WO2008017601A1 - Spark plug for high-frequency plasma ignition - Google Patents

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WO2008017601A1
WO2008017601A1 PCT/EP2007/057809 EP2007057809W WO2008017601A1 WO 2008017601 A1 WO2008017601 A1 WO 2008017601A1 EP 2007057809 W EP2007057809 W EP 2007057809W WO 2008017601 A1 WO2008017601 A1 WO 2008017601A1
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WO
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electrode
ignition device
ignition
frequency plasma
dielectric layer
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PCT/EP2007/057809
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Georg Bachmaier
Robert Baumgartner
Reinhard Freitag
Thomas Hammer
Oliver Hennig
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Siemens Aktiengesellschaft
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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
    • F02P9/00—Electric spark ignition control, not otherwise provided for
    • F02P9/002—Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression
    • F02P9/007—Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression by supplementary electrical discharge in the pre-ionised electrode interspace of the sparking plug, e.g. plasma jet ignition
    • 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
    • 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
    • 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
    • H01T13/39—Selection of materials for electrodes

Definitions

  • the present invention relates to an ignition device for high-frequency plasma ignition according to 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. This is a
  • Resonant circuit or resonator consisting of a coil inductively and a capacitance by a high-frequency source resonantly excited until the capacitance representing electrodes ignites a high-frequency plasma.
  • 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 coupling of higher energy at the same boundary conditions leads to a greatly increased electrode wear. A resulting shorter service life compared to conventional ignition systems is disadvantageous for series production in motor vehicles.
  • the insulating dielectric layer on at least one of the electrodes by preventing a direct current flow, ensures that no narrowly defined bases of the plasma flashover can form, but that the electrical power in the plasma boundary layer is distributed over a larger area. While e.g. a positive half cycle of the exciting resonant frequency voltage drift electrons on the dielectric layer of the electrode of positive polarity. This loads the
  • the electrical power is coupled into the plasma flashover exclusively capacitive high frequency. Are both electrodes, both the primary electrode and the secondary electrode covered with a dielectric layer, so occurs in neither of them erosion of the electrode surfaces and thus only reduced wear.
  • the thickness of the dielectric layer decreases to a combustion chamber-side electrode tip of the primary electrode and / or the secondary electrode.
  • the distance of the plasma flashover between the primary electrode and the secondary electrode or the respective surface of the dielectric layer can increase to a combustion chamber-side electrode tip of the primary electrode and the secondary electrode.
  • Dielectric layer in this area then ensures that the plasma flashover moves very quickly in areas larger rollover distance or spread and thereby increases in power.
  • the propagation of the plasma flashover into a combustion chamber is promoted, and it is ensured that the plasma power is deposited to a large extent in the region of the electrode tips in the combustion chamber. This process is advantageously assisted as the thickness of the dielectric layer decreases toward the electrode tips, increasing the local capacitance.
  • the thickness of the dielectric layer may be between 1/10 mm and a few mm.
  • the surface of the dielectric-coated primary electrode and / or secondary electrode is up to max. about 10 mm 2 .
  • the capacity can be adjusted to the necessary values for the ignition of the high-frequency plasma and the required power so that a plasma flashover of the desired strength on the other hand, a sufficient dielectric strength of the barrier is given under all operating conditions and there are no breakdowns through the dielectric layer.
  • Typical values are a few to a few 10 mm 2 for the surface of the central high-voltage electrode and a few tenths of a millimeter to a few millimeters for the thickness of the dielectric layer.
  • the secondary electrode may be arranged surrounding the primary electrode.
  • a gap between the primary electrode and the secondary electrode is filled to one or more channels with the dielectric.
  • the secondary electrode may be a cylinder arranged concentrically around the primary electrode.
  • the secondary electrode may be arranged around the primary electrode at different distances.
  • a non-concentric arrangement of a cylinder around the primary electrode is possible.
  • a gap between the outer secondary electrode and the inner primary electrode can be reduced locally to provide preferred conditions for a capacitively coupled radio-frequency plasma discharge.
  • the dielectric is a glass or a ceramic, in particular aluminum oxide, aluminum nitride or boron nitride.
  • FIG. 1A shows in cross section the electrode region of an ignition device according to the invention
  • FIG. 1B shows the electrode area of the ignition device of FIG. 1A in a plan view of the combustion chamber.
  • FIG. 1A shows an embodiment of an ignition device according to the invention in longitudinal section in the region of the electrodes with a primary electrode 1 and a secondary electrode 2, which concentrically surrounds the primary electrode 1 as a cylinder. Between the primary electrode 1 and the secondary electrode 2, a dielectric 3 is arranged. In the region of a primary electrode tip 4 and a secondary electrode tip 5, the dielectric does not fill the gap between primary electrode 1 and secondary electrode 2 and an annular gap 6 remains. In this annular gap 6 and on the primary electrode tip 4, the primary electrode 1 is completely covered with a dielectric layer 7.
  • FIG. 1B shows the electrode area of the ignition device of FIG. 1A with the dielectric layer 7, the annular gap 6 and the secondary electrode tip 5 in a plan view of the combustion chamber.
  • the insulating dielectric layer 7 on the primary electrode 1 ensures that no narrowly defined base point of the plasma flashover on the primary electrode 1 can form.
  • the electrical power is distributed over a larger area. Due to the local charging of the dielectric layer 7, a further charge build-up will take place at no or less charged points of the surface. If it comes to the rollover, it can not come to small foot areas of the plasma flashover, in which the entire Concentrated current flow and in which the electrode material is eroded greatly.
  • the electrical power is coupled into the plasma flashover exclusively capacitive high frequency.
  • FIGS. 1A and 1B show a further embodiment of an ignition device according to the invention in a longitudinal section in the region of the electrodes.
  • FIGS. 1A and 1B corresponding components are provided with the same reference numerals.
  • the primary electrode 1 is from the cylindrical
  • Secondary electrode 2 concentrically surrounded. Between the primary electrode 1 and the secondary electrode 2, the dielectric 3 is arranged, which leaves free the annular gap 6 in the region of the primary electrode tip 4 and the secondary electrode tip 5. In the annular gap 6 and at the
  • Primary electrode tip 4 the primary electrode 1 with the dielectric layer 7 is completely covered.
  • the secondary electrode 2 is also completely covered with a dielectric layer 8 in the region of the secondary electrode tip 5.
  • FIG. 2B shows in combustion chamber side view the electrode area of the ignition device of FIG. 2A with the dielectric layer 7, the annular gap 6 and the dielectric layer 8 above the secondary electrode tip.
  • both the primary electrode 1 and the secondary electrode 2 are covered with the dielectric layers 7, 8, neither of them erosion of the electrode surfaces and thus only reduced wear of the igniter as a whole.
  • FIGS. 3A and 2B show a further embodiment of an ignition device according to the invention in longitudinal section in the region of the electrodes.
  • the components corresponding to FIGS. 1A and 1B are in turn provided with the same reference numerals.
  • the primary electrode 1 and the secondary electrode 2 are concentric with the dielectric 3 provided therebetween arranged.
  • the secondary electrode tip 5 is correspondingly completely covered with the dielectric layer 8, as in the embodiment in FIGS. 2A and 2B.
  • a primary electrode tip 9 has a conically tapering shape, so that a conically widening annular gap 11 remains between a dielectric layer 10 of the primary electrode tip 9 and the dielectric layer 8 of the secondary electrode 2.
  • Fig. 3B shows in combustion chamber side view of the
  • FIGS. 3A and 3B show a further embodiment of an ignition device according to the invention in a longitudinal section in the region of the electrodes.
  • the FIGS. 3A and 3B corresponding components are again provided with the same reference numerals.
  • the primary electrode 1 and the secondary electrode 2 are insulated by the dielectric 3 interposed therebetween.
  • the secondary electrode tip 5 is completely covered with the dielectric layer 8.
  • the primary electrode 1 has a dielectric layer 12 decreasing in thickness to the primary electrode tip 9.
  • the annular gap 11 widens conically.
  • Fig. 4B shows in combustion chamber side view the
  • the reduction of the thickness of the dielectric layer 12 towards the primary electrode tip 4 enhances the rapid propagation of the plasma flashover into regions of greater flashover distance in the conical annular gap 11.
  • FIGS. 1A and 1B show a fifth embodiment of an ignition device according to the invention in longitudinal section in the region of the electrodes.
  • the components corresponding to FIGS. 1A and 1B are in turn provided with the same reference numerals.
  • the primary electrode 1 is surrounded concentrically by the cylindrical secondary electrode 2 and both are completely embedded in an insulating dielectric 13 which also covers the primary electrode tip 4 and the secondary electrode tip 5. Ignition channels 14 are excluded in the dielectric 13.
  • FIG. 5B shows in combustion chamber side view the electrode area of the ignition device of FIG. 5A with the dielectric 13, which contains the primary electrode tip and the
  • the plasma flashover takes place with a greater energy density.
  • the energy density and spatial arrangement of the plasma flashovers at the tip of the ignition device can be influenced in a simple manner.
  • the operation of the described capacitively coupled high frequency ignition devices is similar to that of conventional electrodes equipped with direct current flow, ie, a distinction can be made between the power supply to initiate the plasma flashover and the power supply to maintain a high-power plasma flashover with impedance matching to the resonator upon initiation of the plasma flashover.
  • a further advantage of the dielectric layer ignition devices according to the invention is that they limit the power locally and overall.
  • the current I P i asma is limited by the condition

Abstract

In a spark plug for a high-frequency plasma ignition having a primary electrode(1) and a secondary electrode (2), between which a plasma flashover can occur, the primary electrodes (1) and/or the secondary electrodes (2) are completely coated with an insulating dielectric layer (7,8,10,12).

Description

ZÜNDKERZE FÜR HOCHFREQUENZPLASMAZÜNDUNG SPARK PLUG FOR HIGH FREQUENCY PLASMA IGNITION
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung für Hochfrequenzplasmazündung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The present invention relates to an ignition device for high-frequency plasma ignition according to the features of the preamble of claim 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 (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.For the ignition of inert fuel-air mixtures in internal combustion engines, especially lean or extremely rich mixtures and mixtures with a high proportion of exhaust gas or fuels that have a high flash point (eg compressed natural gas, CNG), a very high energy must be introduced into the gas mixture be ignited and / or a larger volume of mixture than this example is necessary for stoichiometric gasoline-air mixtures.
Eine bekannte Zündmöglichkeit, die diese Merkmale bietet, ist die Hochfrequenzplasmazündung, wie sie beispielsweise in der DE 10 2004 058 925 beschrieben wird. Dabei wird einA known ignition possibility, which offers these features, is the high-frequency plasma ignition, as described for example in DE 10 2004 058 925. This is a
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 Hochfrequenzplasma 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 in Kraftfahrzeugen jedoch nachteilig.Resonant circuit or resonator, consisting of a coil inductively and a capacitance by a high-frequency source resonantly excited until the capacitance representing electrodes ignites a high-frequency plasma. 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 coupling of higher energy at the same boundary conditions leads to a greatly increased electrode wear. A resulting shorter service life compared to conventional ignition systems is disadvantageous for series production in motor vehicles.
Bei konventionellen, induktiv oder kapazitiv gepulst betriebenen Zündsystemen konnten 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.In conventional, inductively or capacitively pulsed ignition systems could by combining materials with high melting point and materials of good thermal conductivity, the life of the spark plug electrodes on Values of more than 1000 operating hours can be improved. In the high-frequency plasma ignition in the form known in the prior art, however, the service life achieved with these materials are far below, so that an optimization of electrode materials does not promise a sufficient increase in service life.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zündvorrichtung für eine Hochfrequenzplasmazündung anzugeben, bei der die Elektrodenbelastung deutlich reduziert ist.It is therefore an object of the present invention to provide an ignition device for a high-frequency plasma ignition, in which the electrode load is significantly reduced.
Diese Aufgabe wird durch eine Zündvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by an ignition device having the features of claim 1. Advantageous developments are specified in the subclaims.
Vorteilhaft sorgt die isolierende Dielektrikumschicht auf zumindest einer der Elektroden durch die Unterbindung eines direkten Stromflusses dafür, dass sich keine eng begrenzten Fußpunkte des Plasmaüberschlags ausbilden können, sondern dass die elektrische Leistung in der Plasmarandschicht auf eine größere Fläche verteilt wird. Während z.B. einer positiven Halbwelle der anregenden Resonanzfrequenzspannung driften Elektronen auf die Dielektrikumschicht der Elektrode positiver Polarität. Dadurch lädt sich dieAdvantageously, the insulating dielectric layer on at least one of the electrodes, by preventing a direct current flow, ensures that no narrowly defined bases of the plasma flashover can form, but that the electrical power in the plasma boundary layer is distributed over a larger area. While e.g. a positive half cycle of the exciting resonant frequency voltage drift electrons on the dielectric layer of the electrode of positive polarity. This loads the
Dielektrikumschicht lokal auf und das elektrische Potential an der geladenen Oberfläche sinkt lokal. Weitere Elektronen werden abgestoßen und lagern sich an anderen, nicht oder weniger aufgeladenen Stellen der Oberfläche an. Dieser Vorgang setzt sich solange fort, bis die Oberfläche komplett aufgeladen ist oder die Polarität der Elektrode sich umkehrt. Nach Umkehr der Polarität wird die Oberfläche entladen und ggf. entgegengesetzt aufgeladen. Dadurch kann es nicht zu kleinflächigen Fußbereichen des Plasmaüberschlags kommen, in denen sich der gesamte Stromfluss konzentriert und in denen das Elektrodenmaterial stark erodiert wird. Die elektrische Leistung wird in den Plasmaüberschlag ausschließlich kapazitiv hochfrequent eingekoppelt. Sind beide Elektroden, sowohl die Primärelektrode, als auch die Sekundärelektrode mit einer Dielektrikumschicht bedeckt, so tritt bei keiner von beiden eine Erodierung der Elektrodenoberflächen und somit nur verminderter Verschleiß auf.Dielectric layer locally and the electrical potential at the charged surface decreases locally. More electrons are repelled and attach to other, non or less charged sites on the surface. This process continues until the surface is completely charged or the polarity of the electrode reverses. After reversing the polarity, the surface is discharged and possibly charged opposite. This can not lead to small foot areas of the plasma flashover, in which the entire current flow concentrates and in which the electrode material is strongly eroded. The electrical power is coupled into the plasma flashover exclusively capacitive high frequency. Are both electrodes, both the primary electrode and the secondary electrode covered with a dielectric layer, so occurs in neither of them erosion of the electrode surfaces and thus only reduced wear.
In günstiger Ausführungsform nimmt die Dicke der Dielektrikumschicht zu einer brennraumseitigen Elektrodenspitze der Primärelektrode und/oder der Sekundärelektrode ab. Die Strecke des Plasmaüberschlags zwischen der Primärelektrode und der Sekundärelektrode bzw. der jeweiligen Oberfläche der Dielektrikumschicht kann zu einer brennraumseitigen Elektrodenspitze der Primärelektrode und der Sekundärelektrode zunehmen.In a favorable embodiment, the thickness of the dielectric layer decreases to a combustion chamber-side electrode tip of the primary electrode and / or the secondary electrode. The distance of the plasma flashover between the primary electrode and the secondary electrode or the respective surface of the dielectric layer can increase to a combustion chamber-side electrode tip of the primary electrode and the secondary electrode.
Bei einem zu den Elektrodenspitzen hin zunehmendenAt an increasing towards the electrode tips
Überschlagsweg zündet das Hochfrequenzplasma im Bereich einer geringen Überschlagstrecke. Die Aufladung derÜberschlagsweg ignites the high-frequency plasma in the range of a small flashover distance. The charge of
Dielektrikumschicht in diesem Bereich sorgt dann dafür, dass sich der Plasmaüberschlag sehr schnell in Bereiche größerer Überschlagstrecke bewegt bzw. ausbreitet und dabei an Leistung zunimmt. Dadurch wird die Ausbreitung des Plasmaüberschlags in einen Brennraum hinein unterstützt, und es wird gewährleistet, dass die Plasmaleistung zu einem großen Teil im Bereich der Elektrodenspitzen in dem Brennraum deponiert wird. Dieser Vorgang wird in vorteilhafter Weise unterstützt, wenn die Dicke der Dielektrikumschicht zu den Elektrodenspitzen hin abnimmt, wodurch die lokale Kapazität zunimmt .Dielectric layer in this area then ensures that the plasma flashover moves very quickly in areas larger rollover distance or spread and thereby increases in power. As a result, the propagation of the plasma flashover into a combustion chamber is promoted, and it is ensured that the plasma power is deposited to a large extent in the region of the electrode tips in the combustion chamber. This process is advantageously assisted as the thickness of the dielectric layer decreases toward the electrode tips, increasing the local capacitance.
Die Dicke der Dielektrikumschicht kann zwischen 1/10 mm und einigen mm liegen.The thickness of the dielectric layer may be between 1/10 mm and a few mm.
Vorteilhaft beträgt die Oberfläche der dielektrikumbeschichteten Primärelektrode und/oder Sekundärelektrode bis max . ca. 10 mm2.Advantageously, the surface of the dielectric-coated primary electrode and / or secondary electrode is up to max. about 10 mm 2 .
Durch die Dicke der Dielektrikumschicht bzw. der dielektrischen Barriere und durch die Materialeigenschaften des Dielektrikums, wie die relative dielektrische Permittivität sowie die kapazitiv an den Plasmaüberschlag bzw. den Resonator gekoppelte wirksame Oberfläche der Elektroden, kann die Kapazität auf die nötigen Werte für die Zündung des Hochfrequenzplasmas und die nötige Leistung so eingestellt werden, dass ein Plasmaüberschlag der gewünschten Stärke entsteht und anderseits eine ausreichende dielektrische Festigkeit der Barriere unter allen Betriebsbedingungen gegeben ist und es zu keinen Durchschlägen durch die Dielektrikumschicht kommt. Typische Werte sind einige wenige bis einige 10 mm2 für die Oberfläche der zentralen Hochspannungselektrode und einige Zehntelmillimeter bis einige Millimeter für die Dicke der Dielektrikumschicht .By the thickness of the dielectric layer or the dielectric barrier and by the material properties Of the dielectric, such as the relative dielectric permittivity as well as the capacitive coupled to the plasma flash or the resonator effective surface of the electrodes, the capacity can be adjusted to the necessary values for the ignition of the high-frequency plasma and the required power so that a plasma flashover of the desired strength on the other hand, a sufficient dielectric strength of the barrier is given under all operating conditions and there are no breakdowns through the dielectric layer. Typical values are a few to a few 10 mm 2 for the surface of the central high-voltage electrode and a few tenths of a millimeter to a few millimeters for the thickness of the dielectric layer.
Die Sekundärelektrode kann die Primärelektrode umgebend angeordnet sein.The secondary electrode may be arranged surrounding the primary electrode.
In günstiger Ausführungsform ist ein Zwischenraum zwischen der Primärelektrode und der Sekundärelektrode bis auf einen oder mehrere Kanäle mit dem Dielektrikum ausgefüllt.In a favorable embodiment, a gap between the primary electrode and the secondary electrode is filled to one or more channels with the dielectric.
Dadurch kann gesteuert werden, wo und mit welcher Energiedichte Plasmaüberschläge an den Elektrodenspitze mit dem Brennraum in Kontakt kommen.This makes it possible to control where and with what energy density plasma flashovers on the electrode tip come into contact with the combustion chamber.
Die Sekundärelektrode kann ein konzentrisch um die Primärelektrode angeordneter Zylinder sein.The secondary electrode may be a cylinder arranged concentrically around the primary electrode.
Dies ermöglicht einen einfachen, symmetrischen Aufbau der Zündvorrichtung .This allows a simple, symmetrical design of the ignition device.
Die Sekundärelektrode kann um die Primärelektrode mit unterschiedlichen Abständen angeordnet sein. Insbesondere ist auch eine nicht konzentrische Anordnung eines Zylinders um die Primärelektrode möglich. Durch ein entsprechendes Elektrodendesign kann ein Spalt zwischen der äußeren Sekundärelektrode und der inneren Primärelektrode lokal reduziert sein, um hier bevorzugte Bedingungen für eine kapazitiv gekoppelte Hochfrequenzplasmaentladung zu schaffen.The secondary electrode may be arranged around the primary electrode at different distances. In particular, a non-concentric arrangement of a cylinder around the primary electrode is possible. By means of a corresponding electrode design, a gap between the outer secondary electrode and the inner primary electrode can be reduced locally to provide preferred conditions for a capacitively coupled radio-frequency plasma discharge.
In vorteilhafter Ausführung ist das Dielektrikum ein Glas oder eine Keramik, insbesondere Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid.In an advantageous embodiment, the dielectric is a glass or a ceramic, in particular aluminum oxide, aluminum nitride or boron nitride.
Diese Materialien zeichnen sich bei hoher Temperatur durch niedrige elektrische Leitfähigkeit und gute dielektrische Eigenschaften aus.These materials are characterized by low electrical conductivity and good dielectric properties at high temperature.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mithilfe von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtThe present invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to the accompanying drawings. It shows
Fig. IA im Querschnitt den Elektrodenbereich einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung,1A shows in cross section the electrode region of an ignition device according to the invention,
Fig. IB in brennraumseitiger Aufsicht den Elektrodenbereich der Zündvorrichtung der Fig. IA,FIG. 1B shows the electrode area of the ignition device of FIG. 1A in a plan view of the combustion chamber. FIG.
Fig. 2A im Querschnitt den Elektrodenbereich einer weiteren erfindungsgemäßen Zündvorrichtung,2A in cross section the electrode region of a further ignition device according to the invention,
Fig. 2B in brennraumseitiger Aufsicht den Elektrodenbereich der Zündvorrichtung der Fig. 2A,2B in combustion chamber side view of the electrode region of the ignition device of Fig. 2A,
Fig. 3A im Querschnitt den Elektrodenbereich einer weiteren erfindungsgemäßen Zündvorrichtung,3A in cross section the electrode region of a further ignition device according to the invention,
Fig. 3B in brennraumseitiger Aufsicht den Elektrodenbereich der Zündvorrichtung der Fig. 3A,3B in combustion chamber side view of the electrode region of the ignition device of Fig. 3A,
Fig. 4A im Querschnitt den Elektrodenbereich einer weiteren erfindungsgemäßen Zündvorrichtung, Fig. 4B in brennraumseitiger Aufsicht den Elektrodenbereich der Zündvorrichtung der Fig. 4A,4A in cross section the electrode region of a further ignition device according to the invention, 4B in combustion chamber side view of the electrode region of the ignition device of FIG. 4A,
Fig. 5A im Querschnitt den Elektrodenbereich einer weiteren erfindungsgemäßen Zündvorrichtung,5A in cross section the electrode region of a further ignition device according to the invention,
Fig. 5B in brennraumseitiger Aufsicht den Elektrodenbereich der Zündvorrichtung der Fig. 5A,5B, in the combustion chamber side view, the electrode area of the ignition device of FIG. 5A, FIG.
Fig. IA zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung im Längsschnitt im Bereich der Elektroden mit einer Primärelektrode 1 und einer Sekundärelektrode 2, die die Primärelektrode 1 als Zylinder konzentrisch umgibt. Zwischen der Primärelektrode 1 und der Sekundärelektrode 2 ist ein Dielektrikum 3 angeordnet. Im Bereich einer Primärelektrodenspitze 4 und einer Sekundärelektrodenspitze 5 füllt das Dielektrikum den Zwischenraum zwischen Primärelektrode 1 und Sekundärelektrode 2 nicht aus und es verbleibt ein Ringspalt 6. In diesem Ringspalt 6 und an der Primärelektrodenspitze 4 ist die Primärelektrode 1 mit einer Dielektrikumschicht 7 vollständig überzogen.FIG. 1A shows an embodiment of an ignition device according to the invention in longitudinal section in the region of the electrodes with a primary electrode 1 and a secondary electrode 2, which concentrically surrounds the primary electrode 1 as a cylinder. Between the primary electrode 1 and the secondary electrode 2, a dielectric 3 is arranged. In the region of a primary electrode tip 4 and a secondary electrode tip 5, the dielectric does not fill the gap between primary electrode 1 and secondary electrode 2 and an annular gap 6 remains. In this annular gap 6 and on the primary electrode tip 4, the primary electrode 1 is completely covered with a dielectric layer 7.
Fig. IB zeigt in brennraumseitiger Aufsicht den Elektrodenbereich der Zündvorrichtung der Fig. IA mit der Dielektrikumschicht 7, dem Ringspalt 6 und der Sekundärelektrodenspitze 5.FIG. 1B shows the electrode area of the ignition device of FIG. 1A with the dielectric layer 7, the annular gap 6 and the secondary electrode tip 5 in a plan view of the combustion chamber.
Die isolierende Dielektrikumschicht 7 auf der Primärelektrode 1 sorgt durch die Unterbindung eines direkten Stromflusses dafür, dass sich kein eng begrenzter Fußpunkt des Plasmaüberschlags an der Primärelektrode 1 ausbilden kann. Die elektrische Leistung wird auf eine größere Fläche verteilt. Durch die lokale Aufladung der Dielektrikumschicht 7 wird ein weiterer Ladungsaufbau an nicht oder weniger aufgeladenen Stellen der Oberfläche stattfinden. Kommt es zum Überschlag, kann es nicht zu kleinflächigen Fußbereichen des Plasmaüberschlags kommen, in denen sich der gesamte Stromfluss konzentriert und in denen das Elektrodenmaterial stark erodiert wird. Die elektrische Leistung wird in den Plasmaüberschlag ausschließlich kapazitiv hochfrequent eingekoppelt .By preventing a direct current flow, the insulating dielectric layer 7 on the primary electrode 1 ensures that no narrowly defined base point of the plasma flashover on the primary electrode 1 can form. The electrical power is distributed over a larger area. Due to the local charging of the dielectric layer 7, a further charge build-up will take place at no or less charged points of the surface. If it comes to the rollover, it can not come to small foot areas of the plasma flashover, in which the entire Concentrated current flow and in which the electrode material is eroded greatly. The electrical power is coupled into the plasma flashover exclusively capacitive high frequency.
Fig. 2A und 2B zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung im Längsschnitt im Bereich der Elektroden. Den Fig. IA und IB entsprechende Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Primärelektrode 1 wird von der zylinderförmigen2A and 2B show a further embodiment of an ignition device according to the invention in a longitudinal section in the region of the electrodes. FIGS. 1A and 1B corresponding components are provided with the same reference numerals. The primary electrode 1 is from the cylindrical
Sekundärelektrode 2 konzentrisch umgeben. Zwischen der Primärelektrode 1 und der Sekundärelektrode 2 ist das Dielektrikum 3 angeordnet, das den Ringspalt 6 im Bereich der Primärelektrodenspitze 4 und der Sekundärelektrodenspitze 5 freilässt. In dem Ringspalt 6 und an derSecondary electrode 2 concentrically surrounded. Between the primary electrode 1 and the secondary electrode 2, the dielectric 3 is arranged, which leaves free the annular gap 6 in the region of the primary electrode tip 4 and the secondary electrode tip 5. In the annular gap 6 and at the
Primärelektrodenspitze 4 ist die Primärelektrode 1 mit der Dielektrikumschicht 7 vollständig überzogen. Die Sekundärelektrode 2 ist im Bereich der Sekundärelektrodenspitze 5 ebenfalls mit einer Dielektrikumschicht 8 vollständig überzogen.Primary electrode tip 4, the primary electrode 1 with the dielectric layer 7 is completely covered. The secondary electrode 2 is also completely covered with a dielectric layer 8 in the region of the secondary electrode tip 5.
Fig. 2B zeigt in brennraumseitiger Aufsicht den Elektrodenbereich der Zündvorrichtung der Fig. 2A mit der Dielektrikumschicht 7, dem Ringspalt 6 und der Dielektrikumschicht 8 über der Sekundärelektrodenspitze.FIG. 2B shows in combustion chamber side view the electrode area of the ignition device of FIG. 2A with the dielectric layer 7, the annular gap 6 and the dielectric layer 8 above the secondary electrode tip.
Wenn beide Elektroden, sowohl die Primärelektrode 1, als auch die Sekundärelektrode 2 mit den Dielektrikumschichten 7,8 bedeckt sind, so tritt bei keiner von beiden eine Erodierung der Elektrodenoberflächen und somit nur verminderter Verschleiß der Zündvorrichtung insgesamt auf.When both electrodes, both the primary electrode 1 and the secondary electrode 2, are covered with the dielectric layers 7, 8, neither of them erosion of the electrode surfaces and thus only reduced wear of the igniter as a whole.
Fig. 3A und 2B zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung im Längsschnitt im Bereich der Elektroden. Den Fig. IA und IB entsprechende Bauteile sind wiederum mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Primärelektrode 1 und die Sekundärelektrode 2 sind konzentrisch mit dem dazwischen vorgesehenen Dielektrikum 3 angeordnet. Die Sekundärelektrodenspitze 5 ist entsprechend, wie bei dem Ausführungsbeispiel in den Fig. 2A und Fig. 2B, mit der Dielektrikumschicht 8 vollständig überzogen. Eine Primärelektrodenspitze 9 weist eine sich konisch verjüngende Form auf, so dass zwischen einer Dielektrikumschicht 10 der Primärelektrodenspitze 9 und der Dielektrikumschicht 8 der Sekundärelektrode 2 ein sich konisch erweiternder Ringspalt 11 verbleibt.3A and 2B show a further embodiment of an ignition device according to the invention in longitudinal section in the region of the electrodes. The components corresponding to FIGS. 1A and 1B are in turn provided with the same reference numerals. The primary electrode 1 and the secondary electrode 2 are concentric with the dielectric 3 provided therebetween arranged. The secondary electrode tip 5 is correspondingly completely covered with the dielectric layer 8, as in the embodiment in FIGS. 2A and 2B. A primary electrode tip 9 has a conically tapering shape, so that a conically widening annular gap 11 remains between a dielectric layer 10 of the primary electrode tip 9 and the dielectric layer 8 of the secondary electrode 2.
Fig. 3B zeigt in brennraumseitiger Aufsicht denFig. 3B shows in combustion chamber side view of the
Elektrodenbereich der Zündvorrichtung der Fig. 3A mit der Dielektrikumschicht 7, dem Ringspalt 11 und der Dielektrikumschicht 10.Electrode region of the ignition device of FIG. 3A with the dielectric layer 7, the annular gap 11 and the dielectric layer 10.
Bei einem zu den Elektrodenspitzen 4,9 hin zunehmenden Überschlagsweg in dem konischen Ringspalt 11 zündet das Hochfrequenzplasma im Bereich einer geringen Überschlagstrecke. Durch die Aufladung der Dielektrikumschicht in diesem Bereich breitet sich der Plasmaüberschlag sehr schnell in Bereiche größerer Überschlagstrecke aus und nimmt an Leistung zu.When a flashover path in the conical annular gap 11 increases towards the electrode tips 4, 9, the high-frequency plasma ignites in the region of a small flashover distance. As a result of the charging of the dielectric layer in this region, the plasma flashover spreads very rapidly into regions of greater flashover distance and increases in power.
Fig. 4A und 4B zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung im Längsschnitt im Bereich der Elektroden. Den Fig. 3A und 3B entsprechende Bauteile sind wiederum mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Primärelektrode 1 und die Sekundärelektrode 2 sind durch das dazwischen angeordnete Dielektrikum 3 isoliert. Die Sekundärelektrodenspitze 5 ist mit der Dielektrikumschicht 8 vollständig überzogen. Die Primärelektrode 1 weist eine sich zu der Primärelektrodenspitze 9 in der Dicke verringernde Dielektrikumschicht 12 auf. Der Ringspalt 11 erweitert sich konisch.4A and 4B show a further embodiment of an ignition device according to the invention in a longitudinal section in the region of the electrodes. The FIGS. 3A and 3B corresponding components are again provided with the same reference numerals. The primary electrode 1 and the secondary electrode 2 are insulated by the dielectric 3 interposed therebetween. The secondary electrode tip 5 is completely covered with the dielectric layer 8. The primary electrode 1 has a dielectric layer 12 decreasing in thickness to the primary electrode tip 9. The annular gap 11 widens conically.
Fig. 4B zeigt in brennraumseitiger Aufsicht denFig. 4B shows in combustion chamber side view the
Elektrodenbereich der Zündvorrichtung der Fig. 4A mit der Dielektrikumschicht 12, dem Ringspalt 11 und der Dielektrikumschicht 10. Die Verringerung der Dicke der Dielektrikumschicht 12 zu der Primärelektrodenspitze 4 hin verstärkt die schnelle Ausbreitung des Plasmaüberschlags in Bereiche größerer Überschlagstrecke in dem konischen Ringspalt 11.Electrode region of the ignition device of FIG. 4A with the dielectric layer 12, the annular gap 11 and the dielectric layer 10. The reduction of the thickness of the dielectric layer 12 towards the primary electrode tip 4 enhances the rapid propagation of the plasma flashover into regions of greater flashover distance in the conical annular gap 11.
Fig. 5A und 5B zeigen ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung im Längsschnitt im Bereich der Elektroden. Den Fig. IA und IB entsprechende Bauteile sind wiederum mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Primärelektrode 1 wird von der zylinderförmigen Sekundärelektrode 2 konzentrisch umgeben und beide sind vollständig in ein isolierendes Dielektrikum 13 eingebettet, das auch die Primärelektrodenspitze 4 und die Sekundärelektrodenspitze 5 überdeckt. In dem Dielektrikum 13 sind Zündkanäle 14 ausgenommen.5A and 5B show a fifth embodiment of an ignition device according to the invention in longitudinal section in the region of the electrodes. The components corresponding to FIGS. 1A and 1B are in turn provided with the same reference numerals. The primary electrode 1 is surrounded concentrically by the cylindrical secondary electrode 2 and both are completely embedded in an insulating dielectric 13 which also covers the primary electrode tip 4 and the secondary electrode tip 5. Ignition channels 14 are excluded in the dielectric 13.
Fig. 5B zeigt in brennraumseitiger Aufsicht den Elektrodenbereich der Zündvorrichtung der Fig. 5A mit dem Dielektrikum 13, das die Primärelektrodenspitze und dieFIG. 5B shows in combustion chamber side view the electrode area of the ignition device of FIG. 5A with the dielectric 13, which contains the primary electrode tip and the
Sekundärelektrodenspitze überdeckt sowie drei Zündkanäle 14, die als Bohrungen ausgeführt sind.Secondary electrode tip covered and three firing channels 14, which are designed as holes.
In den Zündkanälen 14 findet der Plasmaüberschlag mit einer größeren Energiedichte statt. Dadurch kann die Energiedichte und räumliche Anordnung der Plasmaüberschläge an der Spitze der Zündvorrichtung auf einfache Weise beeinflusst werden.In the ignition channels 14, the plasma flashover takes place with a greater energy density. As a result, the energy density and spatial arrangement of the plasma flashovers at the tip of the ignition device can be influenced in a simple manner.
Der Betrieb der beschriebenen kapazitiv gekoppelten Hochfrequenzzündvorrichtungen erfolgt wie der einer mit konventionellen Elektroden ausgestatteten mit direktem Stromfluss, d.h. es kann unterschieden werden zwischen der Spannungsversorgung zur Initiierung des Plasmaüberschlags und der Energieversorgung zur Aufrechterhaltung eines leistungsstarken Plasmaüberschlags mit Impedanzanpassung an den Resonator nach Initiierung des Plasmaüberschlags. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Zündvorrichtungen mit Dielektrikumschichten besteht darin, dass sie die Leistung lokal und insgesamt begrenzen. Die plasmaseitige Oberfläche der Dielektrikumschicht ist kapazitiv an die von ihr bedeckte Elektrode gekoppelt, und die Impedanz dieser Kapazität CSChicht beträgt bei einer Kreisfrequenz der anregenden Spannung ωf: ZSChicht = 1/ (ωfCSchicht) • Bei gegebener Spannung U an der Elektrode und einer niedrigen Plasmaimpedanz wird der Strom IPiasma begrenzt durch die BedingungThe operation of the described capacitively coupled high frequency ignition devices is similar to that of conventional electrodes equipped with direct current flow, ie, a distinction can be made between the power supply to initiate the plasma flashover and the power supply to maintain a high-power plasma flashover with impedance matching to the resonator upon initiation of the plasma flashover. A further advantage of the dielectric layer ignition devices according to the invention is that they limit the power locally and overall. The plasma-facing surface of the dielectric layer is capacitively coupled to the area covered by its electrode, and the impedance of this capacitance C SC hicht is at an angular frequency of the exciting voltage ω f: Z SC hicht = 1 / (ω f C S chicht) • For a given voltage U to the electrode and a low plasma impedance, the current I P i asma is limited by the condition
I piasma < WfCschichtU I piasma <WfCschichtU
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Primärelektrode1 primary electrode
2 Sekundärelektrode2 secondary electrode
3 Dielektrikum3 dielectric
4 PrimäreIektrodenspitze4 Primary electrode tip
5 SekundäreIektrodenspitze5 Secondary electrode tip
6 Ringspalt6 annular gap
7 Dielektrikumschicht7 dielectric layer
8 Dielektrikumschicht8 dielectric layer
9 PrimäreIektrodenspitze9 Primary electrode tip
10 Dielektrikumschicht10 dielectric layer
11 konischer Ringspalt11 conical annular gap
12 Dielektrikumschicht12 dielectric layer
13 Dielektrikum13 dielectric
14 Zündkanal 14 ignition channel

Claims

Patentansprüche claims
1. Zündvorrichtung für Hochfrequenzplasmazündung mit einer Primärelektrode (1) und einer Sekundärelektrode (2), zwischen denen ein Plasmaüberschlag stattfinden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärelektrode (1) und/oder die Sekundärelektrode (2) vollständig mit einer isolierenden Dielektrikumschicht (7,8,10,12) überzogen sind.1. Ignition device for high-frequency plasma ignition with a primary electrode (1) and a secondary electrode (2), between which a plasma flashover can take place, characterized in that the primary electrode (1) and / or the secondary electrode (2) completely with an insulating dielectric layer (7, 8,10,12) are coated.
2. Zündvorrichtung für Hochfrequenzplasmazündung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Dielektrikumschicht (12) zu einer brennraumseitigen Elektrodenspitze (4) der Primärelektrode2. Ignition device for high-frequency plasma ignition according to claim 1, characterized in that the thickness of the dielectric layer (12) to a combustion chamber-side electrode tip (4) of the primary electrode
(1) und/oder der Sekundärelektrode (2) abnimmt.(1) and / or the secondary electrode (2) decreases.
3. Zündvorrichtung für Hochfrequenzplasmazündung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Dielektrikumschicht zwischen 1/10 mm und einigen mm liegt.3. Ignition device for high frequency plasma ignition according to claim 1 or 2, characterized in that the thickness of the dielectric layer is between 1/10 mm and a few mm.
4. Zündvorrichtung für Hochfrequenzplasmazündung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der dielektrikumbeschichteten Primärelektrode und/oder Sekundärelektrode bis max . ca. 10 mm2 beträgt.4. Ignition device for high-frequency plasma ignition according to one of the preceding claims, characterized in that the surface of the dielectric-coated primary electrode and / or secondary electrode to max. about 10 mm 2 .
5. Zündvorrichtung für Hochfrequenzplasmazündung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strecke des Plasmaüberschlags zwischen der Primärelektrode (1) und der Sekundärelektrode (2) zu einer brennraumseitigen Elektrodenspitze (4,5) der Primärelektrode (1) und der der Sekundärelektrode (2) zunimmt. 5. Ignition device for high frequency plasma ignition according to one of the preceding claims, characterized in that the distance of the plasma flashover between the primary electrode (1) and the secondary electrode (2) to a combustion chamber side electrode tip (4,5) of the primary electrode (1) and the secondary electrode ( 2) increases.
6. Zündvorrichtung für Hochfrequenzplasmazündung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärelektrode (2) um die Primärelektrode (1) herum angeordnet ist.6. Ignition device for high frequency plasma ignition according to one of the preceding claims, characterized in that the secondary electrode (2) around the primary electrode (1) is arranged around.
7. Zündvorrichtung für Hochfrequenzplasmazündung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenraum zwischen der Primärelektrode (1) und der Sekundärelektrode (2) bis auf einen oder mehrere Kanäle (14) mit dem Dielektrikum (13) ausgefüllt ist.7. Ignition device for high-frequency plasma ignition according to claim 6, characterized in that a gap between the primary electrode (1) and the secondary electrode (2) except for one or more channels (14) with the dielectric (13) is filled.
8. Zündvorrichtung für Hochfrequenzplasmazündung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärelektrode (2) ein konzentrisch um die8. Ignition device for high-frequency plasma ignition according to claim 6 or 7, characterized in that the secondary electrode (2) concentrically around the
Primärelektrode (1) angeordneter Zylinder ist.Primary electrode (1) is arranged cylinder.
9. Zündvorrichtung für Hochfrequenzplasmazündung nach9. Ignition device for high-frequency plasma ignition after
Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärelektrode (2) um die Primärelektrode (1) mit unterschiedlichen Abständen angeordnet ist.Claim 6 or 7, characterized in that the secondary electrode (2) around the primary electrode (1) is arranged at different distances.
10. Zündvorrichtung für Hochfrequenzplasmazündung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum ein Glas oder eine Keramik, insbesondere Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid ist . 10. Ignition device for high-frequency plasma ignition according to one of the preceding claims, characterized in that the dielectric is a glass or a ceramic, in particular aluminum oxide, aluminum nitride or boron nitride.
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