EP1544457A1 - Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor - Google Patents

Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor Download PDF

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EP1544457A1
EP1544457A1 EP04105772A EP04105772A EP1544457A1 EP 1544457 A1 EP1544457 A1 EP 1544457A1 EP 04105772 A EP04105772 A EP 04105772A EP 04105772 A EP04105772 A EP 04105772A EP 1544457 A1 EP1544457 A1 EP 1544457A1
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EP
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firing pin
combustion chamber
fuel mixture
combustion engine
air
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EP04105772A
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Ewald Schmidt
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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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
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/40—Sparking plugs structurally combined with other devices

Definitions

  • the invention relates to a device for igniting an air-fuel mixture in one Internal combustion engine by means of a high - frequency power source according to the preamble of Main claim.
  • spark plug represents a common part of internal combustion engines for motor vehicles.
  • the spark plug is inductively by means of an ignition coil a sufficiently high electrical voltage is supplied, so that a spark at the end the spark plug in the combustion chamber of the internal combustion engine forms around the combustion of the Air-fuel mixture to initiate.
  • this conventional spark plug When operating this conventional spark plug can voltages up to thirty kilovolts occur due to the combustion process residues such as soot, oil or coal as well Ashes of fuel and oil occur under certain thermal conditions electrically are conductive. However, at these high voltages no over- or Breakdowns on the insulator of the spark plug occur, so that the electrical resistance of the Insulator even at the high temperatures occurring during the life of the spark plug should not change.
  • the known candle tips have the particular disadvantage that the tip in the Usually with a very small cylindrical diameter, e.g. less than 0.5 mm, is formed. Although this can be a technically achievable maximum field strength, at a given Performance, however, this thin needle-shaped tip of the firing pin is very sensitive to mechanical effects, e.g. by bending during engine installation, so that it should only have a very short length. In addition, here at the operation through the inevitable burning off the life of the spark plug because of the small volume undesirably shortened.
  • the candle tip is mechanically more robust, they are sharp and very sharp pointed geometries, e.g. cylindrical with a flat end or a candle tip with a crown shape,
  • the following disadvantages in common With increasing operating time, the peaks rounded by the burnup and the amount of field strength maximum goes back with it.
  • the tip is mechanically robust and, however, designed without a sharp point at the front, e.g. according to the non-prepublished DE 102 39 412 with a hemisphere, one has over the service life by the erosion no significant change in shape, but it was from the outset waived a possible high field strength amount.
  • 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 firing pin according to the mark of Claim 1 is formed so that the firing pin with a at least partially or is provided over the entire axial length extending inner hole.
  • the end of the firing pin projecting into the combustion chamber preferably has a cross section in the form of a half-torus ring. But it is also a cross section in the form of a quarter torus ring or a flat design possible.
  • Burnup e.g. at a calculated surface ratio of a hemisphere to the half-torus of ca.1,3, the material requirement by the tubular shape but much lower and more expensive and more stable metals or metal alloys can for example, platinum, are used.
  • the weight of the spark plug tip is lower, so even with a desired relatively long peak projection mechanical vibration amplitudes (spring-mass system) have significantly smaller values and thus are better in terms of quality.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a device known per se for high-frequency ignition of an air-fuel mixture in an internal combustion engine, which has components of a so-called high-frequency spark plug 1.
  • a device known per se for high-frequency ignition of an air-fuel mixture in an internal combustion engine which has components of a so-called high-frequency spark plug 1.
  • an RF generator 2 and possibly also dispensable amplifier 3 available, which generate the high-frequency oscillations as a microwave source.
  • an inductive coupling 4 of the high-frequency oscillations is shown in a coaxial waveguide structure constructed as a ⁇ eff / 4 resonator 5 as an essential component of the high-frequency spark plug 1.
  • the coaxial line 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 an opposite the outer conductor 6 insulated firing pin 12, the ignition causes.
  • the other so-called cold combustion chamber remote end 9 of the resonator. 5 a short circuit.
  • the dielectric 10 between the outer conductor 6 and the 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 is a seal 11 available.
  • the seal 11 is also made of a non-conductive material that withstands the temperatures withstand in the combustion chamber, e.g. Ceramics. This is determined by the dielectric properties the filling material 10 or the seal 11 with the dimensions of the resonator. 5
  • the principle of field enhancement in a coaxial resonator 5 of length (2n + 1) * ⁇ eff / 4 with n ⁇ O is used.
  • the high-frequency signal generated by a sufficiently strong microwave source as a generator 2 and possibly the amplifier 3 is fed by the coupling 4, for example, inductive, capacitive, mixed from the two or through an aperture coupling in the resonator 5.
  • the coupling 4 for example, inductive, capacitive, mixed from the two or through an aperture coupling in the resonator 5.
  • the embodiment 3 shows a variant with an axially extending over the entire length Inner hole 13 and a Halbtorusring trained top surface 14.
  • Das Inner hole 13 can also be at an outer cylindrical shape of the firing pin 12 inside take other forms, for example, an inner hole 13, which is the candle tip 14 rejuvenated.

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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 als Resonator 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 ist so ausgebildet, dass bei einem anstehenden Spannungspotential eine in den Brennraum hineinragende Feldstruktur und damit ein freistehendes Plasma im Luft-Kraftstoff-Gemisch an dem aus der Wellenleiterstruktur herausragenden Zündstift (12) erzeugbar ist. Der Zündstift (12) der Vorrichtung ist mit einem sich zumindest teilweise über die axiale Länge erstreckenden Innenloch (13) versehen. <IMAGE>

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.
Es ist beispielsweise aus der DE 198 52 652 Al 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 es erfolgt eine Entladung an einer Elektrode.
Der Ort des Zündens des Plasmas wird bei den zuvor beschriebenen Leitungsresonatoren durch den Punkt der höchsten Feldstärke bestimmt. In der nicht vorveröffentlichten DE 102 39 412 ist beschrieben, dass durch konstruktive Maßnahmen erreicht werden kann, dass dieser Punkt in der Regel der oberste Punkt als absolute Spitze der Kerzenspitze, bzw. des Zündstiftes ist.
Die bekannten Kerzenspitzen haben dabei insbesondere den Nachteil, dass die Spitze in der Regel mit einem sehr kleinen zylindrischen Durchmesser, z.B. unter 0,5 mm, ausgebildet wird. Hierdurch kann zwar ein technisch erreichbares Maximum der Feldstärke, bei vorgegebener Leistung, erreicht werden, jedoch ist diese dünne nadelförmige Spitze des Zündstiftes sehr empfindlich gegen mechanische Einwirkungen, z.B. durch ein Verbiegen beim Motoreinbau, so dass sie nur eine sehr kurze Länge aufweisen sollte. Außerdem wird hier beim Betrieb durch den unvermeidlichen Abbrand die Lebensdauer der Zündkerze wegen des kleinen Volumens unerwünscht verkürzt.
Ist dagegen die Kerzenspitze mechanisch robuster ausgeführt, sind allen scharfkantig und sehr spitz ausgeführten Geometrien, z.B. zylindrisch mit planem Ende oder Kerzenspitze mit Kronenform, folgende Nachteile gemeinsam: Mit Zunahme der Betriebsdauer werden die Spitzen durch den Abbrand verrundet und der Betrag des Feldstärkemaximums geht damit zurück.
Ist die Spitze mechanisch robust und jedoch vorne ohne scharfe Spitze ausgeführt, wie z.B. nach der nicht vorveröffentlichten DE 102 39 412 mit einer Halbkugel, hat man über die Betriebsdauer durch den Abbrand keine wesentliche Formänderung, dafür wurde aber von vornherein auf einen möglich hohen Feldstärkebetrag verzichtet.
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. In vorteilhafter Weise ist bei der eingangs erwähnten Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor der Zündstift gemäß des Kenzeichens des Anspruchs 1 so ausgebildet, dass der Zündstift mit einem sich zumindest teilweise oder über die gesamte axiale Länge erstreckenden Innenloch versehen ist.
Bevorzugt weist dabei das in den Brennraum hineinragende Ende des Zündstifts einen Querschnitt in Form eines Halbtorusrings auf. Es ist aber auch ein Querschnitt in Form eines Vierteltorusrings oder eine plane Ausführung möglich.
Es ist an sich bekannt, dass sich die größte Feldstärke bei einer solchen Vorrichtung an scharfkantigen Ecken und Spitzen ausbildet und dies dann die Ausgangspunkte von Plasmen und eventuell auch Überschlägen sind. Durch das erfindungsgemäße Innenloch, das im einfachsten Fall eine zylindrische Form hat, bleibt praktisch über die gesamte Betriebsdauer auch bei einem Abbrand die Scharfkantigkeit der Kerzenspitze erhalten. Damit sind von Anfang an in etwa gleiche elektrische Bedingungen gegeben, die immer einen relativ konstanten kleinen Leistungsbedarf erfordern.
Obwohl gegenüber einer Vollspitze mit gleichem Durchmesser hier ein zeitlich etwas schnellerer Abbrand, z.B. bei einem rechnerischen Oberflächenverhältnis einer Halbkugel zum Halbtorus von ca.1,3, auftreten kann, ist der Materialbedarf durch die Rohrform aber wesentlich geringer und es können hier ohne Kostenerhöhung teurere und standhaftere Metalle oder Metalllegierungen, zum Beispiel auch Platin, eingesetzt werden.
Weiter ist das Gewicht der Zündkerzenspitze geringer, so dass auch bei einem gewünschtem relativ langem Spitzenüberstand mechanische Schwingungsamplituden (Feder-Masse-System) wesentlich kleinere Werte aufweisen und damit auch qualitätsmäßig besser sind.
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 und
  • Figur 2 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des in den Brennraum des Verbrennungsmotors hineinragenden Zündstiftes mit einem sich axial teilweise erstreckenden Innenloch mit planer Spitzenoberfläche und
  • Figur 3 eine Alternative mit einem sich axial über die gesamte Länge erstreckenden Innenloch und einer als Halbtorusring ausgebildeten Kerzenspitze.
    • Beschreibung der Ausführunusbeigiele
    In Figur 1 ist eine Prinzipansicht einer an sich bekannten 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 Leitungsresonator 5 besteht aus einem Außenleiter 6 und einem Innenleiter 7, wobei das eine sogenannte offene oder heiße Ende 8 des Resonators 5 mit einem gegenüber dem Außenleiter 6 isolierten Zündstift 12, 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 dem 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 12 eine Feldüberhöhung, die zu dem in der Beschreibungseinleitung erwähnten freistehenden Plasma führt.
    Anhand der folgenden Figuren 2 und 3 werden erfindungsgemäße Alternativen von möglichen Ausführungen eines Zündstiftes 12 gezeigt, mit einem sich gemäß der Figur 2 axial teilweise erstreckenden Innenloch 13 und mit einer planen Spitzenoberfläche 14. Das Ausführungsbeispiel nach der Figur 3 zeigt eine Variante mit einem sich axial über die gesamte Länge erstreckenden Innenloch 13 und einer als Halbtorusring ausgebildeten Spitzenoberfläche 14. Das Innenloch 13 kann dabei auch bei einer äußeren zylindrischen Form des Zündstiftes 12 innen auch andere Formen annehmen, zum Beispiel auch ein Innenloch 13, das sich zur Kerzenspitze 14 hin verjüngt.
    Bei allen zuvor erwähnten Formen der Kerzenspitze 14 werden während der Betriebszeit die aktuellen mikroskopischen Kerzenspitzen vorne am Zündstift 12 am meisten beansprucht und bevorzugt mechanisch abgetragen. Damit ergibt sich im Betrieb keine exakt gleichbleibende Querschnittsform über den gesamten Umfang der Kerzenspitze 14 und der Betriebszeit. Große Ungleichheiten können aber wegen der Selbstregelung nicht auftreten, wobei hier besonders vorteilhaft von vornherein verrundete Querschnittsformen, z.B. der Halbtorusring, sind, die sich schon nahe an der sich im Betrieb einstellenden Form befinden.

    Claims (7)

    1. 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 (8) in den jeweiligen Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors hineinragt, wobei an diesem Ende (8) durch ein hohes Spannungspotential ein Mikrowellenplasma erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
      das eine Ende (8) der koaxialen Wellenleiterstruktur (5) als Zündstift (12) so ausgebildet ist, dass bei einem anstehenden Spannungspotential durch eine in den Brennraum hineinragende Feldstruktur ein freistehendes Plasma im Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugbar ist, und dass
      der Zündstift (12) mit einem sich zumindest teilweise über die axiale Länge erstreckenden Innenloch (13) versehen ist.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
      der Zündstift (12) mit einem sich die gesamte axiale Länge erstreckenden Innenloch (13) versehen ist.
    3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
      das in den Brennraum hineinragende Ende als Kerzenspitze (14) des Zündstifts (12) einen Querschnitt in Form eines Halbtorusrings aufweist.
    4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
      das in den Brennraum hineinragende Ende des Zündstifts (12) als Kerzenspitze (14) einen Querschnitt in Form eines Vierteltorusrings aufweist.
    5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
      das in den Brennraum hineinragende Ende als Kerzenspitze (14) des Zündstifts (12) plan ausgeführt ist.
    6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
      der Zündstift (12) aus einem temperaturstabilen und zunderfesten Material mit relativ hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie Platin, hergestellt ist.
    7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
      der Zündstift (12) aus einem temperaturstabilen und zunderfesten Material mit relativ geringer elektrischer Leitfähigkeit hergestellt ist.
    EP04105772A 2003-12-20 2004-11-15 Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor Withdrawn EP1544457A1 (de)

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