EP3464876A1 - Zündvorrichtung und verfahren zum zünden eines luft-kraftstoffgemisches - Google Patents

Zündvorrichtung und verfahren zum zünden eines luft-kraftstoffgemisches

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Publication number
EP3464876A1
EP3464876A1 EP17728054.2A EP17728054A EP3464876A1 EP 3464876 A1 EP3464876 A1 EP 3464876A1 EP 17728054 A EP17728054 A EP 17728054A EP 3464876 A1 EP3464876 A1 EP 3464876A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
ignition
voltage
combustion chamber
voltage source
Prior art date
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Pending
Application number
EP17728054.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Wollitzer
Gunnar Armbrecht
Martin Fuchs
Peter Awakowicz
Thomas Musch
Sven GRÖGER
Andre Bergner
Gordon NOTZON
Marcel VAN DELDEN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Original Assignee
Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG filed Critical Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Publication of EP3464876A1 publication Critical patent/EP3464876A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F02P3/00—Other installations
    • F02P3/02—Other installations having inductive energy storage, e.g. arrangements of induction coils
    • F02P3/04—Layout of circuits
    • F02P3/0407—Opening or closing the primary coil circuit with electronic switching means
    • 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
    • F02P3/00—Other installations
    • F02P3/02—Other installations having inductive energy storage, e.g. arrangements of induction coils
    • F02P3/04—Layout of circuits
    • F02P3/05—Layout of circuits for control of the magnitude of the current in the ignition coil
    • 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
    • F02P1/00—Installations having electric ignition energy generated by magneto- or dynamo- electric generators without subsequent storage
    • F02P1/08—Layout of circuits
    • F02P1/083—Layout of circuits for generating sparks by opening or closing a coil circuit
    • 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
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T19/00—Devices providing for corona discharge
    • H01T19/04—Devices providing for corona discharge having pointed electrodes
    • 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

Definitions

  • the invention relates to an ignition device for igniting an air-fuel mixture in at least two combustion chambers, in particular an internal combustion engine, with at least one ignition system with electrodes for each combustion chamber, at least one high voltage source for generating a high voltage electrical pulse at an output of the high voltage source and at least one high frequency power source for generating an electrical high-frequency AC voltage at an output of the high-frequency voltage source, wherein m ignition systems with me N (natural numbers without zero) and m> 2, are provided, according to the preamble of patent claim 1.
  • the invention also relates to a method for igniting an air-fuel mixture in m combustion chambers with m ⁇ N (natural numbers without zero) and m> 2, in particular an internal combustion engine, wherein in a predetermined period of time in at least one combustion chamber, an ignitable mixture is generated with an electrical high voltage pulse in the at least one combustion chamber with ignitable mixture, an electrically conductive channel between at least two electrodes of the respective combustion chamber is generated, wherein the at least two electrodes with the conductive channel, an electrical high-frequency AC voltage for generating and maintaining
  • the invention further relates to a method for operating an ignition device for igniting an air-fuel mixture in at least one combustion chamber, in particular an internal combustion engine, with at least one ignition system for each combustion chamber, at least one high voltage source for generating a high voltage electrical pulse at an output of the high voltage source and at least one high frequency voltage source for generating a high frequency electrical AC voltage at an output of the high frequency voltage source, wherein m ignition systems with m EN (natural
  • the number set N always denotes the set of natural numbers without zero.
  • atomic (dissociated) oxygen is required, which is generated by means of a plasma between the electrodes of a spark plug.
  • the plasma is a conductive channel (spark) generated by a momentarily high voltage, the high voltage being generated by a high voltage source such as an ignition coil.
  • the high electrical voltage is a DC electrical voltage.
  • the second energy source for additional excitation of the plasma usually generates a high frequency (hereinafter referred to as HF or high-frequency AC voltage) and is thus designed as an RF amplifier (hereinafter also referred to as high-frequency voltage source). Since automotive internal combustion engines have more than one spark plug, each spark plug requires its own RF amplifier. However, this is costly and space intensive.
  • So-called gasoline combustion methods with direct injection of the fuel have a great potential in terms of fuel consumption reduction due to the possibility of representing a stratified charge in the combustion chamber.
  • the non-homogeneous mixture in the combustion chamber places increased demands on the ignition method used with regard to reliable ignition at the appropriate time. Fluctuations of any kind reduce, for example, the quality of the ignition and thus the efficiency of the entire engine.
  • the position of the ignitable mixture can vary slightly and on the other hand, the hook of the ground electrode of the spark plug, which projects into the combustion chamber, can interfere with the mixture formation.
  • Helpful for a direct injection combustion process is an ignition system with a greater spatial extent into the combustion chamber.
  • a corresponding high frequency plasma ignition device comprises a series resonant circuit with an inductance and a capacitance and a high frequency source for the resonant excitation of this series resonant circuit.
  • the capacitance is represented by inner and outer conductor electrodes with intervening dielectric. These electrodes extend with their outermost ends at a predetermined mutual distance into the combustion chamber.
  • a method for ignition in which by means of an electrical DC voltage pulse, a discharge plasma is generated, which is then ionized by means of an RF field. Of the DC pulse and an output signal of an RF generator are supplied together to a spark electrode of a spark plug. A counter electrode of the spark plug is grounded.
  • Modern ignition systems for gasoline engines today have a spark plug and a single ignition coil with electronic control unit.
  • the spark plug is a coaxial structure and consists essentially of a central electrode surrounded by an insulator and an outer electrode connected to the spark plug housing.
  • the ignition coil provides the spark plug with an electrical high voltage pulse. Between the electrodes a spark is created (conductive channel) which initiates combustion.
  • An alternative method in which a high-frequency electrical voltage is applied to the spark plug in addition to the applied high voltage of the ignition coil in order to extend the spark duration is described in DE 10 2013 215 663 A1.
  • the invention is based on the object, an igniter of o.g. To improve the type of construction and function.
  • This object is achieved by an igniter of o.g. A type having the features characterized in claim 1, by a method for igniting an air-fuel mixture of the above-mentioned type.
  • Advantageous embodiments of the invention are described in the further claims.
  • an ignition device of the type mentioned above that k high-frequency voltage sources with ke N, and k ⁇ m are provided, wherein at least one power distribution device is provided, which on the one hand with at least one high-frequency power source and on the other hand with n ignition systems, where ne M and 2 ⁇ n ⁇ m, the power distribution apparatus applying the high frequency AC voltages from the high frequency power source or sources electrically connected to this power distribution apparatus to the power sources this power distribution device electrically connected n ignition systems transmits.
  • a particularly simple and cost-effective power distribution device is achieved by virtue of the fact that at least one power distributor device is designed such that, during operation of the ignition device, the output of at least one high-frequency voltage source which is electrically connected to this power distributor device is permanently in time with all the ignition systems connects electrically.
  • a reduction of the required high-frequency energy is achieved in that at least one power distribution device is designed such that it during operation of the ignition device, the output of at least one high frequency power source, which is electrically connected to this power distribution device, temporarily for a predetermined period of time with all n ignition systems simultaneously electrically connected.
  • a targeted supply of the high-frequency energy is achieved in that at least one power distribution device is designed such that it during operation of the ignition device, the output of at least one high-frequency power source, which is electrically connected to this power distribution device, temporally successively and temporarily for a predetermined period with each one of the n ignition systems electrically connects.
  • a further reduction of the hardware effort is achieved by having at least one power distribution device with q
  • High frequency voltage sources is electrically connected, wherein q is N, and q ⁇ k, wherein the power distribution device is designed as a q-to-n-demultiplexer.
  • a targeted supply of the high-frequency energy to respective groups of spark plugs is achieved in that at least one power distribution device is designed such that it during operation of the ignition device, the output of at least one high-frequency power source, which is electrically connected to this power distribution device, separated in time and sequentially temporarily electrically interconnects with each ignition system of the n ignition systems, where 2 ⁇ p ⁇ n-1, m> 3 and n> 3.
  • An individual and temporally exact supply of a high-voltage pulse to a respective spark plug is achieved in that m high-voltage sources are provided and the output of each of a high voltage source, each with an ignition system is electrically connected.
  • At least one high-frequency power source which is electrically connected to n spark plugs, is designed such that it permanently emits the electrical high-frequency AC voltage at its output during operation of the ignition device.
  • the use of existing components for the ignition device according to the invention is made possible in that at least one high voltage source is designed as an ignition coil.
  • the electrical high-frequency AC voltage is applied to the at least two electrodes in the at least one combustion chamber with ignitable mixture in time prior to generating the electrically conductive channel between the at least two electrodes of the respective Combustion chamber is supplied.
  • a simplification of the ignition system with only one source for the electrical high-frequency AC voltage for a plurality of combustion chambers is achieved in that the electrical high-frequency AC voltage is also supplied to the at least two electrodes of at least one such combustion chamber, in which no ignitable mixture is present.
  • Deletion of the plasma in such a way that a new ignitable mixture can be generated in the respective combustion chamber with plasma for a renewed ignition is achieved in that after a predetermined period of time after the plasma has been generated, the electrical high-frequency AC voltage of at least two electrodes a respective combustion chamber is separated for at least a predetermined dead time over which the plasma was generated.
  • the predetermined dead time is 0.5 ms to 2 ms, in particular 1 ms.
  • the electrical high-frequency AC voltage is supplied to n ignition systems at the output of a high-frequency voltage source, where n e N and 2 ⁇ n ⁇ m.
  • a particularly simple and cost-effective power distribution device is achieved in that the output of at least one high-frequency voltage source is permanently electrically connected to all n ignition systems.
  • a reduction of the required high-frequency energy is achieved in that the output of at least one high-frequency voltage source is temporarily electrically connected to all n ignition systems simultaneously.
  • a targeted supply of high-frequency energy is achieved in that the output of at least one high-frequency voltage source is connected in chronological succession and temporarily electrically for a predetermined period of time with one of the n ignition systems.
  • Further reduction of the hardware cost is achieved by electrically connecting at least one RF power source to q power distribution devices, where q is EN, and q ⁇ k.
  • a targeted supply of high-frequency energy to respective groups of spark plugs is achieved by electrically connecting the output of at least one high-frequency voltage source successively and temporarily with each p ignition systems of the n ignition systems, where 2 ⁇ p ⁇ n-1, m> 3 and n 3 is.
  • An individual and temporally exact supply of a high-voltage pulse to a respective spark plug is achieved by providing m high-voltage sources and electrically connecting the output of a high-voltage source to an ignition system.
  • a further simplification of the switching and control technical effort is achieved by permanently output from at least one high-frequency voltage source, the electrical high-frequency AC voltage at the output.
  • the electrical high-frequency AC voltage is also supplied to the at least two electrodes of at least one such combustion chamber, in which no ignitable mixture is present.
  • the generation or maintenance of the plasma itself immediately after generating the electrically conductive channel without requiring an external trigger for the electrical high-frequency AC voltage is achieved in that the electrical high-frequency AC voltage to the at least two electrodes in the at least one combustion chamber is supplied with ignitable mixture in time prior to generating the electrically conductive channel between the at least two electrodes of the respective combustion chamber.
  • Deletion of the plasma so that a new ignitable mixture can be generated in the respective combustion chamber with plasma for re-ignition, is achieved in that after a predetermined period of time after the plasma has been generated, the electrical high-frequency AC voltage of at least two electrodes a respective combustion chamber is separated for at least a predetermined dead time over which the plasma was generated.
  • the predetermined dead time is 0.5 ms to 2 ms, in particular 1 ms.
  • Fig. 1 is a schematic block diagram of a first preferred embodiment
  • Fig. 2 is a schematic block diagram of a second preferred embodiment
  • Embodiment of an ignition system according to the invention shows a schematic block diagram of a third preferred embodiment of an ignition system according to the invention.
  • Each high-frequency voltage sources 12 j outputs at the respective output a high-frequency electrical AC voltage 14.
  • the ignition systems 10, a high voltage pulse 18 is supplied from one or more high voltage sources 16 in each case according to a predetermined timing.
  • Each ignition system is assigned to a combustion chamber, for example an internal combustion engine, so that in the present example the internal combustion engine has m combustion chambers.
  • Each ignition system has, for example, at least two, three or more electrodes, which are constructed, for example, in the form of a spark plug, wherein the electrodes protrude into the respective combustion chamber.
  • an ignitable mixture is generated in an internal combustion engine at a certain time in one or more combustion chambers and the combustion systems associated with these ignition systems 10, the energy for a Sparks in the form of high voltage pulse 18 supplied. This is to generate a spark in the respective combustion chamber between the electrodes and ignite the ignitable mixture.
  • the spark forms an electrically conductive channel between the electrodes. But with the spark, this electrically conductive channel or the spark breaks down immediately when the energy for the spark is consumed.
  • the electrically conductive channel is now used to maintain this by means of the energy from the high-frequency AC voltage 14 and a plasma between the electrodes and in to produce the respective combustion chamber or to maintain for a period of time that is longer than the actual spark would maintain the conductive channel, so that the spark in the form of the plasma is longer in time for igniting the ignitable mixture available. Furthermore, a spatial expansion of the plasma increases. As a result, a more reliable and homogeneous ignition of the ignitable mixture is achieved. Only with the separation of the high-frequency AC voltage 14 from the respective ignition system 10, which just maintains a plasma in the combustion chamber, the plasma extinguished and the ignition process is completed.
  • each ignition system 10 with a high-frequency AC voltage 14
  • at least one power distributor device 20 is provided.
  • the ignition systems are 10 f ... 10 m ( D via a power distribution device 20 with the high-frequency voltage source 12i, the ignition systems 10 m ( i) + i, 1 0m (i) +2 ,...
  • a separate high-voltage source 16 for generating the initial spark is shown.
  • a central energy source for generating the spark and the electrically conductive channel may be provided with a distributor, the energy of the energy source to the respective ignition system 0m (ji) + i, 10 rt1 (ji) +2, ⁇ - passes 0mO) ,
  • the ignition systems 10 are, for example, designed as 2-electrode ignition systems, preferably in the form of spark plugs.
  • the high voltage pulse 1 8 and the high frequency AC voltage 1 4 is supplied directly or via a separator of an electrode, wherein the other electrode is at a fixed potential, such as ground.
  • the high voltage pulse 18 is directly or via a separator of an electrode and the High-frequency AC voltage 1 4 supplied directly or via a separator of the other electrode.
  • the ignition systems 10 are designed as 3-electrode ignition systems, preferably in the form of spark plugs.
  • the high voltage pulse 18 is fed directly or via a separator of a first electrode.
  • the high-frequency AC voltage 1 4 is fed directly or via a separator of a second electrode.
  • a third electrode is at a fixed potential, such as ground.
  • the device 20 cruverteiler- is designed as a simple node, all the ignition systems 1 0 m (ji) + i, 1 0m (ji) +2. ... 1 0 m (j) permanently electrically connected to the output of the high-frequency voltage source 1 2j, so that one of the high-frequency voltage source 1 2j output at the output high-frequency AC voltage 1 4 directly to all ignition systems , 1 0m (ji) +2, ... 1 0 m Q) is passed on electrically.
  • the power distribution device 20 is designed as a passive power divider. This achieves an improved matching of the impedance between the output of the high-frequency voltage source 1 2j and the input of the ignition systems 1 0,.
  • the passive power divider is designed, for example, as a Wilkinson divider or directional coupler. As in the first embodiment, in this second embodiment, all the ignition systems 1 0 m (ji) + i, 1 0 m (ji) + 2, ...
  • High frequency power source 1 2j (all ignition systems ⁇ r ⁇ ⁇ j. ⁇ ) + ⁇ , 1 0 m ji) +2, ... 10mq) is applied, as long as high-frequency AC voltage is output 14 from the high frequency power source 1 2j at its output.
  • the power distribution device 20 is designed as a demultiplexer.
  • the output of the high frequency voltage source 12j is not temporally permanent with all ignition systems , 1 0 m (ji) +2, ⁇ ⁇ 0 m (j) of which the 1-to-m (j) -m (j-1)!
  • Demultiplexer always connects only one of the ignition systems 10 at a time m (ji) + i. 0 m (ji) +2, ...
  • the high-frequency voltage source 12j 10 m ü) m 't the output of the high-frequency voltage source 12j, so that the high-frequency AC voltage 14 at a given time to only one ignition system of the plurality of high frequency power source 12, the associated ignition systems 10 m (ji) + i, 10 m (ji) +2, ⁇ 1 0m (j) is transmitted.
  • the demands on the high-frequency voltage source 12j decrease, so that this can be realized more easily.
  • the high-frequency voltage source 12j can be made smaller.
  • the demultiplexer switches the high-frequency ac voltage 14 exclusively to exactly this ignition system before or during the ignition of an ignition system 10j.
  • the advantage compared to the direct parallel connection of the high-frequency voltage source 12j with all ignition systems 10 ⁇ -1) + -! , 10 m (j - i) +2, ⁇ x 1 0 m (j) is that those ignition systems in which no ignition is to take place not be burdensome for the high frequency power source 12j due to the high-impedance disconnection by the demultiplexer. Thus, only one or a few high frequency voltage sources / n 1 2j are required with reduced requirements.
  • the invention includes an efficient distribution of a high-frequency signal (high-frequency AC voltage 14) in an HF signal.
  • a time curve of the voltage U H F 22 at the output of the high-frequency voltage source 12i, the output active power P H F 24 of the high-frequency voltage source 12 and the active power P P ii 26, in the plasma for the i-th ignition system 10j with in this example i 1, 2, 3, 4, shown over a time axis 28 in Fig. 4.
  • the voltage amplitude of the high-frequency AC voltage 14 is not large enough to ignite a plasma itself.
  • the high-frequency AC voltage 14 may be applied simultaneously to all ignition systems 26i, 26 2 , 26 3 , 26 4 .
  • the high-frequency AC voltage 14 is turned off (dead time), so that the plasma does not continue to burn but extinguished.
  • the high-frequency AC voltage 14 is turned off, for example, for a period of about 1 ms, so that no unwanted plasma generation takes place due to the presence of free charge carriers of the last plasma.
  • a plasma is generated In the first ignition system 26i ignited and this plasma extinguished by switching off the high-frequency AC voltage 14.
  • the third ignition system 26 3 and the fourth ignition system 26 4 is ignited and extinguished again.
  • the ignition systems 26i and 26 3 are electrically connected to the first RF power source 12i via a first power distribution device 20, and the ignition systems 26 2 and 26 4 of the second power distribution device 20 are electrically connected to the second RF power source 12 2 .
  • the dead time 32 of the first ignition system 26i overlaps in time with the high-voltage pulse 18 in the second ignition system 26 2 .
  • the first high-frequency voltage source 12i can remain switched off for the necessary dead time 32 in the first ignition system 26i while the second ignition system 26 2 already remains is acted upon by the high frequency AC voltage 14 from the second high frequency voltage source 12 2 and the high voltage pulse 18.
  • the second and third ignition systems 26 2 , 26 3 and to the third and fourth ignition systems 26 3 , 26 4 in the time sequence of dead times 32 and high-voltage pulses 18.
  • the invention also relates to a method for igniting an air-fuel mixture in m combustion chambers with m EN (natural numbers without zero) and m> 2, in particular an internal combustion engine, wherein in a predetermined period of time in at least one combustion chamber, an ignitable mixture is generated.
  • an electrical high-voltage pulse an electrically conductive channel between at least two electrodes of the respective combustion chamber is generated in the at least one combustion chamber with ignitable mixture, wherein the at least two electrodes with the conductive channel, a high-frequency electrical AC voltage for generating and maintaining a plasma in the at least a combustion chamber is supplied with ignitable mixture.
  • the electrical high-frequency AC voltage is supplied to the at least two electrodes in the at least one combustion chamber with ignitable mixture in time prior to the generation of the electrically conductive channel between the at least two electrodes of the respective combustion chamber.
  • This has the advantage that the generation or maintenance of the plasma takes place automatically immediately after the electrically conductive channel has been generated, without the need for an external trigger for the electrical high-frequency AC voltage.
  • a concern of high frequency before ignition additionally improves the take-over.
  • the electrical high-frequency AC voltage is for example also supplied to the at least two electrodes of at least one such combustion chamber, in which no ignitable mixture is present.
  • the electrical high-frequency AC voltage is separated from at least those at least two electrodes of a respective combustion chamber for at least a predetermined dead time over which the plasma was generated.
  • a deletion of the plasma is achieved, so that in the respective combustion chamber with plasma for re-ignition a new ignitable mixture can be generated.
  • the predetermined dead time is 0.5 ms to 2 ms, in particular 1 ms.
  • the invention also relates to a method for operating an ignition device for igniting an air-fuel mixture in at least one combustion chamber, in particular an internal combustion engine, with at least one ignition system for each combustion chamber, at least one high voltage source for generating a high voltage electrical pulse at an output of the high voltage source and at least one High-frequency voltage source for generating a high-frequency electrical AC voltage at an output of the high-frequency power source, wherein m ignition systems with me N (natural numbers without zero) and m> 2 are provided.
  • the electrical high-frequency AC voltage at the output of a high-frequency voltage source is supplied to n ignition systems, where n E N and 2 ⁇ n ⁇ m.
  • n E N and 2 ⁇ n ⁇ m As a result, a high-frequency voltage source can be used for a plurality of ignition systems, resulting in a reduction of the required hardware outlay.
  • the output of at least one high-frequency voltage source is, for example, permanently electrically connected to all n ignition systems in terms of time.
  • the output of at least one high-frequency voltage source is, for example, temporarily electrically connected simultaneously to all n ignition systems, whereby a reduction of the required high-frequency energy is possible.
  • the output of at least one high-frequency voltage source is connected in chronological succession and temporarily electrically connected to one of the n ignition systems for a predetermined period of time.
  • At least one power distribution device is preferably electrically connected to q high frequency voltage sources, where ⁇ / E, and q ⁇ k.
  • the output of at least one high-frequency voltage source is, for example, also electrically separated one after the other and temporarily electrically connected to p ignition systems of the n ignition systems, where 2 ⁇ p ⁇ n-1, m> 3 and n> 3.
  • p ignition systems of the n ignition systems where 2 ⁇ p ⁇ n-1, m> 3 and n> 3.
  • n> 3 a targeted supply of high-frequency energy from the high-frequency source to respective groups of spark plugs.
  • m high-voltage sources are provided and the output of a respective high-voltage source is electrically connected to an ignition system in each case. This allows an individual and timely exact delivery of a high voltage pulse to a respective spark plug.
  • the electrical high-frequency AC voltage is permanently output at its output over time. This achieves a further simplification of the circuitry and tax technical effort.
  • the invention also relates to a method for igniting an air-fuel mixture in m combustion chambers with m EN (natural numbers without zero) and m> 2, in particular an internal combustion engine, wherein in a predetermined period of time in at least one combustion chamber, an ignitable mixture is generated.
  • an electric high-voltage pulse in the at least one combustion chamber with ignitable mixture an electrically conductive channel between at least two electrodes of the respective combustion chamber is generated, wherein the at least two electrodes with the conductive channel, a high-frequency electrical AC voltage for generating and maintaining a plasma in the at least a combustion chamber is supplied with ignitable mixture.
  • This is the electrical high-frequency AC voltage also supplied to the at least two electrodes of at least one such combustion chamber, in which no ignitable mixture is present.
  • the ignition system is characterized by only one source for the electrical high frequency AC voltage for multiple combustion chambers.
  • the electrical high-frequency AC voltage is supplied, for example, to the at least two electrodes in the at least one combustion chamber with ignitable mixture in time prior to the generation of the electrically conductive channel between the at least two electrodes of the respective combustion chamber.
  • the generation or maintenance of the plasma is carried out automatically immediately after generating the electrically conductive channel, without the need for an external trigger for the electrical high-frequency AC voltage is necessary.
  • the electrical high-frequency AC voltage is separated from at least those at least two electrodes of a respective combustion chamber for at least a predetermined dead time over which the plasma was generated. As a result, a deletion of the plasma is achieved, so that in the respective combustion chamber with plasma for re-ignition a new ignitable mixture can be generated.
  • the predetermined dead time is 0.5 ms to 2 ms, in particular 1 ms.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung zum Zünden eines Luft- Kraftstoffgemisches in mindestens einem Brennraum, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Zündsystem mit Elektroden für jeden Brennraum, mindestens einer Hochspannungsquelle zum Erzeugen eines elektrischen Hochspannungsimpulses an einem Ausgang der Hochspannungsquelle und mit mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zum Erzeugen einer elektrischen Hochfrequenz-Wechselspannung an einem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle, wobei m Zündsysteme (10i) mit Formula (I) (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m ≥ 2, vorgesehen sind, wobei ĸ Hochfrequenzspannungsquellen mit Formula (II), sowie ĸ < m vorgesehen sind, wobei mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung vorgesehen ist, welche einerseits mit mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle und andererseits mit n Zündsystemen, wobei Formula (III) sowie 2 ≤ n ≤ m, elektrisch verbunden ist, wobei die Leistungsverteiler-Vorrichtung die Hochfrequenz-Wechselspannung bzw. -Spannungen aus der bzw. aus den mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung elektrisch verbundenen Hochfrequenzspannungsquelle bzw. -quellen an die mit dieser Leistungsverteiler- Vorrichtung elektrisch verbundenen n Zündsysteme überträgt.

Description

Zündvorrichtung und Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoff gern isches
Die Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung zum Zünden eines Luft- Kraftstoffgemisches in mindestens zwei Brennräumen, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Zündsystem mit Elektroden für jeden Brennraum, mindestens einer Hochspannungsquelle zum Erzeugen eines elektrischen Hochspannungsimpulses an einem Ausgang der Hochspannungsquelle und mit mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zum Erzeugen einer elektrischen Hochfrequenz-Wechselspannung an einem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle, wobei m Zündsysteme mit m e N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m > 2, vorgesehen sind, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 . Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Zünden eines Luft- Kraftstoffgemisches in m Brennräumen mit m ε N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m > 2, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei in einem vorbestimmten Zeitabschnitt in mindestens einem Brennraum ein zündfähiges Gemisch erzeugt wird, wobei mit einem elektrischen Hochspannungsimpuls in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch ein elektrisch leitfähiger Kanal zwischen mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes erzeugt wird, wobei an die mindestens zwei Elektroden mit dem leitfähigen Kanal eine elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Plasmas in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zugeführt wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Zündvorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in mindestens einem Brennraum, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Zündsystem für jeden Brennraum, mindestens einer Hochspannungsquelle zum Erzeugen eines elektrischen Hochspannungsimpulses an einem Ausgang der Hochspannungsquelle und mit mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zum Erzeugen einer elektrischen Hochfrequenz-Wechselspannung an einem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle, wobei m Zündsysteme mit m E N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m > 2 vorgesehen sind, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 14. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in m Brennräumen mit m e M (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m > 2, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei in einem vorbestimmten Zeitabschnitt in mindestens einem Brennraum ein zündfähiges Gemisch erzeugt wird, wobei mit einem elektrischen Hochspannungsimpuls in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch ein elektrisch leitfähiger Kanal zwischen mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes erzeugt wird, wobei an die mindestens zwei Elektroden mit dem leitfähigen Kanal eine elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Plasmas in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zugeführt wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 22.
Mit der Zahlenmenge N ist hier immer die Menge der natürlichen Zahlen ohne Null bezeichnet.
Zur Zündung eines Luft-Kraftstoffgemisches in einem Verbrennungsmotor wird atomarer (dissoziierter) Sauerstoff benötigt, welcher mittels eines Plasmas zwischen den Elektroden einer Zündkerze erzeugt wird. Üblicherweise ist das Plasma ein durch eine kurzzeitig hohe elektrische Spannung erzeugter leitfähiger Kanal (Zündfunke), wobei die hohe elektrische Spannung von einer Hochspannungsquelle, wie beispielsweise einer Zündspule, erzeugt wird. Üblicherweise ist die hohe elektrische Spannung eine elektrische Gleichspannung. Neuartige Zündsysteme verfolgen den Ansatz nach diesem initialen Zündfunken das Plasma mittels zusätzlicher Anregung an den Elektroden aus einer zweiten Energiequelle weiter aufrecht zu halten, um mehr atomaren Sauerstoff zu erzeugen. Denn der Anspruch an die Zündung ist bei modernen Motoren aufgrund von Aufladung, Abmagerung, Abgasrückführung und Schichtladung gestiegen. Die zweite Energiequelle zur zusätzlichen Anregung des Plasmas erzeugt dabei meistens eine Hochfrequenz (im folgenden HF oder Hochfrequenz-Wechselspannung genannt) und ist somit als HF- Verstärker (nachfolgend auch Hochfrequenzspannungsquelle genannt) ausgeführt. Da Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren mehr als eine Zündkerze besitzen, benötigt jede Zündkerze einen eigenen HF-Verstärker. Allerdings ist dies kosten- und platzintensiv.
So genannte Otto-Brennverfahren mit Direkteinspritzung des Brennstoffes besitzen durch die Möglichkeit eine Schichtladung im Verbrennungsraum darzustellen ein großes Potential hinsichtlich der Verbrauchsreduktion. Das nicht homogene Gemisch im Brennraum stellt jedoch erhöhte Anforderungen an das eingesetzte Zündverfahren hinsichtlich einer zuverlässigen Zündung zum geeigneten Zeitpunkt. Schwankungen jeglicher Art mindern beispielsweise die Qualität der Zündung und somit den Wirkungsgrad des gesamten Motors. Einerseits kann die Lage des zündfähigen Gemisches leicht variieren und andererseits kann sich der Haken der Masseelektrode der Zündkerze, welcher in den Brennraum ragt, störend auf die Gemischbildung auswirken. Hilfreich für ein direkt einspritzendes Brennverfahren ist ein Zündsystem mit einer größeren räumlichen Ausdehnung in den Verbrennungsraum hinein. Hierzu wird in der DE 10 2004 058 925 A1 vorgeschlagen, ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine mittels eines Hochfrequenz-Plasmas zu zünden. Eine entsprechende Hochfrequenz-Plasmazündvorrichtung umfasst einen Serienschwingkreis mit einer Induktivität und einer Kapazität sowie eine Hochfrequenzquelle zur resonanten Anregung dieses Serienschwingkreises. Die Kapazität ist durch Innen- und Außenleiterelektroden mit dazwischen liegendem Dielektrikum dargestellt. Diese Elektroden reichen mit ihren äußersten Enden mit einem vorgegebenen gegenseitigen Abstand bis in den Verbrennungsraum hinein.
Aus der DE 10 2008 051 185 A1 ist ein Verfahren zum Zünden bekannt, bei dem mittels eines elektrischen Gleichspannungsimpulses ein Entladungsplasma erzeugt wird, welches anschließend mittels eines HF-Feldes ionisiert wird. Der Gleichspannungsimpuls und ein Ausgangssignal eines HF-Generators werden dabei gemeinsam einer Funkenelektrode einer Zündkerze zugeführt. Eine Gegenelektrode der Zündkerze ist geerdet. Moderne Zündanlagen für Ottomotoren weisen heute eine Zündkerze und eine Einzelzündspule mit elektronischer Ansteuereinheit auf. Die Zündkerze ist ein koaxialer Aufbau und besteht im Wesentlichen aus einer mittleren Elektrode umgeben von einem Isolator und einer äußeren Elektrode, die mit dem Zündkerzengehäuse verbunden ist. Die Zündspule liefert der Zündkerze einen elektrischen Hochspannungsimpuls bzw. Hochgleichspannungsimpuls. Zwischen den Elektroden entsteht ein Funke (leitfähiger Kanal) der die Verbrennung einleitet. Ein alternatives Verfahren in dem zusätzlich zur angelegten Hochspannung der Zündspule eine hochfrequente elektrische Spannung an die Zündkerze angelegt wird, um die Funkenbrenndauer zu verlängern ist in der DE 10 2013 215 663 A1 beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zündvorrichtung der o.g. Art hinsichtlich Aufbau und Funktion zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Zündvorrichtung der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen, durch ein Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches der o.g. Art mit den in Anspruch 10 gekennzeichneten Merkmalen sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer Zündvorrichtung der o.g. Art mit den in Anspruch 14 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Dazu ist es bei einer Zündvorrichtung der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass k Hochfrequenzspannungsquellen mit k e N, sowie k < m vorgesehen sind, wobei mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung vorgesehen ist, welche einerseits mit mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle und andererseits mit n Zündsystemen, wobei n e M sowie 2 < n < m, elektrisch verbunden ist, wobei die Leistungsverteiler-Vorrichtung die Hochfrequenz-Wechselspannung bzw. -Spannungen aus der bzw. aus den mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung elektrisch verbundenen Hochfrequenzspannungsquelle bzw. -quellen an die mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung elektrisch verbundenen n Zündsysteme überträgt.
Dies hat den Vorteil, dass eine Hochfrequenzspannungsquelle für mehrere Zündkerzen verwendet werden kann, so dass sich eine Reduzierung des erforderlichen Hardware-Aufwandes ergibt.
Eine besonders einfache und kostengünstige Leistungsverteiler-Vorrichtung erzielt man dadurch, dass mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese im Betrieb der Zündvorrichtung den Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle, welche mit dieser Leistungsverteiler- Vorrichtung elektrisch verbunden ist, zeitlich permanent mit allen n Zündsystemen elektrisch verbindet. Eine Reduktion der erforderlichen Hochfrequenzenergie erzielt man dadurch, dass mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese im Betrieb der Zündvorrichtung den Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle, welche mit dieser Leistungsverteiler- Vorrichtung elektrisch verbunden ist, temporär für einen vorbestimmten Zeitabschnitt mit allen n Zündsystemen gleichzeitig elektrisch verbindet.
Eine gezielte Zuführung der Hochfrequenzenergie erzielt man dadurch, dass mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese im Betrieb der Zündvorrichtung den Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle, welche mit dieser Leistungsverteiler- Vorrichtung elektrisch verbunden ist, zeitlich nacheinander und temporär für einen vorbestimmten Zeitabschnitt mit je einem der n Zündsysteme elektrisch verbindet.
Eine weitere Reduktion des Hardwareaufwandes erzielt man dadurch, dass mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung mit q
Hochfrequenzspannungsquellen elektrisch verbunden ist, wobei q N, sowie q < k ist, wobei die Leistungsverteiler-Vorrichtung als q-zu-n-Demultiplexer ausgebildet ist. Eine gezielte Zuführung der Hochfrequenzenergie an jeweilige Gruppen von Zündkerzen erzielt man dadurch, dass mindestens eine Leistungsverteiler- Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese im Betrieb der Zündvorrichtung den Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle, welche mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung elektrisch verbunden ist, zeitlich getrennt nacheinander und temporär mit je p Zündsystemen der n Zündsysteme elektrisch verbindet, wobei 2 < p < n - l, m > 3 und n > 3 ist.
Eine individuelle und zeitlich exakte Zuführung eines Hochspannungsimpulses an eine jeweilige Zündkerze erzielt man dadurch, dass m Hochspannungsquellen vorgesehen sind und der Ausgang jeweils einer Hochspannungsquelle mit jeweils einem Zündsystem elektrisch verbunden ist.
Eine weitere Vereinfachung des schaltungs- und steuertechnischen Aufwandes erzielt man dadurch, dass mindestens eine Hochfrequenzspannungsquelle, welche mit n Zündkerzen elektrisch verbunden ist, derart ausgebildet ist, dass diese im Betrieb der Zündvorrichtung zeitlich permanent die elektrische Hochfrequenz- Wechselspannung an deren Ausgang abgibt. Die Verwendung von bereits vorhandenen Komponenten für die erfindungsgemäße Zündvorrichtung wird dadurch ermöglicht, dass mindestens eine Hochspannungsquelle als Zündspule ausgebildet ist.
Bei einem Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches der o.g Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung den mindestens zwei Elektroden in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zeitlich vor dem Erzeugen des elektrisch leitfähigen Kanals zwischen den mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes zugeführt wird.
Dies hat den Vorteil, dass die Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung des Plasmas selbstständig unmittelbar nach Erzeugen des elektrisch leitfähigen Kanals erfolgt, ohne dass dafür ein externer Trigger für die elektrische Hochfrequenz- Wechselspannung notwendig ist. Ein Anliegen der Hochfrequenz vor dem Zündzeitpunkt verbessert zusätzlich den Take-Over.
Eine Vereinfachung des Zündsystems mit nur einer Quelle für die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung für mehrere Brennräume wird dadurch erzielt, dass die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung auch an die mindestens zwei Elektroden mindestens eines solchen Brennraumes zugeführt wird, in dem kein zündfähiges Gemisch vorhanden ist. Ein Löschen des Plasmas derart, dass in dem jeweiligen Brennraum mit Plasma für eine erneute Zündung ein neues zündfähiges Gemisch erzeugt werden kann, wird dadurch erzielt, dass nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Erzeugen des Plasmas die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung von mindestens denjenigen mindestens zwei Elektroden eines jeweiligen Brennraumes für mindestens eine vorbestimmte Totzeit getrennt wird, über die das Plasma erzeugt wurde.
Optional ist vorgesehen, dass die vorbestimmte Totzeit 0,5 ms bis 2 ms, insbesondere 1 ms, beträgt.
Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Zündvorrichtung zum Zünden eines Luft- Kraftstoffgemisches der o.g Art ist es erfindungsgemäß Vorgesehen, dass die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung am Ausgang einer Hochfrequenzspannungsquelle an n Zündsysteme zugeführt wird, wobei n e N sowie 2 < n < m.
Dies hat den Vorteil, dass eine Hochfrequenzspannungsquelle für mehrere Zündsysteme verwendet werden kann, so dass sich eine Reduzierung des erforderlichen Hardware-Aufwandes ergibt.
Eine besonders einfache und kostengünstige Leistungsverteiler-Vorrichtung wird dadurch erzielt, dass der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zeitlich permanent mit allen n Zündsystemen elektrisch verbunden wird. Eine Reduktion der erforderlichen Hochfrequenzenergie wird dadurch erzielt, dass der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle temporär mit allen n Zündsystemen gleichzeitig elektrisch verbunden wird. Eine gezielte Zuführung der Hochfrequenzenergie wird dadurch erzielt, dass der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zeitlich nacheinander und temporär für einen vorbestimmten Zeitabschnitt mit je einem der n Zündsysteme elektrisch verbunden wird. Eine weitere Reduktion des Hardwareaufwandes wird dadurch erzielt, dass mindestens eine Hochfrequenzspannungsquelle mit q Leistungsverteiler- Vorrichtungen elektrisch verbunden wird, wobei q E N, sowie q < k ist.
Eine gezielte Zuführung der Hochfrequenzenergie an jeweilige Gruppen von Zündkerzen wird dadurch erzielt, dass der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zeitlich getrennt nacheinander und temporär mit je p Zündsystemen der n Zündsysteme elektrisch verbunden wird, wobei 2 < p < n— 1, m > 3 und n 3 ist. Eine individuelle und zeitlich exakte Zuführung eines Hochspannungsimpulses an eine jeweilige Zündkerze wird dadurch erzielt, dass m Hochspannungsquellen vorgesehen sind und der Ausgang jeweils einer Hochspannungsquelle mit jeweils einem Zündsystem elektrisch verbunden wird. Eine weitere Vereinfachung des schaltungs- und steuertechnischen Aufwandes wird dadurch erzielt, dass von mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zeitlich permanent die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung an deren Ausgang ausgegeben wird. Bei einem Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in m Brennräumen ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die elektrische Hochfrequenz- Wechselspannung auch an die mindestens zwei Elektroden mindestens eines solchen Brennraumes zugeführt wird, in dem kein zündfähiges Gemisch vorhanden ist. Dies hat den Vorteil, dass eine Vereinfachung des Zündsystems mit nur einer Quelle für die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung für mehrere Brennräume erzielt wird.
Die Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung des Plasmas selbstständig unmittelbar nach Erzeugen des elektrisch leitfähigen Kanals, ohne dass dafür ein externer Trigger für die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung notwendig ist, wird dadurch erzielt, dass die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung den mindestens zwei Elektroden in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zeitlich vor dem Erzeugen des elektrisch leitfähigen Kanals zwischen den mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes zugeführt wird.
Ein Löschen des Plasmas, so dass in dem jeweiligen Brennraum mit Plasma für eine erneute Zündung ein neues zündfähiges Gemisch erzeugt werden kann, wird dadurch erzielt, dass nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Erzeugen des Plasmas die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung von mindestens denjenigen mindestens zwei Elektroden eines jeweiligen Brennraumes für mindestens eine vorbestimmte Totzeit getrennt wird, über die das Plasma erzeugt wurde.
Optional ist vorgesehen, dass die vorbestimmte Totzeit 0,5 ms bis 2 ms, insbesondere 1 ms, beträgt. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer ersten bevorzugten
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zündsystems;
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer zweiten bevorzugten
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zündsystems; Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild einer dritten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zündsystems;
Fig. 4 einen zeitlichen Verlauf von Hochfrequenz-Wechselspannung,
Ausgangswirkleistung einer Hochfrequenzspannungsquellen und
Wirkleistung in einem Plasma für ein Zündsystem mit einer Hochfrequenzspannungsquelle sowie vier Zündsystemen und
Fig. 5 einen zeitlichen Verlauf von Hochfrequenz-Wechselspannung,
Ausgangswirkleistungen von Hochfrequenzspannungsquellen und
Wirkleistung in einem Plasma für ein Zündsystem mit zwei Hochfrequenzspannungsquellen sowie vier Zündsystemen.
Die in Fig. 1 bis 3 dargestellten, drei bevorzugten Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung umfassen jeweils m Zündsysteme 10,, i = 1 , ... m, mit m e N (natürliche Zahlen ohne Null) und k Hochfrequenzspannungsquellen 12j, j = 1 , ... k, mit k E N, sowie k < m. Dementsprechend sind in Fig. 1 bis 3 die m Zündsysteme 10i, I O2,... 10m(i), 10m(i)+i, 10m(i)+2, ··· 0m(2), ... 0m(k-i)+i , 10m(k-1)+2, ... 10m(k) mit m(k) = m sowie die k Hochfrequenzspannungsquellen 12i, 122, ... 12k dargestellt. Jede Hochfrequenzspannungsquellen 12j gibt an dem jeweiligen Ausgang eine elektrischen Hochfrequenz-Wechselspannung 14 aus. Den Zündsystemen 10, wird aus einer oder mehreren Hochspannungsquellen 16 jeweils ein Hochspannungsimpuls 18 gemäß einem vorbestimmten Timing zugeführt.
Jedes Zündsystem ist einem Brennraum, beispielsweise einer Brennkraftmaschine zugeordnet, so dass im vorliegenden Beispiel die Brennkraftmaschine m Brennräume aufweist. Jedes Zündsystem weist beispielsweise mindestens zwei, drei oder mehr Elektroden auf, die beispielsweise in der Form einer Zündkerze aufgebaut sind, wobei die Elektroden in den jeweiligen Brennraum ragen.
Wie wohl bekannt, wird in einer Brennkraftmaschine zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem oder mehreren Brennräumen ein zündfähiges Gemisch erzeugt und dem diesen Brennräumen zugeordneten Zündsystemen 10, die Energie für einen Zündfunken in Form des Hochspannungsimpulses 18 zugeführt. Dies soll einen Zündfunken in dem jeweiligen Brennraum zwischen den Elektroden erzeugen und so das zündfähige Gemisch entzünden. Der Zündfunke bildet einen elektrisch leitfähigen Kanal zwischen den Elektroden. Allein mit dem Zündfunken bricht dieser elektrisch leitfähige Kanal bzw. der Zündfunke sofort wieder zusammen, wenn die Energie für den Zündfunken verbraucht ist.
Mittels der Hochfrequenz-Wechselspannung 14, die ebenfalls dem Zündsystem 10) und damit den Elektroden zugeführt wird, wird nun der elektrisch leitfähige Kanal dazu benutzt, diesen mittels der Energie aus der Hochfrequenz-Wechselspannung 14 aufrecht zu erhalten und ein Plasma zwischen den Elektroden und in dem jeweiligen Brennraum zu erzeugen bzw. über einen Zeitraum aufrechtzuerhalten, der länger ist, als der eigentliche Zündfunke den leitfähigen Kanal aufrecht erhalten würde, so dass der Zündfunke in Form des Plasmas zeitlich länger zum Zünden des zündfähigen Gemisches zur Verfügung steht. Weiterhin erhöht sich eine räumliche Ausdehnung des Plasmas. Hierdurch wird eine zuverlässigere und homogenere Zündung des zündfähigen Gemisches erzielt. Erst mit dem Trennen der Hochfrequenz-Wechselspannung 14 von dem jeweiligen Zündsystem 10,, das gerade in dessen Brennraum ein Plasma aufrechterhält, erlischt das Plasma und der Zündvorgang ist abgeschlossen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass weniger Hochfrequenzspannungsquellen 12j als Zündsysteme 10, vorgesehen sind. Anders ausgedrückt ist die Anzahl k der Hochfrequenzspannungsquellen 12j kleiner als die Anzahl m der Zündsysteme 10j (k < m). Um nun trotzdem jedes Zündsysteme 10, mit einer Hochfrequenz- Wechselspannung 14 zu versorgen, ist erfindungsgemäß mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung 20 vorgesehen. Diese ist einerseits elektrisch mit mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle 12j und andererseits mit n Zündsystemen 10, elektrisch verbunden, wobei n e M sowie 2 < n < m, wobei die Leistungsverteiler-Vorrichtung 20 die Hochfrequenz-Wechselspannung bzw. -Spannungen 14 aus der bzw. aus den mit dieser Leistungsverteiler- Vorrichtung 20 elektrisch verbundenen Hochfrequenzspannungsquelle bzw. -quellen 12j an die mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung 20 elektrisch verbundenen n Zündsysteme 10, überträgt. In der beispielhaften Darstellung sind die Zündsysteme 10 f ... 10m(D über eine Leistungsverteiler- Vorrichtung 20 mit der Hochfrequenzspannungsquelle 12i , die Zündsysteme 10m(i )+i , 1 0m(i )+2, ... 10m(2) über eine weitere Leistungsverteiler- Vorrichtung 20 mit der Hochfrequenzspannungsquelle 122 und die Zündsysteme 10m(k-i)+i , 10m(k-i)+2, ... 1 0m(k) (wobei m(k) = m) über eine weitere Leistungsverteiler- Vorrichtung 20 mit der Hochfrequenzspannungsquelle 12k elektrisch verbunden.
Allgemein sind die Zündsysteme 10m( i )+i , 1 0m(j-i)+2, ... 0m<j) mit der Hochfrequenzspannungsquelle 12j verbunden, wobei m(0) = 0, m(k) = m, j = 1 , ... k und 2 < [τη ') - m(j - 1)] < n < m und 0 < m(J) < m und m(j + 1) > m(/) ist. Auf diese Weise wird der Ausgang bzw. die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 einer einzigen Hochfrequenzspannungsquelle 1 2j für mehrere Zündsysteme 1 0m(j-i)+i , 10m j_i)+2, ■■■ 10m(j) verwendet.
In der Darstellung der Fig. 1 bis 3 ist für jedes der Hochfrequenzspannungsquelle 1 2j zugeordnete Zündsysteme 10ma-i)+i . 10ma-i)+2, · ·■ 0mo) eine eigene Hochspannungsquelle 16 zur Erzeugung des initialen Zündfunkens dargestellt. Dies ist jedoch lediglich beispielhaft. Alternativ kann auch eine zentrale Energiequelle zur Erzeugung des Zündfunkens bzw. des elektrisch leitfähigen Kanals vorgesehen sein, wobei ein Zündverteiler die Energie der Energiequelle zum jeweiligen Zündsystem 0m(j-i )+i , 10rt1(j-i)+2, ··- 0mO) leitet.
Eine beispielhafte Konfiguration für einen 4-Zylinder-Ottomotor wäre k = 1 und m = 4, also eine Hochfrequenzspannungsquelle 1 2i und vier Zylinder mit je einem Brennraum und diesen Brennräumen zugeordnete Zündsysteme 10ι, 102, I O3, 104 (je ein Zündsystem für einen Brennraum).
Einige oder alle Zündsysteme 10, sind beispielsweise als 2-Elektroden-Zündsysteme, bevorzugt in der Form von Zündkerzen, ausgebildet. Hierbei wird der Hochspannungsimpuls 1 8 und die Hochfrequenz-Wechselspannung 1 4 direkt oder über ein Trennelement einer Elektrode zugeführt, wobei die andere Elektrode auf einem festen Potential, wie beispielsweise Masse liegt. Alternativ wird der Hochspannungsimpuls 18 direkt oder über ein Trennelement einer Elektrode und die Hochfrequenz-Wechselspannung 1 4 direkt oder über ein Trennelement der anderen Elektrode zugeführt.
Alternativ sind einige oder alle Zündsysteme 1 0, als 3-Elektroden-Zündsysteme, bevorzugt in der Form von Zündkerzen, ausgebildet. Der Hochspannungsimpuls 18 wird direkt oder über ein Trennelement einer ersten Elektrode zugeführt. Die Hochfrequenz-Wechselspannung 1 4 wird direkt oder über ein Trennelement einer zweiten Elektrode zugeführt. Eine dritte Elektrode liegt auf einem festen Potential, wie beispielsweise Masse.
Ein Hochfrequenz-Plasma bildet sich nur dann aus, wenn auch ein initialer Ladungsträgerkanal vorhanden ist, welche vorliegend von dem Zündfunken erzeugt wird. In der ersten Ausführungsform gemäß der Fig. 1 ist die Leistungsverteiler- Vorrichtung 20 als einfacher Knotenpunkt ausgebildet, der alle Zündsysteme 1 0m(j-i )+i , 1 0m(j-i )+2. ... 1 0m(j) zeitlich permanent mit dem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle 1 2j elektrisch verbindet, so dass eine von der Hochfrequenzspannungsquelle 1 2j am Ausgang ausgegebene Hochfrequenz- Wechselspannung 1 4 direkt an alle Zündsysteme , 1 0m(j-i )+2, ... 1 0mQ) elektrisch weiter geleitet wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Hochfrequenz-Wechselspannung 1 4 von der Hochfrequenzspannungsquelle 12j an allen Zündsystemen 1 0m(j-i )+i , 10m(j-i )+2, ... 1 0ma> anliegt, solange diese von der Hochfrequenzspannungsquelle 1 2j an deren Ausgang abgegeben wird.
In der zweiten Ausführungsform gemäß der Fig. 2 ist die Leistungsverteiler- Vorrichtung 20 als passiver Leistungsteiler ausgebildet. Dies erzielt eine verbesserte Anpassung der Impedanz zwischen dem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle 1 2j und dem Eingang der Zündsysteme 1 0,. Der passive Leistungsteiler ist beispielsweise als Wilkinson-Teiler oder Richtkoppler ausgebildet. Wie auch in der ersten Ausführungsform sind bei dieser zweiten Ausführungsform alle Zündsysteme 1 0m(j-i)+i , 1 0m(j-i )+2, ... 1 0m(j) zeitlich permanent mit dem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle 1 2j elektrisch verbunden, so dass eine von der Hochfrequenzspannungsquelle 1 2j am Ausgang ausgegebene Hochfrequenz-Wechselspannung 1 4 direkt an alle Zündsysteme 1 0m(j-i)+1 , 10m(j-i )+2. ■■■ 0m(j) elektrisch weiter geleitet wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Hochfrequenz-Wechselspannung 1 4 von der
Hochfrequenzspannungsquelle 1 2j an allen Zündsystemen ^ rΏ^j.^)+^ , 1 0m(j-i )+2, ... 10mQ) anliegt, solange Hochfrequenz-Wechselspannung 14 von der Hochfrequenzspannungsquelle 1 2j an deren Ausgang abgegeben wird.
In der dritten Ausführungsform gemäß der Fig. 3 ist die Leistungsverteiler- Vorrichtung 20 als Demultiplexer ausgebildet. Im Unterschied zur ersten und zweiten Ausführungsform ist der Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle 12j nicht zeitlich permanent mit allen Zündsystemen , 1 0m(j-i)+2, ■■· 0m(j elektrisch verbunden. Satt dessen verbindet der 1-zu-[m(j)-m(j-1 )] Demultiplexer immer jeweils nur eines der Zündsystemen 1 0m(j-i)+i . 0m(j-i)+2, ... 10mü) m't dem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle 12j, so dass die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 zu einem bestimmten Zeitpunkt an immer nur ein Zündsystem der mehreren der Hochfrequenzspannungsquelle 12, zugeordneten Zündsysteme 10m(j.i)+i , 10m(j-i )+2, ■■■ 1 0m(j) übertragen wird. Hierdurch sinken die Ansprüche an die Hochfrequenzspannungsquelle 12j, so dass diese einfacher realisiert werden kann. Beispielsweise kann die Hochfrequenzspannungsquelle 12j kleiner dimensioniert werden.
Der Demultiplexer schaltet abhängig von einem Steuersignal, welches beispiesweise durch eine Motorsteuerung bereitgestellt wird, vor oder während der Zündung eines Zündsystems 1 0j die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 ausschließlich auf genau dieses Zündsystem. Der Vorteil im Vergleich zur direkten parallelen Verbindung der Hochfrequenzspannungsquelle 12j mit allen Zündsysteme 10^-1 )+-! , 10m(j--i )+2, ■■· 1 0m(j) liegt darin, dass diejenigen Zündsysteme, an denen keine Zündung stattfinden soll, aufgrund der hochohmigen Abschaltung durch den Demultiplexer keine Belastung für die Hochfrequenzspannungsquelle 12j darstellen. Somit wird/werden nur eine/wenige Hochfrequenzspannungsquelle/n 1 2j mit reduzierten Anforderungen benötigt.
Unabhängig von der speziellen Ausführungsform der Leistungsverteiler-Vorrichtung 20 gemäß der Fig. 1 bis 3 beinhaltet die Erfindung eine effiziente Verteilung von einem hochfrequenten Signal (Hochfrequenz-Wechselspannung 14) in einem HF- unterstützten Zündsystem für Verbrennungsmotoren zur Reduktion der Anzahl der Energiequellen (k = Anzahl der HF-Verstärker (Hochfrequenzspannungsquellen 12j), m = Anzahl der zu betreibenden Zündsysteme 10,, k < m, k > 1 , m 2, k, m ε N). Eine beispielhafte Konfiguration für einen 4-Zylinder-Ottomotor wäre, wie zuvor erwähnt, k = 1 und m = 4, also eine Hochfrequenzspannungsquelle 12i und vier Zündsystemen 10, (i = 1 , 2, 3, 4), je ein Zündsystem für einen Brennraum eines Zylinders der Brennkraftmaschine. Alle vier Zündsysteme 10, sind über die Leistungsverteiler- Vorrichtung 20 mit der Hochfrequenzspannungsquelle 12i elektrisch verbunden. In diesem Fall ist daher n = 4 = m. Für diese Konfiguration ist ein zeitlicher Verlauf der Spannung UHF 22 am Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle 12i, der Ausgangswirkleistung PHF 24 der Hochfrequenzspannungsquelle 12 und der Wirkleistung PPi i 26, im Plasma für das i-te Zündsystem 10j mit in diesem Beispiel i = 1 , 2, 3, 4, über eine Zeitachse 28 in Fig. 4 dargestellt. Die Spannungsamplitude der Hochfrequenz-Wechselspannung 14 ist nicht groß genug um selber ein Plasma zu zünden. Nur in Verbindung mit einem Zündimpuls (Hochspannungsimpuls 18) entsteht ein initialer Zündfunke, also ein elektrisch leitfähiger Kanal, an dem die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 (HF- Signal) ansetzt und ein Hochfrequenzplasma erzeugt, in das zusätzliche Energie eingebracht wird, wodurch die HF-Spannung aufgrund der Impedanz-Änderung sinkt (gekennzeichnet jeweils mit Pfeil 30). Ohne den Zündimpuls (Hochspannungsimpuls 18) in einem System bzw. den anderen Systemen (Zündsystem 26-i , 262, 263 bzw. 264) hat die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 in diesem keine Auswirkung und kann während der anderen Prozessschritte in einem Zyklus des Verbrennungsmotors problemlos an den Elektroden dieses bzw. dieser Systeme anliegen. Daher kann die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 gleichzeitig an allen Zündsystemen 26i, 262, 263, 264 anliegen. Zwischen zwei aufeinander folgenden Zündungen in den Zündsystemen 26^ 262, 263, 264 die mit der Hochfrequenzspannungsquelle 12i elektrisch verbunden sind, wird die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 ausgeschaltet (Totzeit), damit das Plasma nicht kontinuierlich weiter brennt sondern erlöscht. Die Hochfrequenz-Wechselspannung 14 wird beispielsweise für eine Zeitspanne von etwa 1 ms ausgeschaltet, damit keine unerwünschte Plasmaerzeugung aufgrund noch vorhandener, freier Ladungsträger des letzten Plasmas stattfindet. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, wird zunächst ein Plasma in dem ersten Zündsystem 26i gezündet und dieses Plasma erlöscht durch Abschaltung der Hochfrequenz-Wechselspannung 14. Danach wird zeitlich aufeinanderfolgend jeweils ein Plasma in dem zweiten Zündsystem 262, dem dritten Zündsystem 263 und dem vierten Zündsystem 264 gezündet und wieder gelöscht.
Für den Fall, dass sich aufgrund des notwendigen zeitlichen Ablaufs der Plasmazündungen die Totzeit zum Löschen des einen Plasmas im Zündsystem 26, zeitlich mit dem Zünden eines Plasmas in dem nächsten Zündsystem 26i+i oder 26i+x überschneiden würde, sind mehr als eine Hochfrequenzspannungsquelle 12j vorgesehen und die Zündsysteme, welche sich in Totzeit und Plasmazündung zeitlich überscheiden würden, sind verschiedenen Hochfrequenzspannungsquellen 12j zugeordnet. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Anzahl der Zylinder so groß wird, dass der Zündimpuls eines Zündsystems in die Totzeit des vorherigen Zündsystems fällt. Dann würde in unerwünschter Weise an beiden Zündsystemen ein Plasma erzeugt. Daher sind in diesem Fall mindestens zwei Hochfrequenzspannungsquellen 12i und 122 vorgesehen.
Der hierbei sich ergebende zeitlicher Verlauf der Spannung UHF 22 am Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle 12-i , der Ausgangswirkleistung PHF 24 der Hochfrequenzspannungsquelle 12! und der Wirkleistung PPU 26, im Plasma für das i-te Zündsystem 10, mit in diesem Beispiel i = 1 , 2, 3, 4, über eine Zeitachse 28 ist in Fig. 5 dargestellt. In Fig. 5 sind funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie in Fig. 4, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der Fig. 4 verwiesen wird. Im Unterschied zu Fig. 4 sind zwei Spannungen UHF.I 22I sowie UHF,2 222 am Ausgang jeweils der Hochfrequenzspannungsquelle 12i und 122 und zwei Ausgangswirkleistungen PHFJ 24I sowie PRF,2 242 der Hochfrequenzspannungsquelle 12i und 122 aufgetragen. Die Zündsysteme 26i und 263 sind über eine erste Leistungsverteiler-Vorrichtung 20 mit der ersten Hochfrequenzspannungsquelle 12i elektrisch verbunden und die Zündsysteme 262 und 264 sind zweite Leistungsverteiler-Vorrichtung 20 mit der zweiten Hochfrequenzspannungsquelle 122 elektrisch verbunden. Mit 32 ist eine notwendige Totzeit für ein Zündsystem 26, gekennzeichnet. Dieses Ausführungsbeispiel mit k = 2 und m = 4 ist lediglich zur einfachen bzw. besseren Darstellbarkeit gewählt und nicht notwendigerweise realitätsnah. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, überschneidet sich die Totzeit 32 des ersten Zündsystems 26i zeitlich mit dem Hochspannungsimpuls 18 im zweiten Zündsystem 262. Da jedoch das erste Zündsystem 26i mit der ersten Hochfrequenzspannungsquelle 12i und das zweite Zündsystem 262 mit der zweiten Hochfrequenzspannungsquelle 122 verbunden ist, kann die erste Hochfrequenzspannungsquelle 12i für die notwendige Totzeit 32 im ersten Zündsystem 26i ausgeschaltet bleiben noch während bereits das zweite Zündsystem 262 mit der Hochfrequenz-Wechselspannung 14 von der zweiten Hochfrequenzspannungsquelle 122 sowie mit dem Hochspannungsimpuls 18 beaufschlagt wird. Gleiches gilt für das zweite und dritte Zündsystem 262, 263 sowie für das dritte und vierte Zündsystem 263, 264 in der zeitlichen Abfolge von Totzeiten 32 und Hochspannungsimpulsen 18.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in m Brennräumen mit m E N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m > 2, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei in einem vorbestimmten Zeitabschnitt in mindestens einem Brennraum ein zündfähiges Gemisch erzeugt wird. Mit einem elektrischen Hochspannungsimpuls wird in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch ein elektrisch leitfähiger Kanal zwischen mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes erzeugt, wobei an die mindestens zwei Elektroden mit dem leitfähigen Kanal eine elektrische Hochfrequenz- Wechselspannung zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Plasmas in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zugeführt wird. Hierbei wird die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung den mindestens zwei Elektroden in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zeitlich vor dem Erzeugen des elektrisch leitfähigen Kanals zwischen den mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes zugeführt. Dies hat den Vorteil, dass die Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung des Plasmas selbstständig unmittelbar nach Erzeugen des elektrisch leitfähigen Kanals erfolgt, ohne dass dafür ein externer Trigger für die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung notwendig ist. Ein Anliegen der Hochfrequenz vor dem Zündzeitpunkt verbessert zusätzlich den Take- Over. Die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung wird beispielsweise auch an die mindestens zwei Elektroden mindestens eines solchen Brennraumes zugeführt, in dem kein zündfähiges Gemisch vorhanden ist. Nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Erzeugen des Plasmas wird die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung von mindestens denjenigen mindestens zwei Elektroden eines jeweiligen Brennraumes für mindestens eine vorbestimmte Totzeit getrennt, über die das Plasma erzeugt wurde. Hierdurch wird ein Löschen des Plasmas erzielt, so dass in dem jeweiligen Brennraum mit Plasma für eine erneute Zündung ein neues zündfähiges Gemisch erzeugt werden kann.
Bei einem Verfahren nach dem voranstehenden Absatz ist es optional vorgesehen, dass die vorbestimmte Totzeit 0,5 ms bis 2 ms, insbesondere 1 ms, beträgt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Zündvorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in mindestens einem Brennraum, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Zündsystem für jeden Brennraum, mindestens einer Hochspannungsquelle zum Erzeugen eines elektrischen Hochspannungsimpulses an einem Ausgang der Hochspannungsquelle und mit mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zum Erzeugen einer elektrischen Hochfrequenz-Wechselspannung an einem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle, wobei m Zündsysteme mit m e N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m > 2 vorgesehen sind. Die elektrische Hochfrequenz- Wechselspannung am Ausgang einer Hochfrequenzspannungsquelle wird an n Zündsysteme zugeführt, wobei n E N sowie 2 < n < m. Hierdurch kann eine Hochfrequenzspannungsquelle für mehrere Zündsysteme verwendet werden, so dass sich eine Reduzierung des erforderlichen Hardware-Aufwandes ergibt.
Der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle wird beispielsweise zeitlich permanent mit allen n Zündsystemen elektrisch verbunden.
Der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle wird beispielsweise temporär mit allen n Zündsystemen gleichzeitig elektrisch verbunden, wodurch eine Reduktion der erforderlichen Hochfrequenzenergie möglich wird. Der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle wird zeitlich nacheinander und temporär für einen vorbestimmten Zeitabschnitt mit je einem der n Zündsysteme elektrisch verbunden.
Mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung wird bevorzugt mit q Hochfrequenzspannungsquellen elektrisch verbunden, wobei </ £ N, sowie q < k ist.
Der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle wird beispielsweise auch zeitlich getrennt nacheinander und temporär mit je p Zündsystemen der n Zündsysteme elektrisch verbunden, wobei 2 < p < n— 1, m > 3 und n > 3 ist. Hierdurch ist eine gezielte Zuführung der Hochfrequenzenergie aus der Hochfrequenzquelle an jeweilige Gruppen von Zündkerzen möglich. Es sind beispielsweise m Hochspannungsquellen vorgesehen und der Ausgang jeweils einer Hochspannungsquelle wird mit jeweils einem Zündsystem elektrisch verbunden. Dies ermöglicht eine individuelle und zeitlich exakte Zuführung eines Hochspannungsimpulses an eine jeweilige Zündkerze. von mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle wird zeitlich permanent die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung an deren Ausgang ausgegeben. Dies erzielt eine weitere Vereinfachung des schaltungs- und steuertechnischen Aufwandes. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in m Brennräumen mit m E N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m > 2, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei in einem vorbestimmten Zeitabschnitt in mindestens einem Brennraum ein zündfähiges Gemisch erzeugt wird. Mit einem elektrischen Hochspannungsimpuls in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch wird ein elektrisch leitfähiger Kanal zwischen mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes erzeugt, wobei an die mindestens zwei Elektroden mit dem leitfähigen Kanal eine elektrische Hochfrequenz- Wechselspannung zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Plasmas in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zugeführt wird. Hierbei wird die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung auch an die mindestens zwei Elektroden von mindestens einem solchen Brennraum zugeführt, in dem kein zündfähiges Gemisch vorhanden ist. Das Zündsystem kommt dadurch mit nur einer Quelle für die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung für mehrere Brennräume aus.
Die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung wird beispielsweise den mindestens zwei Elektroden in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zeitlich vor dem Erzeugen des elektrisch leitfähigen Kanals zwischen den mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes zugeführt. Die Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung des Plasmas erfolgt dadurch selbstständig unmittelbar nach Erzeugen des elektrisch leitfähigen Kanals, ohne dass dafür ein externer Trigger für die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung notwendig ist. Nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Erzeugen des Plasmas wird die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung von mindestens denjenigen mindestens zwei Elektroden eines jeweiligen Brennraumes für mindestens eine vorbestimmte Totzeit getrennt, über die das Plasma erzeugt wurde. Hierdurch wird ein Löschen des Plasmas erzielt, so dass in dem jeweiligen Brennraum mit Plasma für eine erneute Zündung ein neues zündfähiges Gemisch erzeugt werden kann.
Bei einem Verfahren nach dem voranstehenden Absatz ist es optional vorgesehen, dass die vorbestimmte Totzeit 0,5 ms bis 2 ms, insbesondere 1 ms, beträgt.

Claims

Patentansprüche:
Zündvorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in mindestens einem Brennraum, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Zündsystem (10,) mit Elektroden für jeden Brennraum, mindestens einer Hochspannungsquelle (16) zum Erzeugen eines elektrischen Hochspannungsimpulses (18) an einem Ausgang der Hochspannungsquelle (16) und mit mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle (12j) zum Erzeugen einer elektrischen Hochfrequenz-Wechselspannung (14) an einem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle (12j), wobei m Zündsysteme (10,) mit m E N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m > 2, vorgesehen sind,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass k Hochfrequenzspannungsquellen (12j) mit k E N, sowie k < m vorgesehen sind, wobei mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) vorgesehen ist, welche einerseits mit mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle (12j) und andererseits mit n Zündsystemen (10,·), wobei n E N sowie 2 < n < m, elektrisch verbunden ist, wobei die Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) die Hochfrequenz- Wechselspannung (14) bzw. -Spannungen aus der bzw. aus den mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) elektrisch verbundenen
Hochfrequenzspannungsquelle (12j) bzw. -quellen an die mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) elektrisch verbundenen n Zündsysteme ( 10j) überträgt.
Zündvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass diese im Betrieb der Zündvorrichtung den Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle (12j), welche mit dieser Leistungsverteiler- Vorrichtung (20) elektrisch verbunden ist, zeitlich permanent mit allen n Zündsystemen (10,) elektrisch verbindet.
3. Zündvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass diese im Betrieb der Zündvorrichtung den Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle (12j), welche mit dieser Leistungsverteiler- Vorrichtung (20) elektrisch verbunden ist, temporär mit allen n Zündsystemen
(10,) gleichzeitig elektrisch verbindet.
Zündvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass diese im Betrieb der Zündvorrichtung den Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle (12j), welche mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) elektrisch verbunden ist, zeitlich nacheinander und temporär für einen vorbestimmten Zeitabschnitt mit je einem der n Zündsysteme (10,) elektrisch verbindet.
Zündvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) mit q Hochfrequenzspannungsquellen (12j) elektrisch verbunden ist, wobei q e N, sowie q < k ist, wobei die Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) als q-zu-n- Demultiplexer ausgebildet ist.
Zündvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass diese im Betrieb der Zündvorrichtung den Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle (12j), welche mit dieser Leistungsverteiler-Vorrichtung (20) elektrisch verbunden ist, zeitlich getrennt nacheinander und temporär mit je p Zündsystemen (10,) der n Zündsysteme (10,) elektrisch verbindet, wobei 2 < p < n— 1, m > 3 und n > 3 ist.
Zündvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass m Hochspannungsquellen (16) vorgesehen sind und der Ausgang jeweils einer Hochspannungsquelle (16) mit jeweils einem Zündsystem (10,) elektrisch verbunden ist. I. Zündvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine
Hochfrequenzspannungsquelle (12j), welche mit n Zündsystemen (10,) elektrisch verbunden ist, derart ausgebildet ist, dass diese im Betrieb der Zündvorrichtung zeitlich permanent die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung (14) an deren Ausgang abgibt. i. Zündvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Hochspannungsquelle (16) als Zündspule ausgebildet ist.
0. Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in m Brennräumen mit m E N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m > 2, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei in einem vorbestimmten Zeitabschnitt in mindestens einem Brennraum ein zündfähiges Gemisch erzeugt wird, wobei mit einem elektrischen Hochspannungsimpuls in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch ein elektrisch leitfähiger Kanal zwischen mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes erzeugt wird, wobei an die mindestens zwei Elektroden mit dem leitfähigen Kanal eine elektrische Hochfrequenz- Wechselspannung zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Plasmas in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zugeführt wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung den mindestens zwei Elektroden in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zeitlich vor dem Erzeugen des elektrisch leitfähigen Kanals zwischen den mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes zugeführt wird.
1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung auch an die mindestens zwei Elektroden mindestens eines solchen Brennraumes zugeführt wird, in dem kein zündfähiges Gemisch vorhanden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Erzeugen des Plasmas die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung von mindestens denjenigen mindestens zwei Elektroden eines jeweiligen Brennraumes für mindestens eine vorbestimmte Totzeit getrennt wird, über die das Plasma erzeugt wurde.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Totzeit 0,5 ms bis 2 ms, insbesondere 1 ms, beträgt.
14. Verfahren zum Betreiben einer Zündvorrichtung zum Zünden eines Luft- Kraftstoffgemisches in mindestens einem Brennraum, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Zündsystem für jeden Brennraum, mindestens einer Hochspannungsquelle zum Erzeugen eines elektrischen
Hochspannungsimpulses an einem Ausgang der Hochspannungsquelle und mit mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zum Erzeugen einer elektrischen Hochfrequenz-Wechselspannung an einem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle, wobei m Zündsysteme mit m e N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m > 2 vorgesehen sind,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung am Ausgang einer Hochfrequenzspannungsquelle an n Zündsysteme zugeführt wird, wobei n e N sowie 2 < n < m.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zeitlich permanent mit allen n Zündsystemen elektrisch verbunden wird. 16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle temporär mit allen n Zündsystemen gleichzeitig elektrisch verbunden wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zeitlich nacheinander und temporär für einen vorbestimmten Zeitabschnitt mit je einem der Zündsysteme elektrisch verbunden wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Hochfrequenzspannungsquelle mit q Leistungsverteiler- Vorrichtungen elektrisch verbunden wird, wobei q E N, sowie q < k ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zeitlich getrennt nacheinander und temporär mit je p Zündsystemen der n Zündsysteme elektrisch verbunden wird, wobei 2 < p < π - 1, m > 3 und n > 3 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass m Hochspannungsquellen vorgesehen sind und der Ausgang jeweils einer Hochspannungsquelle mit jeweils einem Zündsystem elektrisch verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass von mindestens einer Hochfrequenzspannungsquelle zeitlich permanent die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung an deren Ausgang ausgegeben wird.
Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoffgemisches in m Brennräumen mit m E N (natürliche Zahlen ohne Null) sowie m > 2, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei in einem vorbestimmten Zeitabschnitt in mindestens einem Brennraum ein zündfähiges Gemisch erzeugt wird, wobei mit einem elektrischen Hochspannungsimpuls in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch ein elektrisch leitfähiger Kanal zwischen mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes erzeugt wird, wobei an die mindestens zwei Elektroden mit dem leitfähigen Kanal eine elektrische Hochfrequenz- Wechselspannung zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Plasmas in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zugeführt wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung auch an die mindestens zwei Elektroden mindestens eines solchen Brennraumes zugeführt wird, in dem kein zündfähiges Gemisch vorhanden ist.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung den mindestens zwei Elektroden in dem mindestens einen Brennraum mit zündfähigem Gemisch zeitlich vor dem Erzeugen des elektrisch leitfähigen Kanals zwischen den mindestens zwei Elektroden des jeweiligen Brennraumes zugeführt wird. 24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Erzeugen des Plasmas die elektrische Hochfrequenz-Wechselspannung von mindestens denjenigen mindestens zwei Elektroden eines jeweiligen Brennraumes für mindestens eine vorbestimmte Totzeit getrennt wird, über die das Plasma erzeugt wurde.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Totzeit 0,5 ms bis 2 ms, insbesondere 1 ms, beträgt.
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