WO2007090380A1 - Hochfrequenzzündanlage für kraftfahrzeuge - Google Patents

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WO2007090380A1
WO2007090380A1 PCT/DE2007/000223 DE2007000223W WO2007090380A1 WO 2007090380 A1 WO2007090380 A1 WO 2007090380A1 DE 2007000223 W DE2007000223 W DE 2007000223W WO 2007090380 A1 WO2007090380 A1 WO 2007090380A1
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ignition
spark plug
spark
electrode
frequency signal
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PCT/DE2007/000223
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Inventor
Holger Heuermann
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Fachhochschule Aachen
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P3/00—Other installations
    • F02P3/01—Electric spark ignition installations without subsequent energy storage, i.e. energy supplied by an electrical oscillator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P15/00—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits
    • F02P15/10—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits having continuous electric sparks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • F02P23/045—Other physical ignition means, e.g. using laser rays using electromagnetic microwaves

Definitions

  • the purpose of an ignition is to ignite the compressed air-fuel mixture at the right time and thus • initiate combustion.
  • the mass of the ignition systems are based on the inductive principle for generating a high voltage by means of an ignition coil.
  • the so-called high-voltage capacitor ignition (HKZ) is an exception, but has not prevailed technically in a wide range.
  • This concept also known as thyristor ignition, uses a thyristor and a capacitor to generate pulses.
  • an ignition transformer is used to generate the high voltage.
  • This concept also works with a classic spark plug.
  • the disadvantage is that the radio duration is only a maximum of 0, 3ms and thus not guaranteed in conjunction with a classic spark plug a reliable ignition of the air-fuel mixture.
  • the basic principle of an ignition system with ignition coil is as follows: If the breaker contact is closed when the ignition switch is turned on, current flows from the battery or alternator through the primary winding of the ignition coil and builds up a strong magnetic field for energy storage. At the time of ignition, the breaker interrupts the current, the stored magnetic field energy in the coil tries to maintain the current and induces in the secondary winding the high voltage required for ignition, which is supplied via coaxial high voltage cables Spark plug gets there and triggers an arc. The necessary energy is in the range of 0.2 to 3 mJ. In practice, the ignition system has a stored energy of 60 to 120 mJ.
  • the electrical signal which reaches the spark plug, when viewed in the time domain, is a so-called delta-plus. Since in practice the breaker contact can not open infinitely fast mechanically or electronically and the ignition system (in particular the extended ignition coil) can not transport signals far into the GHz range, this is a low-pass limited signal. Thus, the time signal has the characteristic of a Si pulse based on the sin (x) / x function. When viewed in the frequency domain, an ignition pulse has a very broad spectrum, which theoretically begins at OHz and in practice falls sharply to higher frequencies in the three-digit MHz range and in the GHz range.
  • the engine should be optimized for maximum performance and / or minimum fuel consumption and / or clean emissions while avoiding engine knocking.
  • the map ignition now allows precise compliance with the time.
  • the other three sizes are heavily dependent on the design of the spark plugs and also on the architecture and performance of the ignition system.
  • ignition chambers or the use of two spark plugs are used in the cylinder head.
  • Several ground arcs on a spark plug can be used to realize several spark gaps. One maximizes the spark length and the number of sparks for the optimization of the combustion. This requires greater high voltage and power in the ignition system.
  • the burning time is mainly determined by the flame propagation (burning speed) VB.
  • the burning speed VB is 20 to 40 m / s. Consequently, the time for a combustion process t ⁇ at a cylinder radius rz of 5cm is around 25ms.
  • t ⁇ at a cylinder radius rz of 5cm is around 25ms.
  • t ⁇ at a cylinder radius rz of 5cm is around 25ms.
  • a short burning time and (relative to the piston movement) the correct timing of the heat release can be optimized by map ignition including the knock sensors.
  • the mass of today's ignition systems works with an inductive ignition system (ignition coil) and a spark plug (for a cylinder).
  • the spark or spark on one spark plug per cylinder is at the center of the cylinder.
  • the burning time depends on the cylinder radius. Modern engines are designed as Kurzhuber and therefore have a relatively large cylinder radius. In the design of previous spark plugs, it has not yet been possible to create an arc range that reduces the burning time by orders of magnitude. could reduce the burning time to one third of the time, so you would improve the efficiency significantly and thus achieve lower fuel consumption and / or higher power output.
  • the ignition system operates with extremely high voltages, which in particular prevents high integration of the system and also requires a great deal of effort in the development of the partial system. components using the best materials.
  • Voltage isolation is one of several reasons why an ignition system is not consistently constructed for high frequency (i.e., impedance controlled) viewpoints.
  • the non-existent high frequency (RF) capability in turn requires a higher voltage.
  • the spark or arc takes place completely from the electrode to the ground. Within a narrow range, an ionization of the gas (air-fuel mixture) takes place. A short-time current with a very high current density flows through this ionized path. This large point current density causes a great wear on the spark plugs. In order to reduce this wear, improved and expensive materials are repeatedly used, in particular for the electrode. Nevertheless, the life of a spark plug is limited to a mileage between 50000 and 80000km. Consequently, the spark plugs must be changed relatively frequently, which is increasingly expensive, especially in modern ultra-compact engines.
  • the ignition system has a relatively low efficiency. With significantly improved efficiency, not only is power consumption reduced. There must also be dissipated much less power dissipation in the form of heat. This in turn allows a cheaper and more integrated structure.
  • the invention relates to the construction of an ignition system based on a relatively narrow-band high-frequency signal (in the three-digit MHz and total GHz range) and a wide almost arbitrarily configurable arc range (ignition range), which does not reach to the mass and whose spark duration (ignition duration) can be set as desired.
  • the spark plug only has an arbitrarily configurable electrode.
  • the cylinder head and the piston form the mass.
  • this HF ignition can be designed spark plugs, for example, have a double electrode and thus have two spark paths. It is even possible that the electrode is designed as a ring (torus) with 2/3 of the radius of the cylinder. The gas is only ionized around this ring. Arcs are created around the entire ring, but they do not penetrate the mass (of the cylinder head or piston) and their lengths are in the cm range. By means of this spark, the burning time can be reduced to one third with the same burning speed. The ignition duration of the spark is now adjustable. This causes a noticeable improvement in the efficiency of the engine. Due to the fact that the spark is in the cm range, the shortened paths reduce the burning time significantly.
  • the electrode now radiates the energy over several paths or a large area.
  • the electromagnetic energy generates an RF current in the ionized area around the electrode, which due to the heating arc like u.a. Emits radiant energy in the optical range.
  • the energy output from the electrode no longer takes place as electricity, but as an electromagnetic field.
  • the electrode is no longer loaded by the spark (field). Consequently, no special metal must be used for the electrode.
  • the spark plug can thus be used over the entire life of the motor vehicle.
  • the electrode can be designed as a cylinder-like structure which, like the conventional spark plug, projects only slightly into the cylinder space. In contrast to the conventional spark plug, however, eliminates the ground electrode, which is largely responsible for turbulence.
  • the choice of material for the electrode structure allows not only metal but also the use of a dielectric material.
  • the electrode may be made of a ceramic material having a high dielectric constant and a very high melting point. Consequently, a very good heat dissipation is no longer necessary. As a result, a significantly improved efficiency can be achieved.
  • HF ignition is not limited to automotive applications. It can be used in any area where ignition processes are required.
  • the HF ignition can be used in continuous operation as a light source.
  • the low Have Ionisationsenergy for example, create effective advertising lights.
  • HF ignitions can thus also replace the starters in fluorescent tubes.
  • Additional UV radiation can reduce the electric field strength necessary for ignition.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an ignition system according to the invention for a cylinder
  • FIG. 2 shows an LC resonator spark plug over the cylinder head with a T-shape for producing two ignition sparks
  • FIG. 3 shows an LC resonator spark plug over the cylinder head with a torus shape
  • FIG. 4 Eoi mode in a circular waveguide (dashed E-field, H-axis drawn through),
  • FIG. 5 perspective view of a cavity resonator spark plug on the cylinder head (without Valves) for the excitation of the Eoi mode with asymmetrical excitation
  • FIG. 7 shows a coupling of a dielectric electrode for the excitation of the HEn basic model
  • Figure 8 shows a coupling of a dielectric electrode for the excitation of the Eoi-mode
  • FIG. 9 shows a TEM or dielectric spark plug over the cylinder head (without valves) for spark formation with symmetrical control.
  • Basic physics books teach that ionization of a gas is only possible through electron impact ionization, excited by an electron beam injection, of thermal ionization at extremely high temperatures (10 A 6K). or photoionization using ultraviolet light.
  • an ionized gas has the same number of electrons and ions, then it is a gas that is space-charge-free and called plasma.
  • N number of electrons per volume
  • e charge of an electron
  • m- mass of an electron
  • eo electric field constant
  • u frequency of the collisions of the electrons with the gas molecules
  • w frequency of the high-frequency signal.
  • Equation (2) shows that the (small) resistance and thus the losses increase with increasing frequency. Consequently, at higher frequencies, the gases can be heated better.
  • An analysis of the atmosphere for the transmission properties of the RF signals shows that in the two- to three-digit MHz range, the radiation is almost not absorbed, while at 50 GHz, the entire radiation is absorbed as molecular absorption in hydrogen or oxygen.
  • so-called Tesla transformers can be used to produce 10OW generators with 5kV output voltage and thus produce 10cm spark gaps in air, [1].
  • the inventor has already generated long spark gaps at 2.5GHz by means of a 50W transmitter and a voltage of only 300V. The power consumption was well below 5OW. A circuit optimization did not take place.
  • the invention further describes how to realize by means of components and components from the mass market of high-frequency electronics, a circuit corresponding to a Zündsignalerzeugung, and how an associated spark plug must be designed.
  • the invention relates to the construction of an ignition system based on a relatively narrow-band high-frequency signal (in the three-digit MHz and total GHz range) and a wide almost arbitrarily configurable arc range that does not reach the mass.
  • the ignition system or short ignition can be divided into the ignition signal generation and the spark plug.
  • the spark plug has only an almost arbitrarily customizable electrode.
  • the cylinder head and the piston form the mass.
  • this HF ignition spark plugs can be designed, which have, for example as an electrode several spark paths or even a ring (torus) with 2/3 of the radius of the cylinder. The gas is just around this ring io- nized. It creates around the entire ring around an arc area, but not through to the mass (of the cylinder head or piston). An example in this direction is given in [1].
  • Such designed spark plugs are to be introduced as LC resonator spark plugs (short LCR spark plugs). For this ignition process, a so-called TEM mode for the RF signal is used.
  • sparks can no longer spread in the direction of the masses, but parallel to the two ground surfaces (cylinder head and piston).
  • Such designed spark plugs are to be introduced as cavity resonator spark plugs (short HR spark plugs). For this ignition process, a so-called cavity resonator mode is used.
  • the HF ignition system is very simple and inexpensive, it is assumed that a separate system is used for each cylinder. The HF electronics of this system is then located at the end of the spark plug connector.
  • the invention can also be configured such that only one circuit for igniting is present and the energy is distributed. The necessary measures using electronic PIN diode or transistor switches are known and the associated components can be produced.
  • the spark plug acts as a small capacity or as a long Resonatorrange. After immediate ionization (and ignition) increases the capacity or shortens the resonator. Consequently, after ignition, the resonance frequency fr changes. This is very pronounced especially for a system with the LCR spark plug.
  • the ignition signal generation after ignition must be able to perform a fast one-time frequency hopping from f ⁇ to fr2. It is important that the output resistance Zaus the Zündsignalerzeugung corresponds to the input resistance Zein of the spark plug after ignition or complex conjugate is adjusted.
  • This frequency hopping can be realized either with a variable voltage oscillator (VCO: voltage controlled oscillator) or via a fast electronic switching between two fixed oscillators. Since VCO 's in the lower GHz range are extremely inexpensive than modules available, you may prefer these. Generally, the switchable oscillator 10 has been indicated for this necessary component in FIG. This is controlled by the engine control. The output signal of the oscillator, which is typically in the mW range, is raised by means of a power amplifier 11 in the one to two digit W range. Highly integrated electronic power amplifiers in the lower single digit GHz Range, have efficiencies of well over 50% and are extremely inexpensive and therefore predestined.
  • VCO voltage controlled oscillator
  • an impedance transformation 12 is performed.
  • the cheapest circuit consists of capacitors and coils (multi-stage gamma transformer) and can be read in "High Frequency" by H. Heuermann, Vieweg- Verlag, ISBN 3-528-03980-9, ([2])
  • the output impedance Zaus should if possible in the three-digit ohms or in the single-digit kOhm range.
  • the voltage at the spark plug is calculated directly from the output power of the amplifier Pout and Zaus:
  • FIG. 20 A simple embodiment of the LCR spark plug 20 is shown in FIG. The similarity to the classic spark plug without ground electrode is apparent.
  • the piston and the cylinder head 21 now serve as mass.
  • the electrode is, if it is metallic, connected in the lower, no longer visible area to ground.
  • the electrode is slightly closer to the cylinder head than the piston. In this case, two spark gaps, starting from the two ends of the electrode in the direction of the cylinder head. Instead of a T-piece, two single bows could be used. This design would ensure that both sparks are always present.
  • the T can be expanded into a double tee and even more complex shapes.
  • Another possible embodiment of the LCR spark plug is shown in FIG.
  • the ancestor A disadvantage of embodiments with an increasing number of ignition paths is the fact that the warming decreases around each ignition path and thus ignition of the fuel mixture becomes less likely. This can only be compensated by a significant increase in the injected RF energy.
  • the TEM mode is used as a high-frequency waveguide, [2]. Consequently, this concept can be implemented over a fairly large frequency range in the MHz and lower GHz range. The frequency limitation of this concept then sets when first cavity resonance mode occur.
  • the LCR spark plug simulates an LC resonator. That is, the metallic electrode forms an inductance (L) and the air gap between the electrode and the spark end and ground the capacity (C).
  • the spark gap is to be considered as a first approximation as a resistor (consumer). Consequently, the capacity in the non-ignited state is significantly smaller than in the ignited state. This results in the two different resonance frequencies for this LC series resonant circuit.
  • the inductance must be as large as possible and the capacitance must be small as possible, which very much accommodates a desired large electrode measuring distance.
  • the geometric configuration of the electrode has an influence on the spark gap and the resulting input resistance Zein of the spark plug. However, this can be achieved by coupling the high-frequency signal to the electronics. be greatly changed.
  • [2] as well as other standard HF literature there are many examples of how an LC resonant circuit can be coupled. Interesting are the current coupling and the magnetic coupling, which may include an additional impedance transformation.
  • the current coupling of the inner conductor of the high-frequency line 13 is connected directly to the electrode at a distance x of a few mm or cm of the short circuit to ground. The choice of the distance x greatly alters the coupling k and the input resistance zein.
  • a second inductor connected in series with the electrode (in the non-visible region, FIG. 3) is installed in the immediate vicinity of the electrode and connected to the inner conductor of the line 13.
  • this circuit an additional and usually desired voltage transformation.
  • the electromagnetic fields inside the cylinder can be displayed.
  • the areas of greatest electric field strength are the areas where the spark propagates.
  • Fig. 4 illustrates a possible cavity mode (Eoi). This is very interesting for an implementation in an ignition, since the electric field has the optimal shape. In the relatively flat cylinder chamber, there are only field lines and thus sparks, which propagate only parallel to the ground planes. In addition, these sparks form a ring that ensures a minimum burning time.
  • FIG. Fig. 6 shows the arrangement for the case that the ignition system has been designed in symmetrical circuit technology. In both cases, the magnetic field is excited by the loop. In this case, the symmetrical solution prevents the occurrence of other unwanted cavity modes much better than the unbalanced solution.
  • the HR spark plug is therefore only a coupling element for the resonator, which is formed only from the boundary of the metal surfaces.
  • the adjustable coupling k can turn a Voltage transformation is accomplished. This transformation is shown in [2] as a gamma transformation, which slightly detunes the resonance frequency. As the transformation value increases, the bandwidth decreases.
  • the sparks are only in the cavity and contact neither the coupling loops nor the mass.
  • the spark gaps are to be considered as a first approximation as resistors (consumers). These "reduce" the reactive resonator range so that frequency hopping may be useful here.
  • the choice of mode and the geometric design of the electrode has an influence on the spark gap and the resulting input impedance Zein of the spark plug.
  • the electromagnetic fields inside the cylinder can be displayed in terms of orientation and absolute size.
  • the areas of greatest electric field strength are the areas where the spark propagates.
  • a very advantageous embodiment of the invention is, if one uses instead of the metallic electrode a purely dielectric electrode or a mixed structure of a metal core and a dielectric sheath. If only one dielectric (with a relatively large dielectric constant) is used as the electrode, then the dielectric wire or resonator is used in HF technology. In the case of the wire, the hybrid fundamental wave HEn is preferably selected as the line mode. Depending on the coupling, the resonator also uses further low-loss modes.
  • a Goubauscher surface conductor also known as the Goubau harmonic conductor
  • the coupling structure changes from the line 13 inside the spark plug 13.
  • a large range of mechanical constructions can be used.
  • An example of the excitation of the basic mode (which is capable of propagating from OHz) is shown in FIG. 7.
  • FIG. 8 Another example is shown in FIG. 8 for the excitation of the Eoi mode, whose implementability is very advantageous.
  • the dielectric electrode can be substituted for the LC and HR spark plugs.
  • the HR spark plug does not change anything on the waveguide mode. Only the geometric shaping of the dielectric wire has to be optimized according to the coupling-in conditions.
  • Fig. 9 shows an arrangement that can be implemented by means of purely metallic, mixed or purely dielectric electrode materials.
  • a metallic electrode is an LC resonant circuit and a dielectric electrode is a mode of a dielectric resonator.
  • FIG. 9 generates a spark in both cases, which runs between the two electrodes.
  • This arrangement is an advantageous embodiment of the HF ignition for direct injection.
  • the electromagnetic fields and the input resistance Z ' can be calculated before the time of ignition.
  • simulators do not take into account high-frequency ionization and ignition. If you want to determine the changing input resistance zein after the ignition, this is only possible via a so-called hot scattering parameter measurement. This is known from the measurement of the electrical properties of power transistors. Shape of the RF signal
  • a plasma can be produced significantly better if the signal is a so-called chirp signal. That is, the signal is changed over time in the absolute frequency.
  • the transmission link as it is also known from radar technology, must be designed according to dispersive. After passing through the transmission path results in correct interpretation of a delta signal-shaped pulse with significantly increased electric field strength. Since in practice, after ignition with this very short RF pulse, one wishes to maintain the ignition spark for a period of time, a fixed frequency for the desired duration is left after the frequency sweep.

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Abstract

Die Erfindung beinhaltet eine neuartige Konstruktion zum Aufbau von einer Hochfrequenz Zündanlage für Ottomotoren, die insbesondere dazu geeignet ist, die Eigenschaften von Kfz -Motoren in Hinblick auf Verbrauch, Leistung und Abgasemission zu verbessern. Diese HF- Zündung ist für Vergaser-, Einspritz- wie auch Direkteinspritz- und Turbo -geladene Motoren einsetzbar. Die HF- Zündung weist je nach Auslegung einen großen Zündbereich mit einer Abdeckung bis zu mehreren cm2 auf und erlaubt die beliebige Einstellung der Zünddauer. Die Brenndauer kann aufgrund des großen Zündbereiches um Faktoren gegenüber dem Stand der Technik minimiert werden. Hervorragende Wirkungsgrade lassen sich mit dieser Zündung u.a. durch den Einsatz dielektrischer Elektroden erzielen. Die HF- Zündanlage lässt sich mittels Hochfrequenzelektronikbauelemente, die aufgrund des Telekommunikationsmarktes sehr preisgünstig verfügbar sind, und üblicher Zündkerzentechnologie sehr preiswert herstellen, zumal die Hochspannungsanforderungen deutlich geringer sind, verglichen zu klassischen Zündanlagen.

Description

Hochfrequenzzündanlage für Kraftfahrzeuge
Beschreibung
Aufgabe einer Zündung ist es, das verdichtete Luft-Kraftstoffgemisch im richtigen Zeitpunkt zu entflammen und so • die Verbrennung einzuleiten.
Zündanlagen in der Kraftfahrzeugtechnik haben sich zwar in vielen Details im Laufe des letzten Jahrhunderts stark verändert, aber das Grundprinzip ist wie das der beiden wichtigsten Motorkonzepte (Otto- und Dieselmotor) gleich geblieben. Beim Ottomotor wird eine Hochspannung von über 25000V erzeugt, die an einer Zündkerze eine kurzzeitige Lichtbodenentladung zwischen Elektrode und Masse bewirkt.
Während alte Zündanlagen nur mechanische Schalter aufwiesen, werden heutzutage fast ausschließlich elektronische Transistorschalter eingesetzt. Während man früher mittels nur einer Zündspule und einem Zündverteiler arbeitete, werden heutzutage zunehmend je eine Zündspule pro Zylinder eingesetzt. Mittlerweile spricht man von einer Vollelektronischen Zündung (VZ) , da nunmehr die Zündauslösung, die Zündwinkelbestimmung und die Verteilung über elektronische Schalter bzw. Komponenten erfolgt. In modernen von Mikroprozessoren gesteuerten Kennfeldzündungen wird der Zündwinkel in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Last optimiert. Die Informationen vieler Sensoren wie dem Klopfsen- sor, dem Motortemperatursensor und die Stellung des Drosselklappenschalters gehen zur Berechnung des optimalen Zündzeitpunktes ein.
Jedoch beruhen die Masse der Zündanlagen auf das induktive Prinzip zur Erzeugung einer Hochspannung mittels einer Zündspule. Die so genannte Hochspannungs-Kondensator- zündung (HKZ) stellt eine Ausnahme dar, die sich jedoch nicht technisch in breiter Masse durchgesetzt hat. Dieses auch als Thyristorzündung bekannte Konzept nutzt einen Thyristor und einen Kondensator zur Impulserzeugung. In der Praxis wird noch ein Zündtransformator zur Erzeugung der Hochspannung eingesetzt. Auch dieses Konzept arbeitet mit einer klassischen Zündkerze. Nachteilig ist, dass die Funkdauer nur maximal 0 , 3ms beträgt und somit in Verbindung mit einer klassischen Zündkerze ein sicheres Entflammen des Luft-Kraftstoffgemisches nicht gewährleistet.
Das Grundprinzip einer Zündanlage mit Zündspule sieht wie folgt aus: Wenn bei eingeschaltetem Zündschalter der Unterbrecherkontakt geschlossen ist, fließt Strom aus der Batterie bzw. der Lichtmaschine durch die Primärwicklung der Zündspule und baut zur Energiespeicherung ein starkes Magnetfeld auf. Im Zündzeitpunkt unterbricht der Unterbrecher den Strom, die gespeicherte Magnetfeldenergie in der Spule versucht den Strom aufrecht zu erhalten und induziert in der Sekundärwicklung die zur Zündung notwendige Hochspannung, die über koaxiale Hochspannungskabel zur Zündkerze gelangt und dort einen Lichtbogen auslöst. Die dafür notwendige Energie liegt im Bereich von 0,2 bis 3 mJ. In der Praxis weist das Zündsystem eine gespeicherte Energie von 60 bis 120 mJ auf.
Bei dem elektrischen Signal, das zur Zündkerze gelangt, handelt es sich bei einer Betrachtung im Zeitbereich um einen so genannten Delta-Implus . Da man in der Praxis den Unterbrecherkontakt ob mechanisch oder elektronisch nicht unendlich schnell öffnen kann und das Zündsystem (insbesondere die ausgedehnte Zündspule) nicht weit in den GHz- Bereich Signale transportieren kann, handelt es sich um ein Tiefpassbegrenztes Signal. Somit weißt das Zeitsignal die Charakteristik eines Si-Impulses, der auf der Funktion sin(x)/x beruht, auf. Bei einer Betrachtung im Frequenzbereich weist ein Zündimpuls ein sehr breites Spektrum, das theoretisch bei OHz beginnt und in der Praxis zu höheren Frequenzen im dreistelligen MHz-Bereich und im GHz-Bereich stark abfällt.
Schlussendlich soll mittels einer optimalen Zündung der Motor auf maximale Leistung und/oder minimaler Kraftstoffverbrauch und/oder saubere Abgaswerte bei Vermeidung des Motorklopfens optimiert werden.
Dafür sind letztlich die Position, Form (Länge) sowie der Zeitpunkt und der Zeitraum des Lichtbogens an der Zündkerze verantwortlich. Die Kennfeldzündung erlaubt nunmehr die präzise Einhaltung des Zeitpunktes . Die anderen drei Größen hängen stark von der Gestaltung der Zündkerzen und auch von der Architektur und Leistungsfähigkeit des Zündsystems ab. Für eine verbesserte Gestaltung der Zündkerze bzw. der Verbrennung werden gelegentlich so genannte Zündkammern oder die Verwendung von zwei Zündkerzen im Zylinderkopf eingesetzt. Je länger der Abstand zwischen der Elektrode und der Masse der Zündkerze ist, desto länger ist auch der Zündfunke. Durch mehrere Massebögen an einer Zündkerze lassen sich mehrere Funkenstrecken realisieren. Man maxi- miert die Funkenlänge und die Anzahl der Funken für die Optimierung der Verbrennung. Dieses erfordert eine größere Hochspannung und Leistung im Zündsystem.
Der Zündfunke entflammt das Luft-Kraftstoffgemisch. Die Brenndauer wird hauptsächlich von der Flammenausbreitung (Brenngeschwindigkeit) VB bestimmt. Die Brenngeschwindigkeit VB liegt bei 20 bis 40 m/s. Folglich liegt die Zeit für ein Verbrennungsprozess tβ bei einem Zylinderradius rz von 5cm bei rund 25ms. Günstig für niedrigen Kraftstoffverbrauch und somit hohen Wirkungsgrad ist eine kurze Brenndauer und (relativ zur Kolbenbewegung) die richtige zeitliche Lage der Wärmefreisetzung. Letzteres lässt sich durch Kennfeldzündung einschließlich der Klopfsensoren optimieren.
Neben diesen „klassischen" Stand der Technik gibt es auch schon eine erste Arbeit, die in Richtung der hier vorgestellten HF-Zündung geht, ( [3] , „A Novel Spark-Plug for Improved Ignition in Engines with Gasoline Direct Injecti- on (GDI) " von K. Linkenheil und anderen, IEEE Transactions on Plasma Science, VoI 33, No. 5, Oct . 2005) . Diese Arbeit beschreibt detailliert, warum eine klassische Zündung für Benzindirekteinspritzer ungenügende Resultate bittet. Als Lösung wird ein Aufbau vorgeschlagen, bei dem der Innen- leiter eines koaxialen Resonators in den Zylinderraum hineinragt .
Deutlich, wird in [3] auch herausgehoben, dass die Plasmabildung in zunehmend komprimierter Luft, wie es in Ottomotoren der Fall ist, eine zunehmende elektrische Feldstärke erfordert .
Kritik am Stand der Technik
Die Masse der heutigen Zündanlagen arbeitet mit einem induktiven Zündsystem (Zündspule) und einer Zündkerze (für einen Zylinder) .
Der oder die Zündfunken an der einen Zündkerze pro Zylinder befinden sich im Mittelpunkt des Zylinders. Die Brenndauer hängt vom Zylinderradius ab. Moderne Motoren werden als Kurzhuber ausgelegt und weisen deshalb einen relativ großen Zylinderradius auf. Bei der Gestaltung von bisherigen Zündkerzen ist es noch nicht gelungen einen Lichtbogenbereich zu erschaffen, der um Größenordnungen die Brenndauer senkt. Könnte man die Brenndauer auf ein Drittel der Zeit senken, so würde man den Wirkungsgrad merklich verbessern und somit zu geringeren Kraftstoffverbrauch und/oder einer höheren Leistungsausbeute gelangen.
Die Zündanlage arbeitet mit extrem großen Spannungen, was insbesondere eine Hochintegration der Anlage verhindert und auch sehr viel Aufwand bei der Entwicklung der Teil- komponenten unter Verwendungen bester Materialien bedeutet.
Die Spannungsisolation ist eines von mehreren Gründen, warum eine Zündanlage nicht konsequent nach Hochfrequenzge- sichtpunkten (d.h. impedanzkontrolliert) aufgebaut ist. Die nicht vorhandene Hochfrequenz- (HF-) Tauglichkeit erfordert wiederum eine höhere Spannung.
Der Zündfunken bzw. Lichtbogen vollzieht sich komplett von der Elektrode bis zur Masse. Innerhalb eines schmalen Bereiches findet eine Ionisation des Gases (Luft-Kraftstoff- gemisches) statt. Über diese ionisierte Strecke fließt ein kurzzeitiger Strom mit einer sehr großen Stromdichte. Diese große punktuelle Stromdichte bewirkt an der Zündkerzen eine große Abnutzung. Zur Verminderung dieser Abnutzung werden immer wieder verbesserte und teuere Materialien insbesondere für die Elektrode eingesetzt. Trotzdem ist die Lebensdauer einer Zündkerze auf eine Laufleistung zwischen 50000 und 80000km begrenzt. Folglich müssen die Zündkerzen relativ häufig gewechselt werden, was insbesondere bei modernen ultrakompakten Motoren zunehmend aufwendiger ist.
Die Zündanlage weist einen relativ geringen Wirkungsgrad auf. Bei einem deutlich verbesserten Wirkungsgrad wird nicht nur der Stromverbrauch reduziert. Es muss auch viel weniger Verlustleistung in Form von Wärme abgeführt werden. Dieses erlaubt wiederum einen billigeren und höher integrierten Aufbau.
Will man eine Hochfrequenzionisation auslösen, so benötigt man eine möglichst große elektrische Feldstärke, die aus möglichst wenig Leistung generiert werden soll. Bei der Lösung in [3] findet in der Zuleitung zum Resonator keine Impedanztransformation statt, was (wie im Weiteren noch vorgestellt wird) einer hohen Feldstärkegeneration abträglich ist. Weiterhin ist das Konzept einen zusätzlichen Resonator in den Zylinder hineinragen zu lassen nicht praxisgerecht. Alternativen zum Aufbau des Resonators werden im Weiteren vorgestellt.
Darüber hinaus wurde hier der Effekt der sich ändernden Resonanzfrequenz nicht berücksichtigt (auch dieser wird im Weiteren dargelegt) . Ungenügende Beschreibung der belasteten Güte des Resonators wie auch fehlende 3D- Feldsimulation tragen ebenso an eine mangelnde HF- Leistungsausbeute bei. In Summe führte dieser Ansatz zu einer Lösung, die eine Spitzenleistung von rund 600W zur Plasmaerzeugung im Kfz-Motor benötigt und folglich nur aufwendig umsetzbar ist.
Alle bekannten Zündsysteme arbeiten mit einer metallischen Elektrode. Diese muss, damit eine gute thermische Anbindung zum Zylinderkopf aufweisen, damit die metallische E- lektrode nicht zu sehr erhitzt wird und schmilzt. Diese gute thermische Ableitung reduziert deutlich den Wirkungsgrad eines Zündsystems .
Erzielbare Vorteile
Gegenstand der Erfindung ist der Aufbau einer Zündanlage basierend auf einem relativ schmalbandigen Hochfrequenz- signal (im dreistelligen MHz- und gesamten GHz-Bereich) und einem breiten fast beliebig gestaltbaren Lichtbogenbereich (Zündbereich) , der nicht bis zur Masse reicht und dessen Funkendauer (Zünddauer) beliebig einstellbar ist. Die Zündkerze weist nur noch eine beliebig gestaltbare E- lektrode auf. Der Zylinderkopf und der Kolben bilden die Masse.
Mittels dieser HF-Zündung lassen sich Zündkerzen gestalten, die zum Beispiel eine Doppelelektrode aufweisen und folglich zwei Zündfunkenpfade haben. Es ist sogar möglich, dass die Elektrode als Ring (Torus) mit 2/3 des Radius des Zylinders ausgestaltet ist . Das Gas wird nur um diesen Ring herum ionisiert. Es entstehen um den gesamten Ring herum Lichtbögen, die jedoch nicht zur Masse (des Zylinderkopfes oder Kolben) durchschlagen und deren Längen im cm-Bereich liegen. Mittels dieses Zündfunkens lässt sich bei gleicher Brenngeschwindigkeit die Brenndauer auf ein Drittel reduzieren. Die Zünddauer des Funkens ist nunmehr einstellbar. Dieses bewirkt eine merkliche Verbesserung des Wirkungsgrades des Motors . Dadurch, dass der Zündfunken im cm-Bereich liegt, lässt sich durch die verkürzten Wege nochmals die Brenndauer deutlich verringern.
Je höher die Frequenz des Zündsignals gewählt wird, desto kleiner kann die an der Zündkerze anliegende Spannung sein. Bereits im unteren GHz-Bereich, für den es viele preisgünstige Elektronikbausteine gibt, kann die Spannung je nach gewünschter Lichtbogenlänge auf maximal einstellige kV-Werte gesenkt werden. Diese Reduktion der maximalen Spannung erlaubt eine Umsetzung mit deutlich preisgünstigeren Materialien und Komponenten.
Dadurch, dass nur mit einem bzw. zwei schmalbandigen Hochfrequenzsignalen gearbeitet wird, ist ein HF-tauglicher Aufbau sehr einfach möglich. Beispielsweise lassen sich nunmehr lambda/2-Leitungen mit all ihren Vorteilen einsetzen. D.h. Leitungen müssen nicht den gewünschten Wellenwiderstand aufweisen. Dieses vereinfacht z.B. ein Hochfrequenzgerechtes Design der Zündkerze.
Die Elektrode strahlt nunmehr die Energie über mehrere Pfade oder eine große Fläche ab. Die elektromagnetische Energie erzeugt im ionisierten Bereich um die Elektrode einen HF-Strom, der aufgrund der Erhitzung Lichtbogenartig u.a. Strahlungsenergie im optischen Bereich abgibt. Somit erfolgt der Energieaustritt aus der Elektrode nicht mehr als Strom, sondern als elektromagnetisches Feld. Die Elektrode wird vom Funken (feld) nicht mehr belastet. Folglich muss für die Elektrode auch kein spezielles Metall eingesetzt werden. Die Zündkerze kann somit über die gesamte Lebensdauer des Kraftfahrzeuges eingesetzt werden.
Möchte man insbesondere die Verwirbelung minimieren, so kann man die Elektrode als zylinderartiges Gebilde ausgestalten, das ähnlich wie bei der klassischen Zündkerze nur leicht in den Zylinderraum hineinragt. Im Gegensatz zur herkömmlichen Zündkerze entfällt jedoch die Masseelektrode, die maßgeblich für Verwirbelungen verantwortlich ist.
Hochintegrierte und preisgünstigste Hochfrequenzleistungs- verstärker für GSM-Mobilfunk-Anwendungen und Handsets weisen Wirkungsgrade von über 50% auf. Kurze Leitungen lassen sich im unteren GHz-Bereich nahezu verlustfrei realisieren. Somit ist für die HF-Zündanlage ebenfalls das Potential für ein sehr guten Wirkungsgrad und somit eine hochintegrierte Realisierbarkeit gegeben. Im Gegensatz zu [3] bildet der Zylinderräum entweder zum Teil oder komplett den Hochfrequenzresonator . Dieses spart Aufwand und erhält den Brennraum in nahezu unveränderter Form. Ebenso ist die Gestaltung der Zündkerzen deutlich einfacher und ähnlicher zur klassischen Zündkerze, was viele praktische Vorteile mit sich bringt. Weiterhin sorgen Impedanztransformationen für eine deutlich größere e- lektrische Feldstärke, was hilft, die notwendigen HF- Leistungen gegenüber [3] merklich zu reduzieren. Darüber hinaus wird in Anbetracht der sich ändernden Resonanzfrequenz diese auch nachgezogen.
Die Materialwahl für den Elektrodenaufbau erlaubt neben Metall auch den Einsatz eines dielektrischen Werkstoffes . Beispielsweise kann die Elektrode aus einem keramischen Material mit einer hohen dielektrischen Konstanten und sehr hohem Schmelzpunkt bestehen. Folglich ist eine sehr gute Wärmeableitung nicht mehr erforderlich. Dadurch lässt sich ein deutlich verbesserter Wirkungsgrad erzielen.
Weitere Ausgestaltung- der Erfindung
Der Einsatz von Magneten erlaubt eine weitere einfache Manipulation der Gestaltung der Funkenstrecke.
Die HF-Zündung ist nicht auf Kraftfahrzeuganwendungen beschränkt. Sie kann in jeden Bereich in dem Zündprozesse erforderlich sind eingesetzt werden.
Da die Elektrodengestaltung beliebig ist, kann die HF- Zündung im Dauerbetrieb auch als Leuchtmittel eingesetzt werden. Insbesondere in Verbindung mit Gasen, die geringe Ionisationsenergien aufweisen, lassen sich zum Beispiel effektvolle Werbeleuchten erstellen.
HF-Zündungen können somit auch die Starter in Leuchtstoffröhren ersetzen.
Selbst zur Optimierung von Sprengkörpern wäre die HF- Zündung einsetzbar.
Mittels zusätzlicher UV-Strahlung lässt sich die zum Zünden notwendige elektrische Feldstärke reduzieren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert .
Es zeigen:
Figur 1 Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Zündanlage für einen Zylinder,
Figur 2 Darstellung einer LC-Resonator-Zündkerze über den Zylinderkopf mit T-Form zur Erzeugung von zwei Zündfunken,
Figur 3 Darstellung einer LC-Resonator-Zündkerze über den Zylinderkopf mit Torus-Form,
Figur 4 Eoi-Mode im Rundhohlleiter (E-FeId gestrichelt, H-FeId durchgezogen) ,
Figur 5 perspektivische Darstellung einer Hohlraum- Resonator-Zündkerze über den Zylinderkopf (ohne Ventile) für die Anregung des Eoi-Modes bei unsymmetrischer Anregung,
Figur 6 perspektivische Darstellung einer Hohlraum- Resonator-Zündkerze über den Zylinderkopf (ohne Ventile) für die Anregung des Eoi-Modes bei symmetrischer Anregung,
Figur 7 Darstellung einer Ankopplung einer dielektrischen Elektrode für die Anregung des HEn- Grundmodels ,
Figur 8 Darstellung einer Ankopplung einer dielektrischen Elektrode für die Anregung des Eoi-Modes und
Figur 9 Darstellung einer TEM- oder dielektrische Zündkerze über den Zylinderkopf (ohne Ventile) für eine Funkenbildung bei symmetrischer Ansteuerung.
Beschreibung der Erfindung-
Grundlagen der HochfrequenzIonisierung
Physikalische Grundlagenbücher lehren, dass die Ionisation eines Gases nur durch die Elektronenstoßionisierung, angeregt durch einen Elektronenstrahleinschuss, der thermischen Ionisierung bei extrem hohen Temperaturen (10A6K) oder der Fotoionisierung mittels ultravioletten Licht erfolgt.
Darüber hinaus hat der Erfinder im GHz-Bereich experimen- talphysikalisch Aufbauten realisiert, mittels denen ionisierte Bereiche über die Einspeisung von relativ wenig hochfrequenter Energie entstanden. Diese Ergebnisse decken sich mit anderen publizierten Resultaten, die jedoch im MHz-Bereich durchgeführt wurden, ( [1] , „Experimente mit Hochfrequenz" von H. Chmela, Franzis-Verlag, ISBN 3-7723- 5846-2) . Dieses soll im Weiteren als Hochfrequenzionisierung bezeichnet werden. In [1] sind Bilder zu sehen, deren Funkenbildung über Hochfrequenzionisierung einer Anwendung als Zündung ähneln. Auch in [3] wird diese Hochfrequenzio- nisation nachgewiesen und herausgehoben, dass eine zusätzliche UV-Strahlung diese Ionisation bei kleineren elektrischen Feldstärken erlaubt .
Weist ein ionisiertes Gas die gleiche Anzahl von Elektronen und Ionen auf, so handelt es sich um ein im Mittel raumladungsfreies Gas und wird Plasma genannt.
Weiterhin lässt sich über die Maxwellschen Gleichungen zeigen, dass für ein ionisiertes Gas die folgenden mathematischen Zusammenhänge gelten:
Relative Dielektrizitätszahl : er = 1 - (N eA2) / eo / m / ( uA2 + wA2) (D
Relative Leitfähigkeit: k = (N eA2 u) / m / ( uA2 + wA2) (2) Plasmafrequenz : wp e(N eA2 / m / eo) (3) mit den Größen:
N: Zahl der Elektronen pro Volumen, e: Ladung eines Elektrons, m-. Masse eines Elektrons, eo : elektrische Feldkonstante, u: Frequenz der Zusammenstöße der Elektronen mit den Gasmolekülen, w: Frequenz des HochfrequenzSignals .
Detaillierte Untersuchungen zeigen, dass unterhalb der Plasmafrequenz keine elektromagnetische Energie ausbreitungsfähig ist und keine Verluste im Plasma stattfinden. Hingegen weist der Raum einen reellen Feldwellenwiderstand Zf oberhalb der Plasmafrequenz auf. Zf fällt zu höheren Frequenzen ab und nähert sich exponentiell dem Freiraumwiderstand Zo von rund 377W. D.h. , bei höheren Frequenzen benötigt man geringere Spannungen um die gleichen Leistungen umzusetzen als bei tieferen Frequenzen.
Gleichung (2) zeigt, dass der (kleine) Widerstand und somit die Verluste mit zunehmender Frequenz steigen. Folglich lassen sich bei höheren Frequenzen die Gase besser erhitzen. Bei einer Analyse der Atmosphäre für die Transmissionseigenschaften der HF-Signale erkennt man, dass im zwei- bis dreistelligen MHz-Bereich die Strahlung nahezu gar nicht absorbiert wird, während bei 50 GHz die gesamte Strahlung als molekulare Absorbtion in Wasserstoff bzw. Sauerstoff gedämpft wird. Im unteren MHz-Bereich kann man so genannte Tesla- Transformatoren verwenden, um damit 10OW-Generatoren mit 5kV AusgangsSpannung zu fertigen und damit 10cm lange Funkenstrecken in Luft zu erzeugen, [1] . Der Erfinder hat bei 2,5GHz mittels eines 50W-Senders und einer Spannung von nur 300V bereits lern lange Funkenstrecken erzeugt. Die Leistungsaufnahme lag dabei weit unter 5OW. Eine Schaltungsoptimierung fand nicht statt .
Die Erfindung beschreibt im Weiteren, wie man mittels Komponenten und Bauelementen aus dem Massenmarkt der Hochfrequenzelektronik eine Schaltung realisiert, die einer Zündsignalerzeugung entspricht, und wie eine zugehörige Zündkerze gestaltet sein muss .
Grundsätzlicher Aufbau
Gegenstand der Erfindung ist der Aufbau einer Zündanlage basierend auf einem relativ schmalbandigen Hochfrequenz- signal (im dreistelligen MHz- und gesamten GHz-Bereich) und einem breiten fast beliebig gestaltbaren Lichtbogenbereich, der nicht bis zur Masse reicht. Die Zündanlage o- der kurz Zündung lässt sich in die Zündsignalerzeugung und die Zündkerze unterteilen. Die Zündkerze weist nur noch eine fast beliebig gestaltbare Elektrode auf. Der Zylinderkopf und der Kolben bilden die Masse.
Mittels dieser HF-Zündung lassen sich Zündkerzen gestalten, die zum Beispiel als Elektrode mehrere Funkenpfade oder gar einen Ring (Torus) mit 2/3 des Radius des Zylinders aufweisen. Das Gas wird nur um diesen Ring herum io- nisiert. Es entsteht um den gesamten Ring herum ein Lichtbogenbereich, der jedoch nicht zur Masse (des Zylinderkopfes oder Kolben) durchschlägt. Ein Beispiel in dieser Richtung ist in [1] angegeben. Derartige gestaltete Zündkerzen sollen als LC-Resonator-Zündkerzen (kurz LCR- Zündkerzen) eingeführt werden. Für diesen Zündprozess wird ein so genannter TEM-Mode für das HF-Signal genutzt.
Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung liegt darin, dass sich die Zündfunken nicht mehr in Richtung der Massen, sondern parallel zu den beiden Masseflächen (Zylinderkopf und Kolben) ausbreiten lassen. Derartige gestaltete Zündkerzen sollen als Hohlraum-Resonator-Zündkerzen (kurz HR-Zündkerzen) eingeführt werden. Für diesen Zündprozess wird ein so genannter Hohlraumresonatormode genutzt .
Da die HF-Zündanlage sehr einfach und preisgünstig ist, wird davon ausgegangen, dass für jeden Zylinder eine eigene Anlage eingesetzt wird. Die HF-Elektronik dieser Anlage befindet sich dann am Ende des Zündkerzensteckers . Natürlich lässt sich die Erfindung auch ausgestalten, dass nur eine Schaltung zur Zünderzeugung vorhanden ist und die E- nergie verteilt wird. Die dazu notwendigen Maßnahmen unter Verwendung von elektronischen PIN-Dioden- oder Transistor- Schaltern sind bekannt und die zugehörigen Komponenten sind herstellbar.
Sonderformen der beiden genannten Zündkerzenformen ergeben sich durch die Verwendung von dielektrischen Elektroden, deren Einsatz im GHz-Bereich relative einfach möglich ist. Gestaltung der Zündsignalerzeugung
Egal welches der Zündkerzenkonzepte verfolgt wird, zu Beginn der Zündung gibt es noch keine ionisierte Gemischstrecke oder -fläche. Im Anfangszustand wirkt die Zündkerze wie eine kleine Kapazität bzw. wie eine lange Resonatorstrecke. Nach unmittelbar erfolgter Ionisierung (und Zündung) vergrößert sich die Kapazität bzw. verkürzt sich die Resonatorstrecke. Folglich verändert sich nach erfolgter Zündung die Resonanzfrequenz fr. Dieses ist insbesondere für ein System mit der LCR-Zündkerze sehr ausgeprägt .
Aus diesem Grund muss die Zündsignalerzeugung nach erfolgter Zündung in der Lage sein ein schnelles einmaliges Fre- quenz-Hopping von fπ nach fr2 durchzuführen. Wichtig ist, dass der Ausgangswiderstand Zaus der Zündsignalerzeugung dem Eingangswiderstand Zein der Zündkerze nach erfolgter Zündung entspricht bzw. konjugiert komplex angepasst ist.
Diesen Frequenzsprung kann man entweder mit einem über einer Spannung veränderbaren Oszillator (VCO: voltage controlled oscillator) oder über eine schnelle elektronische Umschaltung zwischen zwei Festoszillatoren realisieren. Da VCO' s im unteren GHz-Bereich äußerst preisgünstig als Module erhältlich sind, wird man diese ggf. bevorzugen. Allgemein wurde für diese notwendige Komponente in Fig. 1 der schaltbare Oszillator 10 angegeben. Dieser wird von der Motorsteuerung kontrolliert. Das Ausgangssignal des Oszillators, das typisch im mW-Bereich liegt, wird mittels eines Leistungsverstärkers 11 in den ein- bis zweistelligen W-Bereich angehoben. Hochintegrierte elektronische Leistungsverstärker im unteren einstelligen GHz- Bereich, weisen Wirkungsgrade von weit über 50% auf und sind äußerst preisgünstig und somit prädestiniert.
Damit an der Zündkerze eine möglichst große Spannung anliegt, wird eine Impedanztransformation 12 durchgeführt. Hier gibt es im HF-Fall ein sehr großes Spektrum an Schaltungen. Die preisgünstigste Schaltung besteht aus Kondensatoren und Spulen (mehrstufiger Gamma-Transformator) und kann in „Hochfrequenztechnik" von H. Heuermann, Vieweg- Verlag, ISBN 3-528-03980-9, ([2]) nachgelesen werden. Die Ausgangsimpedanz Zaus sollte möglichst im dreistelligen Ohm oder im einstelligen kOhm-Bereich liegen.
Die Spannung an der Zündkerze berechnet sich unmittelbar aus der Ausgangsleistung des Verstärkers Pout und Zaus:
Figure imgf000020_0001
Folglich sollte ein Arbeitspunkt gewählt werden, der deutlich über der Plasmafrequenz wp liegt. Die im Anschluss folgende Hochfrequenzleitung 13 (z.B. Koaxialleitung) sollte möglichst mit dem Wellenwiderstand ZL= Zaus ausgelegt werden. Sie muss nicht unbedingt den Wellenwiderstand ZL der Ausgangsimpedanz entsprechen, wenn sichergestellt ist, dass die Leitung bei den beiden Resonanzfrequenzen frl und fr2 der Länge von n*lambda/2 entspricht. Die hoch- ohmigste und preisgünstigste Koaxialleitung erzielt man dadurch, dass die im Zündkerzenstecker integrierte Zündanlage nur über den Innenleiter (der Koaxialleitung) mit der Zündkerze verbunden ist. Der Außenleiter wird dann durch den Zylinderkopfdeckel bzw. Ventildeckel realisiert. Jedoch erreicht man auch bei dieser Konstruktion in der Regel noch nicht den kOhm-Bereich. Eine weitere Abhilfe kann dadurch erzielt werden, dass ein zweiter Impedanztransformator in der Zündkerze integriert ist.
Alternativ und nur mit geringen Mehraufwand behaftet kann man die gesamte Schaltung in differentieller Leitertechnik [2] ausgelegen. In diesem Fall lässt sich z.B. in Form einer Zweidrahtleitung eine deutlich hochohmigere HF-Leitung realisieren. Jedoch wäre es für die Konstruktion vorteilhafter zwei baugleiche Zündkerzen einzusetzen. Insbesondere für die Ansteuerung der in Fig. 6 angegebenen HR- Zündkerzen wäre diese symmetrische Technik vorteilhaft.
Die LC-Resonator-Zündkerze
Eine einfache Ausführungsform der LCR-Zündkerze 20 ist in Fig. 2 dargestellt. Die Ähnlichkeit zur klassischen Zündkerze ohne Masseelektrode ist ersichtlich. Bei der LCR- Zündkerze dient nunmehr der Kolben und der Zylinderkopf 21 als Masse. Die Elektrode ist, sofern sie metallisch ausgeführt ist, im unteren, nicht mehr sichtbaren Bereich gegen Masse geschaltet. In der Praxis befindet sich die Elektrode etwas näher am Zylinderkopf als am Kolben. In diesem Fall stellen sich zwei Funkenstrecken ausgehend von den beiden Enden der Elektrode in Richtung Zylinderkopf ein. Statt eines T-Stücks ließen sich auch zwei einzelne Bögen verwenden. Diese Konstruktion würde sicherstellen, dass auch immer beide Zündfunken anliegen.
Das T kann zum Doppel-T-Stück und noch komplexeren Gebilden erweitert werden. Eine weitere mögliche Ausführungs- form der LCR-Zündkerze ist in Fig. 3 dargestellt. Die Ahn- lichkeit zu dem experimentellen Aufbau von [1] ist für die Gestaltung der Elektrode ersichtlich.. Nachteilig an Ausführungsformen mit steigender Anzahl an Zündpfaden ist der Sachverhalt, dass um jeden Zündpfad die Erwärmung abnimmt und somit Zündung des Kraftstoffgemisches unwahrscheinlicher wird. Dieses kann nur durch eine deutliche Erhöhung der eingespeisten HF-Energie kompensiert werden.
Bei dieser Zündkerze wird der TEM-Mode als Hochfrequenz- Wellenleiter genutzt, [2] . Folglich lässt sich dieses Konzept über einen recht großen Frequenzbereich im MHz- und unteren GHz-Bereich umsetzen. Die Frequenzbegrenzung dieses Konzeptes setzt dann eine, wenn erste Hohlraumresonanzmode auftreten.
Die LCR-Zündkerze bildet einen LC-Resonator nach. D.h., die metallische Elektrode bildet eine Induktivität (L) und die Luftstrecke zwischen Elektrode bzw. Funkenende und Masse die Kapazität (C) nach. Die Funkenstrecke ist in erster Näherung als ohmscher Widerstand (Verbraucher) zu betrachten. Folglich ist die Kapazität im ungezündeten Zustand deutlich kleiner als im gezündeten Zustand. Daraus ergeben sich für diesen LC-Serienschwingkreis die zwei verschiedenen Resonanzfrequenzen. Für die Optimierung des Serienschwingkreises muss die Induktivität möglichst groß und die Kapazität möglich klein gewählt werden, was einen gewünschten großen Elektroden-Messeabstand sehr entgegen kommt .
Die geometrische Gestaltung der Elektrode hat einen hat Einfluss auf den Zündfunkenbereich und den resultierenden Eingangswiderstand Zein der Zündkerze. Dieser kann jedoch durch die Ankopplung des Hochfrequenzsignals an die Elekt- rode stark verändert werden. In [2] wie auch anderer HF- Standardliteratur sind viele Beispiele gegeben, wie sich ein LC-Schwingkreis ankoppeln lässt. Interessant sind die Stromkopplung und die magnetische Kopplung, die eine zusätzliche Impedanztransformation beinhalten kann. Bei der Stromkopplung wird der Innenleiter der Hochfrequenzleitung 13 direkt an der Elektrode im Abstand x von einigen mm oder cm des Kurzschlusses gegen Masse verbunden. Die Wahl des Abstandes x verändert stark die Ankopp- lung k und den Eingangswiderstand Zein. Bei der magnetischen Kopplung wird eine zweite gegen Masse geschaltete Induktivität in unmittelbarer Nähe zur Elektrode (im nicht sichtbaren Bereich, Fig. 3) installiert und mit dem Innenleiter der Leitung 13 verbunden. Je nach Wahl der Induktivitäten kann mit dieser Schaltung eine zusätzliche und i.d.R. gewünschte Spannungstransformation realisiert werden.
Mittels 3D-HF-Feldsimulatoren lassen sich die elektromagnetischen Felder im Zylinderinneren darstellen. Die Bereiche mit den größten elektrischen Feldstärken sind die Bereiche, in denen sich der Zündfunke ausbreitet.
Zunehmend werden in der Hochfrequenztechnik symmetrische Schaltungen mit einer Reihe von Vorteilen eingesetzt. Die umfangreichste Darstellung dieser Schaltungstechnik ist in [2] gegeben. In der Anwendung in einer Zündung hat man einerseits die Vorteile für die elektrische Schaltungstechnik, wie diese bis hin zur Kompensation des Millereffektes in [2] dargestellt sind. Andererseits ergibt sich unmittelbar eine Spannungsverdopplung und zusätzlich lassen sich hochohmigere Leitungen für die Anwendung in einer Zündung herstellen. Darüber hinaus gibt es den sehr großen Vorteil, dass sich über den Einsatz von nunmehr mindestens zwei Zündkerzen Funkbereiche realisieren lassen, die rein parallel zu den Masseflächen verlaufen. Die Masse hat das Potential von OV und die Funkbereiche bilden sich nur noch zwischen den beiden Elektroden aus.
Die Hohlraum-Resonator-Zündkerze
Hohlraummoden sind bestens wissenschaftlich und technisch untersucht und in vielen Komponenten wie HF-Filtern implementiert. Ab einer gewissen unteren Cutoff-Frequenz können diese Moden existieren. Sie werden in der Technik sehr gerne genutzt, da die Verluste im Metall sehr gering sind. Fig. 4 stellt einen möglichen Hohlraummode (Eoi) vor. Dieser ist für eine Implementierung in einer Zündung sehr interessant, da das elektrische Feld die optimale Form hat. In der relativ flachen Zylinderkammer gibt es nur Feldlinien und somit Funken, die sich nur parallel zu den Masseflächen ausbreiten. Zusätzlich bilden diese Zündfunken einen Ring, der eine minimale Brenndauer sicherstellt.
Eine mögliche Ausführungsform der HR-Zündkerze zur Anregung des Eoi-Modes ist in Fig. 5 dargestellt. Fig. 6 zeigt die Anordnung für den Fall, dass die Zündanlage in symmetrischer Schaltungstechnik ausgelegt wurde. In beiden Fällen wird das magnetische Feld durch die Schleife angeregt. Hierbei verhindert die symmetrische Lösung noch viel besser als die unsymmetrische Lösung das Auftreten anderer unerwünschter Hohlraummoden. Die HR-Zündkerze ist somit nur noch ein Koppelelement für den Resonator, der lediglich aus der Begrenzung der Metallflächen gebildet wird. Mittels der einstellbaren Kopplung k kann wiederum eine Spannungstransformation vollzogen werden. Dargestellt wird diese Transformation in [2] als Gammatransformation, die die Resonanzfrequenz leicht verstimmt. Mit zunehmendem Transformationswert nimmt die Bandbreite ab.
Bei dem vorgestellten Fall des Eoi-Modes befinden sich die Zündfunken nur im Hohlraum und kontaktieren weder die Koppelschleifen noch die Masse. Die Funkenstrecken sind in erster Näherung als ohmscher Widerstände (Verbraucher) zu betrachten. Diese „verkleinern" den reaktiven Resonatorbereich, so dass hier ggf. ein Frequenz-Hopping nützlich ist .
Die Wahl des Modes und die geometrische Gestaltung der E- lektrode hat einen Einfluss auf den Zündfunkenbereich und den resultierenden Eingangswiderstand Zein der Zündkerze .
Mittels 3D-HF-Feldsimulatoren lassen sich die elektromagnetischen Felder im Zylinderinneren in der Ausrichtung und der absoluten Größe darstellen. Die Bereiche mit den größten elektrischen Feldstärken sind die Bereiche, in denen sich der Zündfunke ausbreitet.
Möchte man eine HF-Zündung in einem Ottomotor mit Benzindirekteinspritzung (GDI, s. [3]) einsetzen, so würde sich für die HR-Zündkerze der Grundmode Hn anbieten. Dieser Grundmode hat den sehr großen Vorteil, dass es einen Frequenzbereich gibt, in dem nur dieser auftritt. Diese Tatsache vereinfacht sehr die Ankopplung. Vorteilhaft bei dieser HR-Zündkerze gegenüber [3] wäre, dass neben den bereits ausgeführten Verbesserungen eine Entflammung nicht nur an einem Punkt, sondern im kompletten Umfang um den Einspritzstahl einsetzen würde. Die dielektrische Elektrode
Die bisherigen Zündkerzenauslegungen bezogen sich nur auf die Verwendung einer metallischen Elektrode. Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es, wenn man anstatt der metallischen Elektrode eine rein dielektrische Elektrode oder einen gemischten Aufbau aus einem Metall- kern und einer dielektrischen Ummantelung verwendet . Verwendet man nur ein Dielektrikum (mit relativ großer dielektrischer Konstante) als Elektrode, so stricht man in der HF-Technik vom dielektrischen Draht bzw. Resonator. Beim Draht wird bevorzugt die Hybridgrundwelle HEn als Leitungsmode gewählt. Der Resonator nutzt je nach Ankopp- lung auch weitere verlustärmere Moden. Verwendet man einen gemischten Aufbau aus einem Metallkern und einer dielektrischen Ummantelung so entsteht ein Goubauscher Oberflächenleiter (auch Goubau-Harmsscher Leiter) der eine sehr verlustarme Übertragung im Bereich vom zweistelligen MHz-Bereich bis in den GHz-Bereich erlaubt.
Diese beiden Aufbauten (allg. dielektrische Elektrode) können anstatt der metallischen Elektroden bzw. der Koppelelemente eingesetzt werden. Hierbei ändert sich die An- kopplungsstruktur von der Leitung 13 innerhalb der Zündkerze 13. Abhängig vom gewünschten Hochfrequenzmode ist ein großes Spektrum an mechanischen Konstruktionen anwendbar. Ein Beispiel für die Anregung des Grundmodes (der ab OHz ausbreitungsfähig ist) zeigt Fig. 7. Ein weiteres Beispiel zeigt Fig. 8 für die Anregung des Eoi-Modes, dessen Implementierbarkeit sehr vorteilhaft ist. Wie erwähnt kann die dielektrische Elektrode als Ersatz in der LC- und der HR-Zündkerze eingesetzt werden. Bei der HR-Zündkerze hat ändert sich nichts am Hohlleitermode. Lediglich die geometrische Formung des dielektrischen Drahtes muss gemäß den Einkoppelbedingungen optimiert werden. Folglich geht man von einem koaxialen Mode über auf den Mode des dielektrischen Leiters und zuletzt auf den Rundhohlleitermode. Etwas anders sieht es bei der LC-Zündkerze aus. Hier ändert sich optisch weniger. Beispielsweise zeigt Fig. 9 eine Anordnung, die mittels rein metallischen, gemischten oder rein dielektrischen Elektrodenwerkstoffen umgesetzt sein kann.
Jedoch handelt es sich bei einer metallischen Elektrode um einen LC-Schwingkreis und bei einer dielektrischen Elektrode um einen Mode eines dielektrischen Resonators.
Die in Fig. 9 gezeigte Realisierungsform erzeugt in beiden Fällen einen Zündfunken, der zwischen den beiden Elektroden verläuft. Diese Anordnung ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der HF-Zündung für Direkteinspritzer.
Bestimmung des Eincrangswiderstandes Zein
Mittels 3D-HF-Simulatoren lassen sich die elektromagnetischen Felder und der Eingangswiderstand Z' ein vor dem Zeitpunkt der Zündung berechnen. Simulatoren berücksichtigen die Hochfrequenzionisation und Zündung natürlich nicht. Möchte man den sich verändernden Eingangswiderstand Zein nach der Zündung bestimmen, so ist dieses nur über eine so genannte heiße Streuparametermessung möglich. Diese ist bekannt aus der Vermessung der elektrischen Eigenschaften von Leistungstransistoren. Form des HF-Signales
Beim HF-Signal sind neben der reinen sinusförmigen Auslegung Optimierungen möglich. Beispielsweise lässt sich ein Plasma deutlich besser erzeugen, wenn es sich bei dem Signal um ein so genanntes Chirp-Signal handelt. D.h., dass das Signal über der Zeit in der Absolutfrequenz geändert wird. Hierbei muss die Übertragungsstrecke, wie es auch aus der Radartechnik bekannt ist, entsprechend dispersiv gestaltet werden. Nach dem Durchlauf der Übertragungsstrecke ergibt sich bei korrekter Auslegung einer Delta- Signal-förmiger Impuls mit deutlich gesteigerter elektrischer Feldstärke. Da man in der Praxis nach einer Zündung mit diesem sehr kurzen HF-Impuls den Zündfunken für einen Zeitraum aufrechterhalten möchte, lässt man nach dem Fre- quenzsweep eine Festfrequenz für die gewünschte Dauer stehen.
Nutzung eines Dual-Mode-Resonators
Neben den hier vorgeschlagenen Maßnahmen zur Erhöhung des elektrischen Feldes ist noch ein weiteres Verfahren jüngst publiziert wurden, ( [4] , „Resonatorsystem und Verfahren zur Erhöhung der belasteten Güte eines Schwingkreises" von Heuermann, H. , Sadeghfam, A. , Lünebach, M. , Patent D102004054443.3, 16.11.2004). Will man die Resonatorspannung anheben, so gelingt dieses nur, wenn die belastete Güte verbessert wird. In [4] ist eine große Anzahl von schaltungstechnischen Lösungen enthalten, die auch hier genutzt werden können.

Claims

Ansprüche
1. HochfrequenzZündanlage zur Erzeugung von Zündfunken innerhalb eines metallisch ummantelten Hohlraumes wie den eines Kfz-Zylinders unter Nutzung eines monofre- quenten oder beliebig modulierten HochfrequenzSignals im MHz- oder GHz-Bereich, mit einem Oszillator zur Erzeugung des Hochfrequenzsignals, mit einem Leistungsverstärker zur Anhebung der Leistung des Hochfrequenzsignals, enthaltend Mittel, derart, dass es mittels eines oder mehrerer Impedanztransformatoren in der Spannung hoch gesetzt wird und mittels einer oder mehreren reinen Elektroden- Zündkerzen beliebiger Geometrie gezündet wird und sich um die Elektrode oder um die Elektroden herum mindestens ein Zündfunkenbereich, der mindestens einen Pfad, ggf. eine 2D-Fläche oder ein SD- Volumen abdeckt und dann viele Zündfunkenpfade enthält, ausbildet und der Zündfunkenbereich nicht bis zur Masse durchschlägt und das Hochfrequenzsignal in der Zündkammer sich in einem oder mehreren Hochfrequenzmode ausbreitet.
2. HochfrequenzZündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Zündkammer um ein TEM-Mode handelt, b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine unsymmetrische Schaltung handelt und nur eine Zündkerze eingesetzt wird, c. dass die Elektrode der Zündkerze einseitig gegen Masse geschaltet ist, am anderen Ende in den Zylinder hineinragt und über der üblichen Isolationstechnik für die Innenelektrode einer Zündkerze über eine elektrische Kopplung, die z.B. als Stromkopplung oder magnetische Kopplung ausgeführt sein kann, mit der Zündanlage verbunden ist.
3. HochfrequenzZündanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Zündkammer um ein TEM-Mode handelt, b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine symmetrische Schaltung handelt und zwei Zündkerzen eingesetzt werden, c. dass die Elektroden der Zündkerzen einseitig gegen Masse geschaltet sind, am anderen Ende in den Zylinder hineinragen und über der üblichen Isolationstechnik für die Innenelektrode einer Zündkerze über eine elektrische Kopplung, die z.B. als Stromkopplung oder magnetische Kopplung ausgeführt sein kann, mit der Zündanlage verbunden sind.
4. HochfrequenzZündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Zündkammer um ein TEM-Mode handelt, b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine unsymmetrische Schaltung handelt und nur eine Zündkerze eingesetzt wird, c. dass die Elektrode der Zündkerze einseitig als Leerlauf geschaltet ist, am anderen Ende in den Zylinder hineinragt und über der üblichen Isolationstechnik für die Innenelektrode einer Zündkerze über eine elektrische Kopplung, die z.B. als Stromkopplung oder magnetische Kopplung ausgeführt sein kann, mit der Zündanlage verbunden ist.
5. HochfrequenzZündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Zündkammer um ein TEM-Mode handelt, b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine symmetrische Schaltung handelt und zwei Zündkerzen eingesetzt werden, c. dass die Elektroden der Zündkerzen einseitig als Leerlauf geschaltet sind, am anderen Ende in den Zylinder hineinragen und über der üblichen Isolationstechnik für die Innenelektrode einer Zündkerze über eine elektrische Kopplung, die z.B. als Stromkopplung oder magnetische Kopplung ausgeführt sein kann, mit der Zündanlage verbunden sind.
6. HochfrequenzZündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Zündkammer um ein Rundhohlleitermode handelt und die zugehörige Frequenz so groß gewählt wurde, dass der Mode existieren kann, b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine unsymmetrische Schaltung handelt und nur eine Zündkerze eingesetzt wird, c. dass die (metallische und/oder dielektrische) E- lektrode der Zündkerze im Innern des Hohlraumes die Funktionalität eines elektrischen oder magnetischen Koppelelementes hat und der üblichen Isolationstechnik für die Innenelektrode einer Zündkerze direkt mit der Zündanlage verbunden ist .
7. Hochfrequenzzündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Zündkammer um ein Rundhohlleitermode handelt und die zugehörige Frequenz so groß gewählt wurde, dass der Mode existieren kann, b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine symmetrische Schaltung handelt und zwei Zündkerzen eingesetzt werden, c. dass die (metallische und/oder dielektrische) E- lektrode der Zündkerzen im Innern des Hohlraumes die Funktionalität elektrischer oder magnetischer Koppelelemente haben und der üblichen Isolations- technik für die Innenelektrode einer Zündkerze direkt mit der Zündanlage verbunden sind.
8. Gestaltung einer HochfrequenzZündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Zündkammer um ein Mode eines dielektrischen Wellenleiters handelt, b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine unsymmetrische Schaltung handelt und nur eine Zündkerze eingesetzt wird, c. dass die Elektrode aus einem reinen dielektrischen Werkstoff oder aus einem dielektrischen Werkstoff mit metallischer Füllung besteht, d. dass die Elektrode der Zündkerze einseitig gegen Masse geschaltet ist, am anderen Ende in den Zylinder hineinragt und in einer Isolierung mittels eines dielektrischen Werkstoffes mit kleiner dielektrischen konstante eingebettet ist und über eine elektromagnetische Kopplung, die z.B. durch die Einführung des metallischen Innenleiters in die rein dielektrische Elektrode ausgeführt sein kann, mit der Zündanlage verbunden ist.
9. HochfrequenzZündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal in der Zündkammer um ein Mode eines dielektrischen Wellenleiters handelt, b. dass es sich beim Schaltungsaufbau um eine symmetrische Schaltung handelt und zwei Zündkerzen eingesetzt werden, c. dass die Elektrode aus einem reinen dielektrischen Werkstoff oder aus einem dielektrischen Werkstoff mit metallischer Füllung besteht, d. dass die Elektroden der Zündkerze einseitig gegen Masse geschaltet sind, am anderen Ende in den Zylinder hineinragen und in einer Isolierung mittels eines dielektrischen Werkstoffes mit kleiner dielektrischen konstante eingebettet sind und über eine elektromagnetische Kopplung, die z.B. durch die Einführung des metallischen Innenleiters in die rein dielektrische Elektrode ausgeführt sein kann, mit der Zündanlage verbunden sind.
10. HochfrequenzZündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal aus dem Oszillator um ein monofrequentes Signal mit der Frequenz fi handelt, b. dass nach erfolgter Zündung mittels eines monofre- quenten Sinus-Signals mit der Frequenz Ii der Zündfunke aufrechterhalten bleibt,
11. HochfrequenzZündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, a. dass es sich beim Hochfrequenzsignal aus dem Oszillator um ein Chirp-Signal handelt, bei dem die aktuelle Frequenz über der Zeit variiert wird, b. dass das nachfolgende ÜbertragungsSystem derartig dispersiv gestaltet ist, dass nach dem Durchlauf des Chirp-Signales ein Delta-ähnlicher Impuls und folglich eine große Anhebung der Spannung entsteht, c. dass nach erfolgter Zündung mittels eines tnonofre- quenten Sinus-Signals der Zündfunke aufrechterhalten bleibt.
12. Verfahren zum Betreiben einer HochfrequenzZündanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
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