DE102005036968A1 - Plasma-Zündsystem und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

Abstract

Plasmazündsystem mit einem Resonator (15) zur Erzeugung von hochfrequenter Spannung an Elektroden in einem Verbrennungsraum, DOLLAR A einer Hf-Spannungsquelle (12) zur Erzeugung eines Burst-Signals (8), welches dem Resonator zuführbar ist, zur Erzeugung eines Plasmas (6), deren Ausgangsimpedanz an die Eingangsimpedanz des Resonators vor der Zündung eines Plasmas angepasst ist, DOLLAR A einer HP-Spannungsquelle (13) zur Erzeugung eines Versorgungssignals (9), welches dem Resonator (15) zuführbar ist, zur Aufrechterhaltung des Plasmas (6), wobei die Ausgangsimpedanz der Spannungsquelle etwa so groß ist wie Impedanz des Resonators bei vorhandenem Plasma mit optimaler Ausdehnung und Leistungsaufnahme, DOLLAR A einer Frequenzweiche (14) zur ausgangsseitigen Trennung der Spannungsquelle (12) und der HF-Spannungsquelle (13), einer Steuer-/Regeleinheit (10) zur relativen zeitlichen Steuerung von Burst-Signal (8) und Versorgungs-Signal (9).

Description

• Die Erfindung betrifft die Spannungsversorgung eines elektrisch erzeugten Plasmas für die Zündung von Brennstoff-Luft-Gemischen, wobei für die Initiierung des Plasmas, den elektrischen Durchbruch, eine hohe Spannung bei hoher Impedanz am Entladungsspalt zwischen in der Regel zwei Elektroden erforderlich ist.
• Die Direkteinspritzung von Brennstoff in einen Verbrennungsmotor ermöglicht eine Schichtladung im Verbrennungsraum. Um dieses Potential hinsichtlich einer Verbrauchsreduktion auszunutzen ist ein leistungsfähiges Plasmazündsystem zur Erzeugung eines Plasmas im Verbrennungsraum erforderlich. Da jedoch durch nicht homogene Gemischbildung im Brennraum erhöhte Anforderungen an ein eingesetztes Zündsystem hinsichtlich einer zuverlässigen Zündung zum geeigneten Zeitpunkt vorliegen, muss die Qualität von bekannten Zündvorrichtungen verbessert werden. Dies wirkt sich auf den Wirkungsgrad des gesamten Motors aus. Insgesamt soll eine sichere Erzeugung des Plasmas sowie dessen Positionierung im Brennraum betrachtet werden.
• Die Initiierung eines elektrisch erzeugten Plasmas innerhalb eines Brennraums einer Verbrennungskraftmaschine erfordert insbesondere eine hohe Spannung. Eine besondere Problematik besteht in der Hochspannungsdurchführung durch einen Zylinderkopf in einen Brennraum hinein.
• Insbesondere die Entflammung von mageren (λ > 1) direkt eingespritzten und schicht-geladenen Luft-Kraftstoff-Gemischen stellt hohe Anforderungen an das Zündsystem. Hier ist nicht nur ein großes möglichst weit in den Brennraum hineinragendes Zündvolumen erforderlich, sondern auch eine hohe Zündenergie, um die nur schwer entflammbaren Gemische zünden zu können.
• Eine elektrische Versorgung, die darauf ausgelegt ist, eine hohe Spannung für den elektrischen Durchbruch zu erreichen, ist in der Regel ungeeignet, das Plasma während des weiteren Gasentladungs-Verlaufs wirksam zu versorgen. Die Ursache dafür ist die wesentliche Impedanz-Veränderung nach der Entstehung eines leitenden Plasmakanals an einer Zündeinrichtung.
• Die Anforderungen an ein Zündsystem sind vielfältig und beispielsweise wie folgt gestaltet:
• – Die Zündung soll in der Regel unter Drücken zwischen 5 bis 50 bar erfolgen. Insbesondere ist der charakteristische Umgebungsdruck an der Funkenstrecke zu betrachten. Es muss der vorgegebene Zündzeitpunkt bei jedem Druck mit der gleichen Toleranz von wenigen μs erreicht werden.
• – Die Zusammensetzung und die Temperatur der Atmosphäre am Zündort ist ebenfalls stark veränderlich.
• – Um die erforderlichen hohen Standzeiten von Elektroden zu erreichen, ist ein Elektrodenabbrand zu minimieren. Eine kontinuierliche Elektrodennachführung ist in der Praxis nicht möglich.
• – Der Betriebsraum/Brennraum ist nicht sauerstofffrei und die Bauteile sind starker Korrosion ausgesetzt. Die Auswahl der verwendeten Materialien ist somit stark eingeschränkt.
• – Vorhandene Fluid Strömungen mit bis zu 100 m/s dürfen weder die Initiierung des Plasmas noch die weitere Versorgung des Plasmakanals mit Energie beeinträchtigen. Das Plasma darf während einer geforderten Brenndauer nicht erlöschen.
• – Die Zündung erfolgt üblicherweise seriell bzw. periodisch mit einer Frequenz von beispielsweise 8-70 Hz. Die Anforderung an die Zündung besteht darin, insbesondere jeweils in kaltem Zustand noch nicht ionisiertes Gas zu entzünden.
• Konventionelle Zündsysteme mit Zündspule und Zündkerze stellen u.a. einen Kompromiss zwischen Funkendauer, hoher Span nung und Elektrodenabbrand dar. Sie liefern nach der Durchbruchphase in der Bogenentladung die im System noch gespeicherte Energie. Dieser Vorgang ist typischerweise nach einer μs abgeschlossen. In der folgenden Glimmentladung wird die in einer Zündspule gespeicherte Energie im Plasmakanal umgesetzt. Die Temperatur des Plasmas nimmt in dieser Phase ab. Die Dauer ist von elektrischen Parametern abhängig und kann bei einem gegebenen System nicht aktiv beeinflusst werden. Eine aufgrund von variablen Betriebsbedingungen anzupassende Energiezufuhr ist hiermit nicht realisierbar. Für hohe Drücke sind konventionelle Zündsysteme nicht einsetzbar, weil materialbedingt die elektrische Durchführung den mit dem Druck steigenden Spannungsanforderungen nicht genügt.
• In der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 10 2004 058 925.9 wird eine Plasmazündung für Ottomotoren beschrieben, die in einem Verbrennungsraum ein räumlich ausgedehntes Plasma zur Zündung eines Kraftstoff/Luft-Gemisches liefert. Sie besteht aus einem Serien-Schwingkreis mit einer Induktivität, einer Hochfrequenzquelle zur resonanten Anregung und einer Kapazität, wobei die Kapazität durch Innen- und Außenelektroden mit zwischen liegendem Dielektrikum dargestellt ist und diese Elektroden mit ihren äußeren Enden mit einem vorgegeben gegenseitigen Abstand bis in den Verbrennungsraum hineinreichen. Es wird also auf der Basis einer Hochfrequenz-Gasentladung ein Zündsystem dargestellt, welches die Plasmazündung durch Ionisation des Gasgemisches in einem Verbrennungsraum einer Verbrennungskraftmaschine durch Energieeinkoppelung mittels hochfrequenter Spannung einleitet. Dabei wird ein sich durch den Zündkerzenschacht erstreckender Schwingkreis durch einen Hochfrequenzgenerator in Resonanz angeregt, so dass durch die entsprechende Resonanzerscheinung an den Elektroden, deren äußerste Enden bis in den Verbrennungsraum reichen, sich eine ausreichend hohe Feldstärke für die Erzeugung eines Plasmas einstellt. Dieses System löst deshalb das Problem der Hochspannungsdurchführung bezüglich der mit steigendem Druck steigenden Anforderung an die Hochspannungsamplitude. Die Komponente des Systems, die aus der Induktivität und den eine Kapazität bildenden Elektroden mit keramischem Dielektrikum besteht, wird im Folgenden mit „Resonator" bezeichnet.
• Für die weitere Betrachtungsweise kann das System im Wesentlichen in Bezug auf seine eingangsseitigen und seine ausgangsseitigen Parameter betrachtet werden. Hier ist insbesondere die Betrachtung der Impedanz wesentlich. Nach dem elektrischen Durchbruch ändert sich die Eingangsimpedanz des Resonators, wodurch die Einkoppelung der Energie von einem Verstärker oder einer Spannungsquelle in den Resonator und damit in das Plasma stark erschwert ist.
• Bei diesen Systemen nach dem Stand der Technik wird entweder auf die Einkoppelung weiterer Energie verzichtet, oder es muss, um die Impedanz-Fehlanpassung zu kompensieren, die entsprechende Energiequelle deutlich überdimensioniert werden, um genügend Energie in das Plasma koppeln zu können und um Reflexionen und erhöhten Verlust auszugleichen.
• Zum Stand der Technik zählen auch aus Spiker und Sustainer bestehende Systeme, bei denen für die elektrische Versorgung eines Plasmas zwischen der Durchbruchs- und der anschließenden Brennphase unterschieden wird. Solche Systeme werden bei Bogen- bzw. Hochdruck-Gaslampen, Gaslasern und Sputter-Anlagen verwendet und sind dementsprechend an weitgehend konstante Betriebsbedingungen (Druck, Temperatur, Gasgemisch) angepasst. Diese Systeme erfüllen in der bekannten Form deshalb nicht die sich aus den unterschiedlichen Motor-Betriebsbedingungen ergebenden Anforderungen. Außerdem unterscheiden sich die hier genannten Anwendungen hinsichtlich ihrer Betriebsparameter soweit von der Motor-Anwendung, dass keines dieser Systeme gleichzeitig alle Bedingungen für einen stationären Betriebspunkt im Verbrennungsablauf hinsichtlich Versorgungsfrequenz, Spannungsamplitude, Pulsdauer, etc. erfüllen würde.
• Die direkte und unveränderte Anwendung dieser Technologien führt deshalb, insbesondere aufgrund folgender Kriterien, in einem System für eine Plasmazündung an Verbrennungsmotoren nicht zum Erfolg:
• – Gleichstrompulse, wie sie z.B. für konventionelle Zündungen verwendet werden, sind ausreichend kurz zu halten, um vermehrten Abbrand an den Elektroden zu vermeiden.
• – Die Wechselfeld-Versorgungsfrequenz eines Plasmakanals muss aufgrund des hohen Druckes einige MHz betragen, um ein Erlöschen des Plasmakanals in den Nulldurchgängen der Spannung zu vermeiden und um den Elektrodenabbrand ebenfalls zu minimieren.
• – Die in einen Resonator einzukoppelnde Leistung für die Erzeugung eines Plasmas muss einen Mindestwert übersteigen, der von den momentanen Bedingungen im Brennraum (Druck, Temperatur, Gemisch) abhängt.
• – Die Zündspannung muss aufgrund der anliegenden Drücke und minimalen Abstände der Elektroden einen Minimalwert übersteigen, der ebenfalls von den momentanen Bedingungen im Brennraum (Druck, Temperatur, Gemisch) abhängt.
• – Eine Einkoppelung durch den leitenden und geerdeten Zylinderkopf ist notwendig.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Plasmazündsystem sowie ein Betriebsverfahren dafür bereitzustellen, mit dem eine effektive Energieeinkoppelung in den Resonator und somit in das Plasma möglich ist. Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die jeweilige Merkmalskombination der Ansprüche 1 oder 2 bzw. 15 oder 16.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Versorgung des Resonators zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Plasmas für die Zündung von Kraftstoff-Luftgemischen mittels hochfrequenter Wechselspannung erforderlich ist, de ren Impedanz sich zeitlich so ändert, dass für den elektrischen Durchbruch die Spannungsamplitude optimiert wird, für die Entwicklung des Plasmas jedoch die Leistung über die gewünschte Betriebsdauer, d.h. die im Plasma deponierte Energie angepasst wird. Das kann erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, dass
• – entweder die Ausgangsimpedanz der Energie liefernden Quelle nach dem elektrischen Durchbruch sich den veränderten Verhältnissen an der Eingangsseite des Resonators anzupassen hat
• – oder dass eine zweite, unabhängige Energiequelle für die Aufrechterhaltung des einmal gebildeten leitenden Plasmakanals eingesetzt wird.
• Wesentlich ist, dass als Energiequelle bzw. Spannungsquelle jeweils eine Hochfrequenz-Spannungsquelle eingesetzt wird. Wünschenswert wäre eine kontinuierliche Impedanzanpassung der Energieversorgung an das wachsende Plasma. Weil das technisch mit vertretbarem Aufwand nicht durchführbar ist, wird in der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit offenbart, mit nur zwei u.a. durch die Impedanz der Versorgung gekennzeichneten Betriebszustände, elektrischer Durchbruch und Energieversorgung des Plasmas, optimal und an den Betriebspunkt des Motors angepasst zu betreiben.
• Im Folgenden wird das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip beschrieben. Dazu werden folgende Definitionen verwendet: Die „Spannungsversorgung" dient der Initiierung des elektrischen Durchbruchs, d.h. der Plasma-Erzeugung, während die „Energieversorgung" der Aufrechterhaltung eines sich räumlich ausdehnenden Plasmas dient. Die Trennung der Funktionen Spannungsversorgung und Energieversorgung wird erfindungsgemäß durch die Wahl unterschiedlicher Frequenzen gewährleistet. Dabei ist es unwesentlich, ob diese Funktionen von zwei getrennten Versorgungen für die unterschiedlichen Frequenzen oder durch eine einzige, in ihrer Frequenz umschaltbare Versorgung erfüllt werden. Die Impedanzanpassung erfolgt – ebenfalls unab hängig davon – durch eine Frequenzweiche. Diese ist so ausgelegt, dass
• – die Spannungsversorgung mit Frequenz f1 an den Resonator ohne Plasma angepasst ist, d.h. an eine niedrige Impedanz aufweist,
• – und die Energieversorgung mit Frequenz f2 an eine Betrieb des Resonators mit Plasma, d.h. an eine verglichen mit dem vorhergehenden Fall hohe Impedanz.
• Die Spannungsversorgung generiert einen kurzen, in der Dauer nicht notwendig einstellbaren Hochfrequenzimpuls, dessen Amplitude den Betriebszuständen des Motors angepasst werden kann. Die Energieversorgung stellt solange hoch frequente Wechselspannung bereit, bis die Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches sicher erfolgt ist. Sie ist deshalb in der Dauer regelbar. Weiterhin ist ihre Amplitude zeitlich steuerbar. Damit kann dem mit wachsendem Volumen des Plasmas wachsenden Leistungsbedarf Rechnung getragen und so die Ausdehnung des Plasmas in den Brennraum optimiert werden. Insbesondere wird zu diesem Zweck die Impedanz der Energieversorgung über die Frequenzweiche so angepasst, dass sich optimale Energie-Einkopplung in den Resonator und damit in das Plasma, hinsichtlich eines großvolumigen Plasmas mit hohem Leistungsbedarf, ergibt. Das System aus Plasma und Versorgung zeigt teilweise selbst regelnde Eigenschaften, wodurch eine stufenlos regelbare Impedanz der Versorgung nicht erforderlich ist.
• Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von schematischen Figuren beschrieben:
• 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Plasmazündsystems mit zwei Energiequellen in Form der Hochspannungsquellen 12, 13, denen Anpassschaltungen 120, 130 nachgeschaltet sind,
• 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Plasmazündsystems mit einer einzigen Energiequelle in Form der Hoch spannungsquelle 16, der eine Anpassschaltung 160 nachgeschaltet ist und die umschaltbar ist,
• 3 zeigt einen Resonator, wie er im nicht vor veröffentlichten Stand der Technik offenbart ist.
• 1 stellt zwei Hochfrequenzquellen dar, die über eine Frequenzweiche an den Resonator angeschlossen sind. Beide Hochfrequenzquellen werden gleichzeitig angeschlossen, wobei zum Aufbau eines Plasmas die abgegebene erste Frequenz f₁ gleich der Resonanzfrequenz des Resonators ist. Der elektrische Durchbruch erfolgt aufgrund des Signals der auf Resonanz abgestimmten ersten Hochfrequenzquelle. Da dieses Signal nach dem elektrischen Durchbruch, bei vorhandenem Plasma am Resonator zum Großteil wegen der geänderten Eingangsimpedanz des Resonators reflektiert wird, wird von diesem Signal nur noch ein Bruchteil im Plasma umgesetzt.
• Das Signal der zweiten Hochfrequenzquelle mit Frequenz f₂ kann bereits während der Initiierung des Plasmas am Eingang des Resonators anliegen. Die Ausgangsimpedanz der zweiten Hochfrequenzquelle ist über die Frequenzweiche auf eine Eingangsimpedanz angepasst, die für den Resonators nach dem elektrischen Durchbruch charakteristisch ist. Somit übernimmt die zweite Hochfrequenzquelle die Energie-Versorgung des Plasmas mit elektrischer Leistung über den Resonator und die erste Hochfrequenzquelle kann abgeschaltet werden. Die Zweite liefert solange Leistung an den Resonator, wie es zum Aufrechterhalten des Plasmas gewünscht wird.
• Die Erfindung ist in verschiedenen Varianten unter Beibehaltung des beschriebenen Prinzips realisierbar. So können zwei getrennte elektrische Kreise zur Erfüllung der unterschiedlichen Funktionen eingesetzt werden. Die beiden unterschiedlichen Systeme müssen geeignet voneinander getrennt sein und aufeinander synchronisiert betrieben werden. Dieses System wird üblicherweise "Spiker/Sustainer" genannt. So erzeugt der Spiker die zur Zündung erforderliche Hochspannung bei gleichzeitig hoher Impedanz. Es wird ein kleines Energiepaket in einem sehr kurzen Puls mit entsprechend hoher Leistung benötigt. Dieser Impuls erzeugt einen leitenden Plasmakanal von sehr kurzer Dauer und relativ kleinem Volumen. Der Sustainer sorgt für die Aufrechterhaltung des Plasmakanals über einen längeren Zeitraum hinweg, um eine Ausdehnung des Volumens des Plasmas zu erzielen. Hierzu ist eine relativ niedrige Spannung an einer veränderten Impedanz notwendig. Der Sustainer ist der elektrische Kreis, welcher das bereits vorhandene Plasma über einen längeren Zeitraum mit der notwendig hohen Energie versorgt. Es ist vorteilhaft während der Phase der Aufrechterhaltung des Plasmas die zugeführte Energie zu regeln.
• Die Trennung der beiden Systeme Spiker und Sustainer ermöglicht eine Überlagerung der jeweiligen Spannungs- bzw. Energielieferanten. Wesentlich ist, dass sich die Aufrechterhaltungsphase des Plasmas unmittelbar an den Zündimpuls lückenlos anschließt. Für den Fall, dass zwei getrennte Systeme Spiker und Sustainer vorliegen, ist dies unter Zuhilfenahme einer zeitlichen Überschneidung einfach erzielbar. Wird lediglich ein einziges, jedoch anpassbares System zur Spannungs- bzw. Energielieferung verwendet, so ist eine zeitliche Überlappung ausgeschlossen. Für ein derartiges System besteht die wesentliche Anforderung darin, die notwendige Impedanzanpassung zum Zeitpunkt der Plasmazündung beispielsweise durch einen Schalter, so schnell wie möglich umzusetzen, so dass das gleiche System mit an den Resonator angepasster Impedanz ein Plasma initiiert und in einen Plasma-Aufrechterhaltungs-Status übergeht wird. Ein geeigneter Schalter ist beispielsweise eine Frequenzweiche.
• Ein Verfahren zum Betrieb einer Plasmazündung entsprechend der Erfindung kann beide Systeme in geeigneter Form nacheinander überlappend oder parallel betreiben. Hierbei ist zu beachten, dass der Zeitpunkt des Umschaltens genau gewählt wird, damit einerseits durch den Status des Spikers der erzeugte Plasmakanal nicht vorzeitig erlischt, dieser also zu diesem Zeitpunkt voll ausgebildet ist.
• Ein Verfahren zur Ansteuerung eines Plasmazündsystems mit zwei getrennten Kreisen ermöglicht eine Vielzahl von Varianten für die Ansteuerung, wobei insbesondere zeitliche Überlappungen beider Systeme vorteilhaft sind.
• Die Vorteile des Systems Spiker/Sustainer liegen darin, dass Verluste in der Ansteuerung minimierbar sind. Es können so gezielt parasitäre Effekt wie Elektrodenerosion minimiert werden. Die Energie und Leistung, welche in das Plasma gekoppelt werden kann, ist bei gleichem elektrischem Eingang deutlich erhöht und schafft somit die notwendige Voraussetzung für das gewünschte Plasma-Volumenwachstum in den Brennraum hinein.
• Die beiden Signalquellen können somit gleichzeitig eingeschaltet werden, wobei die zweite Spannungsquelle die Aufrechterhaltung des Plasmas ohne Zeitverzögerung ab dem Zeitpunkt der Plasmazündung übernimmt. Weiterhin kann in diesem System mit zwei Frequenzen gearbeitet werden. Gegenüber einem Gleichstromimpuls treten bei einem Hochfrequenz-Spiker/Sustainer-Ansatz im System geringere Spannungen auf, das heißt die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit der verwendeten Bauteile ist deutlich geringer.
• Die Plasmadauer beträgt bis zu 5 ms. Das weit in einen Verbrennraum hineinreichende Plasma ist in der Lage auch mager betriebene Verbrennungsmotoren oder Schicht geladene sicher zu zünden.
• Es ist vorteilhaft, wenn ein Burstsignal mit einer Spannung von mindestens 40 kV erzeugt wird. Insgesamt sollten die Verhältnisse, die durch die Plasmazündung erzeugt werden, sich derart gestalten, dass das Plasma tief in den Verbren nungsraum, in den die beschriebenen Elektroden hineinreichen, platziert werden kann.
• Es ist besonders vorteilhaft, die durch die Erfindung geschaffene Möglichkeit auszunutzen, die Energiezufuhr während des Anlegens des Versorgungssignals zu regeln. Im Gegensatz zum Stand der Technik existiert während dieser Zeit nicht lediglich eine Glimmentladung, die nicht kontrollierbar ist, sondern der Energieimpuls lässt sich durch die Steuerung bzw. Regelung 10, 11 für den Fall, dass ein geschlossener Regelkreis mit der Rückführung eines Signals vom Resonator 15 über die Signalleitung 7 erfolgt, nachregeln. Somit kann die Teil- oder Gesamtenergie für einen Teil oder Gesamtimpuls, bestehend aus Spiker-Impuls und Sustainer-Impuls, vom Betrag und von der Dauer her angepasst werden.
• Es ist weiterhin besonders vorteilhaft, die unterschiedlichen zur Versorgung des Resonators notwendigen Hochspannungssignale in ihren Frequenzen zu unterscheiden. Für den Serienbetrieb lässt sich damit eine gegenseitige Beeinflussung vermeiden.
• Die Verwendung von Anpassschaltungen 120, 130, 160 ist für die Erzeugung von an die Eingangsimpedanz des Resonators 15 angepasste Signale vorteilhaft. Bei entsprechender Auslegung der Spannungsquellen können diese je nach Anforderungen in die Spannungsquelle oder in den Resonator integriert werden. Da im Fall der Verwendung einer einzigen Spannungsquelle entsprechend 2 eine wesentliche Umschaltung während des Betriebes erforderlich ist, kann die Anpassungsschaltung 860 vorteilhaft als externes Gerät eingesetzt werden.
• In 3 ist ein Resonator 15 dargestellt, wie er im nicht vorveröffentlichten Stand der Technik beschrieben ist. Die Hochfrequenzspannungsquelle 17 erzeugt ein Eingangssignal in den Resonator, welches an dessen Eingangsimpedanz angepasst ist. Diese Eingangsimpedanz wird für den Fall, dass noch kei ne Plasmazündung erfolgt ist, einen bestimmten Wert aufweisen. Durch den durch die Spule 3 die Elektroden 1, 2 die Kapazität 4 aufgebauten Schwingkreis ist die Grundlage für die Erzeugung eines resonanten Zustandes gegeben. Wird der Schwingkreis zur Resonanz gebracht, so erfolgt die Bildung eines Plasmas 6 dadurch, dass die an den Enden der Elektroden aufgebaute Hochspannung einen Grenzwert überschritten hat, an dem ein Durchbruch erfolgt. Die ab diesem Zeitpunkt am Eingang des Resonators vorhandene Eingangsimpedanz erfordert eine Anpassung des von der Hochfrequenzspannungsquelle 17 gelieferten Signals. Diese beiden genannten Phasen sollten lückenlos hintereinander ablaufen, um das Plasma nicht zum Erlöschen zu bringen. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Plasmazündsystems, welches zwei Spannungsquellen 12, 13 aufweist. Beide werden über eine gemeinsame Steuerung/Regelung gesteuert. Nachgeschaltet sind so genannte Anpassungsschaltungen 120, 130, die die dem Resonator 15 zugeführten Signale zumindest in der Impedanz dem Eingang des Resonators zur jeweiligen Zeit anpassen. Um die beiden Systeme, einerseits Hochfrequenzquelle 12 für das Burstsignal und Anpassschaltung 120 von dem System der Hochfrequenzquelle 13 für das Versorgungssignal und der Anpassschaltung 130 voneinander zu trennen kann vorteilhaft eine Frequenzweiche 14 eingesetzt werden. Somit sind Rückwirkungen von energiereichen Signalen auf andere Systeme ausgeschlossen. Die Hochfrequenzsignale der unterschiedlichen Spannungsquellen weisen in diesem Fall unterschiedliche Frequenzen auf, so dass sie relativ einfach trennbar sind.
• 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Plasmazündsystems mit einer einzigen Energiequelle in Form der Hochspannungsquelle 16, der eine Anpassschaltung 160 nachgeschaltet ist. Durch die Hochspannungsquelle 16 sind ebenso wie im vorausgegangenen Ausführungsbeispiel ein Burst-Signal 8 und ein Versorgungssignal 9 erzeugbar. Beide werden zeitlich versetzt, jedoch unmittelbar hintereinander generiert und dem Resonator 15 zugeführt. Dieses Plasmazündsystem nach 2 weist zwar weniger Bauelemente auf, erfordert aber eine Umschaltung der Hochfrequenzspannungsquelle 16. Nachdem die zu schaltenden Ausgangsspannungssignale einen wesentlichen Energieinhalt mitführen, ist dies jedoch nicht trivial. Die Anpassschaltung 160 bewirkt, eine Anpassung des Ausgangssignals der Spannungsquelle 16 hinsichtlich der Eingangsimpedanz des Resonators. Die Eingangsimpedanz des Resonators ist wiederum davon abhängig, ob an den Elektroden ein Plasma gezündet ist oder nicht.

Claims (19)

1. Plasmazündsystem mit: – einem Resonator (15) zur Erzeugung von hochfrequenter Spannung an Elektroden in einem Verbrennungsraum, – einer HF-Spannungsquelle (12) zur Erzeugung eines Burst-Signals (8), welches dem Resonator zuführbar ist, zur Erzeugung eines Plasmas (6), deren Ausgangsimpedanz an die Eingangsimpedanz des Resonators vor der Zündung eines Plasmas angepasst ist, – einer HF-Spannungsquelle (13) zur Erzeugung eines Versorgungssignals (9), welches dem Resonator (15) zuführbar ist, zur Aufrechterhaltung des Plasmas (6), wobei die Ausgangsimpedanz der Spannungsquelle etwa so groß ist wie die Eingangs-Impedanz des Resonators bei vorhandenem Plasma mit optimaler Ausdehnung und Leistungsaufnahme, – einer Frequenzweiche (14) zur ausgangsseitigen Trennung der HF-Spannungsquellen (12, 13), – einer Steuer-/Regeleinheit (10) zur relativen zeitlichen Steuerung von Burst-Signal (8) und Versorgungs-Signal (9).
2. Plasmazündsystem mit: – einem Resonator (15) zur Erzeugung von hochfrequenter Spannung an Elektroden in einem Verbrennungsraum, – einer ein Burst-Signal (8) und ein Versorgungssignal (9) separat erzeugenden HF-Spannungsquelle (16) – wobei zur Erzeugung des Burst-Signales die HF-Spannungsquelle (16) an die Eingangsimpedanz des Resonators vor der Plasmaerzeugung angepasst ist und bei der Erzeugung des Versorgungssignals die Ausgangsimpedanz der HF-Spannungsquelle (16) etwa so groß ist wie die Impedanz des Resonators bei vorhandenem Plasma mit optimaler Ausdehnung und Leistungsaufnahme, – die Signale jeweils dem Resonator zuführbar sind, – einer Steuer-/Regeleinheit (11) zur relativen zeitlichen Steuerung von Burst-Signal (8) und Versorgungs-Signal (9).
3. Plasmazündsystem nach Anspruch 1, bei dem zur Vermeidung gegenseitiger Einflüsse von HF-Ausgangssignalen auf jeweils andere Spannungsquelle eine Frequenzweiche (14) entsprechend zwischengeschaltet ist.
4. Plasmazündsystem nach Anspruch 3, bei dem die Frequenzen von Hochspannungsquellen sich gleichzeitig oder aufeinander folgend unterscheiden.
5. Plasmazündsystem nach einem der Ansprüche 1-4, bei dem die Betriebsfrequenz mindestens einer der HF-Spannungsquellen zur Impedanzanpassung veränderbar ist.
6. Plasmazündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Energiezufuhr während der Dauer des Versorgungssignals (9) regelbar ist.
7. Plasmazündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zündspannung in Abhängigkeit von Brennraum-Druck und/oder -Temperatur regelbar ist.
8. Plasmazündsystem nach Anspruch 7, bei dem die Zündspannung eines Burst-Signals mindestens 40 kV beträgt.
9. Plasmazündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die die Brenndauer des Plasmas bis zu 5 ms beträgt.
10. Plasmazündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Frequenz des Versorgungssignals mindestens 1 MHz beträgt.
11. Plasmazündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Plasma tief in den Brennraum eines Verbrennungsmotors platzierbar ist.
12. Plasmazündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das System für eine Folge von Plasma-Zündungen innerhalb eines Taktes eines Motors ausgelegt ist.
13. Plasmazündsystem nach Anspruch 12, bei dem die Folge von Plasma-Zündungen eine Frequenz von mindestens 1 kHz aufweist.
14. Plasmazündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Anpassung der HF-Spannungsquellen auf den Eingang des Resonators Anpassschaltungen (120, 130, 160) zwischen geschaltet sind.
15. Verfahren zum Betrieb eines entsprechend einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 14 aufgebauten Plasmazündsystems mit folgenden Schritten: – Ansteuerung der HF-Spannungsquelle (12) zur Erzeugung eines Burst-Signals (8) mittels einer Steuer-/Regeleinheit (10) zu einem vorgegebenen Zeitpunkt und Zuführung des Burst-Signals (8) zum Resonator (15), und – Ansteuerung der HF-Spannungsquelle (13) zur Erzeugung eines Versorgungssignals (9) beginnend unmittelbar vor der Erzeugung des Burst-Signals oder während der Dauer des Burst-Signals oder spätestens zum Ende des Burst-Signals und Zuführung des Versorgungssignals(9) zum Resonator (15), wobei die Ausgangsimpedanz der HF-Spannungsquelle etwa so groß ist wie die Impedanz des Resonators bei vorhandenem Plasma mit optimaler Ausdehnung und Leistungsaufnahme.
16. Verfahren zum Betrieb eines entsprechend einem der Ansprüche 2 bis 14 aufgebauten Plasma-Zündssytems, welches wie folgt abläuft: Ansteuerung einer ein Burst-Signal und ein Versorgungssignal erzeugenden HF-Spannungsquelle (16) mittels einer Steuer-/Regeleinheit (11), derart, dass die Hochfrequenz-Spannungsquelle (16) bzw. die nachgeschaltete Anpassschaltung (160) im Anschluss an die Erzeugung eines Burst-Signals zur Erzeugung eines Plasmas auf die veränderte Eingangsimpedanz des Resonators bei bestehendem Plasma angepasst ist, wobei das Versorgungssignal unmittelbar auf das Burst-Signal folgt und die Energie-Versorgung des Plasmas für eine vorgebbare Zeitdauer sichert.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem in Abhängigkeit von dem Zustand – vorhandenes Plasma bzw. nicht vorhandene Plasma – die Transformationseigenschaften zur Anpassung von Verstärkerausgängen auf den Resonator-Eingang durch eine entsprechend zwischengeschaltete Schaltung zwischen Resonator und jeweiliger Spannungsquelle geschieht.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem der Pegel des Versorgungssignals (9) regelbar ist.
19. Plasmazündystem nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Impedanzanpassung mittels einer Veränderung der Betriebsfrequenz einer HF-Spannungsquelle geschieht.