EP3636916A1 - Zündsystem mit einem durch ein hf-plasma vergrösserten zündfunken einer zündkerze mit einer vorkammer sowie ein zugehöriges verfahren - Google Patents

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EP3636916A1
EP3636916A1 EP19201483.5A EP19201483A EP3636916A1 EP 3636916 A1 EP3636916 A1 EP 3636916A1 EP 19201483 A EP19201483 A EP 19201483A EP 3636916 A1 EP3636916 A1 EP 3636916A1
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EP
European Patent Office
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ignition
spark
voltage
frequency
fuel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19201483.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Karsten Michels
Martin Fuchs
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Volkswagen AG
Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Original Assignee
Volkswagen AG
Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
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Publication date
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    • F02B19/12—Engines characterised by precombustion chambers with positive ignition

Definitions

  • the invention relates to an ignition method and an ignition system, which is set up to carry out the ignition method for igniting a fuel-air mixture or a fuel-air-exhaust gas mixture of an internal combustion engine with spark ignition, in particular an Otto combustion engine.
  • An internal combustion engine with a prechamber arranged between the combustion chamber and intake manifold is known.
  • the fuel is injected into the prechamber or possibly directly into the combustion chamber, so that a fuel-air mixture is prepared with the intake and compressed combustion air.
  • a spark plug which is referred to as the prechamber spark plug, is arranged in the prechamber.
  • a high-voltage source which is preferably designed as an ignition coil, provides a high-voltage pulse between the electrode and the ground, which causes a sparkover between the electrode and the ground contact.
  • the ignition spark leads to ignition of the fuel-air mixture or, in the case of exhaust gas recirculation, to ignition of the fuel-air-exhaust gas mixture.
  • Ignition systems which are coupled to a plasma generation.
  • An ignition device for igniting a fuel-air mixture in a combustion chamber of an internal combustion engine with a spark plug that has three electrodes is known. It is provided that the first electrode of the spark plug is connected to a high-voltage source for generating an electrical high-voltage pulse, so that the high-voltage pulse is applied to the first electrode. A second electrode is electrically connected to the ground potential. The third electrode of the spark plug is with the output a high-frequency voltage source is electrically connected, so that the high-frequency AC voltage is applied to the third electrode for generating a plasma.
  • An ignition device for igniting a fuel-air mixture based on the principle of partial discharges is known.
  • at least one of two electrodes of the ignition device is completely enclosed by a dielectric made of a solid. If an electrical voltage pulse is applied between these electrodes, partial discharges are generated due to the developing electrical field, which can lead to the formation of an ignition plasma and a flame core. Since the two electrodes are electrically insulated from one another by the dielectric arranged around at least one of the electrodes, complete discharge cannot take place. Therefore, a reliable and stable ignition of a fuel-air mixture can be realized even at high ignition voltages without significant burn-off at the electrodes.
  • an internal combustion engine has a plasma ignition system with an ignition device with dielectric barrier discharge in the cylinder and a fuel injection device for direct injection with a fuel nozzle in the cylinder.
  • a controller functionally connects the internal combustion engine, the plasma ignition system and the fuel injection system.
  • the fuel injection device injects a first fuel pulse before the ignition device is activated.
  • the ignition device then triggers a plasma energy pulse.
  • the fuel injection device is controlled in such a way that it injects a second fuel pulse during the plasma energy pulse.
  • a combustion assist device in an internal combustion engine provided with a fuel injection device is known. It is provided here that at least part of the fuel is injected into the intake manifold.
  • the combustion support device is provided with an electrode element which is arranged in the intake manifold and to which a high-frequency high voltage is applied.
  • the ignition system delivers a spatially extended plasma in a combustion chamber for igniting a fuel-air mixture.
  • the high-frequency plasma ignition consists of a series resonant circuit with an inductor, a high-frequency source for resonant excitation and a capacitance, the capacitance being formed by internal and external electrodes with a dielectric in between and these electrodes reaching with their outer ends with a predetermined mutual distance into the combustion chamber.
  • a high frequency discharge igniter which can stably cause a high frequency current to flow into a spark discharge path and thus efficiently form a large discharge plasma.
  • the high frequency discharge igniter is provided with a spark plug, an ignition coil device that generates a high voltage and supplies the generated high voltage to the spark plug so as to form a spark discharge path in the gap of the spark plug, a voltage amplification device that amplifies the voltage of an alternating current, and a high frequency current supply device that supplies an alternating current to the spark discharge path formed in the gap by means of the voltage amplifying device.
  • the invention is based on the object of providing an improved ignition system for internal combustion engines with spark ignition, in particular for gasoline engines with prechamber ignition.
  • the ignition system should improve the reliability of the ignition of the fuel-air mixture and ensure complete combustion of the fuel-air mixture even under unfavorable operating conditions.
  • the purpose of this is to significantly improve the operation of internal combustion engines with dilute fuel-air-exhaust gas mixtures, in particular in internal combustion engines with exhaust gas recirculation, or to enable them in the first place.
  • an internal combustion engine with the ignition system according to the invention is intended to further increase the efficiency under these unfavorable operating conditions and to reduce the emission of carbon monoxide and unburned hydrocarbons from the fuel.
  • the ignition system is also said to be advantageously suitable for operation using the Miller combustion method and for supercharged gasoline engines with direct fuel injection.
  • the starting point of the invention is an ignition system for a spark-ignition internal combustion engine, the spark ignition of the fuel being implemented by at least one spark plug assigned to a combustion chamber of the internal combustion engine, a first electrode of the spark plug being electrically connected to a high-voltage output of a high-voltage source and a second electrode being in the form of a ground contact, wherein the first electrode of the spark plug is coupled to an ignition system which has a high-frequency output to which a high-frequency voltage is applied, the high-voltage output of the high-voltage source of the spark plug and the high-frequency output being electrically connected to one another, so that a through the high-voltage source of the spark plug between the first electrode and second electrode at the high-voltage output of the high-voltage source is a voltage path for generating the spark discharge of an ignition spark with that applied to the high-frequency output the high-frequency voltage is amplified by coupling the high-frequency voltage via the high-frequency output into the voltage path of the high-voltage source, as a result
  • the spark plug has a prechamber with at least one opening, which connects the prechamber to the combustion chamber on the fuel side, so that the ignition spark in the prechamber, into which the high-frequency plasma can be coupled, causes the plasma-assisted spark ignition of the fuel in the prechamber.
  • the ignition system preferably comprises an HF generator and a power amplifier on the ignition system side.
  • the ignition system comprises a spark plug, which is a prechamber spark plug, with a cover cap having at least one opening, so that the prechamber of the prechamber spark plug is arranged between the cover cap and the first electrode.
  • the ignition system comprises a spark plug, which is a roof electrode spark plug, which is also equipped with the prechamber having at least one opening.
  • the ignition system in the combustion chamber has at least one sensor which detects at least one ignition parameter of the fuel.
  • the invention also relates to an ignition method, preferably using an ignition system with the features mentioned above and the features mentioned in the description.
  • the ignition system according to the invention is set up to carry out the method according to the invention explained below.
  • the ignition system includes, in particular, a control device in which a computer-readable program algorithm for executing the method and any maps required are stored.
  • the starting point of the method is a spark-ignition internal combustion engine, the spark ignition of the fuel being implemented by at least one spark plug assigned to a combustion chamber of the internal combustion engine, a first electrode of the spark plug being electrically connected to a high-voltage output of a high-voltage source and a second electrode being in the form of a ground contact, the first Electrode of the spark plug is coupled to an ignition system which has a high-frequency output to which a high-frequency voltage is applied, the high-voltage output of a high-voltage source of the spark plug and the high-frequency output being electrically connected to one another so that the high-voltage source of the spark plug between the first electrode and the second electrode on High-voltage output of the high-voltage source designed voltage path for generating the spark discharge of an ignition spark with the high-frequency spa present at the high-frequency output voltage is amplified by the high frequency voltage is coupled into the voltage path of the high-voltage source via the high-frequency output, as a result of which a high-frequency plasma is coupled into
  • the spark plug has a prechamber with at least one opening, which connects the prechamber to the combustion chamber on the fuel side, so that the ignition spark is formed in the prechamber into which the high-frequency plasma is coupled, so that plasma-assisted spark ignition of the fuel in the antechamber is effected.
  • the ignition method is preferably characterized in that the high-frequency plasma is generated at a predeterminable initiation time before the ignition of the ignition spark or at the same time as the ignition spark or after the ignition of the ignition spark and is coupled into the ignition spark.
  • the high-frequency plasma is initiated, thus generated and coupled in at least 0.5 ms before the ignition spark is ignited or at the latest 0.5 ms after the ignition spark is ignited.
  • the high-frequency plasma is preferably maintained from the time of initiation for a predefinable burning time of up to 2.5 ms.
  • the burning time of the high-frequency plasma is variable and is varied as a function of ignition parameters of the fuel that are sensed in the combustion chamber.
  • the burning time of the high-frequency plasma is variable as a function of the sensor-detected ignition parameters and is extended if the ignition parameters are poor or shortened if the ignition parameters are good, with a burning time of the high-frequency plasma being set to ⁇ 1 ms or the generation of the high-frequency plasma being stopped if the ignition parameters are good becomes.
  • the high-frequency voltage at the high-frequency output of the power amplifier has a frequency of 1 to 100 MHz and a voltage within a voltage amplitude between 0.1 kV and 30 kV, in particular between 0.4 kV and 1 kV.
  • a voltage ramp at the high-voltage output of the high-voltage source is superimposed by the high-frequency current generated by the HF generator via the power amplifier at the high-frequency output when it is coupled into the voltage path of the high-voltage source, which has a constructive effect on the ignition voltage requirement of the high-voltage source, so that it has a more advantageous effect
  • the ignition voltage requirement of the high voltage source at the high voltage output of the high voltage source is reduced.
  • a fuel-air mixture or a fuel-air-exhaust gas mixture in the combustion chamber is detected with respect to its ignition parameters by sensors and the ignition of the spark plug and the generation of the high-frequency plasma take place as a function of at least one of the detected ignition parameters, wherein at least one actual operating variable, in particular the frequency of the radio-frequency signal and / or the voltage amplitude and / or an initiation time for generating the radio-frequency plasma with an additional energy input in the ignition sparks and / or an increased ignition spark volume by the coupled radio-frequency plasma as a function of the size of the at least one detected Ignition parameters are adapted to the at least one predefinable target / actual operating variable.
  • a charge dilution of the fuel is provided as the variable, which is achieved by leaning or by external or internal residual gas recirculation of the fuel in the combustion chamber at the time of ignition of the spark plug spark is present.
  • the high voltage generated at the high-voltage output of the high-voltage source leads to a sparkover between the first electrode and the second electrode designed as a ground contact and thus to an ignition spark which ignites the fuel-air mixture or the fuel-air-exhaust gas mixture for combustion.
  • the ignition spark forms the spark channel.
  • the invention advantageously enables the radio channel to take over the generated high-frequency plasma by "coupling" the high-frequency power according to the invention, the high-frequency plasma providing additional energy in the ignition sparks within the prechamber for igniting a fuel-air mixture or a fuel-air exhaust gas Mixing enters, which also advantageously results in an increase in the spark volume and a longer plasma burning time.
  • the spark channel still exists when the high-frequency plasma is generated at a predefinable time of initiation, so that the spark channel can be taken over by the high-frequency plasma.
  • the spark is first broken through, which is stronger and more intense after the initiation time by the radio-frequency plasma than without radio-frequency plasma, after which the radio channel is fed and maintained by the radio-frequency plasma.
  • the generated high-frequency plasma and the high-frequency plasma coupled into the spark channel advantageously cause the molecular oxygen to dissociate into atomic oxygen.
  • the atomic oxygen thus available for the combustion and the radicals which arise in this way advantageously lead to the effect that the entire fuel-air mixture or the fuel-air-exhaust gas mixture is more reactive and therefore ignites faster and more reliably.
  • the fuel-air mixture or the fuel-air-exhaust gas mixture are advantageously more easily flammable, as a result of which the ignitability of the fuel-air mixture or fuel-air-exhaust gas mixture is significantly improved.
  • the conductive channel formed by the spark channel is formed / maintained longer and stabilized by the energy additionally supplied by the high-frequency plasma.
  • the spark channel is preferably maintained with high energy for a period of up to 2.5 ms. Extending the maintenance of the spark channel up to 2.5 ms advantageously makes it possible to supply the fuel-air mixture or the fuel-air-exhaust gas mixture with more energy than before, depending on the ignition parameters detected.
  • the high temperature of the spark channel is advantageously maintained for longer due to the additional energy supply.
  • an (almost) complete combustion can ultimately also be achieved in internal combustion engines operated with charge dilution, in the sense of leaner fuel-air mixtures, so that it is also possible with lean mixtures (emaciation) caused by a Excess air are characterized, as well as in the case of fuel-air-exhaust gas mixtures diluted by exhaust gas recirculation (charge dilution by internal or external EGR exhaust gas recirculation) reliable ignition of the otherwise flame-retardant mixtures occurs.
  • the high-frequency plasma advantageously increases the volume of the ignition spark, which also improves the ignition of flame-retardant mixtures by increasing the contact area of the spark channel with the fuel-air mixture or the fuel-air-exhaust gas mixture.
  • the flame-retardant mixtures occur particularly when the engine is operated in the lower part-load range.
  • the invention improves the reliability and completeness of the ignition of flame-resistant fuel-air mixtures or fuel-air-exhaust gas mixtures.
  • the invention in particular makes it possible to reliably operate gasoline engines with significantly higher charge dilution, in particular in part-load operation. At the same time, this mode of operation reduces nitrogen oxide emissions.
  • the improved combustion also reduces the emissions of hydrocarbons of the fuel that are not or only incompletely burned. In addition to reducing pollutant emissions, the specific fuel consumption of the engine is also reduced.
  • the use of a prechamber spark plug with a prechamber or a roof electrode spark plug with high-frequency plasma generation in the ignition spark within the prechamber advantageously means that the reliability of ignition when the charge is diluted is significantly increased.
  • the use of the ignition system according to the invention and the implementation of the method according to the invention in a charge-diluted engine that is to say an engine operated with exhaust gas recirculation, in particular a supercharged, direct-injection gasoline engine and / or a gasoline engine operated according to the Miller method, are provided according to the invention.
  • FIGS. 1A and 1B show in a synopsis a prechamber spark plug 18 of an ignition system 10 which is arranged in a combustion chamber 16 of the internal combustion engine 12 and which, in addition to the prechamber spark plug 18 as an ignition system for spark ignition, comprises a high-voltage source, in particular an ignition coil 24, a high-frequency (HF) generator 32 and a power amplifier 40.
  • a high-voltage source in particular an ignition coil 24, a high-frequency (HF) generator 32 and a power amplifier 40.
  • HF high-frequency
  • the prechamber spark plug 18 comprises a first electrode 20, in particular designed as a center electrode, and a prechamber 18 'and a second electrode 26 as a ground electrode.
  • the spark plug 18, in particular the prechamber spark plug has at least one opening 46 in a cover cap 42, so that a prechamber 18 ′ of the prechamber spark plug 18 is arranged between the cover cap 42 and the first electrode 20.
  • the prechamber 18 ' which forms a prechamber ignition chamber, is connected to the main combustion chamber 16 via the at least one opening 46 (cf. Figure 1A ) connected.
  • a fuel is injected by means of the injector 52 (cf. Figure 1A ) into the main combustion chamber 16.
  • a fuel-air mixture or a fuel-air-exhaust gas mixture is produced in the combustion chamber 16 by injecting the fuel into the air drawn in through the intake manifold 50 or through an exhaust gas recirculation system , which is compressed in a known manner by the piston 54 moving upwards.
  • the fuel-air mixture or a fuel-air-exhaust gas mixture reaches the prechamber 18 ′ of the prechamber spark plug 18 during the compression stroke of the piston 54.
  • the ignition of the fuel-air mixture or the fuel-air-exhaust gas mixture is initiated by the ignition spark 34 in the prechamber 18 ', in particular in the prechamber ignition chamber of the prechamber 18'.
  • the corresponding high-voltage ignition is led from the high-voltage output 22 of the ignition coil 24 to the central electrode 20 of the prechamber spark plug 18 via an electrical line implemented by an ignition cable 56.
  • the ignition spark 34 is triggered as intended to ignite the fuel-air mixture or fuel-air-exhaust gas mixture.
  • a high-frequency voltage generated by the HF generator 32 and passed through the power amplifier 40 and thus amplified is conducted from the high-frequency output 30 to the central electrode 20 of the prechamber spark plug 18, thus coupled into the high-voltage output 22 of the ignition coil 24 at a predeterminable initiation time (before or at the same time or after the ignition spark 34 has been formed).
  • the conductive channel realized by the ignition spark 34 is acted upon by the generated and coupled high-frequency plasma 36 and the ignition spark 34 formed is loaded with more energy and is preferably maintained longer and is more voluminous compared to conventional ignition sparks by the coupled high-frequency plasma 36.
  • the high-frequency plasma 36 advantageously generates more radicals from the molecular compounds of the respective mixture in addition to a conventional ignition spark, which leads to a more stable and faster ignition.
  • the ignition energy is advantageously increased, as a result of which less flammable fuel-air mixtures or fuel-air-exhaust gas mixtures are more reliable can be ignited. Accordingly, leaner fuel-air mixtures or diluted fuel-air-exhaust gas mixtures with partially charged / compressed combustion air return are ignited more reliably and completely.
  • FIG. 1A Shown cylinder of an engine block 48 of an internal combustion engine 12 is formed in a conventional manner with control valves 60, in particular intake and exhaust valves, in the area of an intake manifold 50 and in the area of an exhaust manifold 62.
  • FIGS. 2A and 2 B show in a synopsis a roof electrode spark plug 44 of an ignition system 10 arranged in a combustion chamber 16 of the internal combustion engine 12, which in addition to the roof electrode spark plug 44 as an ignition system for spark ignition of the roof electrode spark plug 44 analogously to the first embodiment, an ignition coil 24, a radio-frequency (RF) generator 32 and one Power amplifier 40 includes.
  • RF radio-frequency
  • the roof electrode spark plug 44 comprises a first electrode 20, in particular in the form of a central electrode, and a prechamber 44 'and a second electrode 26 as a ground electrode.
  • the roof electrode spark plug 44 is equipped with the prechamber 44 'having at least one opening 44'-1. Via the at least one opening 44'-1, the prechamber 44 ', which forms a prechamber ignition chamber, is also (see Figure 2A ) connected to the main combustion chamber 16.
  • a fuel is injected by means of the injector 52 (cf. Figure 1A ) into the main combustion chamber 16.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • enriched air-exhaust gas mixture in the combustion chamber 16 becomes a fuel-air mixture or a fuel-air exhaust gas -Mixed produced, which is compressed in a known manner by the piston 54 moving upwards.
  • the fuel-air mixture or a fuel-air-exhaust gas mixture reaches the prechamber 44 ′ of the roof electrode spark plug 44 during the compression stroke of the piston 54.
  • the ignition of the fuel-air mixture or the fuel-air-exhaust gas mixture is advantageously initiated with the effects described by the ignition spark 34 in the prechamber 44 ', in particular in the prechamber ignition chamber of the prechamber 44'.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zündsystem (10) und ein Verfahren für eine fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine (12) mit einem durch ein HF-Plasma vergrößerten Zündfunken, wobei die Fremdzündung des Kraftstoffs durch mindestens eine einem Brennraum (16) der Verbrennungskraftmaschine (12) zugeordnete Zündkerze (18, 44) realisiert wird.Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Zündkerze (18, 44) eine Vorkammer (18', 44') mit mindestens einer Öffnung (46, 44'-1) aufweist, welche die Vorkammer (18', 44') mit dem Brennraum (16) kraftstoffseitig verbindet, so dass der Zündfunken (34) in der Vorkammer (18', 44'), in den das Hochfrequenzplasma (36) einkoppelbar ist, die plasmagestützte Fremdzündung des Kraftstoffs in der Vorkammer (18', 44') bewirkt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Zündverfahren und ein Zündsystem, welches zur Durchführung des Zündverfahrens zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches oder eines Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisches einer Verbrennungskraftmaschine mit Fremdzündung, insbesondere eines Otto-Verbrennungsmotors, eingerichtet ist.
  • Bekannt ist ein Verbrennungsmotor mit einer zwischen Brennkammer und Ansaugkrümmer angeordneten Vorkammer. Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt in die Vorkammer oder gegebenenfalls auch direkt in den Brennraum, so dass mit der angesaugten und verdichteten Verbrennungsluft ein Kraftstoff-Luft-Gemisch bereitet wird. In der Vorkammer ist eine Zündkerze angeordnet, die als Vorkammerzündkerze bezeichnet wird.
  • Durch eine vorzugsweise als Zündspule ausgebildete Hochspannungsquelle wird zwischen der Elektrode und der Masse ein Hochspannungsimpuls bereitgestellt, der einen Funkenüberschlag zwischen der Elektrode und dem Massekontakt bewirkt. Der Zündfunken führt zu einem Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches oder bei Abgasrückführung zu einem Zünden des Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisches.
  • Bei Gemischen mit einem hohen Luftüberschuss (mageres Gemisch) und/oder bei durch Abgasrückführung verdünnten Gemischen kann es zu Entflammungsproblemen und damit zu unvollständigen Verbrennungen und/oder Fehlzündungen des Kraftstoff-Luft-Gemisches kommen.
  • Bekannt sind Zündsysteme, die mit einer Plasmaerzeugung gekoppelt sind. In Dokument WO 2017/167437 A1 ist eine Zündvorrichtung zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer Zündkerze, die drei Elektroden aufweist, bekannt. Es ist vorgesehen, dass die erste Elektrode der Zündkerze mit einer Hochspannungsquelle zum Erzeugen eines elektrischen Hochspannungsimpulses verbunden ist, so dass der Hochspannungsimpuls an der ersten Elektrode anliegt. Eine zweite Elektrode ist mit dem Massepotenzial elektrisch verbunden. Die dritte Elektrode der Zündkerze ist mit dem Ausgang einer Hochfrequenzspannungsquelle elektrisch verbunden, so dass die Hochfrequenz-Wechselspannung an der dritten Elektrode zur Erzeugung eines Plasmas anliegt.
  • Aus dem Dokument WO 2017/108389 A1 ist eine Zündvorrichtung zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, basierend auf dem Prinzip von Teilentladungen, bekannt. Hierzu wird mindestens eine von zwei Elektroden der Zündvorrichtung vollständig von einem Dielektrikum aus einem Feststoff umschlossen. Wird ein elektrischer Spannungsimpuls zwischen diesen Elektroden angelegt, so werden aufgrund des sich ausbildenden elektrischen Feldes Teilentladungen generiert, die zur Ausbildung eines Zündplasmas und eines Flammkerns führen können. Da die beiden Elektroden durch das um mindestens eine der Elektroden angeordnete Dielektrikum voneinander elektrisch isoliert sind, kann keine vollständige Entladung erfolgen. Daher kann auch bei hohen Zündspannungen eine zuverlässige und stabile Entflammung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches realisiert werden, ohne dass es zu einem signifikanten Abbrand an den Elektroden kommt.
  • Gemäß Dokument DE 10 2015 114 718 A1 ist vorgesehen, dass ein Verbrennungsmotor ein Plasmazündungssystem mit einer Zündeinrichtung mit dielektrischer Barrierenentladung im Zylinder und eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung zur Direkteinspritzung mit einer Kraftstoffdüse im Zylinder aufweist. Ein Controller verbindet den Verbrennungsmotor, das Plasmazündungssystem und das Kraftstoffeinspritzungssystem funktional miteinander. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung spritzt einen ersten Kraftstoffpuls vor der Aktivierung der Zündeinrichtung ein. Anschließend löst die Zündeinrichtung einen Plasmaenergiepuls aus. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung wird derart gesteuert, dass sie während des Plasmaenergiepulses einen zweiten Kraftstoffpuls einspritzt.
  • Weiterhin ist aus Dokument DE 10 2017 214 641 A1 eine Verbrennungsunterstützungsvorrichtung in einem mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung versehenen Verbrennungsmotor bekannt. Es ist hierbei vorgesehen, wenigstens einen Teil des Kraftstoffs in den Ansaugkrümmer einzuspritzen. Außerdem ist die Verbrennungsunterstützungsvorrichtung mit einem Elektrodenelement vorgesehen, das im Ansaugkrümmer angeordnet ist und an das eine hochfrequente Hochspannung angelegt ist.
  • Im Dokument DE 10 2004 058 925 A1 ist ein Zündsystem mit einer Hochfrequenz-Plasmazündung für Otto-Motoren offenbart. Das Zündsystem liefert in einem Verbrennungsraum ein räumlich ausgedehntes Plasma zur Zündung eines Kraftstoff-Luft- Gemisches. Die Hochfrequenz- Plasmazündung besteht aus einem Serienschwingkreis mit einer Induktivität, einer Hochfrequenzquelle zur resonanten Anregung und einer Kapazität, wobei die Kapazität durch Innen- und Außenelektroden mit dazwischen liegendem Dielektrikum ausgebildet ist und diese Elektroden mit ihren äußeren Enden mit einem vorgegebenen gegenseitigen Abstand bis in den Verbrennungsraum hineinreichen.
  • Aus dem Dokument DE 10 2014 202 520 B3 ist eine Hochfrequenzentladungs-Zündvorrichtung bekannt, die einen Hochfrequenzstrom stabil dazu bringen kann, in einen Funkenentladungspfad zu fließen und somit ein großes Entladungsplasma effizient zu bilden. Die Hochfrequenzentladungs-Zündvorrichtung ist mit einer Zündkerze, einer Zündspulenvorrichtung, die eine Hochspannung erzeugt und die erzeugte Hochspannung der Zündkerze zuführt, um so einen Funkenentladungspfad im Spalt der Zündkerze zu bilden, einer Spannungsverstärkungsvorrichtung, welche die Spannung eines Wechselstroms verstärkt, und einer Hochfrequenzstrom-Zufuhrvorrichtung, die einen Wechselstrom dem im Spalt ausgebildeten Funkenentladungspfad mittels der Spannungsverstärkungsvorrichtung zuführt, konfiguriert.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Zündsystem für Verbrennungskraftmaschinen mit Fremdzündung, insbesondere für Ottomotoren mit Vorkammerzündung, bereitzustellen.
  • Insbesondere soll das Zündsystem die Zuverlässigkeit der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches verbessern und eine vollständige Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen gewährleisten.
  • Insbesondere soll den beim Betrieb von Verbrennungsmotoren mit verdünnten beziehungsweise mageren Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemischen beziehungsweise Kraftstoff-Luft- Gemischen auftretenden Entflammungsproblemen entgegengewirkt werden.
  • Damit soll der Betrieb von Verbrennungsmotoren mit verdünnten Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemischen, insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit Abgasrückführung, deutlich verbessert beziehungsweise überhaupt erst ermöglicht werden.
  • Es soll ein Betrieb der Verbrennungsmotoren mit Verdünnungsraten auch (oberhalb) von 25 % Abgasrückführung (AGR) beziehungsweise "Magerraten" (oberhalb) von Lambda > 1,6 effektiv ermöglicht werden. In vorteilhafter Weise soll durch die Erfindung eine Ausweitung, das heißt eine Erhöhung der Verdünnung von >/= 5% höheren AGR-Raten beziehungsweise eine Erhöhung der Magerrate von 0,1 bis 0,3 Lambdaeinheiten, erreicht werden.
  • Ferner soll insbesondere ein effektiver Betrieb der Verbrennungsmotoren im unteren Teillastbereich möglich sein. Durch den Betrieb eines Verbrennungsmotors mit dem erfindungsgemäßen Zündsystem soll weiterhin der Wirkungsgrad unter diesen ungünstigen Betriebsbedingungen erhöht und der Ausstoß von Kohlenmonoxid sowie unverbrannten Kohlenwasserstoffen aus dem Kraftstoff verringert werden.
  • Das Zündsystem soll darüber hinaus für einen Betrieb nach dem Millerbrennverfahren und für aufgeladene Ottomotoren mit Direktkraftstoffeinspritzung in vorteilhafter Weise geeignet sein.
  • Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Zündsystem für eine fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine, wobei die Fremdzündung des Kraftstoffs durch mindestens eine einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zugeordnete Zündkerze realisiert wird, wobei eine erste Elektrode der Zündkerze mit einem Hochspannungsausgang einer Hochspannungsquelle elektrisch verbunden und eine zweite Elektrode als Massekontakt ausgebildet ist, wobei die erste Elektrode der Zündkerze mit einer Zündanlage gekoppelt wird, die einen Hochfrequenzausgang aufweist, an dem eine Hochfrequenzspannung anliegt, wobei der Hochspannungsausgang der Hochspannungsquelle der Zündkerze und der Hochfrequenzausgang miteinander elektrisch verbunden werden, so dass ein durch die Hochspannungsquelle der Zündkerze zwischen erster Elektrode und zweiter Elektrode am Hochspannungsausgang der Hochspannungsquelle ausgebildeter Spannungspfad zur Erzeugung der Funkenentladung eines Zündfunkens mit der am Hochfrequenzausgang anliegenden Hochfrequenzspannung verstärkt wird, indem die Hochfrequenzspannung über den Hochfrequenzausgang in den Spannungspfad der Hochspannungsquelle eingekoppelt wird, wodurch am/im Zündfunken ein Hochfrequenzplasma einkoppelbar ist, welches durch einen zusätzlichen Energieeintrag in den Zündfunken und ein erhöhtes Zündfunkenvolumen die Zündsicherheit des Kraftstoffs im Brennraum erhöht.
  • Wenn in dieser Patentanmeldung von Leistungsverstärkung gesprochen wird, kann sowohl eine Spannungs- als auch Stromverstärkung vorgesehen sein. Wenn von Hochfrequenzstrom gesprochen wird, kann auch eine Hochfrequenzspannung gemeint sein.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Zündkerze eine Vorkammer mit mindestens einer Öffnung aufweist, welche die Vorkammer mit dem Brennraum kraftstoffseitig verbindet, so dass der Zündfunken in der Vorkammer, in den das Hochfrequenzplasma einkoppelbar ist, die plasmagestützte Fremdzündung des Kraftstoffs in der Vorkammer bewirkt.
  • Das Zündsystem umfasst zündanlagenseitig bevorzugt einen HF-Generator und einen Leistungsverstärker.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Zündsystem eine Zündkerze, die eine Vorkammerzündkerze ist, mit einer mindestens eine Öffnung aufweisenden Abdeckkappe, so dass die Vorkammer der Vorkammerzündkerze zwischen Abdeckkappe und der ersten Elektrode angeordnet ist.
  • In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Zündsystem eine Zündkerze, die eine Dachelektrodenzündkerze ist, die ebenfalls mit der mindestens eine Öffnung aufweisenden Vorkammer ausgestattet ist.
  • Vorgesehen ist bevorzugt ferner, dass das Zündsystem im Brennraum mindestens einen Sensor aufweist, welcher mindestens einen Zündparameter des Kraftstoffes erfasst.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Zündverfahren bevorzugt unter Verwendung eines Zündsystems mit den zuvor genannten Merkmalen und den in der Beschreibung genannten Merkmalen.
  • Die erfindungsgemäße Zündanlage ist eingerichtet, das nachfolgend erläuterte erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Zu diesem Zweck umfasst die Zündanlage insbesondere eine Steuereinrichtung, in der ein computerlesbarer Programmalgorithmus zur Ausführung des Verfahrens und gegebenenfalls erforderliche Kennfelder gespeichert sind.
  • Ausgangspunkt des Verfahrens ist eine fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine, wobei die Fremdzündung des Kraftstoffs durch mindestens eine einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zugeordnete Zündkerze realisiert wird, wobei eine erste Elektrode der Zündkerze mit einem Hochspannungsausgang einer Hochspannungsquelle elektrisch verbunden und eine zweite Elektrode als Massekontakt ausgebildet ist, wobei die erste Elektrode der Zündkerze mit einer Zündanlage gekoppelt ist, die einen Hochfrequenzausgang aufweist, an dem eine Hochfrequenzspannung anliegt, wobei der Hochspannungsausgang einer Hochspannungsquelle der Zündkerze und der Hochfrequenzausgang miteinander elektrisch verbunden sind, so dass ein durch die Hochspannungsquelle der Zündkerze zwischen erster Elektrode und zweiter Elektrode am Hochspannungsausgang der Hochspannungsquelle ausgebildeter Spannungspfad zur Erzeugung der Funkenentladung eines Zündfunkens mit der am Hochfrequenzausgang anliegenden Hochfrequenzspannung verstärkt wird, indem die Hochfrequenzspannung über den Hochfrequenzausgang in den Spannungspfad der Hochspannungsquelle eingekoppelt wird, wodurch am/im Zündfunken ein Hochfrequenzplasma einkoppelt ist, welches durch einen zusätzlichen Energieeintrag in den Zündfunken und ein erhöhtes Zündfunkenvolumen die Zündsicherheit des Kraftstoffs im Brennraum erhöht.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Zündkerze eine Vorkammer mit mindestens einer Öffnung aufweist, welche die Vorkammer mit dem Brennraum kraftstoffseitig verbindet, so dass der Zündfunken in der Vorkammer, in den das Hochfrequenzplasma einkoppelt ist, gebildet wird, so dass eine plasmagestützte Fremdzündung des Kraftstoffs in der Vorkammer bewirkt wird.
  • Durch die Einkopplung der Hochfrequenzspannung in den Spannungspfad der Hochspannungsquelle am Ausgang der Zündanlage wird in vorteilhafter Weise ein Hochspannungsimpuls mit einer überlagerten Hochfrequenzspannung gebildet.
  • Das Zündverfahren zeichnet sich bevorzugt dadurch aus, dass das Hochfrequenzplasma zu einem vorgebbaren Initiierungszeitpunkt vor der Zündung des Zündfunkens oder zeitgleich zur Zündung des Zündfunkens oder nach der Zündung des Zündfunkens erzeugt und in den Zündfunken eingekoppelt wird.
  • Insbesondere ist bevorzugt vorgesehen, dass das Hochfrequenzplasma spätestens 0,5 ms vor der Zündung des Zündfunkens oder spätestens 0,5 ms nach der Zündung des Zündfunkens initiiert, mithin erzeugt und eingekoppelt wird.
  • Bevorzugt wird das Hochfrequenzplasma ab dem Initiierungszeitpunkt für eine vorgebbare Brenndauer bis zu 2,5 ms aufrechterhalten.
  • Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass die Brenndauer des Hochfrequenzplasmas variabel ist und in Abhängigkeit von sensorisch im Brennraum erfassten Zündparametern des Kraftstoffs variiert wird.
  • Es ist somit erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Brenndauer des Hochfrequenzplasmas in Abhängigkeit der sensorisch erfassten Zündparameter variabel ist und bei schlechten Zündparametern verlängert beziehungsweise bei guten Zündparametern verkürzt wird, wobei bei guten Zündparametern eine Brenndauer des Hochfrequenzplasmas von < 1 ms eingestellt oder die Erzeugung des Hochfrequenzplasmas eingestellt wird.
  • Innerhalb des Zündverfahrens ist bevorzugt vorgesehen, dass die Hochfrequenzspannung am Hochfrequenzausgang des Leistungsverstärkers eine Frequenz von 1 bis 100 MHz und eine Spannung innerhalb einer Spannungsamplitude zwischen 0,1 kV und 30 kV, insbesondere zwischen 0,4 kV und 1 kV, aufweist.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird eine Spannungsrampe am Hochspannungsausgang der Hochspannungsquelle durch den von dem HF-Generator über den Leistungsverstärker am Hochfrequenzausgang erzeugten Hochfrequenzstrom beim Einkoppeln in den Spannungspfad der Hochspannungsquelle überlagert, der sich konstruktiv auf den Zündspannungsbedarf der Hochspannungsquelle auswirkt, so dass sich in vorteilhafter Weise der Zündspannungsbedarf der Hochspannungsquelle am Hochspannungsausgang der Hochspannungsquelle verringert.
  • Zudem ist vorgesehen, dass ein Kraftstoff-Luft-Gemisch oder ein Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch im Brennraum hinsichtlich seiner Zündparameter durch Sensoren erfasst wird und die Zündung der Zündkerze und die Erzeugung des Hochfrequenzplasmas in Abhängigkeit von mindestens einem der erfassten Zündparameter erfolgt, wobei mindestens eine Ist-Betriebsgröße, insbesondere die Frequenz des Hochfrequenzsignals und/oder die Spannungsamplitude und/oder ein Initiierungszeitpunkt zur Erzeugung des Hochfrequenzplasmas mit einem zusätzlichen Energieeintrag in den Zündfunken und/oder einem vergrößerten Zündfunkenvolumen durch das eingekoppelte Hochfrequenzplasma in Abhängigkeit der Größe des mindestens einen erfassten Zündparameters an die mindestens eine vorgebbare Soll-Ist-Betriebsgröße angepasst wird.
  • Als Zündparameter, in dessen Abhängigkeit die Ist-Betriebsgröße an die vorgegebene Soll-Ist-Betriebsgröße angepasst wird, ist als Größe insbesondere eine Ladungsverdünnung des Kraftstoffs vorgesehen, die durch Abmagerung oder durch externe oder interne Restgasrückführung des Kraftstoffs im Brennraum zum Zündzeitpunkt des Zündfunkens der Zündkerze vorliegt.
  • Die durch die am Hochspannungsausgang der Hochspannungsquelle generierte Hochspannung führt zu einem Funkenüberschlag zwischen der ersten Elektrode und der als Massekontakt ausgebildeten zweiten Elektrode und damit zu einem Zündfunken, der das Kraftstoff-Luft-Gemisch beziehungsweise das Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch zur Verbrennung zündet. Der Zündfunken bildet hierbei den Funkenkanal aus.
  • Die Erfindung ermöglicht es in vorteilhafter Weise, dass der Funkenkanal das erzeugte Hochfrequenzplasma durch das erfindungsgemäße "Einkoppeln" der Hochfrequenzleistung übernimmt, wobei das Hochfrequenzplasma zusätzliche Energie in den Zündfunken innerhalb der Vorkammer zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches beziehungsweise eines Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisches einträgt, wobei zudem in vorteilhafter Weise eine Vergrößerung des Zündfunkenvolumens und eine längere Plasmabrenndauer die Folge ist.
  • Dabei ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Funkenkanal noch besteht, wenn das Hochfrequenzplasma zu einem vorgebbaren Initiierungszeitpunkt erzeugt wird, so dass der Funkenkanal von dem Hochfrequenzplasma übernommen werden kann. Mit anderen Worten, es erfolgt zuerst ein Durchbrechen des Funkens, der nach dem Initiierungszeitpunkt durch das Hochfrequenzplasma stärker und intensiver ist als ohne Hochfrequenzplasma, wonach wird der Funkenkanal durch das Hochfrequenzplasma noch weiter gespeist und aufrechterhalten wird.
  • Letztlich wird damit bewirkt, dass das gesamte Kraftstoff-Luft-Gemisch oder das Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch auch unter ansonsten ungünstigen Entflammungsbedingungen zuverlässig(er) und vollständig(er) gezündet wird.
  • Das erzeugte Hochfrequenzplasma und in den Funkenkanal eingekoppelte Hochfrequenzplasma bewirkt in vorteilhafter Weise eine Dissoziation des molekularen Sauerstoffs in atomaren Sauerstoff. Der somit für die Verbrennung zur Verfügung stehende atomare Sauerstoff und die dabei entstehenden Radikale führen in vorteilhafter Weise zu dem Effekt, dass das gesamte Kraftstoff-Luft-Gemisch oder das Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch reaktionsfreudiger ist und somit schneller und sicherer zündet. Dadurch sind das Kraftstoff-Luft-Gemisch respektive das Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch in vorteilhafter Weise leichter entflammbar, wodurch die Zündfähigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches respektive Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisches deutlich verbessert wird. Der durch den Funkenkanal gebildete leitende Kanal wird durch die durch das Hochfrequenzplasma zusätzlich zugeführte Energie länger gebildet/aufrechterhalten und stabilisiert. Durch die Brenndauer des Hochfrequenzplasmas wird der Funkenkanal bevorzugt für eine Zeitdauer von bis zu 2,5 ms energiereich aufrechterhalten. Die Verlängerung der Aufrechterhaltung des Funkenkanals bis zu 2,5 ms ermöglicht es vorteilhaft, dem Kraftstoff-Luft-Gemisch beziehungsweise dem Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch in Abhängigkeit der erfassten Zündparameter mehr Energie zuzuführen als bisher.
  • Ferner wird durch die zusätzliche Energiezufuhr in vorteilhafter Weise die hohe Temperatur des Funkenkanals länger aufrechterhalten.
  • Somit kann auf vorteilhafte Weise mit dem erfindungsgemäßen Zündsystem letztlich auch bei mit Ladungsverdünnung betriebenen Verbrennungskraftmaschinen, im Sinne von magereren Kraftstoff-Luft-Gemischen, eine (nahezu) vollständige Verbrennung realisiert werden, so dass es auch bei mageren Gemischen (Abmagerung), die durch einen Luftüberschuss gekennzeichnet sind, als auch bei durch Abgasrückführung verdünnten Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemischen (Ladungsverdünnung durch interne oder externe Abgasrückführung AGR) zu einer zuverlässigen Zündung der ansonsten schwer(er) entflammbaren Gemische kommt.
  • Zugleich wird durch das Hochfrequenzplasma vorteilhaft das Volumen des Zündfunkens vergrößert, wodurch gleichfalls die Entflammung schwer entflammbarer Gemische durch die Vergrößerung der Kontaktfläche des Funkenkanals zum Kraftstoff-Luft-Gemisch beziehungsweise zum Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch verbessert wird.
  • Die schwer entflammbaren Gemische treten insbesondere bei einem Betrieb des Motors im unteren Teillastbereich auf.
  • Durch die Erfindung wird die Zuverlässigkeit und Vollständigkeit der Zündung schwer entflammbarer Kraftstoff-Luft-Gemische beziehungsweise Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemische verbessert.
  • Mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Zündsystem wird für einen mit dem Zündsystem ausgestatteten direkteinspritzenden Verbrennungsmotor eine zuverlässige und effiziente Kraftstoff-Luft-Gemisch-Zündung beziehungsweise Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch-Zündung in allen Betriebsbereichen, insbesondere auch im Teillastbereich, ermöglicht.
  • Durch die Erfindung ist es insbesondere möglich, Ottomotoren mit deutlich höherer Ladungsverdünnung, insbesondere im Teillastbetrieb, zuverlässig zu betreiben. Zugleich bewirkt diese Betriebsweise eine Reduktion der Stickoxidemissionen.
  • Ebenso wird durch die verbesserte Verbrennung der Ausstoß nicht beziehungsweise nur unvollständig verbrannter Kohlenwasserstoffe des Kraftstoffs reduziert. Neben der Verringerung der Schadstoffemissionen wird somit zugleich der spezifische Kraftstoffverbrauch des Motors verringert.
  • Im Vergleich zu einer Zündung mittels Hochfrequenzplasmastützung in einer Hauptbrennkammer (ohne Vorkammer) wird durch die Verwendung einer eine Vorkammer aufweisenden Vorkammerzündkerze oder eine Dachelektrodenzündkerze mit der Hochfrequenzplasmaerzeugung im Zündfunken innerhalb der Vorkammer vorteilhaft erreicht, dass die Zündsicherheit bei verdünnter Ladung signifikant erhöht wird.
  • Dadurch kann eine höhere Verdünnungsrate gefahren und somit der Kraftstoffverbrauch weiter reduziert werden. Insbesondere in der unteren Teillast kann das bekannte Zündproblem der Vorkammerzündkerzen (ohne Hochfrequenzplasmastützung) reduziert werden.
  • Insbesondere ist erfindungsgemäß die Verwendung des erfindungsgemäßen Zündsystems und die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem ladungsverdünnten Motor, das heißt einem mit Abgasrückführung betriebenen Motor, insbesondere einem aufgeladenen, direkt einspritzenden Ottomotor und/oder einem nach dem Miller-Verfahren betriebenen Ottomotor vorgesehen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1A
    einen Zylinder eines Verbrennungsmotors, in dem eine Zündkerze mit einer Vorkammer, insbesondere eine Vorkammerzündkerze, angeordnet ist, die mit einer Zündanlage verbunden ist und die gemeinsam mit einer Zündspule als Hochspannungsquelle, einem HF-Generator und einem Leistungsverstärker das erfindungsgemäße Zündsystem in einer ersten Ausführungsform bildet;
    Figur 1B
    die Vorkammerzündkerze (ohne Zylinder des Verbrennungsmotors) mit der Zündanlage, die gemeinsam mit der Zündspule, dem HF-Generator und dem Leistungsverstärker das erfindungsgemäße Zündsystem in der ersten Ausführungsform bildet;
    Figur 2A
    einen Zylinder eines Verbrennungsmotors, in dem eine Zündkerze mit einer Vorkammer, insbesondere eine Dachelektrodenzündkerze, angeordnet ist, die mit einer Zündanlage verbunden ist und die gemeinsam mit einer Zündspule, einem HF-Generator und einem Leistungsverstärker das erfindungsgemäße Zündsystem in einer zweiten Ausführungsform bildet;
    Figur 2B
    die Vorkammerzündkerze (ohne Zylinder des Verbrennungsmotors) mit der Zündanlage, die gemeinsam mit der Zündspule, dem HF-Generator und dem Leistungsverstärker das erfindungsgemäße Zündsystem in der zweiten Ausführungsform bildet.
    Erste Ausführungsform:
  • Die Figuren 1A und 1B zeigen in einer Zusammenschau eine in einem Brennraum 16 des Verbrennungsmotors 12 angeordnete Vorkammerzündkerze 18 eines Zündsystems 10, welches neben der Vorkammerzündkerze 18 als Zündanlage zur Funkenzündung eine Hochspannungsquelle, insbesondere eine Zündspule 24, einen Hochfrequenz(HF)-Generator 32 und einen Leistungsverstärker 40 umfasst.
  • Die Vorkammerzündkerze 18 umfasst eine erste, insbesondere als Mittelelektrode ausgebildete Elektrode 20 und eine Vorkammer 18' und eine zweite Elektrode 26 als Massenelektrode.
  • Die Zündkerze 18, insbesondere die Vorkammerzündkerze, weist mindestens eine Öffnung 46 in einer Abdeckkappe 42 auf, so dass eine Vorkammer 18' der Vorkammerzündkerze 18 zwischen Abdeckkappe 42 und der ersten Elektrode 20 angeordnet ist. Über die mindestens eine Öffnung 46 ist die Vorkammer 18', die einen Vorkammerzündraum bildet, mit dem Hauptbrennraum 16 (vergleiche Figur 1A) verbunden.
  • Die Einspritzung eines Kraftstoffs erfolgt mittels der Einspritzdüse 52 (vergleiche Figur 1A) in den Hauptbrennraum 16. Durch die Einspritzung des Kraftstoffs in die durch den Ansaugkrümmer 50 angesaugte Luft oder durch eine Abgasrückführung angereichtes Luft-Abgas-Gemisch wird in der Brennkammer 16 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch oder ein Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch hergestellt, welches in bekannter Weise durch den aufwärts bewegten Kolben 54 verdichtet wird. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch oder ein Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch gelangt während des Kompressionshubes des Kolbens 54 in die Vorkammer 18' der Vorkammerzündkerze 18.
  • Die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches oder des Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisches wird durch den Zündfunken 34 in der Vorkammer 18', insbesondere in dem Vorkammerzündraum der Vorkammer 18', eingeleitet.
  • Dazu wird die entsprechende Zündhochspannung vom Hochspannungsausgang 22 der Zündspule 24 über eine durch ein Zündkabel 56 realisierte elektrische Leitung auf die Mittelelektrode 20 der Vorkammerzündkerze 18 geführt.
  • Der Zündfunken 34 wird bestimmungsgemäß zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches oder Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisches ausgelöst.
  • Vor oder zeitgleich mit der Ausbildung des Zündfunkens 34 oder im Anschluss an den bereits gebildeten Zündfunken 34 wird eine durch den HF-Generator 32 erzeugte und über den Leistungsverstärker 40 geführte und somit verstärkte Hochfrequenzspannung von dem Hochfrequenzausgang 30 auf die Mittelelektrode 20 der Vorkammerzündkerze 18 geleitet, mithin in den Hochspannungsausgang 22 der Zündspule 24 zu einem vorgebbaren Initiierungszeitpunkt (vor oder zeitgleich oder nach Ausbildung des Zündfunkens 34) eingekoppelt.
  • Infolgedessen wird der durch den Zündfunken 34 realisierte leitende Kanal durch das erzeugte und eingekoppelte Hochfrequenzplasma 36 beaufschlagt und der gebildete Zündfunken 34 wird energiereicher beladen sowie bevorzugt länger aufrechterhalten und durch das eingekoppelte Hochfrequenzplasma 36 gegenüber herkömmlichen Zündfunken voluminöser.
  • Durch das Hochfrequenzplasma 36 werden in vorteilhafter Weise aus den molekularen Verbindungen des jeweiligen Gemisches zusätzlich zu einem herkömmlichen Zündfunken mehr Radikale erzeugt, die zu einer stabileren und schnelleren Entflammung führen.
  • Im Ergebnis der energiereicheren Beladung des Zündfunkens 34 und der längeren Aufrechterhaltung des Zündfunkens 34 und des größeren Volumens des Zündfunkens 34 wird in vorteilhafter Weise zusammengefasst die Zündenergie erhöht, wodurch auch weniger gut entflammbare Kraftstoff-Luft-Gemische beziehungsweise Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemische zuverlässiger gezündet werden können. Dementsprechend werden auch magerere Kraftstoff-Luft-Gemische beziehungsweise verdünnte Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemische mit teilweise aufgeladener/verdichteter Verbrennungsluftrückführung zuverlässiger und vollständiger gezündet.
  • Durch die zuverlässigere Einleitung (Zündung) wird eine vollständigere Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches oder des Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisches erreicht, wodurch Schadstoffemissionen reduziert werden. Zudem wird der spezifische Kraftstoffverbrauch verringert und Schäden an der Verbrennungskraftmaschine 12 und der Vorkammerzündkerze 18 werden vermieden.
  • Ein in Figuren 1A gezeigter Zylinder eines Motorblockes 48 eines Verbrennungsmotors 12 ist in herkömmlicher Weise mit Steuerventilen 60, insbesondere Ein- und Auslassventilen, im Bereich eines Ansaugkrümmers 50 und im Bereich eines Abgaskrümmers 62 ausgebildet.
    • Zweite Ausführungsform:
  • Die Figuren 2A und 2B zeigen in einer Zusammenschau eine in einem Brennraum 16 des Verbrennungsmotors 12 angeordnete Dachelektrodenzündkerze 44 eines Zündsystems 10, welches neben der Dachelektrodenzündkerze 44 als Zündanlage zur Funkenzündung der Dachelektrodenzündkerze 44 analog zu der ersten Ausführungsform eine Zündspule 24, einen Hochfrequenz(HF)-Generator 32 und einen Leistungsverstärker 40 umfasst.
  • Die Dachelektrodenzündkerze 44 umfasst eine erste, insbesondere als Mittelelektrode ausgebildete Elektrode 20 und eine Vorkammer 44' und eine zweite Elektrode 26 als Massenelektrode.
  • Die Dachelektrodenzündkerze 44 ist mit der mindestens eine Öffnung 44'-1 aufweisenden Vorkammer 44' ausgestattet. Über die mindestens eine Öffnung 44'-1 ist die Vorkammer 44', die einen Vorkammerzündraum bildet, mit (vergleiche Figur 2A) dem Hauptbrennraum 16 verbunden.
  • Die Einspritzung eines Kraftstoffs erfolgt mittels der Einspritzdüse 52 (vergleiche Figur 1A) in den Hauptbrennraum 16. Durch die Einspritzung des Kraftstoffs in die durch den Ansaugkrümmer 50 angesaugte Luft oder durch eine Abgasrückführung (AGR) angereichtes Luft-Abgas-Gemisch wird in der Brennkammer 16 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch oder ein Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch hergestellt, welches in bekannter Weise durch den aufwärts bewegten Kolben 54 verdichtet wird. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch oder ein Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch gelangt während des Kompressionshubes des Kolbens 54 in die Vorkammer 44' der Dachelektrodenzündkerze 44.
  • Die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches oder des Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisches wird in vorteilhafter Weise mit den beschriebenen Effekten durch den Zündfunken 34 in der Vorkammer 44', insbesondere in dem Vorkammerzündraum der Vorkammer 44', eingeleitet.
  • Die für die erste Ausführungsform geltende Beschreibung zu dem erfindungsgemäßen Verfahren und zu dem Aufbau der Zündanlage und dem Zündsystem 10 insgesamt gilt auch für die zweite Ausführungsform, die analog zu der ersten Ausführungsform in den Figuren 2A und 2B dargestellt ist.
  • Unterschiede in der Verwendung einer Vorkammerzündkerze 18 mit Vorkammer 18' und einer Dachelektrodenzündkerze 44 mit einer Vorkammer 44' bestehen darin, dass die Dachelektrodenzündkerze 44 mit Vorkammer 44' zweiteilig ist, das heißt, Dachelektrodenzündkerze 44 und Vorkammer 44' sind zwei einzelne Komponenten, wodurch konstruktiv zwar etwas mehr Platzbedarf besteht, jedoch können die Komponenten einzeln gewechselt werden. Dieser Unterschied ist insbesondere für den Wechselintervall der Zündkerzen von Bedeutung und von Vorteil, da eine Zündkerze in der Regel nicht die gesamte Fahrzeuglebensdauer funktioniert.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Zündsystem
    12
    Verbrennungskraftmaschine, Verbrennungsmotor
    16
    Brennraum
    18
    Vorkammerzündkerze
    18'
    Vorkammer der Vorkammerzündkerze
    20
    erste Elektrode, Mittelelektrode
    22
    Hochspannungsausgang
    24
    Hochspannungsquelle, Zündspule
    26
    zweite Elektrode; Massenelektrode
    30
    Hochfrequenzausgang
    32
    Hochfrequenz-Generator
    34
    Zündfunken
    36
    Hochfrequenzplasma
    40
    Leistungsverstärker
    42
    Abdeckkappe
    44
    Dachelektrodenzündkerze
    44'
    Vorkammer der Dachelektrodenzündkerze
    44'-1
    Öffnungen in der Vorkammer der Dachelektrodenzündkerze
    46
    Öffnungen in der Abdeckkappe der Vorkammerzündkerze
    48
    Motorblock
    50
    Ansaugkrümmer
    52
    Einspritzdüse
    54
    Kolben
    56
    Zündkabel
    58
    Isolator
    60
    Steuerventil
    62
    Abgaskrümmer

Claims (14)

  1. Zündsystem (10) für eine fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine (12), wobei die Fremdzündung des Kraftstoffs durch mindestens eine einem Brennraum (16) der Verbrennungskraftmaschine (12) zugeordnete Zündkerze (18, 44) realisiert wird, wobei eine erste Elektrode (20) der Zündkerze (18) mit einem Hochspannungsausgang (22) einer Hochspannungsquelle (24) elektrisch verbunden und eine zweite Elektrode (26) als Massekontakt (26) ausgebildet ist, wobei die erste Elektrode (20) der Zündkerze (18, 44) mit einer Zündanlage (24, 32, 40) gekoppelt wird, die einen Hochfrequenzausgang (30) aufweist, an dem eine Hochfrequenzspannung anliegt, wobei der Hochspannungsausgang (22) der Hochspannungsquelle (24) der Zündkerze (18, 44) und der Hochfrequenzausgang (30) miteinander elektrisch verbunden werden, so dass ein durch die Hochspannungsquelle (24) der Zündkerze (18, 44) zwischen erster Elektrode (20) und zweiter Elektrode (26) am Hochspannungsausgang (22) der Hochspannungsquelle (24) ausgebildeter Spannungspfad zur Erzeugung der Funkenentladung eines Zündfunkens (34) mit der am Hochfrequenzausgang (30) anliegenden Hochfrequenzspannung verstärkt wird, indem die Hochfrequenzspannung über den Hochfrequenzausgang (30) in den Spannungspfad der Hochspannungsquelle (24) eingekoppelt wird, wodurch am/im Zündfunken (34) ein Hochfrequenzplasma (36) einkoppelbar ist, welches durch einen zusätzlichen Energieeintrag in den Zündfunken (34) und ein erhöhtes Zündfunkenvolumen die Zündsicherheit des Kraftstoffs im Brennraum (16) erhöht,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zündkerze (18, 44) eine Vorkammer (18', 44') mit mindestens einer Öffnung (46, 44'-1) aufweist, welche die Vorkammer (18', 44') mit dem Brennraum (16) kraftstoffseitig verbindet, so dass der Zündfunken (34) in der Vorkammer (18', 44'), in den das Hochfrequenzplasma (36) einkoppelbar ist, die plasmagestützte Fremdzündung des Kraftstoffs in der Vorkammer (18', 44') bewirkt.
  2. Zündsystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündanlage (24, 32, 40) einen HF-Generator (32) und einen Leistungsverstärker (40) umfasst.
  3. Zündsystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennraum (16) mindestens ein Sensor angeordnet ist, welcher mindestens einen Zündparameter des Kraftstoff erfasst.
  4. Zündverfahren für eine fremdgezündete Verbrennungskraftmaschine (12), wobei die Fremdzündung des Kraftstoffs durch mindestens eine einem Brennraum (16) der Verbrennungskraftmaschine (12) zugeordnete Zündkerze (18, 44) realisiert wird, wobei eine erste Elektrode (20) der Zündkerze (18) mit einem Hochspannungsausgang (22) einer Hochspannungsquelle (24) elektrisch verbunden und eine zweite Elektrode (26) als Massekontakt (26) ausgebildet ist, wobei die erste Elektrode (20) der Zündkerze (18, 44) mit einer Zündanlage (24, 32, 40) gekoppelt ist, die einen Hochfrequenzausgang (30) aufweist, an dem eine Hochfrequenzspannung anliegt, wobei der Hochspannungsausgang (22) einer Hochspannungsquelle (24) der Zündkerze (18, 44) und der Hochfrequenzausgang (30) miteinander elektrisch verbunden sind, so dass ein durch die Hochspannungsquelle (24) der Zündkerze (18, 44) zwischen erster Elektrode (20) und zweiter Elektrode (26) am Hochspannungsausgang (22) der Hochspannungsquelle (24) ausgebildeter Spannungspfad zur Erzeugung der Funkenentladung eines Zündfunkens (34) mit der am Hochfrequenzausgang (30) anliegenden Hochfrequenzspannung verstärkt wird, indem die Hochfrequenzspannung über den Hochfrequenzausgang (30) in den Spannungspfad der Hochspannungsquelle (24) eingekoppelt wird, wodurch am/im Zündfunken (34) ein Hochfrequenzplasma (36) einkoppelt ist, welches durch einen zusätzlichen Energieeintrag in den Zündfunken (34) und ein erhöhtes Zündfunkenvolumen die Zündsicherheit des Kraftstoffs im Brennraum (16) erhöht,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zündkerze (18, 44) eine Vorkammer (18', 44') mit mindestens einer Öffnung (46, 44'-1) aufweist, welche die Vorkammer (18', 44') mit dem Brennraum (16) kraftstoffseitig verbindet, so dass der Zündfunken (34) in der Vorkammer (18', 44'), in den das Hochfrequenzplasma (36) einkoppelt ist, gebildet wird, so dass eine plasmagestützte Fremdzündung des Kraftstoffs in der Vorkammer (18', 44') bewirkt wird.
  5. Zündverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Einkopplung der Hochfrequenzspannung in den Spannungspfad der Hochspannungsquelle (24) am Ausgang der Zündanlage (24, 32, 40) ein Hochspannungsimpuls mit einer überlagerten Hochfrequenzspannung gebildet wird.
  6. Zündverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzplasma (36) zu einem vorgebbaren Initiierungszeitpunkt
    • vor der Zündung des Zündfunkens (34) oder
    • zeitgleich zur Zündung des Zündfunkens (34) oder
    • nach der Zündung des Zündfunkens (34)
    erzeugt und in den Zündfunken (34) eingekoppelt wird.
  7. Zündverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündanlage (24, 32, 40) eingerichtet ist, das Hochfrequenzplasma (36)
    • spätestens 0,5 ms vor der Zündung des Zündfunkens (34) oder
    • spätestens 0,5 ms nach der Zündung des Zündfunkens (34)
    zu initiieren, zu erzeugen und einzukoppeln.
  8. Zündverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochfrequenzplasma (36) ab dem Initiierungszeitpunkt für eine vorgebbare Brenndauer bis zu 2,5 ms aufrechterhalten wird.
  9. Zündverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenndauer des Hochfrequenzplasmas (36) variabel ist und in Abhängigkeit von sensorisch im Brennraum (16) erfassten Zündparametern des Kraftstoffs variiert wird.
  10. Zündverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenndauer in Abhängigkeit der sensorisch erfassten Zündparameter bei schlechten Zündparametern verlängert und bei guten Zündparametern verkürzt wird, wobei bei guten Zündparametern eine Brenndauer des Hochfrequenzplasmas (36) von < 1 ms eingestellt oder die Erzeugung des Hochfrequenzplasmas (36) eingestellt wird.
  11. Zündverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eingekoppelte Hochfrequenzspannung am Hochfrequenzausgang (30) des Leistungsverstärkers (40) eine Frequenz von 1 bis 20 MHz, insbesondere 8 bis 12 MHz, und eine Spannung innerhalb einer Spannungsamplitude zwischen 0,1 kV und 30 kV, insbesondere zwischen 0,4 kV und 1 kV, aufweist.
  12. Zündverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsrampe am Hochspannungsausgang (22) der Hochspannungsquelle (24) beim Einkoppeln in den Spannungspfad durch die von dem HF-Generator (32) über den Leistungsverstärker (40) am Hochfrequenzausgang (30) erzeugte Hochfrequenzspannung der Hochspannungsquelle (24) überlagert wird, die sich konstruktiv auf den Zündspannungsbedarf der Hochspannungsquelle (24) auswirkt, so dass sich der Zündspannungsbedarf der Hochspannungsquelle (24) am Hochspannungsausgang (22) der Hochspannungsquelle (24) verringert.
  13. Zündverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftstoff-Luft-Gemisch oder ein Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch im Brennraum (16) hinsichtlich mindestens eines Zündparameters durch mindestens einen Sensor erfasst wird und die Zündung der Zündkerze (24) und die Erzeugung des Hochfrequenzplasmas (36) in Abhängigkeit von mindestens einem der erfassten Zündparameter erfolgt, wobei mindestens eine Ist-Betriebsgröße, insbesondere die Frequenz der Hochfrequenzspannung und/oder die Spannungsamplitude und/oder der Initiierungszeitpunkt zur Erzeugung des Hochfrequenzplasmas (36) mit einem zusätzlichen Energieeintrag in den Zündfunken (34) und/oder einem vergrößerten Zündfunkenvolumen durch das eingekoppelte Hochfrequenzplasma (36) in Abhängigkeit der Größe des mindestens einen erfassten Zündparameters an die mindestens eine vorgebbare Soll-Ist-Betriebsgröße angepasst wird.
  14. Zündverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Zündparameter eine Größe der Ladungsverdünnung des Kraftstoffs erfasst wird, der durch Abmagerung oder durch externe oder interne Restgasrückführung des Kraftstoffs im Brennraum (16) zum Zündzeitpunkt des Zündfunkens (34) der Zündkerze (24) vorliegt.
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