WO2006018379A1 - Plasma-zünd-verfahren und -vorrichtung zur zündung von kraftstoff/luft-gemischen in verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Plasma-zünd-verfahren und -vorrichtung zur zündung von kraftstoff/luft-gemischen in verbrennungskraftmaschinen Download PDF

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WO2006018379A1
WO2006018379A1 PCT/EP2005/053751 EP2005053751W WO2006018379A1 WO 2006018379 A1 WO2006018379 A1 WO 2006018379A1 EP 2005053751 W EP2005053751 W EP 2005053751W WO 2006018379 A1 WO2006018379 A1 WO 2006018379A1
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discharge
main discharge
ignition
electrode
combustion chamber
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PCT/EP2005/053751
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Georg Bachmaier
Robert Baumgartner
Daniel Evers
Thomas Hammer
Oliver Hennig
Günter LINS
Jobst Verleger
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/50—Sparking plugs having means for ionisation of gap
    • 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
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation

Definitions

  • the invention relates to an ignition system for internal combustion engines, methods and apparatus, in particular for the ignition of fuel-air mixtures for gasoline engines with direct injection.
  • DI direct injection
  • Ignition point associated with increased thermal losses or incomplete combustion of the fuel charge with subsequent emission, incompletely burned Koh ⁇ may be present hydrohalides.
  • the required power density of the plasma does not differ in principle from that in conventional Otto engines in which the fuel-air mixture is generated in the gasifier and then sucked into the cylinder.
  • the requirements as to the time and place of ignition may vary:
  • the aim of the present invention is to indicate methods and devices for producing extensive Hf gas discharges, thus avoiding the above-mentioned disadvantages in the prior art.
  • the invention is based on the finding that this can be achieved by decoupling the mechanisms, on the one hand, for forming the HF gas discharge required for the ignition, and, on the other hand, to expand them into the cylinder volume of a motor, without additional thereto Be ⁇ driving means required.
  • the invention is based on the fact that an auxiliary discharge by appropriate electrode design and modulation of Hf
  • Voltage amplitude ignites at the electrode system before or at least simultaneously with a main discharge, wherein the auxiliary discharge at an amplitude U 1 and the main discharge at an amplitude U 2 > U 1 ignites.
  • the modulation of the RF voltage amplitude at the electrodes can be achieved both by a frequency modulation and by an amplitude modulation of the voltage source.
  • the invention comprises the case where the auxiliary discharge ignites so early that the flow caused thereby reaches the volume in which the main discharge ignites before it is ignited.
  • the operation of the auxiliary discharge around the central, live electrode is provided due to the vor ⁇ lying there field strength increase.
  • the ratio of the ignition voltages between the auxiliary discharge and the main discharge is determined by selecting the distances b4 (gap width mass / insulation), b3 (width of the insulation) and b2 (auxiliary discharge gap width) of the radius of the central electrode as well as the dielectric permittivity ⁇ r of the insulation on the one hand and the radius of the central electrode and the main gap width bl (main discharge gap width) to the ground electrode, on the other hand, are set constructively.
  • FIG. 1 shows a geometry of the HF spark plug with auxiliary and main discharge zones
  • FIG. 2 influence of the flow induced by the auxiliary discharge 5 on the main discharge 6,
  • FIG. 3 Modified geometry with increased volume of the auxiliary discharge 5
  • FIG. 4 spark plug with electrode structures in front view.
  • FIGS. 1 to 4 show ignition elements, for example spark plugs, shown in cutaway form.
  • the diagrams according to FIGS. 1 to 3 are followed by a combustion space at the top.
  • a central axis is shown as a dash-dot line.
  • the ignition of a Hf plasma in air requires an amplitude of the reduced electric field at a gas density n. starch E / n of at least 1.1-10 22 kVm 2 .
  • the formation of a Hf plasma is limited to that region of space in which this critical reduced field strength for the ignition is exceeded. Since interference effects can be excluded, this condition is met in the immediate vicinity of electrodes with small-scale structures, which generate strong field strength peaks due to the small radius of curvature.
  • the plasma continues to propagate channel-shaped along electric field lines until it has connected the two electrodes or the voltage applied to the electrodes no longer permits further extension of the plasma channel 11.
  • a plasma that is maintained by thermal ionization can be significantly affected by gas flows. Therefore, the ready-formed plasma channel 11 can be flushed into a cylinder volume by the directed flow 12, in particular gas flow, originating from the auxiliary discharge 5.
  • the power converted in the auxiliary discharge 5 is determined relative to the power converted in the main discharge 6 by the choice of the discharge gap width b 2 for the auxiliary discharge 5 and by the height h of the discharge gap 10.
  • the duration and intensity of the flow 12 are determined by these geometrical properties and the shape of the voltage modulation, and thus the maximum achievable arc length is influenced.
  • the impedance becomes of RF voltage source and matching network 8 adjusted so that the per arc length converted plasma power in the main discharge 6 does not fall below a target value P min .
  • the invention further comprises that the RF voltage is applied in a stepped manner and in a first cycle only the auxiliary discharge 5 is ignited by applying a low voltage amplitude, while in the subsequent cycle the main discharge 6 is ignited efficiently by selecting a high voltage amplitude ,
  • the time delay between the clocks is selected so that the gas discharge 12 induced by the auxiliary discharge 5 reaches the region of the main discharge 6 just when it is ignited.
  • a capacitively or directly coupled HF gas discharge is shown, hereinafter referred to as the main discharge, in a volume of the main discharge 6 with a sufficient quantity for the ignition of fuel-air mixture
  • the HF voltage is provided by a generator 7 which, together with a possibly required matching network 8 of inductive and capacitive components, has the complex impedance Z.
  • the electrode system 1, 3, 4 together with the insulation 2 forms a capacitance C E ie k t r with a loss resistance 9.
  • auxiliary discharge 5 With the same electrode system and correspondingly the same RF voltage is in the back of the Hf gas discharge an auxiliary discharge 5 whose power density is limited by capacitive coupling by means of an insulation 2 and by exploiting electron diffusion losses in narrow gaps so that the auxiliary discharge 5 does not affect the formation of the Hauptent ⁇ charge 6 electrically.
  • gas heating produces a pressure gradient and therefore a directed gas flow 12 which drives the plasma channel 11 of the main discharge 6 into the cylinder volume and enlarges the spatial extent through an extended plasma channel 11 'without the current-carrying cross section to change significantly.
  • Capacities and inductances have a frequency dependent impedance. This results from the electrical circuit shown in FIG. 1 consisting of RF generator 7, matching network 8, the capacitance C E i ektr of the electrode system 1, 3, 4 with insulation 2 and the loss resistor 9 a fre ⁇ quenzcombe division of the provided Hf -Tension. Da ⁇ with the voltage applied to the electrode system 1, 3, 4 voltage can be modulated both by varying the voltage amplitude and the frequency of the RF generator.
  • Fig. 3 is a still more extended arc on the plasma channel 11 ⁇ ⁇ by structures at a center electrode 21 or of the insulation, the volume of the ignition voltage and impedance of the auxiliary discharge are effected 5 22 influence.
  • the method and the devices based thereon are not limited to cylindrically symmetrical geometries, which can effect a random ignition of auxiliary and main discharge 5, 6 around the symmetry axis.
  • the auxiliary discharge 5 and the main discharge 6 as well as the plasma channel 11 can be fixed on the periphery by electrode structures, electrode 13 and counterelectrode 33 in such a way that the greatest possible interaction between these plasmas is ensured.

Landscapes

  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)
  • Spark Plugs (AREA)

Abstract

Zur Zündung von Kraftstoff/Luft-Gemischen in mindestens einem Verbrennungsraum eines Otto-Motors, werden folgende Schritte durchgeführt: Zündung einer HF-Gasentladung als Hauptentladung (6) zur Erzeugung eines Plasmakanales (11) im Bereich der Grenze zwischen einem Zündelement und dem Verbrennungsraum, vorausgehende oder maximal gleichzeitige Zündung einer HF- Gasentladung als Hilfsentladung (5) zur Erzeugung einer auf die den Plasmakanal (11) gerichteten Strömung (12), wobei die Hilfsentladung (5) vom Verbrennungsraum aus hinter der Hauptentladung (6) positioniert ist, so dass die gerichtete Strömung (12) den Plasmakanal (11) der Hauptentladung in den Verbrennungsraum hineindrückt.

Description

Beschreibung
Plasma-Zünd-Verfahren und -Vorrichtung zur Zündung von Kraft¬ stoff/Luft-Gemischen in Verbrennungskraftmaschinen
Die Erfindung betrifft ein Zündsystem für Verbrennungsmoto¬ ren, Verfahren und Vorrichtung, insbesondere zur Zündung von Kraftstoff-Luft-Gemischen für Benzinmotoren mit Direktein¬ spritzung.
Um das Potenzial direkt einspritzender (DI) Ottomotoren für die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs z.B. für Kfz aus¬ schöpfen zu können, ist eine zuverlässige Zündung erforder¬ lich, denn zyklische Schwankungen in der Qualität der Zündung verschlechtern den Wirkungsgrad des Motors durch falschen
Zündzeitpunkt, verbunden mit erhöhten thermischen Verlusten oder unvollständiger Verbrennung der Kraftstoffladung mit nachfolgender Emission, wobei unvollständig verbrannte Koh¬ lenwasserstoffe vorliegen können.
Grundanforderungen für die zuverlässige Zündung sind:
a) die Ausbildung eines Plasmas mit ausreichender Leis¬ tungsdichte, b) Ausbildung zum richtigen Zeitpunkt, c) Ausbildung in einem Bereich des Zylinders, in dem ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegt.
Die erforderliche Leistungsdichte des Plasmas unterscheidet sich nicht prinzipiell von der in konventionellen Ottomoto¬ ren, bei denen das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Vergaser er¬ zeugt und dann in den Zylinder eingesaugt wird. Die Anforde¬ rungen hinsichtlich Zeitpunkt und Ort der Zündung können je¬ doch unterschiedlich sein:
Durch die Einspritzung des Kraftstoffs vom Zylinderkopf aus und unter hohem Druck bildet sich eine hohlkegelförmige Ver- teilung des Kraftstoffsprays mit einer Rückströmzone, deren räumlich-zeitliche Entwicklung nicht nur systematischen, vom Betriebspunkt des Motors abhängigen Einflüssen sondern auch statistischen Schwankungen unterliegt. Deshalb kommt diese Rückströmzone dem Zylinderkopf von Einspritzung zu Einsprit¬ zung unterschiedlich nahe. Ein technische Problem liegt bei¬ spielsweise darin, eine zuverlässige, rechtzeitige Zündung im Bereich einer Rückströmzone mit Mitteln zu erreichen, die vom Zylinderkopf nicht oder nur wenige mm in das Zylindervolumen hineinragen, da thermo-mechanische Belastungen die Lebensdau¬ er von weiter in das Volumen hineinragenden Komponenten stark verkürzen würden.
Im Stand der Technik sind konventionelle Zündsysteme bekannt, die aus einem elektronischen Hochspannungsimpulserzeuger und einer Zündkerze ein elektrodengeführtes Plasma mit direktem Stromfluss erzeugen. Dies geschieht zwischen einer mit puls- förmiger Hochspannung beaufschlagten Hochspannungselektrode, die typischerweise als Stift in einem Isolierkörper ausge- führt ist, und einer Masse-Elektrode, die häufig als von der geerdeten Einschraubfassung ausgehende Hakenelektrode ausge¬ führt ist. Dieses elektrodengeführte Plasma bildet eine hei¬ ße, ionisierte Zone zwischen den Elektroden, deren Länge gleich dem Elektrodenabstand ist und deren Durchmesser in der Lichtbogenphase typisch 3/10 mm ist und nach 0,1 ms durch thermische Ausdehnung unter gleichzeitiger Abkühlung anwächst (Glimmentladungsphase) . Aufgrund ihrer hohen Temperatur ist die räumlich schwach ausgedehnte Bogenphase, in der ein Gro߬ teil der elektrischen Pulsenergie umgesetzt wird, wesentlich für die Zündung zuständig. Bedingt durch diese Lokalisierung des Plasmas im wandnahen Bereich kommt es beim Einsatz in DI- Ottomotoren zu ungleichmäßiger Zündung.
Es gibt eine Vielzahl von Ansätzen, die die beschriebenen Nachteile der konventionellen Zündung zu vermeiden suchen: (a) In US 4,416,226 wird eine lokalisierte Zündung durch La¬ serimpulse offenbart, in DE 100 48 053 Al und DE 100 50 756 Al die Kombination elektrische Gasentladung mit einer optisch lokalisierten Zündung der elektrischen Gasentladung,
(b) in US 4,203,393, US 4,317,068, US 4,354,136, US 4,471,732, US 5,704,321 und US 6,321,733 Bl wird die Nutzung von thermisch oder magnetisch getriebenen Plasmajets für eine räumlich ausgedehnte Zündung offenbart,
(c) in US 6,289,868 Bl die Kombination von Zündung und In¬ jektion des Kraftstoffes, wobei z.B. die Kraftstoff- Injektoren als Plasma-Elektroden ausgelegt sind,
(d) in WO 99/20087, US 6,633,017 Bl und US 4,589,398 wird eine räumlich ausgedehnte Zündung durch Einsatz extrem schnell ansteigender Spannungen beschrieben,
(e) in US 5,297,510 wird die Erzeugung großflächiger Plasmen durch Oberflächengleitentladungen in einer speziellen Geomet¬ rie offenbart,
(f) in DE 100 37 536 Al, DE 101 44 466 Al und DE 102 39 410 Al wird der Einsatz hochfrequenter Spannungen im Mikrowellen- bereich für die Erzeugung von Plasmen gezeigt, die nicht im Kontakt mit Elektroden stehen, und
(g) in DE 197 47 700 Al und DE 197 47 701 Al ist die Erzeu¬ gung hochohmiger, kurzlebiger Plasmafäden durch Verwendung scharfkantiger Elektrodenstrukturen zur Generierung von Feld¬ stärkeüberhöhungen in Verbindung mit Radiofrequenzanregung beschrieben.
Ein Teil dieser Ansätze ist in Kraftfahrzeugen nicht einsetz- bar und andere Ansätze erfordern einen unverhältnismäßig gro¬ ßen Energieaufwand wobei zu den einzelnen Gruppen Folgendes anzumerken ist: Zu (a) : Der für lichtgetriebene Verfahren erforderliche wartungsfreundliche optische Zugang zum Brennraum kann nicht gewährleistet werden.
Zu (b) : Die Erzeugung ausreichend starker magnetischer Fel¬ der oder thermischer Gradienten erfordert extrem hohe Ströme oder extrem schnell ansteigende Spannungen bei hohen Strömen, was in der Praxis problematisch ist.
Zu (c) : Die Kombination von Zündung und Injektion ist ein weit reichender Eingriff in die häufig in langjähriger Arbeit optimierte Brennraumgeometrie und stößt in der Automobilin¬ dustrie deshalb auf Akzeptanzprobleme.
Zu (d) : Die Erzeugung extrem schnell ansteigender Spannun¬ gen erfordert aufwändige elektrische Netzteile und besondere Maßnahmen zur Vermeidung von EMV-Problemen. Da für eine si¬ chere Zündung erhebliche Überspannungen nötig sein können, sind Probleme mit der elektrischen Durchführung zu erwarten.
Zu (e) : Oberflächengleitentladungen lösen wegen ihrer Bin¬ dung an Oberflächen nicht die Aufgabe eines möglichst weit in das Zylindervolumen hineingreifenden Plasmas unter Vermeidung von in das Zylindervolumen hineinragenden Bauteilen.
Zu (f) : Bei der Erzeugung von Mikrowellenplasmen im Brenn¬ raum werden Interferenzen ausgenutzt, die vom Brennraumdesign nicht unabhängig sind. Damit ergibt sich ein Interessenkon- flikt zwischen dem Design des Zündsystems und dem Design des Brennraums und deshalb ergibt sich eine reduzierte Akzeptanz in der Automobilindustrie.
Zu (g) : Die Erzeugung hochohmiger, kurzlebiger Plasmafäden, die ausreichend weit in das Volumen hineinragen, verlangt trotz scharfkantiger Elektrodenstrukturen zur Feldstärkeüber¬ höhung extrem hohe Spannungsamplituden, weil der plasmafreie Raum von den Enden der in den Brennraum hineinragenden Plas¬ mafäden wie eine sehr kleine Kapazität gegen die weit ent¬ fernten, geerdeten Wände des Brennraumes inklusive der Fas¬ sung der zündkerzenähnlichen Elektrodenstruktur wirkt, an der ein Großteil der angelegten Radiofrequenz-Spannung abfällt. Aufgrund von Isolationsproblemen lassen sich Spannungen der erforderlichen Amplitude in Kfz praktisch nicht einsetzen. Weiterhin ist fraglich, ob in hochohmigen Plasmafäden die für die Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches erforderliche Leistungsdichte bereitgestellt werden kann.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, Verfahren und Vor¬ richtungen zur Erzeugung ausgedehnter Hf-Gasentladungen an¬ zugeben, womit die oben angegebenen Nachteile im Stand der Technik vermieden werden.
Die Lösung geschieht durch die jeweiligen Merkmalskombinatio¬ nen der Ansprüche 1, bzw. 7.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu ent- nehmen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass dies durch eine Entkopplung der Mechanismen, einerseits zur Ausbildung der für die Zündung erforderlichen HF-Gasentladung, und ande- rerseits zu deren Ausdehnung in das Zylindervolumen eines Mo¬ tors hinein, erreichbar ist, ohne dass dafür zusätzliche Be¬ triebsmittel erforderlich werden.
Die Erfindung beruht darauf, dass eine Hilfsentladung durch entsprechendes Elektrodendesign und Modulation der Hf-
Spannungsamplitude am Elektrodensystem vor oder wenigstens gleichzeitig mit einer Hauptentladung zündet, wobei die Hilfsentladung bei einer Amplitude U1 und die Hauptentladung bei einer Amplitude U2 > U1 zündet. Dabei kann die Modulation der HF-Spannungsamplitude an den Elektroden sowohl durch eine Frequenz- als auch durch eine Amplitudenmodulation der Span¬ nungsquelle erreicht werden. Die Erfindung umfasst insbesondere den Fall, dass die Hilfs- entladung so früh zündet, dass die dadurch verursachte Strö¬ mung das Volumen, in dem die Hauptentladung zündet, vor deren Zündung erreicht. Zu diesem Zweck ist aufgrund der dort vor¬ liegenden Feldstärkeüberhöhung der Betrieb der Hilfsentladung um die zentrale, spannungsführende Elektrode vorgesehen. Da¬ bei wird das Verhältnis der Zündspannungen zwischen Hilfsent- ladung und Hauptentladung durch entsprechende Wahl der Ab- stände b4 (Spaltbreite Masse/Isolierung) , b3 (Breite der Iso¬ lierung) und b2 (Hilfsentladung-Spaltbreite) , des Radius der zentralen Elektrode sowie der dielektrischen Permittivität εr der Isolierung einerseits und des Radius der zentralen Elekt¬ rode sowie der Hauptspaltbreite bl (Hauptentladung- Spaltbreite) zur Masse-Elektrode anderseits konstruktiv ein¬ gestellt.
Es folgt eine Beschreibung anhand begleitender schematischer Figuren, wobei die Erfindung in mehreren Varianten darge- stellt sein kann.
Figur 1 zeigt eine Geometrie der Hf-Zündkerze mit Hilfs¬ und Hauptentladungszonen,
Figur 2 Einfluss der durch die Hilfsentladung 5 induzierten Strömung auf die Hauptentladung 6,
Figur 3 Modifizierte Geometrie mit vergrößertem Volumen der Hilfsentladung 5,
Figur 4 Zündkerze mit Elektrodenstrukturen in Frontansicht.
Die Figuren 1 bis 4 stellen jeweils geschnitten dargestellte Zündelemente, beispielsweise Zündkerzen, dar. An die Darstel¬ lungen nach den Figuren 1 bis 3 schließt sich ein Verbren¬ nungsraum nach oben hin an. Eine zentrale Achse ist als Strich-Punkt-Linie dargestellt.
Die Zündung eines Hf-Plasmas in Luft erfordert bei einer Gas¬ dichte n eine Amplitude der reduzierten elektrischen Feld- stärke E/n von mindestens 1,1-1022 kVm2. Dadurch ist in inho¬ mogenen elektrischen Feldern die Bildung eines Hf-Plasmas auf denjenigen Raumbereich beschränkt, in dem diese kritische re¬ duzierte Feldstärke für die Zündung überschritten wird. Da Interferenzeffekte ausgeschlossen werden können, ist diese Bedingung in der unmittelbaren Umgebung von Elektroden mit kleinräumigen Strukturen erfüllt, die aufgrund des geringen Krümmungsradius starke Feldstärkeüberhöhungen erzeugen. Sowie die Umgebungsfeldstärke den kritischen Wert für eine Plasma- bildung überschreitet, breitet sich das Plasma kanalförmig entlang elektrischer Feldlinien weiter aus, bis es die beiden Elektroden verbunden hat oder die an den Elektroden anliegen¬ de Spannung eine weitere Verlängerung des Plasmakanals 11 nicht mehr zulässt. Voraussetzung dafür ist nur, dass eine mittlere reduzierte Feldstärke deutlich über l,6-10~23 Vm2 liegt. Dieser Prozess der Plasmaausbreitung von der span¬ nungsführenden Elektrode 1 zur Gegenelektrode 3 läuft bei ausreichend stabiler Spannung, d.h. ausreichend niedriger Im¬ pedanz der elektrischen Versorgung, so schnell ab, dass gas- dynamische Effekte in dieser Zeit keine Rolle spielen.
Ein Plasma, das durch thermische Ionisation aufrechterhalten wird, kann durch Gasströmungen wesentlich beeinflusst werden. Deshalb kann der fertig ausgebildete Plasmakanal 11 durch die von der Hilfsentladung 5 ausgehende gerichtete Strömung 12, insbesondere Gasströmung, in ein Zylindervolumen hineingebla¬ sen werden.
Die in der Hilfsentladung 5 umgesetzte Leistung wird relativ zu der in der Hauptentladung 6 umgesetzten Leistung durch die für die Hilfsentladung 5 ausgeführte Wahl der Entladungs¬ spaltbreite b2 und durch die Höhe h des Entladungsspaltes 10 festgelegt. Gleichzeitig wird durch diese geometrischen Ei¬ genschaften und durch die Form der Spannungsmodulation die Dauer und Intensität der Strömung 12 festgelegt und damit die maximal erreichbare Bogenlänge beeinflusst. Um die maximal mögliche Bogenlänge erreichen zu können, wird die Impedanz von HF-Spannungsquelle und Anpassnetzwerk 8 so angepasst, dass die pro Bogenlänge umgesetzte Plasmaleistung in der Hauptentladung 6 einen Sollwert Pmin nicht unterschreitet.
Die Erfindung umfasst weiterhin, dass die HF-Spannung getak¬ tet angelegt wird und in einem ersten Takt durch Anlegen ei¬ ner niedrigen Spannungsamplitude nur die Hilfsentladung 5 ge¬ zündet wird, während im Folgetakt durch Wahl einer hohen Spannungsamplitude die Hauptentladung 6 effizient gezündet wird. Der Zeitverzug zwischen den Takten wird dabei so ge¬ wählt, dass die durch die Hilfsentladung 5 induzierte Gas¬ strömung 12 das Gebiet der Hauptentladung 6 gerade bei deren Zündung erreicht. Dadurch wird mit minimalem Energieaufwand maximale Ausdehnung der Hauptentladung 6 in das Zylindervolu- men hinein erreicht.
Mit Fig. 1 als Ausgangspunkt wird eine kapazitiv oder direkt gekoppelte HF-Gasentladung gezeigt, im Folgenden Hauptentla¬ dung genannt, in einem Volumen der Hauptentladung 6 mit einer für die Zündung von Kraftstoff-Luft-Gemisch ausreichenden
Leistungsdichte zwischen einer spannungsführenden Elektrode 1 und einer mit Masse 4 verbundenen Gegenelektrode 3 mit einer Betriebsfrequenz f « 1 GHz, bei der die Ausbildung elektro¬ magnetischer Wellen im Motorzylinder vernachlässigt werden kann. Die HF-Spannung wird von einem Generator 7 bereitge¬ stellt, der zusammen mit einem ggf. erforderlichen Anpass¬ netzwerk 8 aus induktiven und kapazitiven Bauelementen die komplexe Impedanz Z hat. Im gasentladungsfreien Fall bildet das Elektrodensystem 1, 3, 4 zusammen mit der Isolierung 2 eine Kapazität CEiektr mit einem Verlustwiderstand 9. Mit dem gleichen Elektrodensystem und dementsprechend der gleichen HF-Spannung wird im Rückraum der Hf-Gasentladung eine Hilfs- entladung 5 erzeugt, deren Leistungsdichte durch kapazitive Kopplung mittels einer Isolierung 2 und durch Ausnutzung von Elektronendiffusionsverlusten in engen Spalten so begrenzt wird, dass die Hilfsentladung 5 die Ausbildung der Hauptent¬ ladung 6 elektrisch nicht beeinträchtigt. Die Hilfsentladung entsprechend Fig. 2 erzeugt durch Gasaufheizung einen Druck¬ gradienten und deshalb eine gerichtete Gasströmung 12, die den Plasmakanal 11 der Hauptentladung 6 in das Zylindervolu¬ men hineintreibt und dabei die räumliche Ausdehnung durch ei- nen verlängerten Plasmakanal 11' vergrößert ohne den Strom führenden Querschnitt wesentlich zu verändern.
Kapazitäten und Induktivitäten weisen eine von der Frequenz abhängige Impedanz auf. Damit ergibt sich durch die in Fig. 1 gezeigte elektrische Schaltung bestehend aus Hf-Generator 7, Anpassnetzwerk 8, der Kapazität CEiektr des Elektrodensystem 1, 3, 4 mit Isolierung 2 und dem Verlustwiderstand 9 eine fre¬ quenzabhängige Teilung der bereitgestellten Hf-Spannung. Da¬ mit kann die am Elektrodensystem 1, 3, 4 anliegende Spannung sowohl durch Variation der Spannungsamplitude als auch der Frequenz des Hf-Generators moduliert werden.
In weiteren Ausführungsformen entsprechend Fig. 3 kann ein noch stärker verlängerter Bogen am Plasmakanal 11 Λ Λ durch Strukturen an einer Mittelelektrode 21 oder der Isolierung 22 bewirkt werden, die Volumen, Zündspannung und Impedanz der Hilfsentladung 5 beeinflussen.
Das Verfahren und die darauf basierenden Vorrichtungen be- schränken sich nicht auf zylindersymmetrische Geometrien, die ein rund um die Symmetrieachse zufälliges Zünden von Hilfs¬ und Hauptentladung 5,6 bewirken können. Wie in Fig. 4 gezeigt können durch Elektrodenstrukturen, Elektrode 13 und Gegen¬ elektrode 33 die Hilfsentladung 5 und die Hauptentladung 6, sowie der Plasmakanal 11 so auf dem Umfang fixiert werden, dass die größtmögliche Wechselwirkung zwischen diesen Plasmen gewährleistet ist.
Gegenüber dem Stand der Technik ist der energetische Aufwand für die Erzeugung eines raumgreifenden Plasmas für die Zün¬ dung von Kraftstoff/Luft-Gemischen deutlich reduziert. Durch die Trennung in Hilfs- und Hauptentladung 5,6 wird die räum- liehe Entwicklung des Plasmakanals 11, 11' und H'' nicht ausschließlich durch seine eigene, thermisch bedingte radiale Ausdehnung bewirkt. Dadurch kann gegenüber solchen, als Stand der Technik bekannten Lösungen eine Hauptentladung mit höhe- rer Leistungsdichte erreicht werden. Gegenüber magnetischen Verfahren sind die Anforderungen an die Stromstärke und damit an die Impedanz von Spannungsquelle und anpassendem Netzwerk 8 deutlich reduziert. Mehrere geometrische und elektrische Parameter erlauben die gezielte Steuerung von Hilfs- und Hauptentladung 5,6 und damit die Anpassung an die jeweilige Anwendung und unterschiedliche Betriebszustände.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Zündung von Kraftstoff/Luft-Gemischen in mindestens einem Verbrennungsraum eines Ottomotors, welches folgende Schritte aufweist:
Zündung einer HF-Gasentladung als Hauptentladung (6) zur Erzeugung eines Plasmakanales (11) im Bereich der Grenze zwi¬ schen einem Zündelement und dem Verbrennungsraum, und der Zündung der Hauptentladung vorausgehende, spätestens gleichzeitige Zündung einer HF-Gasentladung als Hilfsentla- dung (5) zur Erzeugung einer auf den Plasmakanal (11) gerich¬ teten Strömung (12), wobei die Hilfsentladung (5) vom Verbrennungsraum be- trachtet im Wesentlichen hinter der Hauptentladung (6) posi¬ tioniert ist, so dass die gerichtete Strömung (12) den Plas¬ makanal (11) der Hauptentladung in den Verbrennungsraum hin¬ eindrückt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Modulation der
HF-Spannungsamplitude an Elektroden sowohl mittels einer Fre¬ quenz als auch mittels einer Amplitudenmodulation der Span¬ nungsquelle erreicht werden kann.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein einstellbarer Zeitversatz zwischen Hilfs- und Haupt¬ entladung (5, 6) vorliegt und so ausgestaltet ist, dass eine gerichtete Strömung (12) das Volumen des Plasmakanales (11) der Hauptentladung (6) vor oder gleichzeitig mit dem Zünden der Hauptentladung (6) erreicht.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die HF-Spannung getaktet angelegt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem im ersten Takt durch Anlegen einer niedrigen Spannungsamplitude die Hilfsentladung (5) gezündet wird und in einem Folgetakt durch Wahl einer ho¬ hen Spannungsamplitude die Hauptentladung (6) gezündet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der stromführende Querschnitt des Plasmakanales (11) der Hauptentladung (6) unter Einwirkung der Strömung (12) annä¬ hernd konstant ist.
7. Vorrichtung zur Zündung von Kraftstoff/Luft-Gemischen in einem Verbrennungsraum eines Ottomotors zur Durchführung ei¬ nes der Verfahren entsprechend der Ansprüche 1 bis 6, welche Folgendes aufweist: eine zentrale spannungsführende Elektrode (1,13), die konzentrisch von einer Gegenelektrode (3) , die mit einer Masseanordnung (4) verbunden ist, umgeben ist, wobei Ge¬ genelektrode (3) und Elektrode (1) in Richtung zu einem Verbrennungsraum annähernd fluchtend abschließen und ei¬ nen ringförmigen Hauptspalt mit der Breite (bl) bilden, eine den Zwischenraum zwischen Elektrode (1) und Gegen- elektrode (3) bzw. Masse (4) ausfüllende Isolierungen (2) , deren vorderes Ende einen Abstand (d) von der Hauptentladung (6) aufweist, einen im vorderen Bereich der Isolierung (2) zwischen Elektrode (1) und Isolierung (2) ausgebildeten Entla- dungsspalt (10) , der rückwärtig geschlossen ist und eine Öffnung in Richtung auf die Hauptentladung (6) aufweist, eine zumindest im axial verlaufenden Bereich des Entla¬ dungsspaltes (10) vorhandene Beabstandung zwischen Ge¬ genelektrode (3) bzw. Masse (4) und der Isolierung (2) , deren Spaltbreite (b4) zur Zündung einer Hilfsentladung (5) angepasst ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der Bauteilkonturen, an denen ein Plasmakanal erzeugbar ist, mit geringen Krümmungs- radien ausgeführt sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem zur Optimierung der Hilfsentladung (5) die Breite (b2) und die Höhe (h) des Entladungsspaltes (10) aufeinander abge¬ stimmt sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der ein Verhältnis der Zündspannungen zwischen Hilfsentladung (5) und Hauptentladung (6) durch das Verhältnis der Abstände von Spaltbreite (b4) zwischen Masse und Isolierung, von Breite (b3) der Isolierung und von Spaltbreite (b2) der Hilfsentla- dung einerseits und die Spaltbreite der Hauptentladung (bl) anderseits abgestimmt ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der die Betriebsfrequenz wesentlich kleiner als 1 GHz ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei der die Gegenelektrode (33) segmentartig ausgebildet ist und mit der zentralen Elektrode (13) zur Ausbildung eines Plasmakana- les (11) und einer Hilfsentladung (5) zusammenwirkt.
PCT/EP2005/053751 2004-08-13 2005-08-02 Plasma-zünd-verfahren und -vorrichtung zur zündung von kraftstoff/luft-gemischen in verbrennungskraftmaschinen WO2006018379A1 (de)

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