WO2012048762A1 - Zündanlage mit wahlweiser luftfunken-zündung und teilentladungs-zündung in abhängigkeit der motorlast - Google Patents

Zündanlage mit wahlweiser luftfunken-zündung und teilentladungs-zündung in abhängigkeit der motorlast Download PDF

Info

Publication number
WO2012048762A1
WO2012048762A1 PCT/EP2011/003093 EP2011003093W WO2012048762A1 WO 2012048762 A1 WO2012048762 A1 WO 2012048762A1 EP 2011003093 W EP2011003093 W EP 2011003093W WO 2012048762 A1 WO2012048762 A1 WO 2012048762A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ignition
electrode
engine load
spark
spark plug
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/003093
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Zellinger
Josef Holzmann
Martin Schenk
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft filed Critical Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
Priority to DE112011103445.8T priority Critical patent/DE112011103445B4/de
Publication of WO2012048762A1 publication Critical patent/WO2012048762A1/de

Links

Classifications

    • 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
    • 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
    • H01T13/46—Sparking plugs having two or more spark gaps
    • H01T13/467—Sparking plugs having two or more spark gaps in parallel connection
    • 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

Definitions

  • Ignition system with optional air spark ignition and partial discharge ignition depending on the engine load
  • the invention relates to an ignition system for an internal combustion engine, which comprises means for generating an ignition voltage and at least one spark plug. Furthermore, the invention relates to a spark plug for such
  • the electrical energy supplied by the battery is stored in the ignition coil.
  • the current flow in the primary circuit of the ignition coil is interrupted (for example, by a switching transistor)
  • the voltage on the secondary side is so high that the air connection between the two electrodes of the spark plug becomes low (a plasma forms between the electrodes, which conductively connects them)
  • a hot air spark is created on the direct path between both electrodes, which ignites the fuel-air mixture that is between the electrodes.
  • a disadvantage of the conventional air spark plug concept is that the ignition voltage requirement increases with increasing engine pressure and thus with increasing engine load. According to the so-called Paschen law, the required breakdown voltage (i.e., the ignition voltage requirement) increases approximately linearly with increasing product ⁇ from pressure pzzp at the ignition timing and electrode distance EA. It follows that at high engine pressures, especially at highly charged
  • a sufficiently high ignition voltage supply must be provided by the ignition coil (eg 40 to 50 kV).
  • the provision of a high ignition voltage offer has a number of disadvantages connected. This results in increased costs, increased space through larger coils and candles, insulation problems, increased wear and thus reduced replacement intervals and the increase of sliding sparks, which can damage the spark plug ceramic and cause misfiring.
  • the required ignition voltage supply is smaller, the smaller the distance between the electrodes.
  • a small distance between the electrodes is a hindrance, especially at low engine load, since the mixture accessibility is lower and the ignition is made more difficult by the smaller spark.
  • a first aspect of the invention relates to an ignition system for a different engine loads, d. H. different pressures and thus different torques, operable internal combustion engine.
  • the ignition system comprises means for generating an ignition voltage
  • the ignition system is configured such that the fuel-air mixture in the internal combustion engine is ignited in a first engine load range with a lower spark generated by the spark plug between a first electrode and a second electrode of the spark plug compared to a second engine load range of lower engine load.
  • a spark plug is provided.
  • the ignition system is configured such that the fuel-air mixture in the internal combustion engine is ignited in a first engine load range with a lower spark generated by the spark plug between a first electrode and a second electrode of the spark plug compared to a second engine load range of lower engine load.
  • Engine load range with (compared to the first engine load range higher engine load), however, the mixture is ignited by a partial discharge spark generated by the spark plug.
  • the ignition does not have to be via a single partial discharge spark, but can also be done by multiple partial discharge sparks.
  • the ignition voltage in this engine load range of the amount is typically below the voltage required for radio sparking between the electrodes, whereby the ignition voltage requirement at full load can be reduced.
  • a partial discharge in the sense of the application is an electrical discharge without complete spark break.
  • there is no complete plasma channel which connects two electrodes with low resistance; essentially no current flows between the electrodes. It flows - if at all - only a very small part of the charge, z.
  • Examples of partial discharges are corona discharges or so-called dielectrically-impeded discharges on a dielectric (for example on the insulator of the spark plug, for example those part of the route) is bridged by a spark channel, but due to the insulating effect of the dielectric no low-impedance coupling to ground and thus no high current can flow).
  • Partial discharges are ignitable at sufficiently high pressure without it this is a completely low-resistance conductive and thus hot
  • the advantage of ignition via a partial discharge is that at high pressure and thus high engine load, the ignition voltage required for ignition via a partial discharge is less than the ignition voltage required for a
  • Ignition via an air spark This reduces the costs of the ignition coil, the spark plug and other components of the ignition system (for example, for the ignition distributor). For example, in tested conventional spark plugs at high engine load from about 31 kV ignition via a partial discharge spark is possible without this requires a very small electrode spacing. At low engine load, the
  • Electrode distance can be used for the spark plug; This brings advantages (especially for the so-called KatCloud operation, so the motor temperature of the exhaust aftertreatment line).
  • the spark plug cycle interval can be increased because with aging of the spark plug, and thus typically associated increase in spark gap, there is no risk of misfiring at high engine load (which increases over life)
  • the spark plug may also have more than two electrodes for generating low-resistance air sparks, in particular a plurality
  • the spark plug may be a conventional spark plug, since even in conventional spark plugs generally from a
  • the spark plug should preferably have the property that the
  • Partial discharge spark does not arise in the depth of the breathing chamber of the spark plug, since such a spark may not trigger the ignition of the mixture. Instead, the spark plug should have the property that the partial discharge spark is higher up in the
  • Respiratory space i. near the combustion chamber or even in the combustion chamber itself.
  • spark plug should preferably have the property that sliding sparks are avoided as possible, as this unlike
  • the spark plug should preferably have the property that the floating-point probability is small in the voltage value used for the partial discharge.
  • the spark plug should preferably have the property that the floating-point probability is small in the voltage value used for the partial discharge.
  • spark plug in addition to the two electrodes for the air spark gap an additional electrode or an electrode for generating a
  • Partial discharge has.
  • the ignition system for generating the high voltage an ignition coil with a primary winding (with ni turns) and a
  • the control unit of the ignition system controls the energy structure in the ignition coil so that in the second
  • Engine load range be limited so that at the respective engine pressure, the high voltage for a normal ignition by a low-resistance air spark opening is not sufficient.
  • Ignition coil energy should be present for a certain required air spark duration, on the other hand, in the second engine load range, however, an air burst should not take place, should
  • Control unit preferably control or regulate the energy charge of the coil before the ignition so that the ignition energy stored in the ignition coil before the reduction of the magnetic field in the second engine load range is smaller than in an underlying engine load range, in particular in the first engine load range.
  • Ignition voltage supply should preferably be smaller in the second engine load range than in an underlying engine load range, in particular in the first engine load range.
  • the amount of the maximum primary current can be adjusted, which in turn is dependent on the charging resistance and the charging voltage U L.
  • the primary residual current can be changed by changing a
  • Charging resistance or change in the charging voltage to be changed may be greater than in the first engine load range.
  • the charging resistance in the upper engine load range may be greater than in the first engine load range.
  • the closing time may be less than in the first engine load range.
  • a current limit may be provided, in which case, for example, the value of the current limit depending on the engine load M d is changed (namely in the upper engine load range is preferably less than in the lower engine load range selected) or the current limit in the upper engine load range is only activated.
  • the partial discharge is a so-called dielectrically impeded discharge, i. the discharge between one
  • Electrode and ground are protected by a dielectric located between electrode and ground, i. through an insulator, obstructed.
  • dielectrically impeded discharge channel may be at a spark plug
  • spark plug which is a
  • Center electrode as a first electrode and a center electrode
  • the partial discharge spark can then arise, for example, as a dielectrically impeded discharge channel in the region surrounding the insulator.
  • a partial discharge spark may also be generated at the center electrode, for example in the vicinity of the upper end of the ceramic, in particular between the ceramic and the center electrode.
  • An isolator is not mandatory for generating the partial discharge spark.
  • the spark plug may, for example, be a spark plug in which a ground electrode center electrode assembly is combined with an additional electrode for the targeted generation of a dielectrically impeded discharge spark.
  • the air gap between the ground electrode and the center electrode is preferably relatively large, for example EA> 1 mm.
  • the spark plug comprises a third electrode for selectively generating the dielectrically impeded partial discharge spark in the region between the insulator and the third electrode, wherein the third electrode extends from the outer surface of the insulator through an air channel is spaced.
  • a third electrode for selectively generating the dielectrically impeded partial discharge spark in the region between the insulator and the third electrode, wherein the third electrode extends from the outer surface of the insulator through an air channel is spaced.
  • the spark gap of the partial discharge is not low-resistance due to the insulating effect of the insulator; However, the resulting partial discharge spark is sufficient in the second engine load range (for example, in the medium and / or high load range) to trigger the ignition typically.
  • the third additional electrode may be aligned with the insulator
  • Radius of curvature for example at a tip, favors the formation of a dielectrically impeded plasma discharge.
  • the third electrode preferably connects to the spark plug thread and in particular may be integrally formed with the spark plug thread.
  • the geometry of the third electrode should generally be designed so that the dielectrically impeded discharge spark arises even at the highest occurring ignition pressures of the engine.
  • the background is that with increasing particle density and otherwise identical conditions, generally an increased field strength is required to initiate a plasma channel or streamer in a gas.
  • the geometry of the ground electrode can be designed by appropriate choice of the radii of curvature so that a sufficient inhomogeneous Feldüberhöhung locally at the electrode ensures the exceeding of the critical field strength for plasma generation.
  • the distance between the third electrode and the insulator is preferably smaller than the distance between the spark plug thread and the insulator.
  • the distance between the third electrode and the first electrode should preferably be smaller than the distance between them
  • a partial discharge spark in particular a dielectric
  • disabled discharge spark generated in a flame-retardant position in the combustion chamber or at least near the combustion chamber and not in an unfavorable position as deep in the breathing chamber of the candle.
  • the thermal load of the spark plug can be reduced by the ignition process. Furthermore, the thermal load of the spark plug can be reduced by the ignition process. Furthermore, the thermal load of the spark plug can be reduced by the ignition process. Furthermore, the thermal load of the spark plug can be reduced by the ignition process. Furthermore, the thermal load of the spark plug can be reduced by the ignition process. Furthermore, the thermal load of the spark plug can be reduced by the ignition process. Furthermore, the
  • Electrode could possibly occur and could lead to accelerated wear of the spark plug can be prevented by suitable measures, such as a corresponding shaping of the insulator, or at least reduce.
  • the insulator on its outer side at least one Kriechstrombarriere, z. B. a bead to Avoiding sliding sparks between the first electrode and the third electrode.
  • the specific choice of polarity can also be helpful here.
  • a partial discharge unlike the normal air sparks, the charge does not flow from one electrode to the other electrode. Instead, it may come in a partial discharge to a feeding back of the ignition coil in the ignition.
  • the voltage applied across the ignition output voltage can become so high that the ignition output stage breaks down. As a result, the ignition output can be damaged or in
  • the ignition system is therefore set up so that the voltage applied across the ignition output stage during a partial discharge remains below the limit for the step break.
  • the reduction can take place, for example, when a partial discharge has been detected via a so-called partial discharge detector.
  • the voltage can also be limited by forming a low-impedance path from the ignition output stage to the ground, and therefore the voltage can not build up any further.
  • an additional switching means may be provided, which is closed on time.
  • a partial discharge detector may be used whose output signal initiates appropriate measures when a partial discharge is indicated.
  • Partial discharge detection can in particular be based on an evaluation of a Signal at a ground terminal of the ignition coil (eg the signal at the so-called terminal 1 of an ignition coil).
  • the partial discharge detector can check if the voltage at this
  • Mass connection exceeds a certain threshold.
  • the partial discharge detector may alternatively or additionally be used for controlling the ignition of the ignition output for other control tasks or control tasks in connection with the partial discharge ignition.
  • the signal of the partial discharge detector can be used to reduce or generally adjust the starting voltage supply after detection of a partial discharge.
  • a second aspect of the invention is directed to an ignition method for a
  • Ignition system with at least one spark plug and means for generating an ignition voltage for the spark plug directed.
  • the fuel-air mixture in the internal combustion engine is in a first engine load range with in
  • Electrode and a second electrode of the spark plug ignited.
  • Fuel-air mixture in the internal combustion engine is ignited in the second engine load range with a higher engine load compared to the first engine load range by a partial discharge spark generated by the spark plug.
  • a third aspect of the invention is directed to a spark plug comprising first and second electrodes for generating air spark between the first electrode and the second electrode. Besides, one is third electrode or an electrode tip for generating a
  • the first electrode is designed as a center electrode.
  • the second electrode then acts as
  • the spark plug comprises an insulator circulating around the center electrode.
  • the third electrode acts as a ground electrode, which is spaced from the outer surface of the insulator by an air channel.
  • the third electrode serves to selectively generate a dielectrically impeded partial discharge spark in the region between the insulator and the third electrode.
  • Each of the aforementioned electrodes may also have a plurality of electrodes.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an inventive device
  • Fig. 3 is a photograph of a partial discharge spark
  • 4 shows an example of the relationship between ignition voltage requirement and torque in an air spark ignition in the lower load range and a partial discharge ignition in the upper load range.
  • 5 shows a first exemplary embodiment of a spark plug for generating both air sparks and partial discharge sparks;
  • FIG. 6 shows a second exemplary embodiment of a spark plug for generating both air sparks and partial discharge sparks; a third embodiment of a spark plug for generating both air sparks and partial discharge sparks; and
  • Fig. 8 shows a second embodiment of an inventive
  • FIG. 1 shows an example of an ignition system according to the invention for an internal combustion engine, for example a motor vehicle.
  • the ignition system is powered by a battery 1, such as a 12V battery.
  • the positive pole of the battery 1 is connected via an ignition switch 2 with an ignition coil.
  • the ignition coil 1 comprises a primary winding 4 and a secondary winding 5.
  • the ignition coil 3 is used to generate a Zündhochposition and is connected to a spark plug 7a or via a
  • the ignition coil 3 comprises four terminals: terminal 15, terminal 1, terminal 4a and terminal 4b (see Kl 15, Kl 1, Kl 4a, Kl 4b in Fig. 1).
  • a control unit 8 switches on an ignition output stage 9 for a specific closing time.
  • the ignition output stage 9 corresponds to an electronic switch and typically comprises a transistor, for example an IGBT (insulated-gate bipolar transistor).
  • the ignition output 9 can, for example, in the Control unit 8 or be integrated in the ignition coil 3.
  • so-called ignition voltage supply depends on the size of the magnetic field and thus typically depends on the primary current when opening the primary circuit.
  • the amount of starting voltage must be at least as large as the so-called starting voltage requirement (ie the voltage required for the breakdown).
  • the ignition voltage requirement depends on the cylinder pressure at the ignition time and thus, inter alia, on the torque M d , ie the engine load.
  • the ignition voltage requirement increases with increasing engine load, ie increasing torque.
  • the ignition voltage requirement decreases with decreasing electrode distance EA between the electrodes 21 and 20.
  • an additional electrode 22 provided for partial discharges may be provided in the spark plug 7a, which
  • Spark plug without dedicated molded auxiliary electrode 22 are used, as well as conventional spark plugs from certain
  • Voltage values can generate partial discharge sparks in the area around the insulator.
  • the photograph in Fig. 3 shows a conventional spark plug with a view of the center electrode 21 (the ground electrode was removed for the photo), wherein a partial discharge spark 50 has formed around the insulator 23 of the spark plug.
  • the spark plug used is a conventional spark plug without an additional electrode for the partial discharge spark.
  • Partial discharge spark for ignition can be in the in Fig. 4
  • the actual torque M d from which pure partial discharge ignition takes place without the possibility of low-resistance air sparking, depends on the supplied ignition voltage supply of the coil 3. In the example shown in FIG. 3, the ignition voltage supply of the ignition coil 3 is limited to approximately 33 kV. For torques greater than M D, TE, 2. so in the
  • Engine load range 13 is insufficient for the limited ignition voltage supply in order to generate a low-resistance air spark breakdown; the ignition takes place for engine loads greater than M D .TE, 2 then via spark discharge spark.
  • the ignition voltage supply is in the engine load range 13 for engine loads greater than M D, TE, 2 so in terms of magnitude below the voltage required for sparking between the electrodes 21 and 20 (see Fig. 2 with Fig. 3).
  • the ignition can take place either via air sparks or spark discharge spark. By further limiting the ignition voltage supply, this intermediate region can be reduced or essentially canceled completely, if the
  • Ignition voltage supply to the voltage required for the partial discharge (here: about 31 kV) or slightly limited.
  • spark gaps on the spark plug should be avoided.
  • the probability of sliding sparks depends on the ignition voltage and the candle type.
  • Spark plug types are already produced at voltage values smaller than the necessary voltage for partial charge sparks (for example, from 25 kV). Preferably, however, such a type of spark plug is used, in which the sliding spark probability up to the maximum occurring
  • Ignition voltage (33 kV in Fig. 3) is low (eg, 1% or less).
  • the surface of the spark gap should thus be covered by a correspondingly extended upward aerial spark area; between normal So air ignition and partial discharge ignition should be no area with
  • slip sparks can be prevented by a suitably adapted plug design and the use of an appropriate polarity (eg, positive polarity, i.e., a positive potential on the electrode 21).
  • an appropriate polarity eg, positive polarity, i.e., a positive potential on the electrode 21.
  • positive polarity i.e., a positive potential on the electrode 21.
  • Load range of the partial discharge ignition be chosen so that it is below the voltage necessary in each case for the spark opening.
  • sparking occurs and on the other hand the spark duration is sufficient for a reliable ignition.
  • the energy stored in the ignition coil (and therefore the ignition voltage supply) therefore tends to be greater in the upper engine load range 13 by the control unit 8 than in the lower one
  • control unit 8 the coil energy and thus also the
  • Ignition voltage supply depending on the respective engine load.
  • the adjustment of the coil energy depending on the engine load can be done in various ways.
  • the amount of the maximum primary current can be adjusted, which in turn is dependent on the charging resistance and the charging voltage.
  • the maximum primary current can be changed by changing a
  • the charging resistance in the upper engine load range may be greater than in the first engine load range.
  • the charging voltage in the second engine load range smaller than in the first
  • the ignition energy by changing the charging time from closing the primary circuit to the interruption of the
  • the charging time may be less than in the first engine load range.
  • Engine load range 13 is only activated.
  • Motor load area 13 is not carried out by a normal spark-through, but by a partial discharge spark.
  • the ignition system can take place as a DC as well
  • spark plug 7 a may be a classic spark plug or a specially adapted for partial discharges spark plug.
  • Fig. 5 shows an embodiment of a spark plug 7a with
  • Additional electrode 22 wherein a conventional arrangement comprising a ground electrode 20 and a center electrode 21 is combined with an additional electrode 22 for selective generation of a partial discharge spark.
  • the electrode distance EA which corresponds to the air gap.
  • a large electrode spacing EA is selected, for example EA> 1 mm, in particular EA> 1, 3 mm. This will be a good one
  • the spark plug further comprises an insulator 23 encircling the center electrode 21, which preferably comprises one or more leakage current barriers 24 for preventing sliding sparks.
  • the insulator 23 is
  • the auxiliary electrode 22 is a ground electrode which is spaced from the outer surface of the insulator by an air channel 25 in which a dielectrically impeded discharge can form.
  • the air channel 25 forms a spark gap for the dielectrically impeded discharge.
  • the additional electrode 22 connects to the insulator 23 encircling spark plug thread 26, which is at ground potential.
  • the distance between the spark plug thread 26 and the insulator 23 can be selected to be greater than the distance between the additional electrode 22 and the insulator 23rd
  • the dielectrically impeded partial discharge spark may be generated beyond the combustion chamber boundary 27, rather than in the breathing space 28, thereby reducing the thermal load on the spark plug and improving mixture ignition.
  • the additional electrode can completely or partially circulate the center electrode.
  • the auxiliary electrode 22 may be formed with a tip instead of a flat end (see Fig. 6).
  • Discharge spark generally can by the polarity, the
  • Material selection (ceramic to produce a dielectrically impeded discharge) are selectively influenced and adapted to the engine map.
  • the development tendencies of the two types of spark relative to each other can also be selectively influenced by these measures.
  • a partial discharge spark in the area around the insulator 23 may be formed in a manner similar to the spark plug in FIG. 5.
  • the spark plug should preferably be designed so that the
  • Partial discharge spark may also be generated in the combustion chamber at the upper portion of the center electrode, for example near the upper end of the ceramic 23, in particular between the ceramic 23 and the center electrode 21 (see reference numeral 29 in Fig. 6).
  • Engine load range can be combined. Instead of a dielectrically impeded partial discharge spark, such a spark plug generates one
  • Partial discharge spark in the form of a corona discharge in the form of a corona discharge.
  • the origin of the air spark and the emergence of the corona discharge can be due, inter alia, by the polarity, the rate of voltage rise, the electrode geometry (in particular the radii of curvature and
  • the center electrode 21 is preferably round and preferably comprises a circumferential one
  • the precious metal reinforcement 23 acts as
  • Electrode distance EA and the diameter D of the center electrode is large.
  • the distance A between the end of the central electrode tip 30 and the ground electrode 20 determines the formation of the corona discharge in the high load range.
  • a significant portion of the charge does not flow from one electrode to the other electrode. Instead, it may come in a partial discharge to a feeding back of the ignition coil in the ignition.
  • the switch of the ignition output stage 9 when the switch of the ignition output stage 9 is open, the voltage applied across the ignition output stage (ie the voltage between terminal 1 and ground) can become so high (eg greater than 400 V) that the switching transistor (eg. IGBT) of the ignition output stage 9 breaks through and conducts (so it to the so-called clamping comes).
  • the ignition output stage 9 or in the control unit 8 in front of the ignition output stage 9 lying circuit parts are damaged.
  • the switching transistor which takes no damage despite feedback of the ignition coil energy.
  • the total energy including the regenerated energy for a partial charge ignition may be 300 mJ.
  • the switching transistor may be designed so that the switching transistor can withstand the energy without damage.
  • measures may be taken to eliminate a defect due to recharged ignition coil energy.
  • the partial discharge for example via an evaluation of the signal to Kl 1, the
  • Energy recovery can be reduced or almost completely avoided. This can be done by reducing the ignition voltage.
  • the ignition system is set up that at a
  • the reduction may take place, for example, after a partial discharge has been detected via a so-called partial discharge detector 40, as shown in FIG.
  • Partial discharge detector 40 is fed to the controller 8 to do so.
  • the reduced coil energy or the reduced ignition voltage supply then apply, for example, for the next ignition after detection of a partial charge.
  • the partial discharge detection can be carried out, for example, on the basis of an evaluation at a ground connection of the ignition coil (for example based on the signal at terminal 1 of ignition coil 3). For example, the
  • Partial discharge detector 40 to check that the voltage at the
  • Ground connection exceeds a certain threshold (eg 400 V).
  • the partial charge detector 40 may, for example, wait a certain amount of time after the ignition output stage is opened. After the period of time, the partial charge detector 40 then measures the applied voltage and checks if it is above the threshold value.
  • the voltage can also be limited by forming a low-impedance path from K 1 to the ground, and therefore the voltage can not build up any further.
  • an additional switching means 41 for example, an IGBT
  • IGBT IGBT
  • the control of the switching means 41 or the switching transistor of the ignition output stage 9 via the control unit 8 takes place, for example, upon detection of a partial discharge by the partial discharge detector 40.
  • the protective measure can already be performed for the partial discharge just recognized.
  • the switching means 41 and the switching transistor of the ignition output should preferably be closed only briefly, so that it does not come to the charging of the coil.
  • a partial discharge detector 40 for detecting a partial discharge, it may also be envisaged that in engine load areas with partial discharge ignition one of the measures described above takes place "blindly", that is to say without actually checking a partial discharge

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Zündanlage für einen bei unterschiedlichen Motorlasten, d. h. unterschiedlichen Drücken und damit unterschiedlichem Drehmoment, betreibbaren Verbrennungsmotor. Die Zündanlage umfasst Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung, beispielsweise eine Zündspule. Ferner ist eine Zündkerze vorgesehen. Die Zündanlage ist derart eingerichtet, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor in einem ersten Motorlastbereich mit im Vergleich zu einem zweiten Motorlastbereich niedrigerer Motorlast durch einen von der Zündkerze erzeugten niederohmigen, vollständigen Luftfunken zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode der Zündkerze gezündet wird. In dem zweiten Motorlastbereich wird das Gemisch hingegen durch einen von der Zündkerze erzeugten Teilentladungsfunken gezündet. Da im (oberen) zweiten Motorlastbereich die Zündung über Teilentladungen stattfindet, ist die Zündspannung in diesem Motorlastbereich vom Betrag typischerweise unter der in diesem Lastbereich zum Funkendurchbruch zwischen den Elektroden notwendigen Spannung.

Description

Zündanlage mit wahlweiser Luftfunken-Zündung und Teilentladungs- Zündung in Abhängigkeit der Motorlast
Die Erfindung betrifft eine Zündanlage für einen Verbrennungsmotor, welche Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung und mindestens eine Zündkerze umfasst. Ferner betrifft die Erfindung eine Zündkerze für eine solche
Zündanlage.
Bei einer gewöhnlichen Zündanlage mit Zündspule und Zündkerze wird die von der Batterie gelieferte elektrische Energie in der Zündspule gespeichert. Wenn der Stromfluss im Primärkreis der Zündspule unterbrochen wird (beispielsweise durch einen Schalttransistor), entsteht sekundärseitig eine so große Spannung, dass die Luftverbindung zwischen den beiden Elektroden der Zündkerze niederohmig wird (es bildet sich ein Plasma zwischen den Elektroden, das diese leitend verbindet) und ein heißer Luftfunke auf dem direkten Weg zwischen beiden Elektroden entsteht, der das Kraftstoff-Luft- Gemisch entzündet, das sich zwischen den Elektroden befindet.
Nachteilig an dem konventionellen Luftfunkenkonzept der Zündkerze ist, dass der Zündspannungsbedarf mit zunehmendem Motordruck und damit mit zunehmender Motorlast steigt. Nach dem sogenannten Paschen-Gesetz nimmt die benötigte Durchschlagspannung (d. h. der Zündspannungsbedarf) näherungsweise linear mit zunehmendem Produkt ρζζρΈΑ aus Druck pzzp zum Zündzeitpunkt und Elektrodenabstand EA zu. Daraus ergibt sich, dass bei hohen Motordrücken, insbesondere bei hochaufgeladenen
Brennverfahren, ein ausreichend hohes Zündspannungsangebot von der Zündspule bereitgestellt werden muss (z. B. 40 bis 50 kV). Die Bereitstellung eines hohen Zündspannungsangebots ist mit einer Vielzahl von Nachteilen verbunden. So ergeben sich hierdurch erhöhte Kosten, ein vergrößerter Bauraum durch größere Spulen und Kerzen, Isolationsprobleme, ein erhöhter Verschleiß und damit verringerte Wechselintervalle und die Zunahme von Gleitfunken, die die Zündkerzen-Keramik schädigen und Zündaussetzer verursachen können.
Das benötigte Zündspannungsangebot ist laut dem Paschen-Gesetz umso kleiner, je kleiner der Abstand der Elektroden ist. Ein kleiner Abstand der Elektroden ist aber insbesondere bei geringer Motorlast hinderlich, da die Gemischzugänglichkeit geringer ist und durch den kleineren Funken die Entflammung erschwert wird. Daraus ergibt sich ein prinzipieller Zielkonflikt zwischen Teillast, bei welcher ein großer Elektrodenabstand (z. B. EA = 1.1 mm) von Vorteil ist, und Volllast, bei welcher ein geringer Elektrodenabstand (z. B. EA = 0,7 mm) zur Reduktion des Zündspannungsbedarfs führt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Zündanlage und ein entsprechendes Zündverfahren für eine Zündanlage anzugeben, wobei der
Zündspannungsbedarf bei hohem Motordruck im Vergleich zum
konventionellen Luftfunkenkonzept reduziert ist und insbesondere für einen geringeren Druck noch ein ausreichend großen Elektrodenabstand
vorhanden ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Zündkerze für die Zündanlage anzugeben.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen beschrieben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Zündanlage für einen bei unterschiedlichen Motorlasten, d. h. unterschiedlichen Drücken und damit unterschiedlichen Drehmomenten, betreibbaren Verbrennungsmotor. Die Zündanlage umfasst Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung,
beispielsweise eine Zündspule. Ferner ist eine Zündkerze vorgesehen. Die Zündanlage ist derart eingerichtet, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor in einem ersten Motorlastbereich mit im Vergleich zu einem zweiten Motorlastbereich niedrigerer Motorlast durch einen von der Zündkerze erzeugten Luftfunken zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode der Zündkerze gezündet wird. In dem zweiten
Motorlastbereich mit (im Vergleich zu dem ersten Motorlastbereich höherer Motorlast) wird das Gemisch hingegen durch einen von der Zündkerze erzeugten Teilentladungsfunken gezündet. Die Zündung muss nicht über einen einzelnen Teilentladungsfunken erfolgen, sondern kann auch durch mehrere Teilentladungsfunken erfolgen.
Da im (oberen) zweiten Motorlastbereich die Zündung über Teilentladungen stattfindet, ist die Zündspannung in diesem Motorlastbereich vom Betrag typischerweise unter der zum Funkendurchbruch zwischen den Elektroden notwendigen Spannung, wodurch der Zündspannungsbedarf bei Volllast reduziert werden kann.
Eine Teilentladung im Sinne der Anmeldung ist eine elektrische Entladung ohne vollständigen Funkendurchbruch. Es entsteht also im Unterschied zum Luftfunken kein vollständiger Plasmakanal, welcher zwei Elektroden niederohmig verbindet; es fließt im Wesentlichen kein Strom zwischen den Elektroden. Es fließt - wenn überhaupt - nur ein äußerst geringer Teil der Ladung, z. B. über„schnelle" Elektronen, von der einen Elektrode zur anderen Elektrode ab. Beispiele für Teilentladungen sind Korona- Entladungen oder sogenannte dielektrisch-behinderte Entladungen an einem Dielektrikum (z. B. am Isolator der Zündkerze, bei z.B. denen ein Teil der Strecke durch einen Funkenkanal überbrückt ist, aber aufgrund der isolierenden Wirkung des Dielektrikums keine niederohmige Ankopplung auf Masse erfolgen und somit kein hoher Strom fließen kann). Solche
Teilentladungen sind bei ausreichend hohem Druck zündfähig, ohne dass es hierzu eines vollständig niederohmig leitenden und damit heißen
Luftfunkendurchschlages bedarf.
Der Vorteil der Zündung über eine Teilentladung ist, dass bei hohem Druck und damit hoher Motorlast der Zündspannungsbedarf für eine Zündung über eine Teilentladung geringer ist als der Zündspannungsbedarf für eine
Zündung über einen Luftfunken. Hierdurch reduzieren sich die Kosten für die Zündspule, die Zündkerze und weiterer Komponenten des Zündsystems (beispielsweise für den Zündverteiler). So ist beispielsweise bei getesteten konventionellen Zündkerzen bei hoher Motorlast ab ca. 31 kV ein Zünden über einen Teilentladungsfunken möglich, ohne dass es hierzu eines sehr geringen Elektrodenabstands bedarf. Bei geringer Motorlast kann die
Zündung über einen gewöhnlichen Luftfunken erfolgen. Die Motorlast abhängige Verwendung entweder einer Teilentladungs- Zündung oder eine Luftfunken-Zündung hat neben der Reduktion des benötigten Hochspannungsniveaus den Vorteil, dass ein größerer
Elektrodenabstand für die Zündkerze verwendet werden kann; dies bringt Vorteile mit sich (insbesondere auch für den sogenannten Katheiz-Betrieb, also die motorische Temperierung des Abgasnachbehandlungsstranges). Darüber hinaus kann das Zündkerzenwechseiintervall vergrößert werden, da mit Alterung der Zündkerze und damit typischerweise einhergehender Vergrößerung des Elektrodenabstands keine Gefahr von Zündaussetzern bei hoher Motorlast besteht (die bei über der Lebensdauer zunehmendem
Elektrodenabstand bei konventioneller Luftfunken-Zündung ansonsten bestünde).
Die Zündkerze kann auch mehr als zwei Elektroden zur Erzeugung von niederohmigen Luftfunken aufweisen, insbesondere mehrere
Elektrodenpaare mit verschiedenen Elektrodenabständen. Bei der Zündkerze kann es sich um eine konventionelle Zündkerze handeln, da auch bei konventionellen Zündkerzen im Allgemeinen ab einer
bestimmten Spannung Teilentladungen stattfinden (ungefähr für die von der Anmelderin getesteten Zündkerzen ab 31 kV). Statt einer konventionellen Zündkerze kann auch eine für die Teilentladungs-Zündung speziell angepasste Zündkerze verwendet werden.
Die Zündkerze sollte vorzugsweise die Eigenschaft haben, dass der
Teilentladungsfunke nicht in der Tiefe des Atmungsraums der Zündkerze entsteht, da ein derartiger Funke möglicherweise die Entflammung des Gemisches nicht auslösen kann. Stattdessen sollte die Zündkerze die Eigenschaft haben, dass der Teilentladungsfunke weiter oben im
Atmungsraum, d.h. in Brennraumnähe, oder gar schon im Brennraum selbst entsteht.
Außerdem sollte die Zündkerze vorzugsweise die Eigenschaft haben, dass Gleitfunken möglichst vermieden werden, da diese im Unterschied zu
Teilentladungen mit einem großen Stromfluss verbunden sind und zu
Keramikschäden führen können. Außerdem können sich bei Gleitfunken Zündaussetzern ergeben. Daher sollte die Zündkerze vorzugsweise die Eigenschaft haben, dass die Gleitfunkenwahrscheinlichkeit bei dem für die Teilentladung verwendeten Spannungswert gering ist. Vorzugsweise sollten für Motorlasten im ersten Motorlastbereich, im zweiten Motorlastbereich und einem etwaig dazwischen liegendem Motorlastbereich im Wesentlichen keine Gleitfunken an der Zündkerze auftreten.
Bei Verwendung einer angepassten Zündkerze kann vorgesehen sein, dass die Zündkerze neben den beiden Elektroden für den Luftfunkendurchbruch eine zusätzliche Elektrode oder eine Elektroden zur Erzeugung einer
Teilentladung aufweist. Vorzugsweise sieht die Zündanlage zum Erzeugen der Hochspannung eine Zündspule mit einer Primärwicklung (mit ni Windungen) und einer
Sekundärwicklung (mit n2 Windungen) vor. Das Steuergerät der Zündanlage steuert den Energieaufbau in der Zündspule so, dass im zweiten
Motorlastbereich das Zündspannungsangebot (d. h. die bei der gegebenen Zündspulenenergie maximal mögliche Hochspannung für die Zündung) bei dem jeweiligen Druck vom Betrag her unter der zum Funkendurchbruch zwischen den Elektroden notwendigen Spannung liegt. Es muss also vom Steuergerät vorgesehen werden, dass die Spulenenergie für den zweiten Motorlastbereich nicht zu hoch gewählt wird, so dass ein normaler
Funkendurchbruch stattfindet. Die Energie sollte also im zweiten
Motorlastbereich so begrenzt sein, dass bei dem jeweiligen Motordruck die Hochspannung für eine normale Zündung durch einen niederohmigen Luftfunkendurchbruch nicht ausreicht.
Da für den ersten Motorlastbereich jedoch eine ausreichende
Zündspulenenergie für eine bestimmte notwendige Luftfunkendauer vorhanden sein sollte, auf der anderen Seite im zweiten Motorlastbereich jedoch ein Luftfunkendurchbruch nicht stattfinden sollte, sollte das
Steuergerät vorzugsweise die Energieaufladung der Spule vor der Zündung so steuern oder regeln, dass die in der Zündspule vor dem Abbau des Magnetfeld gespeicherte Zündenergie im zweiten Motorlastbereich kleiner als in einem darunter liegenden Motorlastbereich, insbesondere in dem ersten Motorlastbereich, ist. Mit anderen Worten: das
Zündspannungsangebot sollte vorzugsweise im zweiten Motorlastbereich kleiner als in einem darunter liegenden Motorlastbereich, insbesondere in dem ersten Motorlastbereich, sein.
Dies kann durch verschiedene Maßnahmen oder eine Kombination dieser Maßnahmen gewährleistet werden: Beispielsweise kann der Betrag des maximalen Primärstroms angepasst werden, welcher wiederum vom Ladewiderstand und der Ladespannung UL abhängig ist. Der Primärruhestrom kann durch Änderung eines
Ladewiderstands oder Änderung der Ladespannung verändert werden. So kann beispielsweise der Ladewiderstand im oberen Motorlastbereich größer als im ersten Motorlastbereich sein. Alternativ kann beispielsweise die
Ladespannung im zweiten Motorlastbereich kleiner als im ersten
Motorlastbereich sein. Außerdem ist es möglich, die Zündenergie durch Änderung der Ladezeit oder Schließzeit vom Schließen des Primärstromkreises bis zur Unterbrechung des Primärstromkreises zu verändern, wodurch der Betrag des Primärstroms im Zündzeitpunkt verändert werden kann. So kann beispielsweise im zweiten Motorlastbereich die Schließzeit geringer als im ersten Motorlastbereich gewählt werden.
Außerdem kann auch eine Strombegrenzung vorgesehen sein, wobei in diesem Fall beispielsweise der Wert der Strombegrenzung in Abhängigkeit der Motorlast Md verändert wird (nämlich im oberen Motorlastbereich vorzugsweise geringer als im unteren Motorlastbereich gewählt wird) oder die Strombegrenzung im oberen Motorlastbereich überhaupt erst aktiviert wird.
Beispielsweise handelt es sich bei der Teilentladung um eine sogenannte dielektrisch behinderte Entladung, d.h. die Entladung zwischen einer
Elektrode und Masse wird durch ein zwischen Elektrode und Masse befindliches Dielektrikum, d.h. durch einen Isolator, behindert. Ein
dielektrisch behinderter Entladungskanal kann bei einer Zündkerze
beispielsweise zwischen der Masseelektrode und der die Mittelelektrode umlaufenden Isolator-Keramik ab einer bestimmten Hochspannung
entstehen und das Gemisch bei einem ausreichenden Zylinderdruck zünden. Es handelt sich vorzugsweise um eine Zündkerze, welche eine
Mittelelektrode als erste Elektrode und einen die Mittelelektrode
umschließenden Isolator umfasst. Der Teilentladungsfunke kann dann beispielsweise als dielektrisch behinderter Entladungskanal im den Isolator umgebenden Bereich entstehen.
Alternativ kann aber auch ein Teilentladungsfunke an der Mittelelektrode entstehen, beispielsweise in der Nähe des oberen Endes der Keramik, insbesondere zwischen der Keramik und der Mittelelektrode. Ein Isolator ist zur Erzeugung des Teilentladungsfunkens nicht zwingend notwendig.
Bei der Zündkerze kann es sich beispielsweise um eine Zündkerze handeln, bei welcher eine Masseelektroden-Mittelelektroden-Anordnung mit einer zusätzlichen Elektrode für die gezielte Erzeugung eines dielektrisch behinderten Entladungsfunkens kombiniert wird. Der Luftspalt zwischen der Masseelektrode und der Mittelelektrode ist vorzugsweise relativ groß, beispielsweise EA >1 mm. Hierdurch wird eine gute Entflammung im ersten Motorlastbereich (beispielsweise Teillastbereich) ermöglicht. Im zweiten Motorlastbereich (beispielsweise Hochlast, Volllast und/oder Mittellast) zündet dann die Kerze nicht mehr über den klassischen Luftfunken, sondern über den dielektrisch behinderten Teilentladungsfunken.
Beispielsweise umfasst die Zündkerze neben der ersten Elektrode und der als Masseelektrode fungierenden zweiten Elektrode eine als Masseelektrode fungierende dritte Elektrode zur gezielten Erzeugung des dielektrisch behinderten Teilentladungsfunkens im Bereich zwischen dem Isolator und der dritten Elektrode, wobei die dritte Elektrode von der Außenfläche des Isolators durch einen Luftkanal beabstandet ist. Hierbei sollte vorzugsweise durch Formung der dritten (zusätzlichen) Elektrode und des Zündkerzen-Isolators und/oder durch die Wahl des Abstands zwischen der dritten Elektrode zum Zündkerzen-Isolator im zweiten Motorlastbereich ein elektrisches Feld dergestalt erzeugbar sein, dass ein ionisierter Luftkanal zwischen der Elektrode und dem Isolator auch bei hohen Druckwerten im Zündzeitpunkt entstehen kann (der ionisierte Kanal muss dabei aber nicht von der Elektrode zum Isolator reichen). Die Funkenstrecke der Teilentladung ist aufgrund der isolierenden Wirkung des Isolators nicht niederohmig; der so entstehende Teilentladungsfunke reicht aber im zweiten Motorlastbereich (beispielsweise im Mittel- und/oder Hochlastbereich) zur Auslösung der Entflammung typischerweise aus. Die dritte zusätzliche Elektrode kann eine auf den Isolator ausgerichtete
Spitze oder eine der Isolatoroberfläche gegenüberliegende Fläche umfassen und/oder als ganz oder teilweise den Isolator umlaufender Ring ausgeführt sein. Eine lokale Feldstärkenerhöhung aufgrund eines geringen
Krümmungsradius, beispielsweise bei einer Spitze, begünstigt die Bildung einer dielektrisch behinderten Plasmaentladung.
Die dritte Elektrode schließt sich vorzugsweise an das Zündkerzengewinde an und kann insbesondere mit dem Zündkerzengewinde einstückig ausgebildet sein.
Die Geometrie der dritten Elektrode sollte generell so ausgelegt sein, dass der dielektrisch behinderte Entladungsfunke auch bei den höchsten auftretenden Zünd-Drücken des Motors entsteht. Hintergrund ist, dass bei steigender Teilchendichte und sonst gleichen Bedingungen in der Regel eine erhöhte Feldstärke zur Initiierung eines Plasmakanals oder Streamers in einem Gas erforderlich ist. Um diese bei höheren Zünddichten nicht durch unnötig hohe Spannungen erzeugen zu müssen, kann die Geometrie der Massenelektrode durch entsprechende Wahl der Krümmungsradien so ausgelegt sein, dass eine ausreichende inhomogene Feldüberhöhung lokal an der Elektrode die Überschreitung der für die Plasmaentstehung kritische Grenzfeldstärke sicherstellt.
Damit sich der Teilentladungsfunke auf Höhe der dritten Elektrode ausbildet und nicht tiefer am Zündkerzengewinde im Atmungsraum der Zündkerze, ist der Abstand zwischen der dritten Elektrode und dem Isolator vorzugsweise kleiner als der Abstand zwischen dem Zündkerzengewinde und dem Isolator. Außerdem sollte der Abstand zwischen der dritten Elektrode und der ersten Elektrode vorzugsweise kleiner sein als der Abstand zwischen dem
Zündkerzengewinde und der ersten Elektrode.
Vorzugsweise wird - beispielsweise wie bei der vorstehend beschriebenen Zündkerze - ein Teilentladungsfunke, insbesondere ein dielektrisch
behinderter Entladungsfunke, in einer entflammungsgünstigen Position im Brennraum oder zumindest nahe dem Brennraum erzeugt und nicht in einer ungünstigen Position wie tief im Atmungsraum der Kerze.
Durch die Verlagerung des Teilentladungsfunkens aus dem Atmungsraum heraus in den Brennraum kann die thermische Belastung der Zündkerze durch den Entflammungsvorgang reduziert werden. Weiterhin ist die
Entflammung durch eine Teilentladung im Brennraum in der Regel
wesentlich zuverlässiger als im Atmungsraum, da eine bessere
Gemischzugänglichkeit bei gleichzeitig reduziertem Bauteilquenching gewährleistet ist.
Die Entstehung von Gleitfunken, die bei einer derartigen
Elektrodenausführung zwischen der ersten Elektrode und der dritten
Elektrode möglicherweise auftreten könnten und zu einem beschleunigten Verschleiß der Zündkerze führen könnten, lassen sich durch geeignete Maßnahmen, wie eine entsprechende Formung des Isolators verhindert, oder doch zumindest reduzieren. So ist es Vorteil, wenn der Isolator an dessen Außenseite mindestens eine Kriechstrombarriere, z. B. eine Wulst, zur Vermeidung von Gleitfunken zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode aufweist. Auch die gezielte Wahl der Polarität kann hier hilfreich sein. Bei einer Teilentladung fließt im Unterschied zum normalen Luftfunken nicht die Ladung von einer Elektrode zu der anderen Elektrode ab. Stattdessen kann es bei einer Teilentladung zu einer Rückspeisung der Zündspulenergie in die Zündendstufe kommen. Insbesondere kann die über der Zündendstufe anliegende Spannung so hoch werden, dass die Zündendstufe durchbricht. Hierdurch kann die Zündendstufe geschädigt werden oder in
Ansteuerrichtung vor der Zündendstufe liegende Schaltungsteile negativ beeinträchtigt werden.
Vorzugsweise ist die Zündanlage daher so eingerichtet, dass die bei einer Teilentladung über der Zündendstufe anliegende Spannung unter der Grenze zum Durchbruch der Stufe bleibt.
Dies kann dadurch realisiert werden, indem die Spulenenergie oder das Zündspannungsangebot der Zündspule verringert wird. Die Verringerung kann beispielsweise dann stattfinden, wenn eine Teilentladung über einen sogenannten Teilentladungs-Detektor detektiert wurde.
Alternativ zur Verringerung der von der Spule bereitgestellten Energie kann auch die Spannung dadurch begrenzt werden, indem ein niederohmiger Pfad von der Zündendstufe zur Masse gebildet wird und die Spannung sich daher nicht weiter aufbauen kann. Hierzu kann beispielsweise ein zusätzliches Schaltmittel vorgesehen sein, welches rechtzeitig geschlossen wird.
Zur Realisierung des Schutzes der Zündendstufe vor einem Durchbruch kann ein Teilentladungs-Detektor verwendet, dessen Ausgangssignal bei Anzeige einer Teilentladung entsprechende Maßnahmen initiiert. Die
Teilentladungs-Detektion kann insbesondere anhand einer Auswertung eines Signals an einem Masseanschluss der Zündspule (z. B. des Signals an der sogenannten Klemme 1 einer Zündspule) erfolgen. Beispielsweise kann der Teilentladungs-Detektor prüfen, ob die Spannung an diesem
Massenanschluss einen bestimmten Schwellwert überschreitet.
Der Teilentladungs-Detektor kann alternativ oder zusätzlich zur Steuerung des Schutzes der Zündendstufe auch für andere Steuerungsaufgaben oder Regelungsaufgaben im Zusammenhang mit der Teilentladungszündung verwendet werden. Beispielsweise kann das Signal des Teilentladungs- Detektors dafür verwendet werden, das Zündspannungsangebot nach Detektion einer Teilentladung zu reduzieren oder generell anzupassen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist auf ein Zündverfahren für eine
Zündanlage mit mindestens einer Zündkerze und Mitteln zum Erzeugen einer Zündspannung für die Zündkerze gerichtet. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor wird in einem ersten Motorlastbereich mit im
Vergleich zu einem zweiten Motorlastbereich niedrigerer Motorlast durch einen von der Zündkerze erzeugten Luftfunken zwischen einer ersten
Elektrode und einer zweiten Elektrode der Zündkerze gezündet. Das
Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor wird in dem zweiten Motorlastbereich mit im Vergleich zu dem ersten Motorlastbereich höherer Motorlast durch einen von der Zündkerze erzeugten Teilentladungsfunken gezündet. Die vorstehenden Ausführungen zur erfindungsgemäßen Zündanlage und deren vorteilhafte Ausführungsformen nach dem ersten Aspekt der Erfindung gelten in entsprechender Weise auch für das erfindungsgemäße
Zündverfahren nach dem zweiten Aspekt der Erfindung. Ein dritter Aspekt der Erfindung ist auf eine Zündkerze gerichtet, die eine erste und eine zweite Elektrode zur Erzeugung eines Luftfunkens zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode umfasst. Außerdem ist eine dritte Elektrode oder eine Elektrodenspitze zur Erzeugung einer
Teilentladung vorgesehen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die erste Elektrode als Mittelelektrode ausgeführt. Die zweite Elektrode fungiert dann als
Masseelektrode. Ferner umfasst die Zündkerze einen die Mittelelektrode umlaufenden Isolator. Die dritte Elektrode fungiert als Masseelektrode, welche von der Außenfläche des Isolators durch einen Luftkanal beabstandet ist. Die dritte Elektrode dient zur gezielten Erzeugung eines dielektrisch behinderten Teilentladungsfunken im Bereich zwischen dem Isolator und der dritten Elektrode.
Von jeder der vorstehend genannten Elektroden können auch mehrere Elektroden vorhanden sein.
Die vorstehenden Ausführungen zu vorteilhaften Zündkerzen, die vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zündanlage gemacht wurden, gelten in entsprechender Weise auch für die erfindungsgemäße Zündkerze nach dem dritten Aspekt der Erfindung.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. In diesen zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße
Zündanlage;
Fig. 2 ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen Zündspannungsbedarf und Drehmoment bei einer konventionellen Luftfunkenzündung;
Fig. 3 ein Foto eines Teilentladungsfunkens; Fig. 4 ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen Zündspannungsbedarf und Drehmoment bei einer Luftfunkenzündung im unteren Lastbereich und einer Teilentladungszündung im oberen Lastbereich; Fig. 5 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Zündkerze zur Erzeugung sowohl von Luftfunken als auch Teilentladungsfunken;
Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Zündkerze zur Erzeugung sowohl von Luftfunken als auch Teilentladungsfunken; ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Zündkerze zur Erzeugung sowohl von Luftfunken als auch Teilentladungsfunken; und
Fig. 8 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße
Zündanlage.
In Fig. 1 ist ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Zündanlage für einen Verbrennungsmotor, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, dargestellt. Die Zündanlage wird von einer Batterie 1 , beispielsweise einer 12V-Batterie gespeist. Der Pluspol der Batterie 1 ist über einen Zündschalter 2 mit einer Zündspule verbunden. Die Zündspule 1 umfasst eine Primärwicklung 4 und eine Sekundärwicklung 5. Die Zündspule 3 dient der Erzeugung einer Zündhochspannung und ist mit einer Zündkerze 7a oder über einen
Zündverteiler 6 mit mehreren Zündkerzen 7a-d verbunden. Die Zündspule 3 umfasst vier Klemmen: Klemme 15, Klemme 1 , Klemme 4a und Klemme 4b (s. Kl 15, Kl 1 , Kl 4a, Kl 4b in Fig. 1 ).
Zur Erzeugung der Zündhochspannung für die Zündkerze 7a schaltet ein Steuergerät 8 eine Zündungsendstufe 9 für eine bestimmte Schließzeit ein. Die Zündendstufe 9 entspricht einem elektronischer Schalter und umfasst typischerweise einen Transistor, beispielsweise einen IGBT (insulated-gate bipolar transistor). Die Zündendstufe 9 kann beispielsweise in dem Steuergerät 8 oder in der Zündspule 3 integriert sein. Während der
Schließzeit ist der Primärstromkreis geschlossen und der Betrag des
Primärstroms in der Primärwicklung 4 steigt gegen die
Gegeninduktionsspannung auf einen bestimmten Stromwert an, wobei ein Magnetfeld in der Zündspule aufgebaut wird.
Durch Aufbau des Magnetfelds wird in dem Magnetfeld Energie gespeichert, deren Höhe von der Größe des Primärstroms und der Induktivität der
Primärwicklung 4 abhängt. Gesteuert über das Steuergerät 8 unterbricht die Zündendstufe 9 den Primärstromkreis, so dass der Stromfluss im
Primärstromkreis unterbrochen wird. Das Magnetfeld bricht dabei
zusammen, so dass in der Sekundärwicklung 5 ein großer Spannungswert induziert wird. Die maximal mögliche Spannung auf der Sekundärseite (d. h. das
sogenannte Zündspannungsangebot) ist abhängig von der Größe des Magnetfelds und damit typischerweise abhängig von dem Primärstrom beim Öffnen des Primärkreises. Für einen konventionellen Luftfunkendurchbruch zwischen den Elektroden 21 und 20 in der Zündkerze muss das Zündspannungsangebot vom Betrag her mindestens so groß wie der sogenannte Zündspannungsbedarf (d. h. die für den Durchbruch notwendige Spannung) sein. Der Zündspannungsbedarf hängt von dem Zylinderdruck zum Zündzeitpunkt und damit unter anderem von dem Drehmoment Md, also der Motorlast, ab. Gemäß dem Gesetz von Paschen nimmt der Zündspannungsbedarf mit steigender Motorlast, d.h. steigendem Drehmoment zu. Außerdem nimmt gemäß dem Gesetz von Paschen der Zündspannungsbedarf mit abnehmendem Elektrodenabstand EA zwischen den Elektroden 21 und 20 ab. Fig. 2 zeigt drei beispielhafte Verläufe der Zündspannung über dem Drehmoment Md für drei verschiedene Elektrodenabstände EA = 0,7 mm; 0,9 mm und 1 ,1 mm. Durch den hohen Zündspannungsbedarf (z. B. 40 kV oder mehr) bei sehr hoher Motorlast ergeben sich Isolationsprobleme in der Zündkerze, ein erhöhter Verschleiß der Zündkerze und die Gefahr von Gleitfunken.
Zur Reduzierung des Zündspannungsbedarfs für höhere Motorlasten wird vorgeschlagen, die Zündung für höhere Motorlastbereiche (beispielsweise ab Werte von 220-330 Nm) über einen Teilentladungsfunken statt über einen Luftfunkendurchbruch zu bewerkstelligen. Bei der Teilentladung entsteht im Unterschied zum Luftfunken kein niederohmiges Plasma. Zur Realisierung eines Teilentladungsfunkens kann eine für Teilentladungen vorgesehene zusätzliche Elektrode 22 in der Zündkerze 7a vorgesehen sein, die
beispielsweise als Masseelektrode fungiert. Es kann aber auch eine
Zündkerze ohne dediziert ausgeformte Zusatzelektrode 22 verwendet werden, da auch konventionelle Zündkerzen ab bestimmten
Spannungswerten Teilentladungsfunken im Bereich um den Isolator erzeugen können.
Das Foto in Fig. 3 zeigt eine konventionelle Zündkerze mit Sicht auf die Mittelektrode 21 (die Masseelektrode wurde für das Foto entfernt), wobei sich um den Isolator 23 der Zündkerze ein Teilentladungsfunke 50 gebildet hat.
Fig. 4 zeigt drei beispielhafte Verläufe für den Zündspannungsbedarf über dem Motordrehmoment Md für drei verschiedene Elektrodenabstände EA = 0,7 mm; 0,9 mm und 1 ,1 mm bei Verwendung von konventioneller
Luftfunkenzündung im unteren Motorlastbereich und Teilentladungszündung im oberen Motorlastbereich. Bei der verwendeten Zündkerze handelt es sich um eine konventionelle Zündkerze ohne zusätzliche Elektrode für den Teilentladungsfunken.
Teilentladungsfunken zur Zündung lassen sich bei dem in Fig. 4
zugrundeliegenden Versuch im Wesentlichen ab ca. 31 kV erzeugen, diese Zündspannung entspricht dem Zündspannungsbedarf bei einer Motorlast Md,TE,i (s. Md.TE für EA = 0,9 mm in Fig. 3). Ab diesem Drehmoment Md.TE.i kann bereits eine Zündung über einen Teilentladungsfunken stattfinden. Das tatsächliche Drehmoment Md , ab dem reine Teilentladungszündung ohne die Möglichkeit eines niederohmigen Luftfunkens stattfindet, hängt von dem gelieferten Zündspannungsangebot der Spule 3 ab. In dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel ist das Zündspannungsangebot der Zündspule 3 auf ca. 33 kV begrenzt. Für Drehmomente größer MD,TE,2. also im
Motorlastbereich 13 reicht das begrenzte Zündspannungsangebot nicht aus, um einen niederohmigen Luftfunkendurchbruch zu erzeugen; die Zündung findet für Motorlasten größer MD.TE,2 dann über Teiientladungsfunken statt. Das Zündspannungsangebot liegt im Motorlastbereich 13 für Motorlasten größer MD,TE,2 also vom Betrag her unter der zum Funkendurchbruch zwischen den Elektroden 21 und 20 notwendigen Spannung (vgl. Fig. 2 mit Fig. 3). In einem Zwischenbereich von MD,TE,i und MDITE,2 kann die Zündung entweder über Luftfunken oder Teiientladungsfunken stattfinden. Durch eine weitere Begrenzung des Zündspannungsangebots kann dieser Zwischenbereich verringert oder im Wesentlichen ganz aufgehoben werden, wenn das
Zündspannungsangebot auf die für die Teilentladung notwendige Spannung (hier: ca. 31 kV) oder leicht darüber begrenzt wird. Im Motorlastbereich 14 unter der Motorlast MÖ.TE.I findet Luftfunkenzündung statt.
Bei der Zündstrategie sollten vorzugsweise Gleitfunken an der Zündkerze vermieden werden. Die Wahrscheinlichkeit für Gleitfunken hängt von dem Zündspannungsangebot und dem Kerzentyp ab. Bei ungünstigen
Zündkerzentypen entstehen bereits bei Spannungswerten kleiner als die notwendige Spannung für Teilladungsfunken Gleitfunken (beispielsweise ab 25 kV). Vorzugsweise wird jedoch ein solcher Zündkerzentyp verwendet, bei dem die Gleitfunkenwahrscheinlichkeit bis zur maximal auftretenden
Zündspannung (33 kV in Fig. 3) gering ist (z. B. 1 % oder geringer ist). Der Gleitfunkenbereich sollte also durch einen entsprechend nach oben ausgedehnten Luftfunkenbereich überdeckt sein; zwischen normaler Luftzündung und Teilentladungszündung sollte also kein Bereich mit
Gleitfunkenzündung liegen.
Gleitfunken können durch ein entsprechend angepasstes Kerzendesign und die Verwendung einer geeigneten Polarität (z. B. positive Polarität, d.h. ein positives Potential an der Elektrode 21 ) verhindert werden. Von großer Bedeutung hierfür sind beispielsweise das Design zwischen Mittelelektrode und Keramik, die Kantenübergänge im Atmungsraum und die
Oberflächenbeschaffenheit (Porosität) der Keramik.
Wie vorstehend beschrieben, sollte das Zündspannungsangebot im
Lastbereich der Teilentladungszündung so gewählt sein, dass es unter der jeweils für den Funkendurchbruch notwendigen Spannung liegt. Die
Spulenenergie darf also nicht zu hoch gewählt werden. Umgekehrt muss aber für den Lastbereich mit Luftfunkenzündung das Zündspannungsangebot und die Energie groß genug gewählt werden, dass einerseits ein
Funkendurchbruch entsteht und andererseits die Funkendauer für eine sichere Zündung ausreicht. Die in der Zündspule gespeicherte Energie (und damit das Zündspannungsangebot) wird daher von dem Steuergerät 8 tendenziell im oberen Motorlastbereich 13 größer als im unteren
Motorlastbereich 14, insbesondere im oberen Teil des unteren
Motorlastbereichs 14, eingestellt.
Dazu stellt das Steuergerät 8 die Spulenenergie und damit auch das
Zündspannungsangebot in Abhängigkeit der jeweiligen Motorlast ein. Die Anpassung der Spulenenergie in Abhängigkeit der Motorlast kann auf verschiedene Weisen erfolgen.
Beispielsweise kann der Betrag des maximalen Primärstroms angepasst werden, welcher wiederum vom Ladewiderstand und der Ladespannung abhängig ist. Der maximale Primärstrom kann durch Änderung eines
Ladewiderstands oder Änderung der Ladespannung verändert werden. So kann beispielsweise der Ladewiderstand im oberen Motorlastbereich größer als im ersten Motorlastbereich sein. Alternativ kann beispielsweise die Ladespannung im zweiten Motorlastbereich kleiner als im ersten
Motorlastbereich sein.
Außerdem ist es möglich, die Zündenergie durch Änderung der Ladezeit vom Schließen des Primärstromkreises bis zur Unterbrechung des
Primärstromkreises zu verändern, wodurch der Betrag des Primärstroms im Zündzeitpunkt verändert werden kann. So kann beispielsweise im zweiten Motorlastbereich die Ladezeit geringer als im ersten Motorlastbereich gewählt werden.
Es kann eine Strombegrenzung vorgesehen sein, wobei in diesem Fall beispielsweise der Wert der Strombegrenzung in Abhängigkeit der Motorlast Md verändert wird (nämlich im oberen Motorlastbereich 13 geringer als im unteren Motorlastbereich 14) oder die Strombegrenzung im oberen
Motorlastbereich 13 überhaupt erst aktiviert wird.
Es sollte vorzugsweise eine Spule gewählt werden, deren
Spannungsangebot vom maximal auftretenden Primärstrom und/oder von der Ladezeit abhängig ist.
Durch die gezielte Bildung von Teilentladungen zur Zündung im oberen Motorlastbereich 13 ist es also möglich, den maximal nötigen
Zündspannungsbedarf zu verringern, da die Zündung im oberen
Motorlastbereich 13 nicht durch einen normalen Funkendurchschlag, sondern durch einen Teilentladungsfunken erfolgt.
Das Zündsystem kann statt als Gleichstrom- auch als
Wechselstromzündsystem realisiert werden. Bei der Zündkerze 7 a kann es sich um eine klassische Zündkerze oder um eine speziell für Teilentladungen angepasste Zündkerze handeln.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Zündkerze 7a mit
Zusatzelektrode 22, wobei eine konventionelle Anordnung umfassend eine Masseelektrode 20 und eine Mittelelektrode 21 mit einer Zusatzelektrode 22 zu gezielten Erzeugung eines Teilentladungsfunkens kombiniert wird.
Zwischen der Masseelektrode 20 und der Mittelelektrode 21 befindet sich der Elektrodenabstand EA, welcher der Luftfunkenstrecke entspricht.
Vorzugsweise wird ein großer Elektrodenabstand EA gewählt, beispielsweise EA >1 mm, insbesondere EA >1 ,3 mm. Hierdurch wird eine gute
Entflammung im unteren Motorlastbereich 14 ermöglicht.
Die Zündkerze umfasst ferner einen die Mittelelektrode 21 umlaufenden Isolator 23, welcher vorzugsweise eine oder mehrere Kriechstrombarrieren 24 zur Vermeidung von Gleitfunken umfasst. Der Isolator 23 ist
beispielsweise aus einem Keramikmaterial hergestellt.
In dem oberen Motorlastbereich 13 zündet die Zündkerze nicht mehr über den klassischen Luftfunken, sondern über einen dielektrisch behinderten Teilentladungsfunken. Bei der Zusatzelektrode 22 handelt es sich um eine Masseelektrode, welche von der Außenfläche des Isolators durch einen Luftkanal 25 beabstandet ist, in welchem sich eine dielektrisch behinderte Entladung ausbilden kann. Der Luftkanal 25 bildet eine Funkenstrecke für die dielektrisch behinderte Entladung.
Die Zusatzelektrode 22 schließt sich an ein den Isolator 23 umlaufendes Zündkerzengewinde 26 an, welches auf Massepotential liegt. Für eine gezielte Erzeugung des Teilentladungsfunkens im Bereich der
Zusatzelektrode 22 kann der Abstand zwischen dem Zündkerzengewinde 26 und dem Isolator 23 größer gewählt werden als der Abstand zwischen der Zusatzelektrode 22 und dem Isolator 23. Durch die Verwendung einer Zusatzelektrode 22 kann der dielektrisch behinderte Teilentladungsfunke statt im Atmungsraum 28 jenseits der Brennraumgrenze 27 erzeugt werden, wodurch die thermische Belastung der Zündkerze reduziert wird und die Gemisch-Entflammung verbessert wird.
Die Zusatzelektrode kann die Mittelektrode ganz oder teilweise umlaufen. Außerdem kann die Zusatzelektrode 22 statt mit einem flachen Ende auch mit einer Spitze ausgeführt sein (s. Fig. 6).
Die Entstehung des Luftfunkens und des dielektrische behinderten
Entladungsfunkens kann generell durch die Polarität, die
Spannungsanstiegs-Geschwindigkeit, die Elektrodengeometrien
(insbesondere die Krümmungsradien und Bauteilproportionen) und
Werkstoffauswahl (Keramik zur Erzeugung einer dielektrische behinderten Entladung) gezielt beeinflusst werden und an das Motorkennfeld adaptiert werden. Auch die Entstehungstendenzen der beiden Funkentypen relativ zueinander können durch diese Maßnahmen ebenfalls gezielt beeinflusst werden.
Bei einer konventionellen Zündkerze, bei der auf eine Zusatzelektrode 22 verzichtet wird, kann auf ähnliche Weise wie bei der Zündkerze in Fig. 5 auch ein Teilentladungsfunke im Bereich um den Isolator 23 entstehen. Die Zündkerze sollte dafür vorzugsweise so ausgestaltet sein, dass der
Teilentladungsfunke im oberen Bereich des Atmungsraums 28 nahe der Brennraumgrenze 27 oder gar bereits im Brennraum entsteht, um eine leichte Entflammung des Gemisches zu ermöglichen. Der
Teilentladungsfunke kann auch im Brennraum am oberen Bereich der Mittelelektrode entstehen, beispielsweise in der Nähe des oberen Endes der Keramik 23, insbesondere zwischen der Keramik 23 und der Mittelelektrode 21 (s. Bezugszeichen 29 in Fig. 6). Statt den vorstehend gezeigten Ausführungsformen für die Zündkerze kann auch eine klassische Elektrodenanordnung zur funktionalen Abdeckung der Zündung in einem niedrigen Motorlastbereich mit einer Korona-Entladungs tauglichen Elektrodenspitze 30 für die Zündung in einem hohen
Motorlastbereich kombiniert werden. Statt eines dielektrisch behinderten Teilentladungsfunken erzeugt eine solche Zündkerze einen
Teilentladungsfunken in Form einer Korona-Entladung. Die Entstehung des Luftfunkens und die Entstehung der Korona-Entladung können unter anderem durch die Polarität, die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit, die Elektrodengeometrie (insbesondere die Krümmungsradien und
Bauteilproportionen) und Werkstoffstoffauswahl erfolgen.
Ein Beispiel für eine Zündkerze mit Massenelektrode 20, Mittelektrode 21 mit Elektrodenspitze 30 und Isolator 23 ist in Fig. 7 dargestellt. Die Mittelektrode 21 ist vorzugsweise rund und umfasst vorzugsweise eine umlaufende
Edelmetallarmierung 31. Die Edelmetallarmierung 23 fungiert als
Verschleißschutz, da der Grundwerkstoff zu schnell verschleißt. Für die Edelmetallarmierung wird beispielsweise ein Platinring aufgeschrumpft und dann verschweißt. Vorzugsweise werden für den Teillastbereich der
Elektrodenabstand EA und der Durchmesser D der Mittelektrode groß gewählt. Der Abstand A zwischen dem Ende der Mittelektrodenspitze 30 und der Massenelektrode 20 bestimmt die Ausbildung der Korona-Entladung im Hochlastbereich. Bei einer Teilentladung fließt im Unterschied zum normalen Luftfunken nicht ein merklicher Teil der Ladung von einer Elektrode zu der anderen Elektrode ab. Stattdessen kann es bei einer Teilentladung zu einer Rückspeisung der Zündspulenergie in die Zündendstufe kommen. Insbesondere kann - wenn der Schalter der Zündendstufe 9 offen ist - die über der Zündendstufe anliegende Spannung (d. h. die Spannung zwischen Kl. 1 und Masse) so hoch (z. B. größer 400 V) werden, dass der Schalttransistor (z. B. IGBT) der Zündendstufe 9 durchbricht und leitet (es also zur sogenannten Klammerung kommt). Hierdurch kann die Zündendstufe 9 oder in dem Steuergerät 8 vor der Zündendstufe 9 liegende Schaltungsteile geschädigt werden.
Eine Möglichkeit besteht darin, eine Zündendstufe 9 mit einem
Schalttransistor vorzusehen, der trotz Rückspeisung der Zündspulenenergie keinen Schaden nimmt. Beispielsweise kann die Gesamtenergie inklusive der rückgespeiste Energie für eine Teilladungszündung 300 mJ betragen. Der Schalttransistor kann so ausgelegt sein, dass der Schalttransistor die Energie ohne Schaden verträgt.
Alternativ können Maßnahmen ergriffen werden, um einen Defekt durch rückgespeiste Zündspulenenergie auszuschließen.
Beispielsweise kann durch eine Erkennung und Steuerung der Teilentladung, zum Beispiel über eine Auswertung des Signals an Kl 1 , die
Energierückspeisung reduziert oder gar fast vollständig vermieden werden. Dies kann durch eine Reduktion des Zündspannungsangebots erfolgen.
Vorzugsweise ist die Zündanlage eingerichtet, dass die bei einer
Teilentladung über der Zündendstufe 9 anliegende Spannung unter der Grenze zum Durchbruch des Schalttransistors der Zündendstufe 9 bleibt.
Dies kann dadurch realisiert werden, dass die Spulenenergie oder das Zündspannungsangebot der Zündspule während des Betriebs verringert wird. Die Verringerung kann beispielsweise dann stattfinden, nachdem eine Teilentladung über einen sogenannten Teilentladungs-Detektor 40 detektiert wurde, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist. Das Detektorsignal des
Teilentladungs-Detektors 40 wird dazu in das Steuergerät 8 gespeist. Die verringerte Spulenenergie oder das verringerte Zündspannungsangebot gelten dann beispielsweise für die nächste Zündung nach Detektion einer Teilladung. Die Teilentladungs-Detektion kann beispielsweise anhand einer Auswertung an einem Masseanschluss der Zündspule (z. B. anhand des Signals an der Klemme 1 der Zündspule 3) erfolgen. Beispielsweise kann der
Teilentladungs-Detektor 40 prüfen, ob die Spannung an dem
Masseanschluss einen bestimmten Schwellwert (z. B. 400 V) überschreitet. Der Teilladungsdetektor 40 kann beispielsweise eine gewisse Zeitdauer warten, nachdem die Zündendstufe geöffnet wird. Nach der Zeitdauer misst der Teilladungsdetektor 40 dann die anliegende Spannung und prüft, ob diese über dem Schwellwert liegt.
Alternativ zur Verringerung der von der Spule bereitgestellten Energie kann auch die Spannung dadurch begrenzt werden, dass ein niederohmiger Pfad von Kl 1 zur Masse gebildet wird und die Spannung sich daher nicht weiter aufbauen kann. Hierzu kann beispielsweise ein zusätzliches Schaltmittel 41 (beispielsweise ein IGBT) vorgesehen werden, welcher rechtzeitig
geschlossen wird. Es wäre auch denkbar, den Schalttransistor der
Zündendstufe 9 rechtzeitig wieder zu schließen. Die Ansteuerung des Schaltmittels 41 oder des Schalttransistors der Zündendstufe 9 über das Steuergerät 8 erfolgt beispielsweise bei Erkennung einer Teilentladung durch den Teilentladungs-Detektor 40. Die Schutzmaßnahme kann bereits für die soeben erkannte Teilentladung durchgeführt werden. Das Schaltmittel 41 bzw. der Schalttransistors der Zündendstufe sollten vorzugsweise nur kurz geschlossen werden, so dass es nicht zur Aufladung der Spule kommt. Statt einen Teilentladungs-Detektor 40 zur Detektion einer Teilentladung zu verwenden, kann auch vorgesehen werden, dass in Motorlastbereichen mit Teilentladungszündung eine der vorstehend beschriebenen Maßnahmen „blind" erfolgt, d.h. ohne zu prüfen, ob tatsächlich eine
Teilentladungszündung erfolgt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Zündanlage für einen bei unterschiedlichen Motorlasten betreibbaren Verbrennungsmotor, umfassend
- Mittel (3) zum Erzeugen einer Zündspannung für eine Zündkerze (7a) und
- eine Zündkerze (7a),
wobei die Zündanlage derart eingerichtet ist, dass
- Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor in einem
ersten Motorlastbereich (14) mit im Vergleich zu einem zweiten Motorlastbereich (13) niedrigerer Motorlast durch einen von der Zündkerze (7a) erzeugten niederohmigen Luftfunken zwischen einer ersten Elektrode (21) und einer zweiten Elektrode (20) der Zündkerze gezündet wird, und
- Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor in dem zweiten Motorlastbereich (13) mit im Vergleich zu dem ersten
Motorlastbereich (14) höherer Motorlast durch einen von der Zündkerze (7a) erzeugten Teilentladungsfunken (50) und nicht über einen niederohmigen Luftfunken gezündet wird.
2. Zündanlage nach Anspruch 1 , wobei die Zündspannung im zweiten Motorlastbereich (13) vom Betrag her unter der zum
Funkendurchbruch zwischen den beiden Elektroden (20, 21 ) notwendigen Spannung liegt.
3. Zündanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel (3) zum Erzeugen einer Hochspannung eine Zündspule (3) mit einer Primärwicklung (4) und einer Sekundärwicklung (5) umfassen, und
das Zündspannungsangebot der Zündspule (3) im zweiten
Motorlastbereich ( 3) so gewählt ist, dass das
Zündspannungsangebot vom Betrag her unter der zum
niederohmigen Funkendurchbruch notwendigen Spannung liegt.
Zündanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- die Mittel (3) zum Erzeugen einer Hochspannung eine Zündspule (3) mit einer Primärwicklung (4) und einer Sekundärwicklung (5) umfassen, und
- die Zündanlage eingerichtet ist, dass die in der Zündspule (3) gespeicherte Energie im zweiten Motorlastbereich (13) geringer als in einem unter dem zweiten Motorlastbereich (13) liegenden Motorlastbereich, insbesondere im ersten Motorlastbereich (14), ist.
Zündanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- die Mittel (3) zum Erzeugen einer Hochspannung eine Zündspule (3) mit einer Primärwicklung (4) und einer Sekundärwicklung (5) umfassen, und
- die Zündanlage eingerichtet ist, dass
- bei Unterbrechung des Primärstromkreises der Betrag des Primärstroms der Primärwicklung (4) im zweiten Motorlastbereich (13) geringer als der Betrag des Primärstroms in einem unter dem zweiten Motorlastbereich (13) liegenden Motorlastbereich ist, insbesondere geringer als im ersten Motorlastbereich (14).
Zündanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im ersten Motorlastbereich (14), im zweiten Motorlastbereich (14) und in einem etwaigen Bereich zwischen dem ersten Motorlastbereich (14) und dem zweiten Motorlastbereich (13) im Wesentlichen keine
Gleitfunken an der Zündkerze (7a) auftreten.
7. Zündanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zündkerze eine Mittelelektrode (21 ) als erste Elektrode und einen die Mittelelektrode (21 ) umschließenden Isolator (23) umfasst und der Teilentladungsfunke (50) insbesondere ein dielektrisch behinderter Teilentladungsfunke im Bereich um den Isolator (23) oder ein
Teilentladungsfunke an der Mittelelektrode ist.
8. Zündanlage nach Anspruch 7, wobei die Zündkerze (7a) neben der ersten Elektrode (21 ) und der als Masseelektrode (20) fungierenden zweiten Elektrode eine als Masseelektrode fungierende dritte
Elektrode (22) zur gezielten Erzeugung eines dielektrisch behinderten Teilentladungsfunkens (50) im Bereich zwischen dem Isolator (23) und der dritten Elektrode (22) umfasst, wobei die dritte Elektrode (22) von der Außenfläche des Isolators durch einen Luftkanal (25) beabstandet ist.
9. Zündanlage nach Anspruch 8, wobei die dritte Elektrode (22) eine auf den Isolator (23) ausgerichtete Spitze, Schneide oder eine der
Isolatoroberfläche gegenüberliegende Fläche umfasst und/oder als ganz oder teilweise den Isolator umlaufender Ring ausgeführt ist.
10. Zündanlage nach einem der Ansprüche 8-9, wobei
- sich die dritte Elektrode (22) an ein den Isolator (23) umlaufendes Zündkerzengewinde (26) anschließt und
- zumindest am Ende des Zündkerzengewindes (26) der Abstand zwischen dem Zündkerzengewinde (26) und dem Isolator (23) oder der Mittelelektrode (21 ) größer ist als der Abstand zwischen der dritten Elektrode (22) und dem Isolator (23) bzw. der
Mittelelektrode (21 ).
11. Zündanlage nach einem der Ansprüche 8-10, wobei der Isolator (23) an dessen Außenseite mindestens eine Kriechstrombarriere (24) zur Vermeidung von Gleitfunken zwischen der IVlittelelektrode (21 ) und der dritten Elektrode (22) aufweist.
12. Zündanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Erzeugung des Teilentladungsfunkens die Zündkerze eine dritte Elektrode (22) oder eine Korona-taugliche Elektrodenspitze (30) umfasst. 3. Zündanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- die Mittel (3) zum Erzeugen einer Hochspannung eine Zündspule (3) mit einer Primärwicklung (4) und einer Sekundärwicklung (5) umfassen,
- die Zündanlage eine Zündendstufe (9) zum Schalten des
Primärstroms umfasst und
- die Zündanlage eingerichtet ist, dass im Fall einer
Teilentladungszündung die über der Zündendstufe (9) anliegende Spannung vom Betrag her unter der Grenze zum Durchbruch der Endstufe (9) bleibt.
14. Zündanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei
- die Mittel (3) zum Erzeugen einer Hochspannung eine Zündspule (3) mit einer Primärwicklung (4) und einer Sekundärwicklung (5) umfassen,
- die Zündanlage eine Zündendstufe (9) zum Schalten des
Primärstroms umfasst und - die Zündanlage eingerichtet ist, dass im Fall einer
Teilentladungszündung die Spulenenergie oder das
Zündspannungsangebot der Zündspule (3) verringert wird.
15. Zündanlage nach Anspruch 13, wobei die an der Zündendstufe (9) anliegende Spannung durch Schließen eines niederohmigen Pfades zur Masse begrenzt wird, insbesondere durch Schließen eines zusätzlichen Schaltmittels (41 ).
16. Zündanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zündanlage einen Teilentladungs-detektor (40) umfasst, welcher insbesondere eingerichtet ist, die Detektion anhand einer Auswertung eines Signals an einem Masseanschluss (Kl 1 ) der Zündspule (3) durchzuführen.
17. Zündverfahren für eine Zündanlage mit mindestens einer Zündkerze (7a) und Mitteln (3) zum Erzeugen einer Zündspannung für die Zündkerze (7a), wobei die Zündanlage für einen bei unterschiedlichen Motorlasten betreibbaren Verbrennungsmotor ist, wobei
- Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor in einem
ersten Motorlastbereich (14) mit im Vergleich zu einem zweiten Motorlastbereich (13) niedrigerer Motorlast durch einen von der Zündkerze (7a) erzeugten niederohmigen Luftfunken zwischen einer ersten Elektrode (21 ) und einer zweiten Elektrode (20) der Zündkerze gezündet wird, und
- Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor in dem zweiten Motorlastbereich (13) mit im Vergleich zu dem ersten
Motorlastbereich (14) höherer Motorlast durch einen von der Zündkerze erzeugten Teilentladungsfunken (50) und nicht durch einen Luftfunken gezündet wird.
18. Zündkerze (7a) für eine Zündanlage, umfassend - eine erste (21 ) und eine zweite Elektrode (20) zur Erzeugung eines Luftfunkens zwischen der ersten Elektrode (21 ) und der zweiten Elektrode (20) und
- eine dritte Elektrode (22),
wobei
- die erste Elektrode (21 ) als Mittelelektrode ausgeführt ist,
- die zweite Elektrode (20) als Masseelektrode fungiert,
- die Zündkerze (7a) ferner einen die Mittelelektrode (21 )
umlaufenden Isolator (23) umfasst,
- die dritte Elektrode (22) als Masseelektrode fungiert, welche von der Außenfläche des Isolators (23) durch einen Luftkanal (25) beabstandet ist, und
- die dritte Elektrode (22) zur Erzeugung eines dielektrisch
behinderten Teilentladungsfunkens (50) im Bereich zwischen dem Isolator (23) und der dritten Elektrode (22) dient.
PCT/EP2011/003093 2010-10-12 2011-06-22 Zündanlage mit wahlweiser luftfunken-zündung und teilentladungs-zündung in abhängigkeit der motorlast WO2012048762A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE112011103445.8T DE112011103445B4 (de) 2010-10-12 2011-06-22 Zündanlage mit wahlweiser Luftfunken-Zündung und Teilentladungs-Zündung in Abhängigkeit der Motorlast

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102010042318.1 2010-10-12
DE102010042318A DE102010042318A1 (de) 2010-10-12 2010-10-12 Zündanlage mit wahlweiser Luftfunken-Zündung und Teilentladungs-Zündung in Abhängigkeit der Motorlast

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012048762A1 true WO2012048762A1 (de) 2012-04-19

Family

ID=44628064

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2011/003094 WO2012048763A1 (de) 2010-10-12 2011-06-22 Zündanlage mit zündung durch mehrmalige erzeugung einer oder mehrerer teilentladungen
PCT/EP2011/003093 WO2012048762A1 (de) 2010-10-12 2011-06-22 Zündanlage mit wahlweiser luftfunken-zündung und teilentladungs-zündung in abhängigkeit der motorlast

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2011/003094 WO2012048763A1 (de) 2010-10-12 2011-06-22 Zündanlage mit zündung durch mehrmalige erzeugung einer oder mehrerer teilentladungen

Country Status (2)

Country Link
DE (3) DE102010042318A1 (de)
WO (2) WO2012048763A1 (de)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9010294B2 (en) 2010-04-13 2015-04-21 Federal-Mogul Ignition Company Corona igniter including temperature control features
DE102010042318A1 (de) 2010-10-12 2012-04-12 Bayerische Motoren Werke Ag Zündanlage mit wahlweiser Luftfunken-Zündung und Teilentladungs-Zündung in Abhängigkeit der Motorlast
EP2664039B2 (de) 2011-01-13 2021-09-01 Federal-Mogul Ignition LLC Korona-zünder mit gesteuerter ortung von korona-bildungen
DE102014002557A1 (de) * 2014-02-24 2015-08-27 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Gesetzen des Staates Delaware) Verfahren zum Betreiben einer Zündvorrichtung
DE112017004113B4 (de) 2016-08-17 2024-10-24 Mitsubishi Electric Corporation Zündvorrichtung vom Barriere-Entladungstyp
DE102019106417A1 (de) * 2019-03-13 2020-09-17 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, Zündanlage sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Zündkerze
DE102020100827B4 (de) * 2020-01-15 2024-05-08 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Vorkammersystem, Verbrennungsmotor mit Vorkammersystem sowie Verfahren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0302474A1 (de) * 1987-08-04 1989-02-08 Nippon Soken, Inc. Zündkerze
DE10023835A1 (de) * 1999-05-21 2001-04-26 Delphi Tech Inc System und Verfahren zur Bereitstellung einer Mehrfachladezündung
DE112008000989T5 (de) * 2007-04-17 2010-02-04 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Funkenzündungssystem mit Direkteinspritzung
EP2199597A2 (de) * 2008-12-16 2010-06-23 GE Jenbacher GmbH & Co OHG Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, welche eine Koronaentladung bereitstellt

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5704321A (en) * 1996-05-29 1998-01-06 The Trustees Of Princeton University Traveling spark ignition system
DE10046693B4 (de) * 2000-09-21 2011-07-21 Daimler AG, 70327 Verfahren zum Betrieb einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine
JP3843217B2 (ja) * 2001-04-25 2006-11-08 靖雄 磯野 内燃機関用点火装置および燃料室内に充填された燃料への点火方法
DE102006005792B4 (de) 2006-02-07 2018-04-26 Fachhochschule Aachen Hochfrequenzzündanlage für Kraftfahrzeuge
US20090277410A1 (en) * 2007-03-26 2009-11-12 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Spark plug
DE102008061242A1 (de) 2008-12-09 2010-06-10 Man Diesel Se Brennkraftmaschine
DE102008061784B4 (de) 2008-12-11 2020-10-29 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraftmaschine
DE102008061769A1 (de) 2008-12-11 2010-06-17 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verbrennungskraftmaschine und Verfahren zur Kompressionszündverbrennung
DE102010042318A1 (de) 2010-10-12 2012-04-12 Bayerische Motoren Werke Ag Zündanlage mit wahlweiser Luftfunken-Zündung und Teilentladungs-Zündung in Abhängigkeit der Motorlast

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0302474A1 (de) * 1987-08-04 1989-02-08 Nippon Soken, Inc. Zündkerze
DE10023835A1 (de) * 1999-05-21 2001-04-26 Delphi Tech Inc System und Verfahren zur Bereitstellung einer Mehrfachladezündung
DE112008000989T5 (de) * 2007-04-17 2010-02-04 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Funkenzündungssystem mit Direkteinspritzung
EP2199597A2 (de) * 2008-12-16 2010-06-23 GE Jenbacher GmbH & Co OHG Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, welche eine Koronaentladung bereitstellt

Also Published As

Publication number Publication date
DE112011103436A5 (de) 2013-08-08
DE102010042318A1 (de) 2012-04-12
DE112011103436B4 (de) 2024-03-28
DE112011103445B4 (de) 2024-03-28
WO2012048763A1 (de) 2012-04-19
DE112011103445A5 (de) 2013-08-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112011103445B4 (de) Zündanlage mit wahlweiser Luftfunken-Zündung und Teilentladungs-Zündung in Abhängigkeit der Motorlast
DE69424369T2 (de) Maschinenzünd und -steuersystem
DE102017117678B4 (de) Zündsteuerungssystem
DE102007034399B4 (de) Verfahren zum Betreiben eines Zündsystems für einen fremdzündbaren Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs und Zündsystem
DE102016221656B4 (de) Zündsteuervorrichtung und zündsteuerverfahren für verbrennungsmotor
DE102011089966B4 (de) Verfahren zum Betreiben einer Zündvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine
DE102015200019B4 (de) Vorrichtung für verbrennungsmotor
DE19747700C2 (de) Zündeinrichtung mit einer Zündelektrode
DE102013015063B3 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Zünden eines Gas-Kraftstoff-Gemischs
DE102016006350A1 (de) Zündkerze für eine Hochfrequenz-Zündanlage
WO2008034734A1 (de) Vorrichtung zur energiespeicherung und energietransformierung
DE102013105682B4 (de) Verfahren zum Steuern einer Koronazündeinrichtung
DE102011006268A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Verlängerung der Brenndauer eines von einer Zündkerze gezündeten Funkens in einem Verbrennungsmotor
DE102014202520B3 (de) Hochfrequenz-Entladungszündvorrichtung
DE19649278A1 (de) Zündvorrichtung mit Ionenstrom-Meßeinrichtung
DE69511664T2 (de) Vorrichtung zur Erkennung von Fehlzündung einer inneren Brennkraftmaschine
DE102011057078A1 (de) Zündanlage für Plasmastrahl-Zündkerze
EP1979608B1 (de) Anordnung zum hochspannungsseitigen erfassen eines messsignals, insbesondere eines dem ionenstrom zwischen den elektroden einer zündkerze einer brennkraftmaschine entsprechenden signals
DE102012210391A1 (de) Zündvorrichtung
WO2007031172A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum entzünden eines brennbaren gasgemisches in einem verbrennungsmotor
DE102017220146A1 (de) Verbrennungsmotor-zündvorrichtung
DE102014204193A1 (de) Zündvorrichtung mit einer Zündspule
DE102015112217B3 (de) Verfahren zum Steuern einer Koronazündeinrichtung
DE102008041085A1 (de) Plasmazündsystem für eine Brennkraftmaschine
DE112018005453T5 (de) Zündvorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11729915

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1120111034458

Country of ref document: DE

Ref document number: 112011103445

Country of ref document: DE

REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R225

Ref document number: 112011103445

Country of ref document: DE

Effective date: 20130814

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 11729915

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1