EP1537329B1 - Vorrichtung zum z nden eines luft-kraftstoff-gemischs in ein em verbrennungsmotor mittels einer hochfrequenten elektrischen energiequelle - Google Patents

Vorrichtung zum z nden eines luft-kraftstoff-gemischs in ein em verbrennungsmotor mittels einer hochfrequenten elektrischen energiequelle Download PDF

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EP1537329B1
EP1537329B1 EP03790742A EP03790742A EP1537329B1 EP 1537329 B1 EP1537329 B1 EP 1537329B1 EP 03790742 A EP03790742 A EP 03790742A EP 03790742 A EP03790742 A EP 03790742A EP 1537329 B1 EP1537329 B1 EP 1537329B1
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EP
European Patent Office
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waveguide structure
internal combustion
air
coaxial waveguide
combustion engine
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EP03790742A
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English (en)
French (fr)
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EP1537329A1 (de
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Ewald Schmidt
Michael Thiel
Juergen Hasch
Hans-Oliver Ruoss
Klaus Linkenheil
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • F02P23/045—Other physical ignition means, e.g. using laser rays using electromagnetic microwaves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P9/00—Electric spark ignition control, not otherwise provided for
    • F02P9/002—Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression
    • F02P9/007—Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression by supplementary electrical discharge in the pre-ionised electrode interspace of the sparking plug, e.g. plasma jet ignition

Definitions

  • the invention relates to a device for igniting an air-fuel mixture in an internal combustion engine by means of a high-frequency power source according to the preamble of the main claim.
  • spark plug is a common part of internal combustion engines for motor vehicles.
  • the spark plug is inductively supplied by means of an ignition coil with a sufficiently high electrical voltage, so that a spark on End of the spark plug in the combustion chamber of the internal combustion engine forms to initiate the combustion of the air-fuel mixture.
  • a plasma at the end of an RF resonator is known as a spark plug for igniting an air-fuel mixture in an internal combustion engine. It is further apparent from this that the end of a coaxial waveguide structure of the RF resonator is designed as a firing pin and the freestanding plasma in the air-fuel mixture is produced therefrom by a field structure projecting into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • an ignition device in which the ignition of such an air-fuel mixture is made in an internal combustion engine of a motor vehicle using a coaxial line resonator.
  • the ignition coil is replaced by a sufficiently strong microwave source, for example a combination of a high-frequency generator and an amplifier.
  • a geometrically optimized coaxial line resonator sets the required field for the ignition field strength at the open end of the candle-like line resonator and between the electrodes of the candle forms an ignitable plasma path with the flashover.
  • Such high-frequency ignition is also described in the article "SAE-Paper 970071, Investigating a Radio Frequency Plasma Ignitor for Possible Internal Combustion Engine Use". Even with this high-frequency or microwave ignition, a high voltage is generated by means of a low-impedance feed at the so-called hot end of a ⁇ / 4 line of an RF line resonator without a conventional ignition coil.
  • the invention relates to a device for igniting an air-fuel mixture in an internal combustion engine by means of a high-frequency electrical energy source, with a coaxial waveguide structure, in which the high-frequency electrical energy can be coupled and with one end into the respective combustion chamber of a cylinder of the internal combustion engine protrudes, wherein at this end by a high voltage potential, a microwave plasma can be generated.
  • the one end of the coaxial waveguide structure is designed so that at a pending voltage potential through a protruding into the combustion chamber field structure a free-standing plasma in the air-fuel mixture between the protruding from the waveguide structure a predetermined amount inner conductor and the outer conductor of the waveguide structure can be generated. In this plasma cloud standing free around the end of the projecting inner conductor, no flashover occurs between the electrodes, so that no ion current flows.
  • the inventive design of the end of the coaxial waveguide structure is advantageously carried out according to the features of the characterizing part of claim 1, wherein the one end of the coaxial waveguide structure in the combustion chamber contains a seal of dielectric material between the outer conductor and the coaxial inner conductor, which is at least is provided in the axial direction of a sudden and / or sliding cross-sectional change, which results in an optimal field structure for generating a free-standing plasma.
  • the coaxial waveguide structure is designed such that for a given effective wavelength ⁇ eff of the coupled high-frequency oscillation, a line resonator approximately according to the relationship (2n + 1) * ⁇ eff / 4 with n ⁇ O results and the high-frequency oscillation, for example by a capacitive, inductive, mixed or an aperture coupling is coupled.
  • the effective wavelength ⁇ eff is determined essentially by the shape of the end of the protruding innline, by the sealing of the dielectric or by the shape of the entire line resonator.
  • the field strength required for the ignition in the combustion chamber thus sets at the open end of the largely spark plug-like resonator in its shape.
  • the main advantages of such a high-frequency spark plug over the conventional use of a spark plug are mainly a cost and weight savings by the possibility of miniaturization.
  • the achieved in the proposed device extensive heat value freedom also allows a reduction in the variety of types and thus also a cost savings.
  • the decoupled electrical signal is further processed in an evaluation circuit, with the e.g. a diagnosis of the arrangement, a regulation of the high-frequency energy source and / or a control of predetermined operating functions can be effected.
  • This controllability due to the possibility of combustion diagnostics and thus the optimization of the engine control results in less wear of the structures acting as ignition electrodes and, moreover, also a controlled burning off of impurities, e.g. of soot, possible.
  • the coaxial resonator is realized as a cylinder with a constant, circular cross-section over the length, the result is a conventional sealing of the open end of the resonator or the separation of the volume of the resonator from the combustion chamber, depending on the material and the geometric configuration, in particular Thickness of the seal, a significant field distortion or field attenuation at one end at the top of the inner conductor and an increase in the power requirement to achieve the required ignition field strength.
  • the power requirement is significantly reduced as compared with a resonator having a constant circular cross-section over the length, i. possibly even below the level of a resonator without sealing.
  • the Appendence of the free-standing plasma according to the main claim allows.
  • the plasma is in this case only at one electrode, i. formed at the end of the protruding inner conductor, as a freestanding cloud and it forms, as mentioned above, no adverse spark gap between two electrodes out.
  • the seal can advantageously be mounted in a recess of the outer conductor, which has an abrupt increase in cross-sectional enlargement.
  • the inner contour of the outer conductor and the outer contour of the inner conductor can advantageously be correspondingly changed in their cross section in predetermined regions.
  • the main advantages of this arrangement according to the invention are an optimal separation of the volume of the resonator to the combustion chamber, possibly with simultaneous sealing effect, and a reduction of the RF power necessary for ignition.
  • the inventive concept is advantageously suitable for subsequent integration in existing combustion engines.
  • a compact ignition unit it is possible for a compact ignition unit to be formed by arranging a free-running oscillator circuit and the coaxial waveguide in a common housing, wherein an oscillating circuit can also be connected downstream of the free-running oscillator circuit.
  • the free-running oscillator circuit and / or the downstream amplifier circuit are preferably constructed as a semiconductor integrated circuit with SiC or GaN devices.
  • the main advantages of such a compact design of a high-frequency ignition unit are in particular the possibility of reducing the size, e.g. from a thread size M14 to M10 and the resulting cost and weight savings, since the actual candle and the ignition coil is saved.
  • conventional spark plugs can not be reduced to the extent that new small-sized ignition and valve systems can be realized on an internal combustion engine, in particular a high-compression internal combustion engine.
  • a better EMC behavior in the integration of these components in the coaxial geometry of the device can be achieved.
  • the ignition timing and the ignition duration can be set in a simple manner variable.
  • the freestanding plasma can be positively influenced, in particular by influencing the flame size, as mentioned above, whereby an increase in ignition safety in lean mixtures and in a direct gasoline injection (BDE) is achieved.
  • oscillator circuit for the applications described, it should be noted that these are not only to be interpreted as a single operating state, but at least two basic operating states, namely the unlit and the ignited state, can occur. Furthermore, the transition region between these states and additional influencing parameters such as temperature, soot occupancy and other operating parameters can have a lasting effect on the resonance and impedance behavior of the RF resonator. With conventional structures, this often results in only a fraction of the available power being coupled into the resonator. The remaining portion is reflected and may load or destroy the used power semiconductor device in the oscillator circuit; if necessary, an ignition can be completely prevented.
  • the invention can be ensured by a suitable, compact design freely oscillating oscillator circuit in each operating state in a simple manner that a sufficient proportion of available RF power is coupled into the resonator.
  • the use of new high-temperature semiconductor technologies, such as SiC or GaN particularly advantageous because they are characterized by a good frequency response f T even at high temperatures, eg> 200 ° C, by a high power density and a high integration density.
  • FIG. 1 is a schematic view of an apparatus for high-frequency ignition of an air-fuel mixture shown in an internal combustion engine having components of a so-called high-frequency spark plug 1.
  • RF generator 2 and possibly also dispensable amplifier 3 available, which generate the high-frequency oscillations as a microwave source.
  • Schematically here is an inductive coupling 4 of the high-frequency oscillations in a constructed as ⁇ eff / 4 resonator 5 coaxial waveguide structure as an integral part of the high-frequency spark plug 1 shown.
  • the coaxial resonator 5 consists of an outer conductor 6 and an inner conductor 7, wherein the one so-called open or hot end 8 of the resonator 5 with the inner conductor 7, here as compared to the outer conductor 6 insulated firing pin 7a, causes the ignition.
  • the other so-called cold combustion chamber distal end 9 of the resonator 5 is a short circuit.
  • the dielectric 10 between the outer conductor 6 and an inner conductor 7 consists essentially of air or of a suitable non-conductive material. Only for sealing the open end 8 of the resonator 5 to the combustion chamber, a seal 11 is present.
  • the seal 11 is also made of a non-conductive material which withstands the temperatures in the combustion chamber, e.g. Ceramics. In this case, the dielectric properties of the filling material 10 or of the seal 11 with the dimensions of the resonator 5 determine.
  • FIG. 2 refers to.
  • the effect of a field distortion or field weakening at the tip of the inner conductor 7 or firing pin 7a caused by the open end 8 becomes the cross section of a seal 20 after FIG. 2 varies in the region of the open end 8 of the resonator 5.
  • the inner contour of the outer conductor 6 and the outer contour of the inner conductor 7, 7a may be changed correspondingly in predetermined areas in their cross section.
  • FIG. 3 are principal components of a high-frequency ignition unit 30 can be seen as a block diagram. This contains in detail an RF ignition unit 31, as they are based on the Figures 1 and 2 has been described. Furthermore, a frequency-determining, free-running oscillator 32 using power transistors based on high-temperature suitable semiconductor RF technologies, such as high temperature suitable SiC or GaN devices, and a coupling 33 for the RF oscillations of the oscillator 32 in the igniter 31 is present. Operating fluctuations in the frequency can be taken into account by a suitable, known per se structure of the oscillator 32.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mittels einer hochfrequenten elektrischen Energiequelle vorgeschlagen, die eine koaxialen Wellenleiterstruktur (5) aufweist, in die die hochfrequente elektrische Energie einkoppelbar ist und die mit einem Ende in den jeweiligen Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors hineinragt. Das eine Ende der koaxialen Wellenleiterstruktur (5) ist als Zündstift (7a) so ausgebildet, dass bei einem anstehenden Spannungspotential durch sprunghafte und/oder gleitende Querschnittsänderung (21) des Innen-(7) und/oder Aussenleiters (6) eine in den Brennraum hineinragende Feldstruktur (22) und damit ein freistehendes Plasma im Luft-Kraftstoff-Gemisch an dem aus der Wellenleiterstruktur herausragenden Innenleiter (7,7a) erzeugbar ist.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mittels einer hochfrequenten Energiequelle nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
  • Die Zündung eines solchen Luft-Kraftstoff-Gemischs mit Hilfe einer sogenannten Zündkerze stellt einen üblichen Bestandteil von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge dar. Bei diesen heute eingesetzten Zündsystemen wird die Zündkerze induktiv mittels einer Zündspule mit einer genügend hohen elektrischen Spannung versorgt, so dass sich ein Zündfunke am Ende der Zündkerze im Brennraum des Verbrennungsmotors herausbildet um die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs einzuleiten.
  • Beim Betrieb dieser herkömmlichen Zündkerze können Spannungen bis über dreißig Kilovolt auftreten, wobei durch den Verbrennungsprozess Rückstände, wie Ruß, Öl oder Kohle sowie Asche aus Kraftstoff und Öl auftreten, die unter bestimmten thermischen Bedingungen elektrisch leitend sind. Es dürfen jedoch bei diesen hohen Spannungen keine Über- oder Durchschläge am Isolator der Zündkerze auftreten, so dass der elektrische Widerstand des Isolators auch bei den auftretenden hohen Temperaturen während der Lebensdauer der Zündkerze sich nicht verändern sollte.
  • Aus der US-A-5 361 737 ist bekannt, dass ein Plasma am Ende eines HF-Resonators als Zündkerze zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Verbrennungsmotor bekannt. Es ist hieraus weiterhin zu entnehmen, dass das Ende einer koaxialen Wellenleiterstruktur des HF-Resonators als Zündstift ausgebildet ist und hieran durch eine in den Brennraum des Verbrennungsmotors hineinragende Feldstruktur das freistehende Plasma im Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugt wird.
  • Es ist auch noch beispielsweise aus der DE 198 52 652 A1 eine Zündvorrichtung bekannt, bei der die Zündung eines solchen Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges unter Verwendung eines koaxialen Leitungsresonators vorgenommen wird. Hierbei wird die Zündspule durch eine genügend starke Mikrowellenquelle, z.B. eine Kombination aus einem Hochfrequenzgenerator und einem Verstärker, ersetzt. Mit einem geometrisch optimierten koaxialen Leitungsresonator stellt sich dann die für die Zündung erforderliche Feldstärke am offenen Ende des kerzenähnlichen Leitungsresonators ein und zwischen den Elektroden der Kerze bildet sich mit dem Spannungsüberschlag eine zündfähige Plasmastrecke heraus.
  • Eine solche Hochfrequenzzündung ist auch in dem Aufsatz "SAE-Paper 970071, Investigatinon of a Radio Frequency Plasma Ignitor for Possible Internal Combustion Engine Use" beschrieben. Auch bei dieser Hochfrequenz- bzw. Mikrowellenzündung wird ohne eine übliche Zündspule eine Hochspannung mittels einer niederohmigen Einspeisung am sogenannten heißen Ende einer λ/4-Leitung eines HF-Leitungsresonators erzeugt.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mittels einer hochfrequenten elektrischen Energiequelle, mit einer koaxialen Wellenleiterstruktur, in die die hochfrequente elektrische Energie einkoppelbar ist und die mit einem Ende in den jeweiligen Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors hineinragt, wobei an diesem Ende durch ein hohes Spannungspotential ein Mikrowellenplasma erzeugbar ist. Das eine Ende der koaxialen Wellenleiterstruktur ist so ausgebildet, dass bei einem anstehenden Spannungspotential durch eine in den Brennraum hineinragende Feldstruktur ein freistehendes Plasma im Luft-Kraftstoff-Gemisch zwischen dem aus der Wellenleiterstruktur einen vorgegebenen Betrag herausragenden Innenleiter und dem Außenleiter der Wellenleiterstruktur erzeugbar ist. In dieser um das Ende des herausragenden Innenleiters herum freistehenden Plasmawolke, findet kein Überschlag zwischen den Elektroden statt, so dass auch kein Ionenstrom fließt.
  • Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Endes der koaxialen Wellenleiterstruktur wird in vorteilhafter Weise gemäß der Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 vorgenommen, bei dem das eine Ende der koaxialen Wellenleiterstruktur im Brennraum eine Abdichtung aus dielektrischem Material zwischen dem Außenleiter und dem koaxialen Innenleiter enthält, die derart mit mindestens einer in axialer Richtung sprunghaften und/oder gleitenden Querschnittsänderung versehen ist, das sich eine optimale Feldstruktur zur Erzeugung eines freistehenden Plasmas ergibt.
  • Die koaxiale Wellenleiterstruktur ist dabei so ausgebildet, dass sich für eine vorgegebene effektive Wellenlänge λeff der eingekoppelten hochfrequenten Schwingung ein Leitungsresonator in etwa nach der Beziehung (2n+1)* λeff/4 mit n ≥ O ergibt und die hochfrequente Schwingung beispielsweise durch eine kapazitive, induktive, gemischte oder eine Aperturkopplung eingekoppelt wird. Die effektive Wellenlänge λeff wird dabei im wesentlichen durch die Formgebung des Endes des herausragenden Innleiters, durch die Abdichtung des Dielektrikums bzw. durch die Formgebung des gesamten Leitungsresonators bestimmt.
  • Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform stellt sich die für die Zündung im Brennraum erforderliche Feldstärke damit am offenen Ende des in seiner Form weitgehend zündkerzenähnlichen Resonators ein. Die wesentlichen Vorteile einer solchen Hochfrequenzzündkerze gegenüber der herkömmlichen Verwendung einer Zündkerze sind vor allem eine Kosten- und Gewichtseinsparung durch die Möglichkeit zur Miniaturisierung. Die bei der vorgeschlagenen Vorrichtung erreichte weitgehende Wärmewertfreiheit ermöglicht zudem eine Reduzierung der Typenvielfalt und damit ebenfalls eine Kosteneinsparung.
  • Dadurch, dass hier auf einfache Weise bevorzugt im Oszillator, eventuell aber auch an sonstigen Bereichen des koaxialen Wellenleiters, ein elektrisches Mess- oder Steuersignal auskoppelbar ist, das von den physikalischen Größen des freistehenden Plasma im Luft-Kraftstoff-Gemisch abhängig ist, wird prinzipiell eine Einstellbarkeit der Flammgröße ermöglicht, womit ein vergrößertes Zündvolumen im Vergleich zur herkömmlichen Zündkerze und eine gute Einleitung der Flammfront in den Brennraum erreichbar ist. Dies führt zu einer Erhöhung der Zündsicherheit insbesondere bei Magergemischmotoren und bei einer Benzin-Direkt-Einspritzung.
  • Ferner sind zusätzliche Freiheitsgrade durch die Steuerbarkeit der Brenndauer aufgrund der Möglichkeit der Ableitung auskoppelbarer Steuersignale vorhanden. Das ausgekoppelte elektrische Signal ist in einer Auswerteschaltung weiterverarbeitbar, mit der z.B. eine Diagnose der Anordnung, eine Regelung der hochfrequenten Energiequelle und/oder eine Steuerung vorgegebener Betriebsfunktionen bewirkbar ist. Diese Steuerbarkeit aufgrund der Möglichkeit der Verbrennungsdiagnostik und damit der Optimierung der Motorsteuerung führt zu einem geringeren Verschleiß der als Zündelektroden wirkenden Strukturen und es ist außerdem auch ein gesteuertes Abbrennen von Verunreinigungen, z.B. von Ruß, möglich.
  • Wenn der koaxiale Resonator als Zylinder mit über der Länge konstantem, kreisförmigen Querschnitt realisiert wird, so entsteht durch eine herkömmliche Abdichtung des offenen Endes des Resonators bzw. der Abtrennung des Volumens des Resonators vom Brennraum, in Abhängigkeit vom Material und der geometrischen Gestaltung, insbesondere der Dicke der Abdichtung, eine deutliche Feldverzerrung bzw. Feldabschwächung am einen Ende an der Spitze des Innenleiters und eine Erhöhung des Leistungsbedarfs zum Erreichen der erforderlichen Zündfeldstärke.
  • Erfindungsgemäß wird in vorteilhafter Weise durch eine geeignete Variierung des Querschnitts des koaxialen Resonators der Leistungsbedarf deutlich gegenüber einem Resonator mit über der Länge konstantem, kreisförmigen Querschnitt gesenkt, d.h. eventuell sogar unter das Niveau eines Resonators ohne Abdichtung.
  • Hierzu enthält vorzugsweise das eine Ende der koaxialen Wellenleiterstruktur im Brennraum eine Abdichtung aus dielektrischem Material zwischen dem Außenleiter und dem koaxialen Innenleiter, die derart mit mindestens einer in axialer Richtung sprunghaften und/oder gleitenden Querschnittsänderung versehen ist, dass sich eine optimale Feldstruktur ergibt, die die Entstehung des freistehenden Plasmas nach dem Hauptanspruch ermöglicht. Das Plasma wird hierbei nur an einer Elektrode, d.h. am Ende des herausragenden Innenleiters, als freistehende Wolke ausgebildet und es bildet sich, wie zuvor erwähnt, keine nachteilige Funkenstrecke zwischen zwei Elektroden heraus.
  • Insbesondere kann vorteilhaft die Abdichtung in einer Ausnehmung des Außenleiters angebracht werden, die eine zum einen Ende hin sprunghafte Querschnittsvergrößerung aufweist. Im Bereich des einen Endes können darüber hinaus in vorteilhafter Weise die innere Kontur des Außenleiters und die äußere Kontur des Innenleiters in vorgegebenen Bereichen in ihrem Querschnitt korrespondierend verändert werden.
  • Die wesentlichen Vorteile dieser erfindungsgemäßen Anordnung sind eine optimale Abtrennung des Volumens des Resonators zum Brennraum, ggf. mit gleichzeitiger dichtender Wirkung, und eine Reduzierung der zur Zündung notwendigen HF-Leistung. Das erfinderische Konzept ist dabei vorteilhaft geeignet für eine nachträgliche Integration in bereits existierende Verbrennungsmotoren.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist es möglich, dass eine kompakte Zündeinheit dadurch gebildet werden kann, dass in einem gemeinsamen Gehäuse eine freischwingende Oszillatorschaltung und der koaxiale Wellenleiter angeordnet wird, wobei der freischwingenden Oszillatorschaltung auch eine Verstärkerschaltung nachgeschaltet werden kann. Die freischwingende Oszillatorschaltung und/oder die nachgeschaltete Verstärkerschaltung werden bevorzugt als eine integrierte Halbleiterschaltung mit SiC oder GaN Bauelementen aufgebaut.
  • Die wesentlichen Vorteile eines solchen kompakten Aufbaus einer Hochfrequenz-Zündeinheit sind insbesondere die Möglichkeit einer Reduzierung der Baugröße, z.B. von einer Gewindegröße M14 auf M10 und die damit erreichbare Kosten- und Gewichtseinsparung, da die eigentliche Kerze und die Zündspule eingespart wird. Herkömmliche Zündkerzen können aus physikalischen Gründen nicht in dem Maße verkleinert werden, dass hiermit neue kleinbauende Zünd- und Ventilsysteme an einem, insbesondere auch hochverdichtenden Verbrennungsmotor realisiert werden können. Auch ist ein besseres EMV-Verhalten bei der Integration dieser Bauelemente in die koaxiale Geometrie der Vorrichtung erreichbar.
  • Insbesondere auch in Kombination mit der oben erwähnten Steuerbarkeit des Zündverhaltens durch die Verarbeitung eines auskoppelbaren Signals können der Zündzeitpunkt und die Zünddauer auf einfache Weise variabel eingestellt werden. Das freistehende Plasma kann insbesondere durch eine Beeinflussung der Flammgröße, wie oben erwähnt, positiv beeinflusst werden, wodurch eine Erhöhung der Zündsicherheit bei Magergemischen und bei einer Benzin-Direkt-Einspritzung (BDE) erreicht ist.
  • Beim Aufbau von Oszillatorschaltung für die beschriebenen Anwendungen ist zu berücksichtigen, dass diese nicht nur auf einen einzigen Betriebszustand auszulegen sind, sondern es können mindestens zwei grundlegende Betriebszustände, nämlich der ungezündete und der gezündete Zustand, auftreten. Weiterhin kann auch der Übergangsbereich zwischen diesen Zuständen und zusätzliche Einflussparameter wie Temperatur, Rußbelegung sowie weitere Betriebsparameter sich nachhaltig auf das Resonanz- und Impedanzverhalten des HF-Resonators auswirken. Dies hat bei herkömmlichen Aufbauten häufig zur Folge, dass nur noch ein Bruchteil der zur Verfügung stehenden Leistung in den Resonator eingekoppelt wird. Der restliche Anteil wird reflektiert und belastet oder zerstört unter Umständen das verwendete Leistungshalbleiterbauelement in der Oszillatorschaltung; ggf. kann auch eine Zündung komplett verhindert werden.
  • Erfindungsgemäß kann durch eine geeignete, kompakt aufgebaute frei schwingende Oszillatorschaltung in jedem Betriebszustand auf einfache Weise gewährleistet werden, dass ein ausreichender Anteil verfügbarer HF-Leistung in den Resonator eingekoppelt wird. Zum Aufbau des erfindungsgemäßen Oszillators in unmittelbarer Motornähe ist dabei der Einsatz neuer hochtemperaturtauglicher Halbleitertechnologien, z.B. SiC oder GaN, besonders vorteilhaft, da sich diese durch ein gutes Frequenzverhalten fT auch bei hohen Temperaturen, z.B.> 200°C, durch eine hohe Leistungsdichte und eine hohe Integrationsdichte auszeichnen.
    • Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1 eine prinzipielle Ansicht einer Vorrichtung zum hochfrequenten Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mit einer koaxialen Wellenleiterstruktur als Resonator,
    • Figur 2 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des in den Brennraum des Verbrennungsmotors hineinragenden Endes des Resonators mit einer Ansicht der Feldlinien des in den Brennraum des Verbrennungsmotors hineinragenden Endes des Resonators und
    • Figur 3 ein Blockschaltbild einer Zündeinheit mit einem freischwingenden Oszillator, einem Resonator und einer Einkopplung der hochfrequenten Schwingungen in den Resonator.
    Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In Figur 1 ist eine Prinzipansicht einer Vorrichtung zum hochfrequenten Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor gezeigt, die Bestandteile einer sogenannten Hochfrequenzzündkerze 1 aufweist. Es sind hier im einzelnen ein HF-Generator 2 und ein eventuell auch verzichtbarer Verstärker 3 vorhanden, die als Mikrowellenquelle die hochfrequenten Schwingungen erzeugen. Schematisch ist hier eine induktive Einkopplung 4 der hochfrequenten Schwingungen in eine als λeff/4-Resonator 5 aufgebaute koaxiale Wellenleiterstruktur als wesentlicher Bestandteil der Hochfrequenzzündkerze 1 gezeigt.
  • Der koaxiale Resonator 5 besteht aus einem Außenleiter 6 und einem Innenleiter 7, wobei das eine sogenannte offene oder heiße Ende 8 des Resonators 5 mit dem Innenleiter 7, hier als gegenüber dem Außenleiter 6 isolierten Zündstift 7a, die Zündung bewirkt. Für die hochfrequenten Schwingungen stellt das andere sogenannte kalte brennraumferne Ende 9 des Resonators 5 einen Kurzschluss dar. Das Dielektrikum 10 zwischen dem Außenleiter 6 und einem Innenleiter 7 besteht im wesentlichen aus Luft oder aus einem geeigneten nichtleitenden Material. Lediglich zur Abdichtung des offenen Endes 8 des Resonators 5 zum Brennraum ist eine Dichtung 11 vorhanden. Die Dichtung 11 besteht auch aus einem nichtleitendem Material, das den Temperaturen im Brennraum standhält, z.B. Keramik. Dabei bestimmen die dielektrischen Eigenschaften des Füllmaterials 10 bzw. der Abdichtung 11 mit die Abmessungen des Resonators 5.
  • Bei dieser Hochfrequenzzündkerze 1 wird das Prinzip der Feldüberhöhung in einem koaxialen Resonator 5 der Länge (2n+1)* λeff/4 mit n > O genutzt. Das durch eine genügend starke Mikrowellenquelle als Generator 2 und eventuell dem Verstärker 3 erzeugte hochfrequente Signal wird durch die Einkopplung 4, z.B. induktiv, kapazitiv, aus beiden gemischt oder durch eine Aperturkopplung in den Resonator 5 eingespeist. Durch die Ausbildung eines Spannungsknotens am Kurzschluss 9 und eines Spannungsbauchs am einen offenen Ende 8 ergibt sich hier am Zündstift 7a eine Feldüberhöhung, die zu dem in der Beschreibungseinleitung erwähnten freistehenden Plasma führt.
  • Die wesentlichen Bestandteile der Erfindung sind aus Figur 2 zu entnehmen. Zur Kompensation des durch die Abdichtung 11 nach der Figur 1 des offenen Endes 8 verursachten Effekts einer Feldverzerrung bzw. Feldabschwächung an der Spitze des Innenleiters 7 bzw. Zündstift 7a wird der Querschnitt einer Dichtung 20 nach der Figur 2 im Bereich des offenen Endes 8 des Resonators 5 variiert. Diese erfolgt z.B. durch Querschnittssprünge 21 bzw. auch durch gleitende Formgebungen, Taperung oder dergleichen. Beispielsweise können die innere Kontur des Außenleiters 6 und die äußere Kontur des Innenleiters 7, 7a in vorgegebenen Bereichen in ihrem Querschnitt korrespondierend verändert sein.
  • Die Bestimmung der geometrischen Abmessungen des einen Endes 8 des Resonators 5 im Detail hängt dabei von den System- und Materialparametern der gesamten Vorrichtung ab. In der Figur 2 sind zusätzlich noch Feldlinien 22 angedeutet, die zeigen sollen, wie eine optimale geometrische Gestaltung der Abdichtung 20 zu einer Feldlinienverteilung führt, die ein freistehendes Plasma gemäß der Erfindung optimal ermöglicht.
  • Aus Figur 3 sind prinzipielle Bestandteile einer Hochfrequenz-zündeinheit 30 als Blockschaltbild zu entnehmen. Diese enthält im einzelnen eine HF-Zündeinheit 31, wie sie anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben worden ist. Weiterhin ist ein frequenzbestimmender, freischwingender Oszillator 32 unter Verwendung von Leistungstransistoren auf der Basis von hochtemperaturtauglichen HF-Halbleitertechnologien, z.B. hochtemperaturtaugliche SiC oder GaN Bauelemente, und eine Einkopplung 33 für die HF-Schwingungen des Oszillators 32 in die Zündvorrichtung 31 vorhanden. Betriebsbedingte Schwankungen in der Frequenz können dabei durch einen geeigneten, an sich bekannten Aufbau des Oszillator 32 berücksichtigt werden.

Claims (9)

  1. Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mittels einer hochfrequenten elektrischen Energiequelle, mit
    - einer koaxialen Wellenleiterstruktur (5), in die die hochfrequente elektrische Energie einkoppelbar ist und die mit einem Ende in den jeweiligen Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors hineinragt, wobei
    - an diesem Ende durch ein hohes Spannungspotential ein Mikrowellenplasma erzeugbar ist und wobei
    - das eine Ende der koaxialen Wellenleiterstruktur (5) als Zündstift (7a) so ausgebildet ist, dass bei einem anstehenden Spannungspotential durch eine in den Brennraum hineinragende Feldstruktur (22) ein freistehendes Plasma im Luft-Kraftstoff-Gemisch an dem aus der Wellenleiterstruktur einen vorgegebenen Betrag herausragenden Innenleiter (7,7a) der Wellenleiterstruktur (5) erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    - das eine Ende der koaxialen Wellenleiterstruktur (5) im Brennraum eine Abdichtung (20) aus dielektrischem Material zwischen dem Außenleiter (6) und dem koaxialen Innenleiter (7) enthält, die derart mit mindestens einer in axialer Richtung sprunghaften und/oder gleitenden Querschnittsänderung (21) versehen ist, das sich eine optimale Feldstruktur (22) zur Erzeugung eines freistehenden Plasmas ergibt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    - die koaxialen Wellenleiterstruktur (5) so ausgebildet ist, dass sich für eine vorgegeben effektive Wellenlänge (λeff) der eingekoppelten hochfrequenten Schwingung ein Leitungsresonator in etwa nach der Beziehung (2n+1)*λeff/4 mit n ≥ O ergibt und dass die hochfrequente Schwingung durch eine kapazitive, induktive, gemischte oder eine Aperturkopplung einkoppelbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Abdichtung (20) in einer Ausnehmung des Außenleiters (6) angebracht ist, die eine zum einen Ende hin sprunghafte Querschnittsvergrößerung (21) aufweist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
    - im Bereich des einen Endes der Wellenleiterstruktur (5) die innere Kontur des Außenleiters (6) und die äußere Kontur des Innenleiters (7) in vorgegebenen Bereichen in ihrem Querschnitt korrespondierend gleitend und/oder sprunghaft verändert sind.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    - am Oszillator (2;32) oder am koaxialen Wellenleiter (5) ein elektrisches Signal auskoppelbar ist, das von den physikalischen Größen des freistehenden Plasmas im Luft-Kraftstoff-Gemisch abhängig ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
    - das ausgekoppelte elektrische Signal in einer Auswerteschaltung weiterverarbeitbar ist, mit der eine Diagnose der Vorrichtung, eine Regelung der hochfrequenten Energiequelle und/oder eine Steuerung vorgegebener Betriebsfunktionen bewirkbar ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    - eine kompakte Zündeinheit (30) gebildet ist, die in einem gemeinsamen Gehäuse eine freischwingende Oszillatorschaltung (32), weitere Bauelemente (31,33) und den koaxialen Wellenleiter (5) aufweist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
    - der freischwingenden Oszillatorschaltung (2;32) eine Verstärkerschaltung (3) nachgeschaltet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass
    - die freischwingende Oszillatorschaltung (2;32) und/oder die nachgeschaltete Verstärkerschaltung (3) als eine integrierte Halbleiterschaltung mit SiC oder GaN Bauelementen aufgebaut ist.
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