DE10239412B4

DE10239412B4 - Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10239412B4
Application number: DE2002139412
Authority: DE
Inventors: Ewald Schmidt; Juergen Hasch; Hans-Oliver Ruoss
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2022-08-29
Also published as: FR2844013A1; DE10239412A1; FR2844013B1

Abstract

Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mittels einer hochfrequenten elektrischen Energiequelle, mit
– einer koaxialen Wellenleiterstruktur (5), in die die hochfrequente elektrische Energie einkoppelbar ist und die mit einem Ende (8) in den jeweiligen Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors hineinragt, wobei an diesem Ende (8) durch ein hohes Spannungspotential ein Mikrowellenplasma erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
– das eine Ende (8) der koaxialen Wellenleiterstruktur (5) als Zündstift (7a) so ausgebildet ist, dass bei einem anstehenden Spannungspotential durch eine in den Brennraum hineinragende Feldstruktur (22) ein freistehendes Plasma im Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugbar ist, dass
– das eine dem Brennraum zugewandte Ende (8) der koaxialen Wellenleiterstruktur (5) mit einer Abdichtung zwischen dem Innenleiter (7,7a) und dem Außenleiter (6) oder dem Gehäuse (22) der Vorrichtung versehen ist, bei der eine Dichtscheibe (20) aus dielektrischem Material mit ihrer zylindrischen Außenfläche am zylindrischen Gehäuse (22) oder dem Außenleiter (6) der Wellenleiterstruktur...

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mittels einer hochfrequenten Energiequelle nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Die Zündung eines solchen Luft-Kraftstoff-Gemischs mit Hilfe einer sogenannten Zündkerze stellt einen üblichen Bestandteil von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge dar. Bei diesen heute eingesetzten Zündsystemen wird die Zündkerze induktiv mittels einer Zündspule mit einer genügend hohen elektrischen Spannung versorgt, so dass sich ein Zündfunke am Ende der Zündkerze im Brennraum des Verbrennungsmotors herausbildet um die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs einzuleiten.
Beim Betrieb dieser herkömmlichen Zündkerze können Spannungen bis über dreißig Kilovolt auftreten, wobei durch den Verbrennungsprozess Rückstände, wie Ruß, Öl oder Koh le sowie Asche aus Kraftstoff und Öl auftreten, die unter bestimmten thermischen Bedingungen elektrisch leitend sind. Es dürfen jedoch bei diesen hohen Spannungen keine Über- oder Durchschläge am Isolator der Zündkerze auftreten, so dass der elektrische Widerstand des Isolators auch bei den auftretenden hohen Temperaturen während der Lebensdauer der Zündkerze sich nicht verändern sollte.
Es ist beispielsweise aus der DE 198 52 652 A1 eine Zündvorrichtung bekannt, bei der die Zündung eines solchen Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges unter Verwendung eines koaxialen Leitungsresonators vorgenommen wird. Hierbei wird die Zündspule durch eine genügend starke Mikrowellenquelle, z.B. eine Kombination aus einem Hochfrequenzgenerator und einem Verstärker, ersetzt. Mit einem geometrisch optimierten koaxialen Leitungsresonator stellt sich dann die für die Zündung erforderliche Feldstärke am offenen Ende des kerzenähnlichen Leitungsresonators ein und zwischen den Elektroden der Kerze bildet sich mit dem Spannungsüberschlag eine zündfähige Plasmastrecke heraus.
Eine solche Hochfrequenzzündung ist auch in dem Aufsatz "SAE-Paper 970071, Investigation of a Radio Frequency Plasma Ignitor for Possible Internal Combustion Engine Use" beschrieben. Auch bei dieser Hochfrequenz- bzw. Mikrowellenzündung wird ohne eine übliche Zündspule eine Hochspannung mittels einer niederohmigen Einspeisung am sogenannten heißen Ende einer λ/4-Leitung eines HF-Leitungsresonators erzeugt.
In der JP 57-186067 A ist eine Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor beschrieben, die mit einer hochfrequenten Energiequelle arbeitet, und bei der eine koaxiale Wellenleiterstruktur vorhanden ist, in die die hochfrequente elektrische Energie einkoppelbar ist. An einem Ende ragt der Innenleiter in den jeweiligen Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors hinein, wobei an diesem Ende durch ein hohes Spannungspotential ein Lichtbogen erzeugbar ist. In der DE 100 37 536 A1 ist beschrieben, dass eine Zentrierung für einen Innenleiter zum leichteren Einbringen mit Flanken versehen und in eine Passform des Außenleiters einschnappbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine koaxiale Wellenleiterstruktur bereit zu stellen, mit der ein im Brennraum freistehendes Plasma erzeugt werden kann.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mittels einer hochfrequenten elektrischen Energiequelle, mit einer koaxialen Wellenleiterstruktur, in die die hochfrequente elektrische Energie einkoppelbar ist und die mit einem Ende in den jeweiligen Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors hineinragt, wobei an diesem Ende durch ein hohes Spannungspotential ein Mikrowellenplasma erzeugbar ist. In vorteilhafter Weise ist gemäß der Erfindung das eine Ende der koaxialen Wellenleiterstruktur so ausgebildet, dass bei einem anstehenden Spannungspotential durch eine in den Brennraum hineinragende Feldstruktur ein freistehendes Plasma im Luft-Kraftstoff-Gemisch an dem aus der Wellenleiterstruktur einen vorgegebenen Betrag herausragenden Innenleiter der Wellenleiterstruktur erzeugbar ist. In dieser um das Ende des herausragenden Innenleiters herum freistehenden Plasmawolke findet kein Überschlag zwischen den Elektroden statt, so dass auch kein Ionenstrom fließt.
Die koaxiale Wellenleiterstruktur ist dabei so ausgebildet, dass sich für eine vorgegebene effektive Wellenlänge λ_eff der eingekoppelten hochfrequenten Schwingung ein Leitungsresonator in etwa nach der Beziehung (2n + l)·λ_eff/4 mit n ≥ 0 ergibt und die hochfrequente Schwingung beispielsweise durch eine kapazitive, induktive, gemischte oder eine Aperturkopplung eingekoppelt wird. Die effektive Wellenlänge λ_eff wird dabei im wesentlichen durch die Formgebung des Endes des herausragenden Innleiters, durch die Abdichtung des Dielektrikums bzw. durch die Formgebung des gesamten Leitungsresonators bestimmt.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform stellt sich die für die Zündung im Brennraum erforderliche Feldstärke damit am offenen Ende des in seiner Form weitgehend zündkerzenähhlichen Resonators ein. Die wesentlichen Vorteile einer solchen Hochfrequenzzündkerze gegenüber der herkömmlichen Verwendung einer Zündkerze sind vor allem eine Kosten- und Gewichtseinsparung durch die Möglichkeit zur Miniaturisierung. Die bei der vorgeschlagenen Vorrichtung erreichte weitgehende Wärmewertfreiheit ermöglicht zudem eine Reduzierung der Typenvielfalt und damit ebenfalls eine Kosteneinsparung.
Erfindungsgemäß ist ferner das eine dem Brennraum zugewandte Ende der koaxialen Wellenleiterstruktur mit einer Abdichtung zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter oder dem Gehäuse der Vorrichtung versehen. Die Abdichtung besteht in vorteilhafter Weise aus einer Dichtscheibe aus dielektrischem Material, die mit ihrer zylindrischen Außenfläche über einen Luftspalt oder auch dicht am zylindrischen Gehäuse oder dem Außenleiter der Wellenleiterstruktur anliegt.
Die Dichtscheibe ist derart mit mindestens einer in axialer Richtung sprunghaften und/oder gleitenden Querschnittsänderung versehen dass sich eine optimale Feldstruktur zur Erzeugung eines freistehenden Plasmas ergibt. Die Kontur des Außenleiters oder des Gehäuses und des Innenleiters kann dabei in den Bereichen der Anbringung der Dichtscheibe in ihrem Querschnitt korrespondierend zur Kontur der Dichtscheibe gestaltet werden. Durch eine optimale Geometrieanpassung des Außendurchmessers des Resonatorraums und des eigentlichen Zündstifts als Bestandteil des Innenleiters an der Innenseite der Dichtscheibe können die an sich unvermeidbaren störenden Nebenmaxima der Feldstärke gegenüber dem Sollmaximum am Ende des Zündstiftes deutlich abgesenkt werden.
Besonders vorteilhaft ist beispielsweise, wenn die Dichtscheibe am zum Brennraum hinführenden Ende zur Anlage an das Gehäuse konisch ausgeführt ist. Dieser konische Bereich dient bei der Montage der Zentrierung des Zündstiftes und kann auch mit einer Lotverbindung zwischen der Dichtscheibe, die z.B. aus Keramik (Al₂O₃ oder AlNi) hergestellt ist, und dem Gehäusemantel, z.B. aus QST26 oder einer AlNi-Leg, versehen werden.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Dichtscheibe am zum Resonatorraum hinführenden Ende zur Anlage an den Außenleiter plan ausgeführt ist, so dass hiermit die Dichtscheibe über die Resonatoraußenleiterbuchse angedrückt werden kann. Andere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben,
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine prinzipielle Ansicht einer Vorrichtung zum hochfrequenten Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mit einer koaxialen Wellenleiterstruktur als Resonator und
2 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des in den Brennraum des Verbrennungsmotors hineinragenden Endes des Resonators mit einer Dichtscheibe.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist eine Prinzipansicht einer Vorrichtung zum hochfrequenten Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor gezeigt, die Bestandteile einer sogenannten Hochfrequenzzündkerze 1 aufweist. Es sind hier im einzelnen ein HF-Generator 2 und ein eventuell auch verzichtbarer Verstärker 3 vorhanden, die als Mikrowellenquelle die hochfrequenten Schwingungen erzeugen. Schematisch ist hier eine induktive Einkopplung 4 der hochfrequenten Schwingungen in eine als λ_eff/4-Resonator 5 aufgebaute koaxiale Wellenleiterstruktur als wesentlicher Bestandteil der Hochfrequenzzündkerze 1 gezeigt.
Der koaxiale Resonator 5 besteht aus einem Außenleiter 6 und einem Innenleiter 7, wobei das eine sogenannte offene oder heiße Ende 8 des Resonators 5 mit einem Innenleiter 7, hier als gegenüber dem Außenleiter 6 isolierten Zündstift 7a, die Zündung bewirkt. Für die hochfrequenten Schwingungen stellt das andere sogenannte kalte brennraumferne Ende 9 des Resonators 5 einen Kurzschluss dar. Das Dielektrikum 10 zwischen dem Außenleiter 6 und dem Innenleiter 7 besteht im wesentlichen aus Luft oder aus einem geeigneten nichtleitenden Material. Lediglich zur Abdichtung des offenen Endes 8 des Resonators 5 zum Brennraum ist eine Dichtung 11 vorhanden. Die Dichtung 11 besteht auch aus einem nichtleitendem Material, das den Temperaturen im Brennraum standhält, z.B. Keramik. Dabei bestimmen die dielektrischen Eigenschaften des Füllmaterials 10 bzw. der Abdichtung 11 mit die Abmessungen des Resonators 5.
Bei dieser Hochfrequenzzündkerze 1 wird das Prinzip der Feldüberhöhung in einem koaxialen Resonator 5 der Länge (2n + l)·λ_eff/4 mit n ≥ 0 genutzt. Das durch eine genügend starke Mikrowellenquelle als Generator 2 und eventuell dem Verstärker 3 erzeugte hochfrequente Signal wird durch die Einkopplung 4, z.B. induktiv, kapazitiv, aus beiden gemischt oder durch eine Aperturkopplung, in den Resonator 5 eingespeist. Durch die Ausbildung eines Spannungsknotens am Kurzschluss 9 und eines Spannungsbauchs am einen offenen Ende 8 ergibt sich hier am Zündstift 7a eine Feldüberhöhung, die zu dem in der Beschreibungseinleitung erwähnten freistehenden Plasma führt.
Die wesentlichen Bestandteile der Erfindung sind aus 2 zu entnehmen. Zur Kompensation des durch die, in der 1 gezeigten, Abdichtung 11 des offenen Endes 8 verursachten Effekts einer Feldverzerrung bzw. Feldabschwächung an der Spitze des Innenleiters 7 bzw. des Zündstift 7a wird der Querschnitt einer Dichtscheibe 20 nach der 2 im Bereich des offenen Endes 8 des Resonators 5 variiert und es wird ein Luftspalt 21 zwischen dem Zylindermantel der Dichtscheibe 20 und dem Gehäuse 22 der Zündkerze 1 angeordnet.
Die Kontur der Dichtscheibe 20 ist so gewählt, dass zum Ende 8 der Zündkerze die Dichtscheibe mit einer konischen Abflachung am entsprechend gestalteten Gehäuse 22 anfügt. Der Spalt 21 kann sich dabei hier auch ganz oder teilweise bei einer Verlötung der Dichtscheibe 20 mit dem Gehäuse 22 mit einem fließenden Lot 26 schließen. Mit der anderen Seite 24 liegt die Dichtscheibe 20 planar am Außenleiter 6 des Resonators 5 an.
Der Zündstift 7a ist über eine Zentrierpassung 25 mit dem Innenleiter 7 verbunden und die Dichtscheibe 20 weist zum Resonatorraum hin ebenfalls eine konische Abflachung 27 zur Anlage an einer entsprechenden Kontur des Zündstiftes 7a auf.
Die Bestimmung der geometrischen Abmessungen der Dichtscheibe 20 und der anliegenden Teile der Zündkerze 1 bzw. des Resonators 5 im Detail hängen dabei von den System- und Materialparametern der gesamten Vorrichtung ab. Das Gehäuse 22 ist beispielsweise aus Stahl (QST36), wobei hier die geringe elektrische Leitfähigkeit keine Rolle spielt, da der Resonatoraußenleiter 6 ebenso wie der Innenleiter 7 aus sehr gut leitendem Material (Cu oder Silberlegierung) gefertigt sein kann. Die Zündspitze 7a kann bevorzugt aus temperatur- und korrosionsfesten Stoffen, wie z.B. NiAlSiYO.2 oder Platin hergestellt werden.
Als Material für die Dichtscheibe kommt vor allem Keramik (Al₂O₃ oder AlNi) in Frage, wobei die Dichtscheibe 20 und die Zündspitze 7a mit den angrenzenden Bauteilen eingesintert, eingeschrumpft oder verlötet werden können, wobei vorzugsweise der Innenleiter 7 mit der größeren Ausdehnung einen Passstift und die Zündspitze 7a mit der kleineren Ausdehnung eine Passbohrung erhalten können.

Claims

Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mittels einer hochfrequenten elektrischen Energiequelle, mit – einer koaxialen Wellenleiterstruktur (5), in die die hochfrequente elektrische Energie einkoppelbar ist und die mit einem Ende (8) in den jeweiligen Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors hineinragt, wobei an diesem Ende (8) durch ein hohes Spannungspotential ein Mikrowellenplasma erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das eine Ende (8) der koaxialen Wellenleiterstruktur (5) als Zündstift (7a) so ausgebildet ist, dass bei einem anstehenden Spannungspotential durch eine in den Brennraum hineinragende Feldstruktur (22) ein freistehendes Plasma im Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugbar ist, dass – das eine dem Brennraum zugewandte Ende (8) der koaxialen Wellenleiterstruktur (5) mit einer Abdichtung zwischen dem Innenleiter (7,7a) und dem Außenleiter (6) oder dem Gehäuse (22) der Vorrichtung versehen ist, bei der eine Dichtscheibe (20) aus dielektrischem Material mit ihrer zylindrischen Außenfläche am zylindrischen Gehäuse (22) oder dem Außenleiter (6) der Wellenleiterstruktur (5) anliegt, und dass – die Dichtscheibe (20) derart mit mindestens einer in axialer Richtung sprunghaften und/oder gleitenden Querschnittsänderung (23,24) versehen ist, das sich eine optimale Feldstruktur zur Erzeugung eines freistehenden Plasmas ergibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kontur des Außenleiters (6) oder des Gehäuses (22) und des Innenleiters (7,7a) in den Bereichen der Anbringung der Dichtscheibe (20) in ihrem Querschnitt korrespondierend zur Kontur der Dichtscheibe (20) gestaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Dichtscheibe (20) am zum Brennraum hinführenden Ende (8) zur Anlage an das Gehäuse (22) konisch (23) ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Dichtscheibe (20) am zum Resonatorraum hinführenden Ende zur Anlage an den Außenleiter (6) plan (24) ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Dichtscheibe (20) am zum Resonatorraum hinführenden Ende kreisförmig mit einer im Querschnitt konvexen Ausnehmung versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass – die Dichtscheibe (20) am zum Brennraum hinführenden Ende (8) kreisförmig mit einer im Querschnitt konvexen Ausnehmung versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass – die Dichtscheibe (20) am zum Resonatorraum hinführenden Ende zur Anlage an den Innenleiter (7,7a) konisch (26) ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Dichtscheibe (20) am Gehäuse (22) eingelötet, eingeschrumpft oder sonstwie befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass – zwischen der Dichtscheibe (20) und dem zylindrischen Gehäuse (22) teilweise ein Luftspalt (21) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass – zwischen der Dichtscheibe (20) und dem zylindrischen Gehäuse (22) zumindest teilweise eine Lotverbindung (26) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Innenleiter (7,7a) in die Dichtscheibe (20) eingelötet, eingeschrumpft oder sonstwie ohne Luftspalt befestigt ist.