DE102006037038B4

DE102006037038B4 - Hochfrequenz-Zündvorrichtung für eine Hochfrequenz-Plasmazündung

Info

Publication number: DE102006037038B4
Application number: DE102006037038A
Authority: DE
Inventors: Georg Bachmaier; Robert Baumgartner; Reinhard Freitag; Thomas Dr. Hammer; Oliver Hennig
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2006-08-08
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2010-06-24
Anticipated expiration: 2026-08-09
Also published as: WO2008017572A1; DE102006037038A1

Abstract

Hochfrequenz-Zündvorrichtung für eine Hochfrequenz-Plasmazündung, mit einer Primärelektrode (1) und mehreren Sekundärelektroden (2), wobei die Sekundärelektroden (2) untereinander und gegenüber einer Sammelelektrode (5) elektrisch isoliert sind und mit der Sammelelektrode (5) jeweils kapazitiv über eine Kapazität (C) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz der Kapazität (C) im Bereich einer Anregungsfrequenz des Plasmas (6) groß ist gegenüber der Impedanz des sich beim Überschlag bildenden Plasmas (6).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Zündvorrichtung für eine Hochfrequenz-Plasmazündung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Zur Entflammung von reaktionsträgen Brennstoff-Luft-Gemischen in Verbrennungsmotoren, insbesondere von mageren oder extrem fetten Gemische sowie Gemischen mit hohem Abgasanteil oder bei Brennstoffen, die einen hohen Flammpunkt (wie z. B. komprimiertes Erdgas CNG) aufweisen, muss eine sehr hohe Energie in das Gasgemisch eingebracht werden und/oder ein größeres Gemischvolumen entflammt werden, als dies z. B. bei stöchiometrischen Benzin-Luft-Mischungen notwendig ist.
Eine bekannte Zündmöglichkeit, die diese Merkmale bietet, ist die Hochfrequenzplasmazündung, wie sie beispielsweise in der DE 10 2004 058 925 beschrieben wird. Dabei wird ein Schwingkreis oder Resonator, bestehend aus einer Spule als Induktivität und einer Kapazität durch eine Hochfrequenzquelle resonant angeregt, bis an den die Kapazität darstellenden Elektroden ein Hochfrequenzplasmaüberschlag zündet. Das bisher hierbei eingesetzte Design orientiert sich an dem konventioneller Zündkerzen, d. h. es besteht aus einer mit der Einschraubung verbundenen äußeren Masse-Elektrode und einer isoliert eingesetzten zentralen Stabelektrode. Hierbei führt die Einkopplung höherer Energie bei gleichen Randbedingungen zu einem stark erhöhten Elektrodenverschleiß. Eine dadurch bedingte kürzere Standzeit im Vergleich zu konventionellen Zündsystemen ist für den Serieneinsatz insbesondere in Kraftfahrzeugen jedoch nachteilig.
Bei konventionell betriebenen Zündsystemen konnte durch Kombination von Materialien mit hohem Schmelzpunkt und Materialien guter Wärmeleitfähigkeit die Standzeit der Zündkerzenelektroden auf Werte von mehr als 1000 Betriebsstunden verbessert werden. Bei der Hochfrequenzplasmazündung in der nach dem Stand der Technik bekannten Form liegen die mit diesen Materialien erreichten Standzeiten jedoch weit darunter, so dass eine Optimierung von Elektrodenmaterialien keine ausreichende Erhöhung der Standzeiten verspricht.
Ein Hauptgrund für den Zündkerzenelektrodenverschleiß ist der Materialabtrag durch eine thermische Überlastung des Elektrodenmaterials am Fußpunkt des Plasmaüberschlags.
Eine bekannte Möglichkeit die punktuelle Belastung der Elektroden zu verringern, ist die Aufteilung des Plasmaüberschlags in zwei oder mehrere Plasmaüberschläge. Mit der Aufteilung des Plasmaüberschlags in mehrere Kanäle sinken die Energien in den einzelnen Plasmaüberschlägen und damit die thermische Belastung der einzelnen Fußpunkte. Eine solche Aufteilung eines Zündfunkens auf mehrere Masseelektroden ist für herkömmliche Zündkerzen z. B. aus der DE 696 06 686 T2 bekannt.
Weiterhin sind aus der DE 25 41 937 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zünden eines Brennstoffs-Luft-Gemisches bekannt. Es wird insbesondere eine Koronaelektrode zur Anreicherung von Brennstofftröpfchen dargestellt. Eine entsprechende Zündung soll zu einer Bogenentladung führen. Ein derartiges Zündsystem ist verbunden mit einer Verteilung des entsprechenden zündfähigen Gemisches auf das Gesamtsystem der Elektrode bzw. der Elektroden. Insgesamt bezieht sich die Darstellung auf Entladungsvorrichtungen allgemeiner Art. Eine Plasmaentladung wird nicht angesprochen.
In der DE 38 78 336 T2 wird eine Zündkerze beschrieben, welche mittels Hilfselektroden eine Zünderleichterung erfahren soll. Dabei wird eine Hilfsfunkenstrecke gebildet, an der eine erste kapazitive Entladung hervorgerufen wird.
Dabei ist für die Hilfsfunkenstrecke eine niedrigere Spannung notwendig als für eine normale Funkenstrecke. Eine Plasmazündung wird in dieser Druckschrift nicht offenbart.
Nachteilig an solchen nach dem Stand der Technik bekannten Zündkerzen ist, dass ein Plasmaüberschlag sich nur schlecht und ungleichmäßig auf mehrere Plasmaüberschläge aufteilt. Ein Plasma kann in erster Linie als stark nichtlinearer Widerstand beschrieben werden. Daher bildet sich in der Regel nur ein leitender Kanal, da in einem gezündeten Plasmaüberschlag ein niedrigerer Widerstand vorliegt als in der entsprechenden Luftstrecke.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zündvorrichtung für eine Hochfrequenz-Plasmazündung anzugeben, bei der die Elektrodenbelastung deutlich reduziert ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Zündvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorteilhaft wird bei einer erfindungsgemäßen Zündkerze durch die kapazitive Koppelung über die Kapazität C ein Stromteiler mit komplexen Widerständen für den hochfrequenten Anregegungswechselstrom der Hochfrequenzplasmazündung gebildet und im Unterschied zu einem rein ohmschen Stromteiler teilen sich die Ströme proportional zu den komplexen Widerständen auf die mehreren Sekundärelektroden auf. Sobald sich ein Plasmaüberschlag bildet, entsteht nicht bereits durch diesen ein Stromweg mit sehr niedrigem Widerstand gegenüber den anderen Möglichkeiten.
In günstiger Ausführungsform ist die Impedanz der Kapazität C im Frequenzbereich des Plasmas groß gegenüber der Impedanz des sich beim Überschlag bildenden Plasmas.
Durch richtig dimensionierte Kapazitäten C, mit denen die Sekundärelektroden an die Sammelelektrode gekoppelt sind, ist es möglich, die Impedanz der Kapazität C im Bereich der Anregungsfrequenz hoch gegenüber der Impedanz des Plasmaüberschlags zu halten. Die Impedanz der Kapazität C ist dann dominant gegenüber der des gezündeten Plasmas und somit wird die Impedanz des Systems, Plasmakanal und Kapazität C zur Koppelung, linearisiert und bildet einen komplexen Stromteiler, der auf einfache und zuverlässige Weise zu mehreren Plasmaüberschlägen führt.
In vorteilhafter Ausführung ist die Primärelektrode im Zentrum, d. h. in der Symmetrieachse der Zündvorrichtung angeordnet.
Die zentrale Anordnung ermöglicht von der Mitte ausgehend mehrere Überschlagsstrecken zum Rand der Zündvorrichtung hin.
In günstiger Ausführungsform können die mehreren Sekundärelektroden durch Schlitze getrennte Segmente eines um die Mittelelektrode angeordneten Sekundärelektrodenzylinders sein, die jeweils eine Kapazität C mit einem weiteren den Sekundärelektrodenzylinder umgebenden Sammelelektrodenzylinder als Sammelelektrode bilden.
Die Segmentierung der Sekundärelektrode in zwei oder mehrere Teile, von denen jeder mit der Sammelelektrode durch eine Kapazität C gekoppelt ist, ermöglicht einen einfachen Aufbau, da die einander gegenüberliegenden Flächen des Sekundärelektrodenzylinders und des Sammelelektrodenzylinders bereits die jeweilige zugeordnete Kapazität C bilden.
Der Sammelelektrodenzylinder kann mit der Masse der Zündvorrichtung verbunden sein.
Die Sekundärelektroden können mit der Sammelelektrode außerhalb der Zündvorrichtung kapazitiv verbunden werden.
Es ist auch denkbar, Anschlüsse aus der Zündvorrichtung heraus zu führen und die Kapazitäten C vollständig oder zum Teil außerhalb der Zündvorrichtung anzuordnen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mithilfe eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
1 schematisch die Elektrodenanordnung einer erfindungsgemäßen Zündkerze.
1 zeigt schematisch die Elektrodenanordnung einer erfindungsgemäßen Zündkerze. Eine Primärelektrode 1 ist in dieser Schemaansicht zentral in der Achse der erfindungsgemäßen Zündvorrichtung angeordnet. Drei Sekundärelektroden 2 bestehen hier aus durch Schlitze getrennten Segmenten eines konzentrisch zur Primärelektrode 1 angeordneten Sekundärelektrodenzylinders 3. Ein weiterer konzentrisch zur Primärelektrode 1 und außerhalb des Sekundärelektrodenzylinders 3 angeordneter Sammelelektrodenzylinder 4 dient als Sammelelektrode 5 und ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit der Masse verbunden. Die Sekundärelektroden 2 bilden mit der konzentrisch und mit Abstand angeordneten Sammelelektrode 5 jeweils eine Kapazität C, wie durch die Symbole in der Zeichnung angedeutet.
Durch richtig dimensionierte Kapazitäten C, mit denen die Sekundärelektroden 2 an die Sammelelektrode 5 gekoppelt sind, ist es möglich, die Impedanz der Kapazität C im Bereich der Anregungsfrequenz hoch gegenüber der Impedanz eines zwischen der Primärelektrode 1 und der Sekundärelektrode 2 sich bildenden Plasmaüberschlags 6 zu halten. Die Impedanzen der Kapazitäten C sind dann dominant gegenüber der des gezündeten Plasmaüberschlags 6 und bilden einen Stromteiler mit komplexen Widerständen, der auf einfache und zuverlässige Weise zu mehreren Plasmaüberschlägen 6 führt.
Dadurch kann eine hohe Standzeit der Elektroden erreicht werden, da eine punktuelle thermische Überlastung der Primärelektrode 1 und der Sekundärelektroden 2 vermieden wird. Durch eine räumliche Verteilung auf mehrere Plasmaüberschläge 6 ist eine gleichmäßigere und damit schnellere Aufheizung der Luft im Zündbereich der Zündvorrichtung möglich. Bei gleicher Standzeit ist der Einsatz von günstigern oder besser zu verarbeitenden Materialien für Primärelektrode 1 und/oder Sekundärelektroden 2 denkbar.
Durch die Wahl von unterschiedlichen Kapazitäten C für die einzelnen Sekundärelektroden ist auch eine Anpassung an nicht symmetrische Geometrieverhältnisse möglich.

1: Primärelektrode
2: Sekundärelektrode
3: Sekundärelektrodenzylinder
4: Sammelelektrodenzylinder
5: Sammelelektrode
6: Plasmaüberschlag
C: Kapazität

Claims

Hochfrequenz-Zündvorrichtung für eine Hochfrequenz-Plasmazündung, mit einer Primärelektrode (1) und mehreren Sekundärelektroden (2), wobei die Sekundärelektroden (2) untereinander und gegenüber einer Sammelelektrode (5) elektrisch isoliert sind und mit der Sammelelektrode (5) jeweils kapazitiv über eine Kapazität (C) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz der Kapazität (C) im Bereich einer Anregungsfrequenz des Plasmas (6) groß ist gegenüber der Impedanz des sich beim Überschlag bildenden Plasmas (6).
Zündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärelektrode (1) im Zentrum, d. h. in der Symmetrieachse der Zündvorrichtung, angeordnet ist.
Zündvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Sekundärelektroden (2) durch Schlitze getrennte Segmente eines um die Primärelektrode (1) angeordneten Sekundärelektrodenzylinders (3) sind, die jeweils eine Kapazität (C) mit einem weiteren, den Sekundärelektrodenzylinder (3) umgeben, Sammelelektrodenzylinder (4) als Sammelelektrode (5) bilden.
Zündvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelelektrodenzylinder (4) mit der Masse der Zündvorrichtung verbunden ist.
Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärelektroden mit der Sammelelektrode außerhalb der Zündvorrichtung kapazitiv verbunden werden können.
Verfahren zur Erzeugung von Plasma-Überschlägen bei einer Hochfrequenz-Plasmazündvorrichtung mit einer Primärelektrode (1) und mehreren Sekundärelektroden (2) zur mehrfachen Ausbildung von Plasmafunken, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sekundärelektroden (2) untereinander und gegenüber einer Sammelelektrode (5) elektrisch isoliert werden und mit der Sammelelektrode (5) jeweils kapazitiv über eine Kapazität (C) verbunden werden und – die Kapazitäten (C), mit denen die Sekundärelektroden (2) an die Sammelelektrode (5) gekoppelt sind, derart ausgelegt werden, dass die Impedanz der Kapazität (C) im Bereich einer Anregungsfrequenz hoch ist gegenüber der Impedanz des sich beim Überschlag bildenden Plasmas (6), so dass die Impedanz der Kapazität (C) dominant ist gegenüber der des gezündeten Plasmas.