WO2008017572A1 - Hochfrequenz-zündvorrichtung für eine hochfrequenz-plasmazündung - Google Patents

Hochfrequenz-zündvorrichtung für eine hochfrequenz-plasmazündung Download PDF

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Robert Baumgartner
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Thomas Hammer
Oliver Hennig
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    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
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    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
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    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
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    • F02P9/002—Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression
    • F02P9/007—Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression by supplementary electrical discharge in the pre-ionised electrode interspace of the sparking plug, e.g. plasma jet ignition

Definitions

  • the present invention relates to a high-frequency ignition device for a high-frequency plasma ignition with the features of the preamble of claim 1.
  • a known ignition possibility which offers these features, is the high-frequency plasma ignition, as described for example in DE 10 2004 058 925.
  • a resonant circuit or resonator consisting of a coil inductively excited and a capacitor excited by a high-frequency source resonant, up to the capacitance representing electrodes
  • High-frequency plasma flashover ignites.
  • the design used so far is based on the conventional spark plug, i. it consists of an outer ground electrode connected to the screwed connection and an insulated central rod electrode.
  • the conventional spark plug i. it consists of an outer ground electrode connected to the screwed connection and an insulated central rod electrode.
  • a major cause of spark plug electrode wear is material removal by thermal overload of the electrode material at the base of the plasma flashover.
  • Plasma flashover in two or more plasma flashovers By dividing the plasma flashover into several channels, the energies in the individual plasma flashovers and thus the thermal load of the individual foot points decrease.
  • Such splitting of a spark onto a plurality of ground electrodes is common to conventional spark plugs, e.g. known from DE 696 06 686 T2.
  • a plasma can be described primarily as a highly nonlinear resistor. As a rule, only one conductive channel therefore forms, since a lower resistance exists in an ignited plasma flashover than in the corresponding air gap.
  • a current divider with complex resistors for the high-frequency excitation alternating current of the high-frequency plasma ignition formed and unlike a purely resistive current divider, the currents are proportional to the complex resistors on the multiple secondary electrodes. As soon as a plasma flashover forms, this does not already create a current path with very low resistance to the other possibilities.
  • the impedance of the capacitance C in the frequency range of the plasma is large compared to the impedance of the plasma forming during the flashover.
  • the primary electrode in the center d. H. arranged in the symmetry axis of the ignition device.
  • the plurality of secondary electrodes may be segments separated by slots of a secondary electrode cylinder arranged around the center electrode, each having a capacitance C with another surrounding the secondary electrode cylinder
  • the segmentation of the secondary electrode into two or more parts, each of which is coupled to the collecting electrode by a capacitance C, allows a simple structure, since the opposing surfaces of the
  • the collecting electrode cylinder may be connected to the ground of the igniter.
  • the secondary electrodes may be capacitively connected to the collecting electrode outside the igniter.
  • Fig. 1 shows schematically the electrode arrangement of a spark plug according to the invention.
  • Fig. 1 shows schematically the electrode arrangement of a spark plug according to the invention.
  • a primary electrode 1 is arranged centrally in the axis of the ignition device according to the invention in this schematic view.
  • Secondary electrodes 2 consist here of segments separated by slots of a concentric to the primary electrode 1 arranged secondary electrode cylinder 3. Another concentric with the primary electrode 1 and outside of the secondary electrode cylinder 3 arranged
  • Collecting electrode cylinder 4 serves as collecting electrode 5 and is connected to the ground in the present embodiment.
  • the secondary electrodes 2 form with the concentric and spaced collection electrode 5 each have a capacity C, as indicated by the symbols in the drawing.
  • Secondary electrodes 2 are coupled to the collecting electrode 5, it is possible to keep the impedance of the capacitance C in the region of the excitation frequency high against the impedance of a between the primary electrode 1 and the secondary electrode 2 forming plasma flashover 6.
  • Capacities C are then dominant over that of the ignited plasma flashover 6 and form a current divider with complex resistances, which leads to a plurality of plasma flashovers 6 in a simple and reliable manner.
  • a long service life of the electrodes can be achieved because a selective thermal overload of the primary electrode 1 and the secondary electrodes 2 is avoided.
  • a spatial distribution to a plurality of plasma flashovers 6 a more uniform and thus faster heating of the air in the ignition of the ignition device is possible.
  • the use of cheaper or better to process materials for primary electrode 1 and / or secondary electrodes 2 is conceivable.

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Abstract

Die Zündvorrichtung für eine Hochfrequenz-Plasmazündung weist eine Primärelektrode (1) und mehrere Sekundärelektroden (2) auf. Die Sekundärelektroden (2) sind untereinander und gegenüber einer Sammelelektrode (5) elektrisch isoliert und mit der Sammelelektrode (5) jeweils kapazitiv über eine Kapazität (C) verbunden.

Description

Beschreibung
Hochfrequenz-Zündvorrichtung für eine Hochfrequenz- Plasmazündung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochfrequenz- Zündvorrichtung für eine Hochfrequenz-Plasmazündung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Zur Entflammung von reaktionsträgen Brennstoff-Luft-Gemischen in Verbrennungsmotoren, insbesondere von mageren oder extrem fetten Gemische sowie Gemischen mit hohem Abgasanteil oder bei Brennstoffen, die einen hohen Flammpunkt (wie z.B. komprimiertes Erdgas CNG) aufweisen, muss eine sehr hohe Energie in das Gasgemisch eingebracht werden und/oder ein größeres Gemischvolumen entflammt werden, als dies z.B. bei stöchiometrischen Benzin-Luft-Mischungen notwendig ist.
Eine bekannte Zündmöglichkeit, die diese Merkmale bietet, ist die Hochfrequenzplasmazündung, wie sie beispielsweise in der DE 10 2004 058 925 beschrieben wird. Dabei wird ein Schwingkreis oder Resonator, bestehend aus einer Spule als Induktivität und einer Kapazität durch eine Hochfrequenzquelle resonant angeregt, bis an den die Kapazität darstellenden Elektroden ein
Hochfrequenzplasmaüberschlag zündet. Das bisher hierbei eingesetzte Design orientiert sich an dem konventioneller Zündkerzen, d.h. es besteht aus einer mit der Einschraubung verbundenen äußeren Masse-Elektrode und einer isoliert eingesetzten zentralen Stabelektrode. Hierbei führt die
Einkopplung höherer Energie bei gleichen Randbedingungen zu einem stark erhöhten Elektrodenverschleiß. Eine dadurch bedingte kürzere Standzeit im Vergleich zu konventionellen Zündsystemen ist für den Serieneinsatz insbesondere in Kraftfahrzeugen jedoch nachteilig.
Bei konventionell betriebenen Zündsystemen konnte durch Kombination von Materialien mit hohem Schmelzpunkt und Materialien guter Wärmeleitfähigkeit die Standzeit der Zündkerzenelektroden auf Werte von mehr als 1000 Betriebsstunden verbessert werden. Bei der
Hochfrequenzplasmazündung in der nach dem Stand der Technik bekannten Form liegen die mit diesen Materialien erreichten Standzeiten jedoch weit darunter, so dass eine Optimierung von Elektrodenmaterialien keine ausreichende Erhöhung der Standzeiten verspricht.
Ein Hauptgrund für den Zündkerzenelektrodenverschleiß ist der Materialabtrag durch eine thermische Überlastung des Elektrodenmaterials am Fußpunkt des Plasmaüberschlags.
Eine bekannte Möglichkeit die punktuelle Belastung der Elektroden zu verringern, ist die Aufteilung des
Plasmaüberschlags in zwei oder mehrere Plasmaüberschläge. Mit der Aufteilung des Plasmaüberschlags in mehrere Kanäle sinken die Energien in den einzelnen Plasmaüberschlägen und damit die thermische Belastung der einzelnen Fußpunkte. Eine solche Aufteilung eines Zündfunkens auf mehrere Masseelektroden ist für herkömmliche Zündkerzen z.B. aus der DE 696 06 686 T2 bekannt .
Nachteilig an solchen nach dem Stand der Technik bekannten Zündkerzen ist, dass ein Plasmaüberschlag sich nur schlecht und ungleichmäßig auf mehrere Plasmaüberschläge aufteilt. Ein Plasma kann in erster Linie als stark nichtlinearer Widerstand beschrieben werden. Daher bildet sich in der Regel nur ein leitender Kanal, da in einem gezündeten Plasmaüberschlag ein niedrigerer Widerstand vorliegt als in der entsprechenden Luftstrecke.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zündvorrichtung für eine Hochfrequenz-Plasmazündung anzugeben, bei der die Elektrodenbelastung deutlich reduziert ist . Diese Aufgabe wird durch eine Zündvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorteilhaft wird bei einer erfindungsgemäßen Zündkerze durch die kapazitive Koppelung über die Kapazität C ein Stromteiler mit komplexen Widerständen für den hochfrequenten Anregegungswechselstrom der Hochfrequenzplasmazündung gebildet und im Unterschied zu einem rein ohmschen Stromteiler teilen sich die Ströme proportional zu den komplexen Widerständen auf die mehreren Sekundärelektroden auf. Sobald sich ein Plasmaüberschlag bildet, entsteht nicht bereits durch diesen ein Stromweg mit sehr niedrigem Widerstand gegenüber den anderen Möglichkeiten.
In günstiger Ausführungsform ist die Impedanz der Kapazität C im Frequenzbereich des Plasmas groß gegenüber der Impedanz des sich beim Überschlag bildenden Plasmas.
Durch richtig dimensionierte Kapazitäten C, mit denen die
Sekundärelektroden an die Sammelelektrode gekoppelt sind, ist es möglich, die Impedanz der Kapazität C im Bereich der Anregungsfrequenz hoch gegenüber der Impedanz des Plasmaüberschlags zu halten. Die Impedanz der Kapazität C ist dann dominant gegenüber der des gezündeten Plasmas und somit wird die Impedanz des Systems, Plasmakanal und Kapazität C zur Koppelung, linearisiert und bildet einen komplexen Stromteiler, der auf einfache und zuverlässige Weise zu mehreren Plasmaüberschlägen führt.
In vorteilhafter Ausführung ist die Primärelektrode im Zentrum, d. h. in der Symmetrieachse der Zündvorrichtung angeordnet .
Die zentrale Anordnung ermöglicht von der Mitte ausgehend mehrere Überschlagsstrecken zum Rand der Zündvorrichtung hin. In günstiger Ausführungsform können die mehreren Sekundärelektroden durch Schlitze getrennte Segmente eines um die Mittelelektrode angeordneten Sekundärelektrodenzylinders sein, die jeweils eine Kapazität C mit einem weiteren den Sekundärelektrodenzylinder umgebenden
Sammelelektrodenzylinder als Sammelelektrode bilden.
Die Segmentierung der Sekundärelektrode in zwei oder mehrere Teile, von denen jeder mit der Sammelelektrode durch eine Kapazität C gekoppelt ist, ermöglicht einen einfachen Aufbau, da die einander gegenüberliegenden Flächen des
Sekundärelektrodenzylinders und des Sammelelektrodenzylinders bereits die jeweilige zugeordnete Kapazität C bilden.
Der Sammelelektrodenzylinder kann mit der Masse der Zündvorrichtung verbunden sein.
Die Sekundärelektroden können mit der Sammelelektrode außerhalb der Zündvorrichtung kapazitiv verbunden werden.
Es ist auch denkbar, Anschlüsse aus der Zündvorrichtung heraus zu führen und die Kapazitäten C vollständig oder zum Teil außerhalb der Zündvorrichtung anzuordnen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mithilfe eines
Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 schematisch die Elektrodenanordnung einer erfindungsgemäßen Zündkerze.
Fig. 1 zeigt schematisch die Elektrodenanordnung einer erfindungsgemäßen Zündkerze. Eine Primärelektrode 1 ist in dieser Schemaansicht zentral in der Achse der erfindungsgemäßen Zündvorrichtung angeordnet. Drei
Sekundärelektroden 2 bestehen hier aus durch Schlitze getrennten Segmenten eines konzentrisch zur Primärelektrode 1 angeordneten Sekundärelektrodenzylinders 3. Ein weiterer konzentrisch zur Primärelektrode 1 und außerhalb des Sekundärelektrodenzylinders 3 angeordneter
Sammelelektrodenzylinder 4 dient als Sammelelektrode 5 und ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit der Masse verbunden. Die Sekundärelektroden 2 bilden mit der konzentrisch und mit Abstand angeordneten Sammelelektrode 5 jeweils eine Kapazität C, wie durch die Symbole in der Zeichnung angedeutet.
Durch richtig dimensionierte Kapazitäten C, mit denen die
Sekundärelektroden 2 an die Sammelelektrode 5 gekoppelt sind, ist es möglich, die Impedanz der Kapazität C im Bereich der Anregungsfrequenz hoch gegenüber der Impedanz eines zwischen der Primärelektrode 1 und der Sekundärelektrode 2 sich bildenden Plasmaüberschlags 6 zu halten. Die Impedanzen der
Kapazitäten C sind dann dominant gegenüber der des gezündeten Plasmaüberschlags 6 und bilden einen Stromteiler mit komplexen Widerständen, der auf einfache und zuverlässige Weise zu mehreren Plasmaüberschlägen 6 führt.
Dadurch kann eine hohe Standzeit der Elektroden erreicht werden, da eine punktuelle thermische Überlastung der Primärelektrode 1 und der Sekundärelektroden 2 vermieden wird. Durch eine räumliche Verteilung auf mehrere Plasmaüberschläge 6 ist eine gleichmäßigere und damit schnellere Aufheizung der Luft im Zündbereich der Zündvorrichtung möglich. Bei gleicher Standzeit ist der Einsatz von günstigem oder besser zu verarbeitenden Materialien für Primärelektrode 1 und/oder Sekundärelektroden 2 denkbar.
Durch die Wahl von unterschiedlichen Kapazitäten C für die einzelnen Sekundärelektroden ist auch eine Anpassung an nicht symmetrische Geometrieverhältnisse möglich. Bezugszeichenliste
1 Primärelektrode
2 Sekundärelektrode 3 Sekundärelektrodenzylinder
4 Sammelelektrodenzylinder
5 Sammelelektrode
6 Plasmaüberschlag
C Kapazität

Claims

Patentansprüche
1. Hochfrequenz-Zündvorrichtung für eine Hochfrequenz- Plasmazündung, mit einer Primärelektrode und mehreren Sekundärelektroden (2) dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärelektroden (2) untereinander und gegenüber einer Sammelelektrode (5) elektrisch isoliert sind und mit der Sammelelektrode (5) jeweils kapazitiv über eine Kapazität (C) verbunden sind.
2. Zündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz der Kapazität (C) im Frequenzbereich des Plasmas (6) groß ist gegenüber der Impedanz des sich beim Überschlag bildenden Plasmas (6).
3. Zündvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärelektrode (1) im Zentrum, d. h. in der Symmetrieachse der Zündvorrichtung angeordnet ist.
4. Zündvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Sekundärelektroden (2) durch Schlitze getrennte Segmente eines um die Primärelektrode (1) angeordneten Sekundärelektrodenzylinders (3) sind, die jeweils eine Kapazität (C) mit einem weiteren den Sekundärelektrodenzylinder (3) umgebenden Sammelelektrodenzylinder (4) als Sammelelektrode (5) bilden.
5. Zündvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelelektrodenzylinder (4) mit der Masse der Zündvorrichtung verbunden ist.
6. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärelektroden mit der Sammelelektrode außerhalb der Zündvorrichtung kapazitiv verbunden werden können.
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