidbildung pro Pferdestärke-Stunde geleisteter Arbeit als eine Funktion des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses für drei verschiedene Zündzeitpunktverstellungen (Zeilinger, K., Dissertation, Technische Universität Münschen (1974)). Er stellte fest, dass sowohl das Luft/Kraftstoff-Verhältnis als auch die Zündzeitpunktverstellung die Verbrennungstemperatur und somit die Stickoxidbildung beeinflussen. Beim Verdünnen des zündfähigen Gemischs oder des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (L/K) mit überschüssiger Luft (d. h. L/K größer als stöchiometrischer Wert) geht die Temperatur zurück. Zunächst wird dieser Effekt durch die Vergrößerung der Sauerstoffmenge vermindert. Die NO_x-Bildung nimmt zu. Wenn das Gemisch weiter verdünnt wird, nimmt die NO_x-Bildung auf Werte ab, die weit unter denen bei einem stöchiometrischen Gemisch liegen, weil der Verbrennungstemperaturrückgang die Zunahme an O₂ überwältigt.
Eine verfrühtere Zündzeitpunktverstellung (d. h. Zündungsauslösung mehr Grad vor oberem Totpunkt) hebt die Spitzentemperatur an und verringert die Motorleistung, weil ein größerer Bruchteil des zündfähigen Gemischs brennt, bevor der Kolben den oberen Totpunkt (OT) erreicht und das Gemisch auf eine höhere Temperatur verdichtet wird, was zu viel höheren NO_x-Pegeln und Wärmeverlusten führt. Beim Abmagern des Gemischs wird die Zündzeitpunktverstellung, die das maximale Bremsmoment ergibt (MBM-Verstellung), erhöht.
Das Verdünnen des Gemischs hat eine Verringerung der Energiedichte und der Flammenausbreitungsgeschwindigkeit zur Folge, die Zündung und Verbrennung beeinflussen. Die geringere Energiedichte verringert die durch die chemische Reaktion in einem bestimmten Volumen freigesetzte Wärme und verschiebt so das Gleichgewicht zwischen dem Verlust chemischer Wärme und der an das umgebende Gas verlorenen Wärme. Wenn die freigesetzte Wärme kleiner ist als die verlorene, breitet sich die Flamme nicht aus. Eine Vergrößerung des Zündvolumens ist erforderlich, um zu gewährleisten, dass die Flammenausbreitung beim Reduzieren der Energiedichte des zündfähigen Gemischs nicht verlangsamt wird.
Das Verringern der Flammenausbreitungsgeschwindigkeit verlängert die Verbrennungsdauer. Zündverzug ist eine Folge der Tatsache, dass die Flammenfront anfänglich sehr klein ist, was bewirkt, dass sie sehr langsam wächst, da die Menge des entzündeten Kraftstoff-Luft-Gemischs proportional zur Oberfläche ist. Die Vergrößerung des Zündverzugs und der Verbrennungsdauer hat eine Zunahme der Vorzündung zur Folge, die zum Erreichen des maximalen Moments erforderlich ist, und reduziert den Betrag der verfügbaren Arbeitsleistung. Ein größerer Zündungskern reduziert die erforderliche Vorverstellung des Zündzeitpunkts und mindert somit die mit einer solchen Vorverstellung verbundenen nachteiligen Wirkungen. (Diese nachteiligen Wirkungen sind eine schwierigere Entzündung des zündfähigen Gemischs auf Grund der geringeren Dichte und niedrigeren Temperatur zum Zeitpunkt des Zündfunkens und eine größere Schwankung des Zündverzugs, was eine Verschlechterung des Fahrverhaltens verursacht.)
Zyklische Schwankungen werden durch unvermeidliche Schwankungen des/der lokalen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, Temperatur, Restgasmenge und Turbulenz verursacht. Die Auswirkung dieser Schwankungen auf den Zylinderdruck beruht weitgehend auf ihrem Einfluss auf die anfängliche Ausdehnungsgeschwindigkeit der Flamme. Dieser Einfluss kann bedeutend verringert werden, indem ein Zündfunkenvolumen bereitgestellt wird, das merklich größer ist als die durchschnittlichen Größen der Inhomogenitäten.
Eine Verringerung der zyklischen Schwankungen der Motorbedingungen reduziert Emissionen und steigert den Wirkungsgrad, indem die Anzahl schlechter Brennzyklen verringert wird und indem der Betriebsbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Motors erweitert wird. Quader ermittelte den verbrannten Massenanteil des zündfähigen Gemischs als eine Funktion des Kurbelwinkels für zwei verschiedene Startzeiteinstellungen (Quader, A., „What Limits Lean Operation in Spark Ignition Engines – Flame Initiation or Propagation?", SAE Paper 760760 (1976)). Sein Motor lief sehr mager (d. h. ein Äquivalenzverhältnis von ungefähr 0,7) bei 1200 U/min und 60% Drosselklappenöffnung. Der verbrannte Massenanteil änderte sich unmittelbar nach dem Stattfinden des Funkens auf keine erkennbare Weise (es gibt ein Intervall, in dem kaum ein Brennen festgestellt werden kann, was als Zündverzug bekannt ist). Grund dafür ist das sehr kleine Volumen des Funkens und die langsame Verbrennungsdauer auf Grund der kleinen Oberfläche und relativ niedrigen Temperatur. Wenn ein kleiner Prozentsatz des zündfähigen Gemischs verbrannt ist, nimmt die Verbrennungsrate zunächst langsam und dann mit der wachsenden Flammenfront schneller zu. Die Motorleistung ist bei beiden dieser Zündzeitpunktverstellungen schlecht. Im Fall von 60° vor OT (Zündzeitpunktverstellung vor oberem Totpunkt) ist zu viel des Gemischs verbrannt, während der Kolben das Gemisch komprimiert, weshalb negative Arbeit geleistet wird. Der Druckanstieg wirkt den Verdichtungstakten des Motors entgegen. Im Fall einer Zündzeitpunktverstellung von 40° vor OT wird ein beträchtlicher Bruchteil des Gemischs nach Beginn der Expansionstakte verbrannt, wodurch die verfügbare Arbeitsleistung verringert wird.
Der Schnittpunkt einer Linie für 4% verbranntes Gemisch mit den von Quader, Id., bestimmten Kurven zeigt den potenziellen Vorteil, den ein großes Funkenvolumen, wenn es verfügbar wäre, beim Eliminieren des Zündverzugs hätte. Für die Kurve des Zündzeitpunkts bei 60° vor OT, falls die Zündzeitpunktverstellung von 60° auf 22° vor OT geändert wird, eine Veränderung von fast 40 Grad, ist die Veränderungsrate des verbrannten Massenanteils höher, weil die Dichte des zündfähigen Gemischs im Augenblick der Zündung höher ist. Für die Zündzeitpunktkurve bei 40° vor OT, wenn die Zündzeitpunktverstellung von 40° auf 14° vor OT geändert wird, eine Änderung um rund 25 Grad, wird das zündfähige Gemisch an einem näher am OT liegenden Punkt völlig verbrannt, wodurch der Wirkungsgrad vergrößert wird.
Die obigen Argumente illustrieren die Bedeutung einer Vergrößerung des Funkenvolumens für verringerte Emissionen und besseren Kraftstoffverbrauch deutlich. Beim TSI-System der vorliegenden Erfindung kann die erforderliche Frühzündung für den maximalen Wirkungsgrad um 20° bis 30° oder mehr verkürzt werden.
Während es das Funkenvolumen vergrößert, sieht das TSI-System auch vor, dass der Funken tiefer in das zündfähige Gemisch hinein bewegt wird, was eine Verkürzung der Verbrennungsdauer bewirkt.
Im Folgenden wird nun der Aufbau eines praktischen TSI-Systems für verschiedene beispielhafte Ausgestaltungen der Erfindung besprochen.
Nach der vorliegenden Erfindung sind (a) eine kleine Plasmakanone oder ein Lauffunkenzünder (auch als TSI (Traveling Spark Ignitor) bekannt), der eine herkömmliche Zündkerze ersetzt, und (b) eine speziell abgestimmte elektronische Triggerschaltungsanordnung (d. h. Zündschaltungsanordnung) vorgesehen. Das Abstimmen der elektronischen Schaltung auf die Parameter der Plasmakanone (Elektrodenlänge, Durchmesser von Koaxialzylindern, Entladungsdauer) maximiert das Volumen des Plasmas, wenn es die Kanone verlässt, für einen bestimmten Vorrat an elektrischer Energie. Indem die Parameter der elektronischen Schaltung richtig gewählt werden, können Strom- und Spannung-Zeitprofile erhalten werden, sodass im Wesentlichen maximale elektrische Energie auf das Plasma übertragen wird.
Vorzugsweise verwendet die TSI-Zündanlage der vorliegenden Erfindung nicht mehr als ungefähr 300 mJ pro Zündung. Im Gegensatz dazu haben frühere Plasma- und Marshall-Kanonen-Zünder keinen praktischen Nutzen erreicht, weil sie viel größere Zündenergien (z. B. 2–10 Joules pro Zündung) einsetzen, was die rasche Erosion des Zünders und eine kurze Lebensdauer verursachte. Weitere Wirkungsgradgewinne in der Motorleistung wurden durch größeren Energieverbrauch der Zündanlage aufgegeben.
Bisher hatte man gedacht, dass das richtige Konstruktionsprinzip das Erzeugen von sich bewegendem Plasma mit einer sehr hohen Geschwindigkeit war, das das zündfähige Gemisch durchdringen würde, um einen hohen Turbulenzgrad zu erzeugen und ein großes Volumen dieses Gemisch zu entzünden. Dies wurde mithilfe von Elektroden einer relativ langen Länge mit einem relativ kleinen Abstand zwischen ihnen erreicht. Beispielsweise wurde von Matthews et al., supra, ein Längenverhältnis von Elektrodenlänge zu Entladungsspalt von mehr als 3 und vorzugsweise 6–10 vorgeschlagen. Im Gegensatz dazu verwendet die vorliegende Erfindung Elektroden einer relativ kurzen Länge mit einem relativ großen Abstand zwischen ihnen.
Es ist zu bedenken, dass die kinetische Energie des Plasmas proportional zum Produkt der Plasmamasse Mp und seiner Geschwindigkeit vp im Quadrat ist, wie folgt: K.E. ≈ Mpνp2
Verdoppeln der Geschwindigkeit des Plasmas vervierfacht die kinetische Energie. Die Plasmamasse ist ρ_p × Vol_p, wobei ρ_p und Vol_p die Plasmadichte bzw. das Plasmavolumen sind. Wenn also das Volumen des Plasmas bei der gleichen Geschwindigkeit verdoppelt wird, wird die erforderliche Energie nur verdoppelt.
Die vorliegende Erfindung vergrößert das Verhältnis von Plasmavolumen zu zum Bilden des Plasmas erforderlicher Energie. Erzielt wird dies durch schnelles Erreichen einer bescheidenen Plasmageschwindigkeit.
Nimmt man für das Zündungsplasmavolumen eine kugelige Form an, dann vergrößert sich die Oberfläche des Volumens als das Quadrat des Radius des Volumens. Die Zündung des zündfähigen Gemischs findet an der Oberfläche des Plasmavolumens statt, nachdem das Plasma sich ausgedehnt und auf die Zündtemperatur des zündfähigen Gemischs abgekühlt hat. Die Rate, mit der das zündfähige Gemisch verbrennt, hängt also anfänglich hauptsächlich von der Plasmatemperatur und nicht von seiner Anfangsgeschwindigkeit ab. Folglich maximiert das Maximieren des Verhältnisses von Plasmavolumen und -temperatur zu Plasmaeingangsenergie die Wirksamkeit der elektrischen Eingangsenergie beim Beschleunigen der Verbrennung des Zündgemischs.
Der Widerstand D des sich ausdehnenden Volumens ist proportional zur Dichte des zündfähigen Gemischs ρ_c und dem Quadrat der Geschwindigkeit des sich ausdehnenden Plasmas v_p, wie folgt: D ~ ρcνp 2
Die Größe der elektrischen Kraft F zum Ausdehnen des Plasmas ist proportional zum Entladungsstrom I im Quadrat. Werden diese zwei Kräfte in eine Gleichung gebracht, ergibt das Folgendes: F ~ I2 = D ~ ρcνp 2
Der Radius r des Plasmavolumens Vol_p ist proportional zu ₀∫^tDν_p(t)dt, wobei t_D die Dauer der Entladung ist. Das Volumen des Plasmas ist proportional zur dritten Potenz des Radius r, während der Radius des Plasmavolumens proportional zu ₀∫^tDI(t)dt = Q ist, der in das Plasma eingeführten elektrischen Ladung. Das Volumen des Plasmas ist somit proportional zu Q³.
Wenn die Quelle elektrischer Energie die in einem Kondensator gespeicherte ist, dann ist Q = VC, wobei V die Spannung ist, bei der die Ladung Q gespeichert wird, und C die Kapazität ist; und die im Kondensator gespeicherte Energie ist E = 1/2 CV².
Um das Plasmavolumen für bestimmte Energie zu maximieren, muss das Verhältnis des Plasmavolumens Vol_p zur elektrischen Energie E maximiert werden. Vol_p/E ist proportional zu C³V³/CV², was C²V ist. Für eine bestimmte konstante Energie E = 1/2 CV² ist C proportional zu V^–2. Daher ist Vol_p/E proportional zu V^–3.
Deshalb ist die optimale Schaltungsgestaltung eine, die die gewünschte elektrische Energie bei einer niedrigen Spannung in einem großen Kondensator speichert.
Um den Wirkungsgrad zu verbessern, sollte die Entladung daher bei der niedrigstmöglichen Spannung stattfinden. Zu diesem Zweck findet erfindungsgemäß die anfängliche Entladung elektrischer Energie an der Oberfläche eines Isolators statt und eine Stromversorgung wird dazu verwendet, die Zündfunkenleitfähigkeit nahe der Oberfläche dieses Isolators anzuheben, und die Hauptquelle der Entladungsenergie wird bei der niedrigstmöglichen Spannung, die zum zuverlässigen Erzeugen des Plasmas wirksam ist, bereitgestellt.
Eine weitere Aufgabe ist es vorzugsweise, die Rekombination der großen Menge Ionen und Elektronen des Lauffunkens (Plasmas) an den Elektrodenwänden zu vermeiden. Die durch die Rekombination von Ionen und Elektronen bedingten Energieverluste reduzieren den Wirkungsgrad der Anlage. Da Rekombinationsprozesse mit der Zeit zunehmen, sollte die Ionenbildung rasch stattfinden, um die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung von Ionen mit den Wänden zu minimieren. Um die Rekombination zu reduzieren, sollte daher die Entladungszeit kurz sein. Dies kann erreicht werden, indem die gewünschte Geschwindigkeit auf einer kurzen Laufstrecke erzielt wird.
Es gibt einen zweiten Verlustmechanismus: Die Widerstandskraft, die auf das Plasma wirkt, wenn es auf das zündfähige Gemisch vor seinem Weg aufprallt. Diese Verluste schwanken als das Quadrat der Geschwindigkeit. Die Austrittsgeschwindigkeit sollte also so niedrig wie möglich sein, um derartige Verluste zu reduzieren oder zu miminieren.
Das hohe Volumen, das erwünscht ist, kombiniert mit der Notwendigkeit, schnell zu entladen, führt zu einer Konstruktion, die durch eine kurze Länge ⌷ für Plasmaweg mit einem relativ breiten Abstand zwischen Elektroden gekennzeichnet ist. Diese Bedingung wird von den zwei Verhältnispaaren, die mit Bezug auf die 2 und 3 oben beschrieben werden, geometrisch vorgegeben.
Was bedeutet dies mit Bezug auf physikalische Abmessungen? Wenn das Volumen des Plasmas bei einer Punkt-zu-Punkt-Entladung einer herkömmlichen Zündkerze ungefähr 1 mm³ ist, wäre es vorzugsweise erwünscht, ein wenigstens 100-fach größeres Plasmavolumen zu erzeugen, d. h. Vol_p ≈ 100 mm³. So könnte mithilfe der Konfiguration von 2 ein derartige Bedingungen erfüllendes Beispiel wie folgt sein: Länge ⌷ = 2,5 mm, wobei der Radius (innen) der zylindrischen Elektrode größeren Durchmessers r₂ = 5,8 mm ist (dies wäre ein typischer Radius der zylindrischen Elektrode bei Verwendung des herkömmlichen Elektrodenabstands bei einem Gewindedurchmesser von 14 mm) und der Radius der zylindrischen Elektrode kleineren Durchmessers r₁ = 4,6 mm ist.
Wie in den Ausgestaltungen der 2 und 3 gezeigt wird, haben TSI 17 bzw. 27 viele der gleichen physikalischen Eigenschaften einer Standardzündkerze, wie Standardbefestigungsmittel oder -gewinde 19, einen Standardzündkerzenstecker 91 und einen Isolator 23. Die Spitzen oder Plasma bildenden Teile der TSI 17 bzw. 27 unerscheiden sich aber bedeutend von herkömmlichen Zündkerzen. Bei einem Lauffunkenzünder (TSI) für eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, wie in 2 gezeigt, wird eine Innenelektrode 18 so platziert, dass sich ein unterer Teil koaxial in das innere offene Volumen des distalen Manschettensteckers 21 der Außenelektrode 20 erstreckt. Der Zwischenraum zwischen den Elektroden ist bis auf die letzten 2 bis 3 mm, in diesem Beispiel, am Ende des Zünders 17, wobei dieser Abstand als ⌷ gezeigt wird, mit einem Isoliermaterial 22 (z. B. Keramik) gefüllt. Der Zwischenraum oder Elektrodenabstand g₁ zwischen den Elektroden kann einen radialen Abstand von ungefähr 1,2 bis ungefähr 1,5 mm, in diesem Beispiel, haben. Diese Abstände für ⌷ und g₁ sind insofern wichtig, als der TSI vorzugsweise als System mit der passenden Elektronik (unten besprochen) arbeitet, um den maximalen Wirkungsgrad zu erhalten. Eine Entladung zwischen den Elektroden 18–20 beginnt entlang der freiliegenden Innenfläche des Isolators 23, da eine niedrigere Spannung erforderlich ist, um eine Entladung entlang der Oberfläche eines Isolators einzuleiten als im Gas in einigere Entfernung von der Isolatorfläche. Wenn eine Spannung angelegt wird, wird das Gas (Luft-Kraftstoff-Gemisch) durch das resultierende elektrische Feld ionisiert, was ein Plasma 24 erzeugt, das zu einem guten Leiter wird und einen Strom zwischen den Elektroden bei einer niedrigeren Spannung unterstützt. Dieser Strom ionisiert mehr Gas (Luft-Kraftstoff-Gemisch) und verursacht eine Lorentz-Kraft, die das Volumen des Plasmas 24 vergrößert. Im TSI von 2 wird das Plasma in der axialen Richtung aus der „Zünderkerze" 17 hinausbeschleunigt.
3 zeigt einen TSI 27 mit einer inneren Elektrode 25, die koaxial in der äußeren Elektrode 28 sitzt. Der Raum zwischen den Elektroden 26 und 28 ist mit einem Isoliermaterial 30 (z. B. Keramik) gefüllt. Das hauptsächliche Unterscheidungsmerkmal für die Ausgestaltung von 3 im Verhältnis zu 2 ist, dass sie eine flache, scheibenförmige (kreisförmige) Elektrodenfläche 26 hat, die am freien Ende der Mittelelektrode 25 angeformt oder angebracht ist, sich quer zur Längsachse von Elektrode 25 erstreckt und Elektrode 28 zugekehrt ist. Des Weiteren ist zu beachten, dass die horizontale Ebene von Scheibe 26 parallel. zum zugehörigen Kolbenkopf (nicht gezeigt) ist, wenn der Plasmazünder 27 in einem Kolbenzylinder eingebaut ist. Die Endfläche von Elektrode 28, die der Elektrode 26 zugekehrt ist, hat ebenfalls eine im Wesentlichen flache kreisförmige Form und erstreckt sich parallel zur gegenüberliegenden Fläche der Elektrode 26. Als Folge dessen wird zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen der Elektroden 26 und 28 ein ringförmiger Hohlraum 29 gebildet. Genauer gesagt, sind zwei im Wesentlichen parallele Flächen der Elektroden 26 und 28 voneinander beabstandet und ausgerichtet, um parallel zur Oberseite eines zugehörigen Kolbenkopfes zu sein, im Gegensatz zur Ausgestaltung von 2, bei der die Elektroden im Einsatz senkrecht zu einem zugehörigen Kolbenkopf verlaufen. Es ist zu bedenken, dass sich der zugehörige Kolben beim Entzünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs „hebt" und nahe an der Zündkerze oder dem Zünder 27 ist, sodass es vom Spalt 29 des Zünders 27 bis zur Wand des zugehörigen Zylinders vorzugsweise weiter ist als bis zum Kolbenkopf. Dementsprechend ist die bevorzugte Bewegungsrichtung für das Plasma zum Erhalten einer maximalen Wechselwirkung mit dem Gemisch vom Spalt 29 zur Zylinderwand. Die im Wesentlichen parallelen Elektroden 26 und 28 sind im Wesentlichen parallel zur längsten Abmessung des Volumens des zündfähigen Gemischs im Augenblick der Zündung, anstatt senkrecht zu dieser Abmessung und zum Kolbenkopf ausgerichtet zu sein, wie in der Ausgestaltung von 2 und beim Stand der Technik. Es wurde festgestellt, dass die Plasmabeschleunigungslängen ⌷ und L zum Erreichen der optimalen Plasmaproduktion im Wesentlichen gleich sind, wenn die gleichen elektrischen Bedingungen verwendet werden, um die Zünder 17 bzw. 27 unter Strom zu setzen. Für TSI 27 funktionieren unter diesen Bedingungen auch die folgenden Abmessungen gut: der Radius der Scheibenelektrode 26 ist R₂ = 6,8 mm, der Radius der Isolierkeramik ist R₁ = 4,3 mm, der Abstand zwischen den Elektroden g₂ = 1,2 mm und die Länge L = 2,5 mm.
In der Ausgestaltung von 3 startet das Plasma 32 im Entladungsspalt 29 an der freiliegenden Fläche des Isolators 25 und wächst und dehnt sich nach außen in der radialen Richtung der Pfeile 29A aus. Dies bietet gegenüber der TSI-Ausgestaltung von 2 mehrere zusätzliche Vorteile. Erstens ist die Oberfläche der Scheibenelektrode 26, die dem Plasma 32 ausgesetzt ist, im Wesentlichen gleich der des Endteils der Außenelektrode 28, die dem Plasma 32 ausgesetzt ist. Das bedeutet, dass man erwarten kann, dass die Erosion des inneren Teils der Scheibenelektrode 26 bedeutend geringer ist als die des freiliegenden Teils der Innenelektrode 18 des TSI 17 von 2, wobei bei Letzterer eine viel kleinere Oberfläche dem Plasma ausgesetzt ist. Zweitens stellt das Isoliermaterial 30 im TSI 27 der 3 einen zusätzlichen Wärmeleitweg für die Elektrode 26 bereit. Das zusätzliche Isolatormaterial 30 hält das Metall der Innenelektrode 25, 26 kühler als die Elektrode 18 in 2, wodurch die Zuverlässigkeit des TSI 27 im Verhältnis zum TSI 17 verbessert wird. Schließlich kommt es bei der Verwendung des TSI 27 nicht zum Auftreffen des Plasmas auf den zugehörigen Kolbenkopf und zu einem möglichen Erodieren von ihm.
Die 5 und 6 stellen bildlich die Unterschiede der Plasmatrajektorie zwischen TSI 17 von 2 und TSI 27 von 3, wenn im Motor eingebaut, dar. In 5 ist ein TSI 17 in einem Zylinderkopf 90 eingebaut, der mit einem Zylinder 92 und einem Hubkolben 94 – d. h. einem auf- und abgehenden Kolben – im Zylinder 92 assoziiert ist. Wie bei jedem herkömmlichen Verbrennungsmotor wird der TSI 17 unter Strom gesetzt, wenn sich der Kolbenkopf 96 dem oberen Totpunkt nähert. Dies erzeugt das Plasma 24, das sich in der Richtung von Pfeil 98 nur eine kurze Entfernung in Richtung auf den oder zum Kolbenkopf 96 bewegt. Während dieser Bewegung entzündet das Plasma 24 das Luft-Kraftstoff-Gemisch (nicht gezeigt) im Zylinder 92. Die Zündung beginnt in der Nähe des Plasmas 24.
Im Gegensatz zu einer solchen Bewegung des Plasmas 24 sorgt der TSI 27, wie in 6 gezeigt, dafür, dass das Plasma 32 sich in der Richtung der Pfeile 100 bewegt, was zur Zündung einer größeren Menge des Luft-Kraftstoff-Gemischs führt als vom TSI 17 geboten wird, wie bereits erläutert.
Zu den Elektrodenwerkstoffe können alle geeigneten Leiter gehören, wie z. B. Stahl, plattierte Metalle, platinierten Stahl (für Erosionsbeständigkeit oder „Hochleistungsmotoren"), Kupfer und Hochtemperatur-Elektrodenmetalle wie z. B. Molybdän oder Wolfram. Das Metall kann eine geregelte Wärmeausdehnung haben, wie Kovlar (Warenzeichen und Produkt der Carpenter Technology Corp.), und mit einem Material wie Kupferoxid beschichtet sein, um gute Nachdichtungen an Glas oder Keramik zu ergeben. Elektrodenwerkstoffe können auch ausgewählt werden, um den Stromverbrauch zu senken. Beispielsweise könnte thoriertes Wolfram verwendet werden, da seine leichte Radioaktivität zum Vorionisieren der Luft zwischen den Elektroden beitragen kann, wodurch möglicherweise die erforderliche Zündspannung reduziert wird. Die Elektroden können auch aus Hoch-Curietemperatur-Dauermagnetwerkstoffen hergestellt werden, die polarisiert sind, um die Lorentz-Kraft beim Austreiben des Plasmas zu unterstützen.
Die Elektroden sind außer auf einigen wenigen Millimetern am Ende durch einen Isolator oder ein Isoliermaterial getrennt, der/das ein polarisierbares elektrisches Hochtemperatur-Dielektrikum ist. Dieses Material kann Porzellan oder eine eingebrannte Keramik mit einer Glasur sein, wie sie z. B. bei herkömmlichen Zündkerzen verwendet wird. Alternativ kann es aus feuerfestem Zement, einer Glaskeramik wie Macor (Warenzeichen und Produkt der Corning Glass Company), die maschinell bearbeitet werden kann, oder geformtem Aluminiumoxid, stabilisiertem Zirkonoxid oder degleichen, das eingebrannt und z. B. mit einer Lötglasfritte an den Metallelektroden eingeschmolzen ist, hergestellt sein. Wie oben könnte die Keramik auch einen Dauermagnetwerkstoff wie Bariumferrit umfassen.
Bezüglich des Betriebs der Ausgestaltungen der 2 und 3 werden die Elektroden 18, 20 bzw. 25, 26, wenn sie mit dem Rest des TSI-Systems verbunden werden, Teil einer elektrischen Anlage, die auch eine elektrische Schaltung zum Bereitstellen von Potentialdifferenzen umfasst, die ausreichend hoch sind, um einen Funken in dem Spalt zwischen jeweiligen Elektrodenpaaren zu erzeugen. Das resultierende, den Strom in den Elektroden und im Funkenkanal umgebende Magnetfeld steht für jede Ausgestaltung der Erfindung mit dem elektrischen Feld in Wechselwirkung, um eine auf das Material in den Funkenkanälen wirkende Lorentz-Kraft zu erzeugen; dieser Effekt bewirkt, dass sich der Ursprungspunkt des Funkenkanals bewegt und nicht fest in seiner Position bleibt, wodurch der Querschnittsbereich der Funkenkanäle vergrößert wird, wie bereits beschrieben. Das steht im Gegensatz zu traditionellen Funkenzündanlagen, bei denen der Ursprungspunkt des Zündfunkens fest bleibt. Für jede Ausgestaltung vervollständigen auf die TSI 17 und 27 abgestimmte elektronische Schaltungen das TSI-System und werden in den folgenden Beispielen besprochen.
Beispiel 1
4 zeigt die/den TSI-Zündkerze oder -Zünder 17 mit einem Schaltbild der grundlegenden Elemente einer damit verbundenen elektrischen oder elektronischen Zündungsschaltung, die die Spannung und den Strom für die Entladung (Plasma) liefert. (Die gleiche Schaltungsanordnung und die gleichen Schaltungselemente können zum Antreiben des TSI 27 verwendet werden.) Eine Entladung zwischen den zwei Elektroden 18 und 20 startet an der Fläche 56 des Isolatormaterials 22 entlang. Das Gas (Luft-Kraftstoff-Gemisch) wird durch die Entladung ionisiert, was ein Plasma 24 erzeugt, das ein guter Stromleiter wird und Strom bei einer niedrigeren Spannung als derjenigen, die das Plasma einleitete, zwischen den Elektroden zulässt. Dieser Strom ionisiert mehr Gas (Luft-Kraftstoff-Gemisch) und vergrößert das Volumen des Plasmas 24.
Die in 4 gezeigte elektrische Schaltung hat eine herkömmliche Zündanlage 42 (z. B. Kondensatorentladungszündung, CDI, oder Transistorspulenzündung, TCI), eine Niedrigspannungs-(V_s)-quelle 44, Kondensatoren 46 und 48, Dioden 50 und 52 und einen Widerstand 54. Die herkömmliche Zündanlage 42 liefert die hohe Spannung, die für den Durchschlag oder das Ionisieren des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Spalt entlang der Fläche 56 des TSI 17 notwendig ist. Wenn der Leitungsweg hergestellt worden ist, entlädt der Kondensator 46 schnell durch Diode 50, wobei er einen Hochleistungseingang oder -strom in das Plasma 24 erzeugt. Die Dioden 50 und 52 sind notwendig, um die Zündspule (nicht gezeigt) der herkömmlichen Zündanlage 42 elektrisch vom relativ großen Kondensator 46 (zwischen 1 und 4 μF) zu isolieren. Wenn die Dioden 50, 52 nicht vorhanden wären, könnte die Spule wegen der niedrigen vom Kondensator 46 bereitgestellten Impedanz keine Hochspannung erzeugen. Die Spule würde stattdessen den Kondensator 46 aufladen. Die Aufgabe des Widerstands 54, des Kondensators 48 und der Spannungsquelle 44 ist es, den Kondensator 46 nach einem Entladungszyklus wieder aufzuladen. Der Resistor 54 ist eine Möglichkeit, einen niederohmigen Stromweg zwischen der Spannungsquelle 44 und dem Zündfunken von TSI 17 zu verhindern.
Es ist zu beachten, dass die Schaltung von 4 zum Zweck der Veranschaulichung vereinfacht ist. In einer kommerziellen Anwendung wird die unten unter der Überschrift „Beispiel 2" beschriebene Schaltung von 7 bevorzugt, um den Kondensator 46 mit einem Schwingkreis energiesparender aufzuladen. Darüber hinaus ist die herkömmliche Zündanlage 42, deren alleiniger Zweck es ist, den anfänglichen Durchschlag zu schaffen, modifiziert, um weniger Energie zu verbrauchen und schneller zu entladen als es herkömmlich ist. Fast die ganze Zündungsenergie wird vom Kondensator 46 zugeführt. Die Modifikation dient in erster Linie zum Reduzieren von Hochspannungsspuleninduktivität durch die Verwendung von weniger Sekundärwicklungen. Dies ist möglich, weil die einleitende Entladung eine viel niedrigere Spannung haben kann, wenn die Entladung über eine Isolatorfläche stattfindet. Die erforderliche Spannung kann ungefähr ein Drittel der zum Verursachen eines gasförmigen Durchschlags in Luft erforderlichen sein.
Der Strom durch die Mittelelektrode 18 und das Plasma 24 zur Außenelektrode 20 erzeugt um die Mittelelektrode 18 ein poloidales (winkliges) Magnetfeld B_T (I, r), das vom Strom und vom Abstand (Radius r₀, siehe 1) von der Achse der Elektrode 18 abhängig ist. Daher erzeugt der durch das Plasma 24 senkrecht zum poloidalen Magnetfeld 8 fließende Strom I eine Lorentz-Kraft F auf die aufgeladenen Teilchen im Plasma 24 entlang der axialen Richtung z der Zylinder 18, 20. Die Kraft wird in Gleichung (6) wie folgt berechnet: F ~ I × B → Fz ~ Ir·Bθ
Diese Kraft beschleunigt die aufgeladenen Teilchen, die auf Grund von Zusammenstößen mit nichtgeladenen Teilchen das ganze Plasma beschleunigen. Es ist zu beachten, dass das Plasma aus aufgeladenen Teilchen (Elektronen und Ionen) und neutralen Atomen besteht. Die Temperatur ist in der Entladung nicht hoch genug, um alle Atome vollständig zu ionisieren.
Die ursprünglichen Marshall-Kanonen als eine Plasmaquelle für Fusionsvorrichtungen wurden in einem Vakuum mit einem kurzen Impuls der Gaseinspritzung zwischen den Elektroden betrieben. Das durch die Entladung eines Kondensators zwischen den Elektroden erzeugte Plasma würde in einem Abstand von einem Dutzend Zentimetern auf eine Endgeschwindigkeit von ungefähr 10⁷ cm/s beschleunigt. Die hierin als ein Motorzünder verwendete Plasmakanone wird bei relativ hohem Gasdruck(Luft-Kraftstoff-Gemisch-Druck) betrieben. Die Widerstandskraft F_v eines solchen Gases ist ungefähr proportional zum Quadrat der Plasmageschwindigkeit, wie unten gezeigt wird: Fν ~ νp 2
Die Entfernung, über die sich das Plasma beschleunigt, ist kurz (2–3 mm). Versuche haben auch gezeigt, dass eine Verlängerung der Plasmabeschleunigungsentfernung über 2 bis 3 mm hinaus die Plasmaaustrittsgeschwindigkeit nicht bedeutend erhöht, obwohl die im Kondensator 46 gespeicherte Energie aber bedeutend vergrößert werden muss. Bei atmosphärischen Drücken und für elektrische Eingangsenergie von ungefähr 300 mJ liegt die durchschnittliche Geschwindigkeit nahe an 5 × 10⁴ cm/s und ist bei hohem Druck im Motor niedriger. Bei einem Verdichtungsverhältnis von 8 : 1 beträgt diese durchschnittliche Geschwindigkeit ungefähr 3 × 10⁴ cm/s.
Im Gegensatz dazu wird, wenn mehr Energie in eine einzelne Entladung eines herkömmlichen Zündfunkens gesteckt wird, seine Intensität etwas vergrößert, aber das Volumen des erzeugten Plasmas wird nicht bedeutend größer. In einem herkömmlichen Zündfunken wird ein viel größerer Bruchteil des Energieaufwands für das Erhitzen der Elektroden verwendet, wenn die Leitfähigkeit des Entladungswegs vergrößert wird.
Beispiel 2
TSI-Zünder 17 und 27 der 2 bzw. 3 können mit der in 7 gezeigten Zündungselektronik kombiniert werden. Die Zündungselektronik kann in vier Teile unterteilt werden, wie gezeigt wird: die Primär- und Sekundärschaltung 77 bzw. 79 und ihre zugehörigen Ladestromkreise 75 bzw. 81. Die Sekundärschaltung 79 ist wiederum in einen Hochspannungsabschnitt 83 und einen Niederspannungsabschnitt unterteilt.
Die Primär- und Sekundärschaltungen 77 bzw. 79 entsprechen den Primär- 58 und Sekundärwicklungen 60 einer Zündspule 62. Wenn der Thyristor (SCR) 64 über Anlegen eines Triggersignals an sein Gatter 65 eingeschaltet wird, entlädt der Kondensator 66 durch den Thyristor 64, was einen Strom in der Primärwicklung 58 der Spule verursacht. Dies wiederum verleiht eine Hochspannung über die zugehörige Sekundärwicklung 60, was bewirkt, dass das Gas im Funkenweg 68 durchschlägt und einen Leitungsweg, d. h. ein Plasma, bildet. Wenn das Plasma gebildet worden ist, werden die Dioden 86 eingeschaltet und der Sekundärkondensator 70 entlädt. Das Elektrodenspaltsymbol 68 ist repräsentativ für einen erfindungsgemäßen Zünder, wie die beispielhaften TSI-Geräte 17 und 27 der 2 bzw. 3.
Nachdem die Primär- und Sekundärkondensatoren 66 und 70 entladen haben, werden sie von ihren Ladestromkreisen 75 bzw. 81 wieder aufgeladen. Beide Ladestromkreise 75, 81 haben einen Induktor 72 bzw. 74 und eine Diode 76 bzw. 78 zusammen mit einer Stromversorgung 80 bzw. 82. Die Funktion des Induktors 72, 74 ist zu verhindern, dass die Stromversorgungen durch den Zünder kurzgeschlossen werden. Die Funktion der Dioden 76 und 78 ist es, Schwingungen zu vermeiden. Der Kondensator 84 verhindert, dass die Spannung V₂ der Stromversorgung 82 starke Schwankungen durchläuft.
Die Stromversorgungen 80 und 82 liefern beide in der Größenordnung von 500 Volt oder weniger für die Spannungen V₁ bzw. V₂. Sie könnten in eine Stromversorgung zusammengelegt werden. (In von den Erfindern durchgeführten Versuchen wurden diese Stromversorgungen separat gehalten, um es leichter zu machen, die zwei Spannungen unabhängig voneinander zu variieren.) Die Stromversorgungen 80 und 82 können Gleichspannungswandler von einem CDI-System (Kondensatorentladungszündsystem) sein, die beispielsweise von einer 12-Volt-Autobatterie betrieben werden können.
Ein wesentlicher Teil der Zündungsschaltung von 7 sind eine oder mehrere Hochstromdioden 86, die eine hohe Durchbruchspannung haben, die größer ist als die maximale Durchschlagsspannung der Funkenstrecke von TSI 17 oder von TSI 27 für alle Motorbetriebsbedingungen. Die Aufgabe der Dioden 86 ist es, den Sekundärkondensator 70 von der Zündspule 62 zu isolieren, indem sie keinen Strom von der Sekundärwicklung 60 zum Kondensator 70 durchlassen. Wenn diese Isolierung nicht vorhanden wäre, dann würde die Sekundärspannung der Zündspule 62 den Sekundärkondensator 70 aufladen und, bei einer großen Kapazität, würde die Zündspule 62 dann nie eine ausreichend hohe Spannung zum Durchschlagen des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Spalt zwischen den Elektroden 68 entwickeln können.
Die Diode 88 hindert den Kondensator 70 am Entladen durch die Sekundärwicklung 60, wenn kein Funke oder Plasma vorliegt. Schließlich kann der wahlweise Widerstand 90 zum Verringern des Stroms durch die Sekundärwicklung 60 verwendet werden, wodurch die von der Schaltung emittierte elektromagnetische Strahlung (Funkrauschen) verringert wird.
Im vorliegenden TSI-System kann zwischen der Innen- und der Außenelektrode der 2 bis 4 eine Triggerelektrode hinzugefügt werden, um die Spannung am Kondensator 70 in 7 zu senken. Ein derartiger Dreielektrodenzünder ist in 8 abgebildet und wird im folgenden Absatz beschrieben.
In 8 ist ein Dreielektroden-Plasmazünder 100 schematisch dargestellt. Eine innere Elektrode 104 ist koaxial in der äußeren Elektrode 106 eingesetzt, beide haben einen Durchmesser in der Größenordnung von mehreren Millimetern. Radial zwischen der inneren Elektrode 104 und der äußeren 106 befindet sich eine dritte Elektrode 108. Diese dritte Elektrode 108 ist mit einer Hochspannungsspule 110 verbunden. Die dritte Elektrode 108 leitet eine Entladung zwischen den zwei Hauptelektroden 104 und 106 ein, indem sie die freiliegende Fläche 114 des Isolators 112 auflädt. Der Zwischenraum zwischen allen drei Elektroden 104, 106, 108 ist mit Ausnahme der letzten 2–3 mm Zwischenraum zwischen den Elektroden 104 und 106 am Verbrennungsende des Zünders 100 mit Isoliermaterial 112 gefüllt (z. B. Keramik). Eine Entladung zwischen den zwei Hauptelektroden 104 und 106 nach der Einleitung durch die dritte Elektrode 1O8 startet entlang der Fläche 114 des Isolators 112. Das Gas (Luft-Kraftstoff-Gemisch) wird durch die Entladung ionisiert. Diese Entladung erzeugt ein Plasma, das ein guter elektrischer Leiter wird und eine Steigerung der Größe des Stroms zulässt. Der größere Strom ionisiert mehr Gas (Luft-Kraftstoff-Gemisch) und vergrößert das Volumen des Plasmas, wie bereits erläutert.
Die Hochspannung zwischen der Spitze der dritten Elektrode 108 und der äußeren Elektrode 106 sorgt für eine sehr niedrige Stromentladung, die ausreicht, um genug aufgeladene Teilchen an der Fläche 114 des Isolators 112 zu erzeugen, damit der Hauptkondensator zwischen den Elektroden 104 und 106 entlang der Fläche 104 des Dielektrikums oder Isolators 112 entladen kann.
Wie in den 9A, 9B und 9C gezeigt, hat eine andere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung einen Lauffunkenzünder 120 mit parallelen stabförmigen Elektroden 122 und 124, wie gezeigt. Die parallelen Elektroden 122, 124 sind mit einem beträchtlichen Teil ihrer jeweiligen Länge in dielektrischem Isolatormaterial 126 eingekapselt, wie gezeigt. Das obere Ende des Dielektrikums 126 hält einen Zündkerzenmanschettenstecker 21 fest, der mechanisch und elektrisch am oberen Ende der Elektrode 122 befestigt ist. Das dielektrische Material 126 hält die Elektroden 122 und 124 starr parallel und ein Teil hält den äußeren Metallkörper 128 mit Befestigungsgewinde 19 um einen unteren Teil, wie gezeigt, starr fest. Die Elektrode 124 ist in diesem Beispiel über einen starren Halter 130 sowohl mechanisch als auch elektrisch an einer Innenwand des Metallkörpers 128 befestigt, wie gezeigt. Wie in 9A abgebildet, erstreckt sich jede der Elektroden 122 und 124 um eine Entfernung 0 von der Oberfläche des unteren Endes des Dielektrikums 126 nach außen.
Die Elektroden 122 und 124, Bezug nehmend auf die 9B und 9C, sind durch einen Abstand 2r voneinander beabstandet, wobei r der Radius des größten Zylinders ist, der zwischen die Elektroden 122, 124 passen kann (siehe 9C).
Hierin werden zwar verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung gezeigt und beschrieben, sie sind aber nicht als begrenzend anzusehen, da sie nur beispielhaft gezeigt werden. Beispielsweise können die Elektroden 18 und 20 des TSI 17 und 25 des TSI 27 auch anders als zylindrisch geformt sein. Auch kann die scheibenförmige Elektrode 26 anders als kreisförmig geformt sein – z. B. als gerader Stab. Für TSI 17 können die Elektroden 18 und 20 auch anders als koaxial sein, z. B. parallele Stäbe oder parallele längliche rechteckige Konfigurationen. Die Elektroden werden als gleichlängig gezeigt, aber auch das kann variiert werden, wobei in diesem Fall der Begriff „Länge", wie er in den Ansprüchen benutzt wird, sich auf die Abmessung der Elektrodenüberlappung entlang der Richtung des Plasma-Ausstoßes aus dem Zünder bezieht. Die Fachperson erkennt noch weitere Modifikationen an den Ausgestaltungen, wobei vorgesehen ist, dass die Modifikationen dem Wesen und Umfang der anhängigen Ansprüche entsprechen.
Die Ansprüche sind wie folgt.

Claims

Plasmazünder zur Verwendung in einer Zündanlage, umfassend: wenigstens eine erste und eine zweite Elektrode (18, 20); ein Isoliermaterial (22) zum Erhalten der genannten Elektroden (18, 20) in einer vorbestimmten, beabstandeten und einander gegenüberliegenden Beziehung, um eine Entladungsstrecke (g1) und einen Entladungsauslösebereich zwischen Enden der Elektroden, die sich über das Isoliermaterial hinaus erstrecken, einzurichten, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden so dimensioniert und konfiguriert sind und ihre Beabstandung so angeordnet ist, dass die Länge (1) der Enden der Elektroden, die sich über das Isoliermaterial hinaus erstrecken, in Bezug auf die Breite der Entladungsstrecke (g1) kurz ist, sodass, wenn eine ausreichend hohe erste und zweite Spannung über die Elektroden angelegt wird, zwischen den Elektroden ein Plasma gebildet wird und das genannte Plasma sich unter Lorentz- und thermischen Kräften zwischen den Elektroden nach außen und aus der Entladungsstrecke heraus bewegt.
Plasmazünder nach Anspruch 1, bei dem der Entladungsauslösebereich die Oberfläche des Isoliermaterials zwischen benachbarten Enden der Elektroden umfasst und die Länge der Entladungsstrecke den Abstand (1) von dem Entladungsauslösebereich bis zu dem Ende der Elektroden umfasst und die Entladungsstreckenbreite größer ist als ein Drittel der Entladungsstreckenlänge.
Plasmazünder nach Anspruch 2, bei dem die Entladungsstreckenbreite größer ist als eine Hälfte der Länge der Enden der Elektroden.
Plasmazünder nach Anspruch 1, bei dem die Elektroden konzentrische zylindrische Elektroden sind und das Verhältnis der Radien der Elektroden zu der Länge der Enden der Elektroden größer als oder gleich vier ist.
Plasmazünder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die genannten Elektroden longitudinal und ungefähr parallel zueinander sind.
Plasmazünder nach Anspruch 5, bei dem die genannten Elektroden parallele stabförmige Elektroden (18, 20) sind.
Plasmazünder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die genannten Elektroden konzentrische Zylinder sind.
Plasmazünder nach Anspruch 7, bei dem das Verhältnis der Summe der Radien (52, 52) der genannten Elektroden zu der Länge (1) der Enden der Elektroden größer als oder gleich vier ist, während das Differenzverhältnis dieser zwei Radien zu der Länge der genannten Elektrode größer als ein Drittel ist.
Plasmazünder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die axiale Länge der Enden der Elektroden kleiner als oder gleich ungefähr 3 mm ist und die Trennung der Elektroden von ungefähr 1 mm bis ungefähr 3 mm beträgt.
Plasmazünder nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die genannten Elektroden mit einer Längsachse der genannten Vorrichtung parallel sind.
Plasmazünder nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die genannte Vorrichtung ferner eine dritte Elektrode (108) hat, die sich zwischen der genannten ersten und der genannten zweiten Elektrode befindet, und bei dem die genannte erste Spannung zwischen der zweiten und dritten Elektrode angelegt wird und die genannte zweite Spannung zwischen der genannten ersten und zweiten Elektrode angelegt wird.
Plasmazünder nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem wenigstens ein Teil von wenigstens einer der Elektroden aus einem magnetischen Material gebildet ist, das zum Unterstützen der Lorentzkräfte beim Ausstoßen des Plasmas polarisiert ist.
Plasmazünder nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Verwendung mit einer Verbrennungsanlage und in Kombination mit elektrischen Mitteln, die die erste und zweite elektrische Spannung bereitstellen, sodass die der Vorrichtung zugeführte Gesamtenergie weniger als ungefähr 300 mJ pro Entladungszyklus beträgt.
Verfahren zum Erzeugen eines großen Volumens von sich bewegendem Plasma zur Verwendung in einer Verbrennungsanlage, umfassend: Bereitstellen eines Plasmazünders mit einer Entladungsstrecke (g1) zwischen den Enden von wenigstens zwei Elektroden in einer vorbestimmten, beabstandeten, einander gegenüberliegenden Beziehung, die von einem Isoliermaterial erhalten wird, wobei die Breite der Entladungsstrecke in Bezug auf ihre Länge (1) groß ist und wobei ein Entladungsauslösebereich ein Bereich der Entladungsstrecke ist, der im Vergleich mit anderen Bereichen der Entladungsstrecke geringere Entladungsauslösungserfordernisse hat, wobei die Entladungsstrecke der Spalt zwischen Enden der Elektroden ist, die sich über das Isoliermaterial hinaus erstrecken; und Anlegen einer hohen Spannung an den Plasmazünder nach dem anfänglichen elektrischen Durchschlag zwischen den genannten Elektroden, der von einer ersten Spannung verursacht wird, um das Plasmavolumen zu vergrößern, während das Plasma von dem Auslösebereich weg bewegt wird, wobei der elektrische Hochstromimpuls eine ausreichende Amplitude und Dauer hat und die Elektroden innerhalb der Entladungsstrecke eine ausreichende Länge haben, um das Bewegen des Plasmaionisierungsbereichs unter einer Lorentzkraft entlang der Elektroden, von dem Auslösebereich weg, zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem eine Oberfläche des genannten Isoliermaterials ein Teil des Entladungsauslösebereichs ist.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner den Schritt des Einstellens der Amplitude und Dauer des elektrischen Hochstromimpulses zum Steuern der Geschwindigkeit des Plasmas beim Durchgang durch die Entladungsstrecke aufweist.
Plasmazünder zur Verwendung in einer Zündanlage, umfassend wenigstens eine erste und eine zweite Elektrode, bei dem die erste Elektrode (28) eine Endoberfläche eines Plasmazünderkörpers umfasst, und bei dem die zweite Elektrode, die von einem Stab gehalten wird, der mit einem Isoliermaterial (23) überzogen ist und durch den Plasmazünderkörper hindurchgeht, von einer Scheibe (26) gebildet wird, die senkrecht zu dem Stab und parallel mit der ersten Elektrode ist, und in einer vorbestimmten, beabstandeten und gegenüberliegenden Beziehung von der ersten Elektrode getrennt ist, wobei die Elektroden so dimensioniert und konfiguriert sind und die Beabstandung so angeordnet ist, dass die Länge (1) der zweiten Elektrode, die sich radial über das Isoliermaterial hinaus erstreckt, in Bezug auf die Breite (g₂) der zwischen den zwei Elektroden gebildeten Entladungsstrecke kurz ist, sodass, wenn eine ausreichend hohe erste und zweite Spannung über die Elektroden angelegt wird, zwischen den Elektroden ein Plasma gebildet wird und das genannte Plasma sich unter Lorentz- und thermischen Kräften zwischen den Elektroden nach außen und aus der Entladungsstrecke heraus bewegt.
Plasmazünder nach Anspruch 17, bei dem die radiale Breite des nichtisolierten Teils der Ringscheibe (26) kleiner als oder gleich ungefähr 3 mm ist und die Trennung der Elektroden von ungefähr 1 mm bis ungefähr 3 mm beträgt.