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Verfahren und Einrichtung zur Zündung brennfähiger Gemische
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Zündung
brennfähiger Gemische, insbesondere zur Erzeugung der Zündfunken in Otto-Motoren,
bei dem ein Kondensator mit Hochspannung aufgeladen und über eine Vorfunkenstrecke
und Zündelektroden beim Erreichen einer Schwellwertspannung entladen wird, die höher
ist als die Durchbruchspannung an den Zündelektroden, wobei die Energieabgabe in
der Anfangsphase des Zündfunkens erfolgt.
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Ein Verfahren und eine Einrichtung dieser Art sind bekannt (DT-OS
2 363 804). Dabei sind dort die Elemente, die die Funktionen eines Kondensators
und die einer Zündkerze erfüllen, zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt, wobei
die Mittelelektrode und der die Masseelektrode enthaltende Teil zur Bildung des
Kondensators ausgenutzt werden. Die Mittelelektrode geht dabei in eine Funkenstrecke
über, so daß die Entladung des aus den Elektroden und dem Dielektrikum gebildeten
Kondensators nur in Abhängigkeit von der Spannungsfestigkeit dieser Funkenstrecke
erfolgen kann. Dadurch ist es möglich, in der Anfangsphase des Zündfunkens einen
erhöhten Energieumsatz zu bewirken und unabhängig von der von Motorbedingungen abhängigen
Durchbruchspannung
an den Zündelektroden die Entladung bei einer vorherbestimmten Schwellwertspannung
einsetzen zu lassen, die durch die Funkenstrecke bestimmt ist Wenngleich solche
Zündkerzen und Zündanlagen schon gewisse Vorteile gegenüber den herkömmlichen Zündanlagen
aufweisen, bei denen zur Dimensionierung üblicherweise die Glimmentladung an den
Zündelektroden zugrunde gelegt wird, weist diese Ausführung aber doch noch den Nachteil
auf, daß die von der Funkenstrecke bis zu den Zündelektroden verlaufende Zuleitung
und die Vorfunkenstrecke selbst noch einen verhältnismäßig großen ohmschen und auch
induktiven Widerstand aufweisen, die eine Energieabgabe auch in der Anfangsphase
des Zündfunkens noch so verzögern, daß gewisse Nachteile eingehandelt werden, die
bisher aber nicht erkannt worden sind0 Durch intensive Untersuchungen hat sich nämlich
ergeben, daß während der Ausbildung eines Zündfunkens drei Phasen unterschieden
werden können, die mit den Bezeichnungen Durchbruchsphase, Bogenphase und Glimmphase
versehen werden können Die Ausbildung der jeweiligen Phasen hängt von der Beschaltung
der Zündkerzen, aber auch von der Geometrie der Elektroden und der verwendeten Gas-
und Materialeigenschaften ab. Zur Erläuterung dürfen die folgenden Ausführungen
dienen: Erreicht die an die Funkenstrecke, d.h. also an die Zündelektroden angelegte
Spannung die Durchbruchsspannung, so bildet sich, beginnend mit Lawinenverstärkungsprozessen,
ein leitfähiger Plasmakanal zwischen den Elektroden. Dadurch können sehr hohe Ströme
über die Funkenstrecke fließen, während gleichzeitig die angelegte Spannung wegen
induktiver und ohmscher Reihenwider -stände und endlichem kapazitivem Speicher zusammenbricht0
Dieser Vorgang dauert bei üblichen Zündkerzen 1 bis 4 nsec. Während dieser kurzen
Zeit kann elektrische Energie nur der Eerzenkepazität entnommen werden; Strom- und
Spannungsverlauf werden aus diesem Grund durch die Impedanzen der Kerze bis in den
GHz-Bereich bestimmt. An diese Durcbbruchsphase schließt sich bei Verwendung niederohmiger
Beschaltung eine in stationäre Bogenentladung,
bei Verwendung sehr
hochohmiger Beschaltung unmittelbar die instationäre Glimmentladung an. Sprunghafte
Ubergänge zwischen Bogen- und Glimmentladung und umgekehrt sind möglich.
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Die Bogenentladung setzt das Vorhandensein eines vorher erzeugten
Plasma voraus. Es können sehr hohe Ströme fließen, die jedoch durch die Entstörungsmaßnahmen
auf Werte bis ca. 10 A begrenzt werden. Die Brennsprnnung liegt unter 100 V und
ist weitgehend konstant. Diese Phase dauert so lange an, wie die Stromwerte über
ca. 200 mA liegen. Zwischen 200 mA und 100 mA stellt sich ein aber gangsgebiet mit
sprunghaftem Wechsel zwischen Bogen und Glimmen ein.
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Unter 100 mA geht die Entladung in eine Glimmentladung über. Die Energie
für die Bogenentladung wird aus der Zuleitungs- und der Anlagenkapazität entnommen.
Im allgemeinen ist die Bogenentladung instationär, da die Einstellzeiten für Diffusion
und Wärmeleitung größer sind als die Dauer der Bogenphase selbst (einiger).
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Die Glimmentladung erfordert ebenfalls ein Plasma, das durch einen
vorausgegangenen Prozeß erzeugt worden ist. Bei technischen Zündanlagen liegen die
Stromwerte unter 100 mA, sie werden in der Regel durch den hohen Innenwiderstand
der Zündanlage (100 bis 500 k Q ) begrenzt. Die Brennspannung liegt bei 400 bis
500 V, die Energie wird der Spule entnommen. Auch hier liegt eine instationäre Entladung
vor.
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Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß dann und nur
dann entscheidende Verbesserungen der Zündfähigkeit von Funken erreicht werden kann,
wenn möglichst die gesamte Zündfunkenenergie in der Durchbruchsphase zugeführt wird,
die nur während eines Bruchteils der Dauer der Anfangsphase, auch Funkenkopf genannt,
auftritt. Der Begriff der Durchbruchsphase wird noch anhand der Beschreibung im
einzelnen erläutert werden. Es darf hier jedoch darauf hingewiesen werden, daß in
der Durchbruchsphase der Energietransport aus dem Kern des aktivierten Volumens
durch Wärmeleitung über die Elektroden noch nicht eintritt, weil das aktivierte
Volumen bereits in so kurzen Zeiten (10 bis 50 sec) erreicht wird,
daß
Wärmeleitungsverluste an der Oberfläche gering sind. Das von der Durchbruchsphase
aktivierte und später durch sie entflammte Volumen ist zu jeder Zeit größer als
die von Bogen- und Glimmentladung erzeugten Volumina. Die Durchbruchsphase hat somit
gegenüber der Bogen- und Glimmphase, die auch noch später erläutert werden, den
schnellsten Reaktionsablauf zur Folge. Auch hinsichtlich der Wahrscheinlichkeit
für eine Entflammung ist die Energiezufuhr in der Durchbruchsphase besonders günstig.
Selbst wenn in der Bogenphase etwa die doppelte elektrische Energie zugeführt wird,
kann die Entflammungssicherheit der Durchbruchsphase nicht erreicht werden. Es kommt
daher nicht so sehr darauf an, mehr Energie insgesamt zuzuführen, sondern eine optimale
Zufuhr dieser Energie zu gewährleisten.
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Zur Durchführung des neuen Verfahrens wird vorteilhaft eine Einrichtung
vorgeschlagen, bei der die Vorfunkenstrecke möglichst nahe an die Zündelektroden
gelegt wird und möglichst geringen ohmschen und induktiven Widerstand aufweist.
Ihre Schwellwertspannung ist von außen steuerbar und die Induktivität und der ohm'sche
Widerstand der Zuleitung zu den Elektroden zwischen Kondensator und Zündelektrode
sind mindestens bei Frequenzen über 50 MHz so gering als möglich. Durch diese Maßnahmen
wird es möglich, die Energieabgabe innerhalb der kurzen Zeit der Durchbruchsphase
zu bewirken und ausschließlich dadurch wird eine wesentlich bessere Wirkung erreicht.
Auch hinsichtlich des Ausbrandes von zündfähigen Gemischen können dadurch entscheidende
Vorteile erreicht werden, die es ermöglichen, ohne Zuhilfenahme anderer aufwendiger
Maßnahmen die Abgaswerte in einen günstigeren Bereich zu verschieben.
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Zweckmäßig ist es außerdem, wenn im Bereich der Elektrode 4a zwischen
der Innenelektrode und der Außenelektrode im Isolator
eine gewisse
Leitfähigkeit vorhanden ist, die dafür sorgt, daß in der Aufladephase das Potential
der Innenelektrode 4a nicht merklich von dem der Masse abweicht. Dadurch werden
unerwünschte Verzögerungen bei der Energieabgabe vermieden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Vorfunkenstrecke eine triggerbare
Schaltfunkenstrecke ist. Es ist nämlich dann möglich, den Zeitpunkt der Entladung
von außen zu bestimmen. Bei solcher Einrichtung ist es in sehr einfacher Weise möglich,
zur Erzeugung der Hochspannung ein Gleichspannung abgebendes Hochspannungsgerät
vorzusehen, das über einen Ladestrombegrenzer an der Zündkerze anliegt, so daß dann,
wenn im Gegensatz zu üblichen Zündanlagen der Zündverteiler nicht auf eine der Elektroden,
sondern auf die triggerbare Schaltfunkenstrecke wirkt, der Zeitpunkt und die Funkenenergie
wahlweise bestimmbar ist.
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Es ist daher erfindungsgemäß sogar möglich, die Funkenenergie abhängig
von Startbedingungen des Motors o.dgl. verändern zu können.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn mindestens
eine Elektrode in Flußrichtung als Kapazität ausgebildet ist, so kann beispielsweise
die Innenelektrode eine kapazitiv an die Vorfunkenstrecke angekoppelte Mittelelektrode
sein oder es kann die Außenelektrode kapazitiv an Masse sngekoppelt sein. Diese
Ausführung gibt die Gewähr dafür, daß nur die hohen Frequenzen übertragen werden
und daß die Energiezufuhr recht zeitig abgeschnitten werden kann. Das hat vorteilhafte
Auswirkungen auf die Lebensdauer der Elektroden, was noch erläutert werden wird.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der neuen Zündeinrichtung
und einer neuen Zündkerze dargestellt und es ist anhand von Diagrammen herausgestellt,
wie die einzelnen Phasen der Zündfunkenbildung verlaufen und welche Folgen sich
aus der erfindungsgemäßen Energiezufuhr in der Durchbruchsphase ergeben.
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Dabei zeigen: Fig. 1 ein Schaubild der Charakteristiken der einzelnen
Phasen eines Zündfunkens herkömmlicher Art, bzw.
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eines erfindungsgemäßen Zündfunkens9 Fig. 2. zeitlicher Verlauf der
Stromimpulse bei einer erfindungsgemäß ausgestatteten und einer herkömmlichen Zündeinrichtung,
Fig. 3 die radialen Profile der erzielbaren Temperaturwerte für die drei Funkenphasen
bei gleicher elek trischer Energie, Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild einer
neuen Zündeinrichtung, bei der die Vorfunkenstrecke durch einen Triggerimpuis aktiviert
wird, Fig. 5 die Möglichkeit der Ausgestaltung einer Zündkerze, mit der das neue
Verfahren verwirklicht werden'kann, Fig. 6 die Ausbildung einer Zündkerze mit einer
kapazitiv aktivierbaren Vorfunkenstrecke, Fig. 7 die Ausführungsform einer anderen
Zündkerze, bei der die Mittelelektrode der beiden Zündelektroden kapazitiv an die
Vorfunkenstrecke gekoppelt ist und Fig. 8 die Ausführungsform einer Zündkerze in
Scheibenkondensatorausführung.
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Die drei Phasen eines elektrischen Zündfunkens: Eine genaue Analyse
von elektrischen Zündfunken ergab, daß die Strom- und Spannungsverläufe technischer
Anlagen durch die in
den Fig. 1 und 2 dargestellten prinzipiellen
Charakteristiken beschrieben werden können. Neben den Gaseigenschaften und dem Material
und der Geometrie der Elektroden wirkt sich vor allem die äußere Beschaltung der
Funkenstrecke (Zündkerze) auf die Ausbildung der jeweiligen Phase aus. Es bedeuten
in Fig. 1 und 2: CB = Betriebskapazität, RSt = Entstörwiderstand, Ri = Innenwiderstand
der Zündanlage.
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In eckigen Klammern sind die Größen angegeben, die die Verläufe bestimmen,
in runden Klammern die Werte, die für die Jeweilige Phase typisch sind.
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Die Strom- und Spannungsverläufe beliebiger technischer Zündanlagen
lassen sich aus entsprechenden Anteilen der eingangs beschriebenen drei Phasen zusammensetzen.
Für eine Beurteilung ist daher die Kenntnis der prinzipiellen Eigenschaften dieser
drei Phasen ausreichend.
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Dur chbruchsphase: Die Durchbruchsphase (die dem Bereich zwischen
tD1 und tD2 in den Fig. 1 und 2 entspricht) ist ein instationärer Yorgang, der dann
als abgeschlossen angesehen wird, wenn die Spannung an der Funkenstrecke auf ss1/10
der Zündspannung abgesunken ist (tDs 2 ns).
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Während dieser Phase wird ein hochleitender Plasmakanal mit ca.
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30 /um gebildet. Alle Moleküle innerhalb des Kanals werden dissoziiert
und ionisiert. Das Plasma heizt sich sehr rasch auf Temperaturen über 60 000 K auf;
als Folge davon stellt sich ein oberdruck bis zu 300 bar ein. Der Kanal explodiert
mit mehrfacher Vberschallgeschwindigkeit und kühlt sich dabei ab. Die anfänglich
vorwiegend in potentieller Form (Dissoziation, Ionisation) eingebrachte Energie
wird allmählich in thermische Energie überführt.
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Bei technischen Zündanlagen fällt der Zeitbereich der Molekülbildung
mit dem Beginn der Entflemmung zusammen (ca. 10-20 /us).
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Bogenphase: Die Bogenphase (in Fig. 1 und der Bereich zwischen tB1
und tB2) ist durch eine heiße Kathode und eine sehr niedrige Brennspannung (<
100 V) bei Strömen > 200 mA gekennzeichnet. Der Ionisierungsgrad ist gering (c
1 °,b) und es findet eine rein thermische Dissoziation von Gasmolekülen statt (Gleichgewicht
der erzeugten Radikalkonzentrationen mit der Temperatur). Die erreichbaren Achsentemperaturen
sind durch Wärmeleitung, Teilchendiffusion und Abstrahlung auf Werte von 4 000 bis
10 000 K begrenzt. Diese Prozesse bewirken auch die Ausdehnung des aktivierten Volumens,
die entsprechend langsam verläuft. Die Druckerhöhung im stromdurchflossenen Bereich
ist sehr gering. Durch die Bogenentladung wird das Plateau des sxialen Temperaturverlaufes
etwa ab dem Beginn der Molekülbildung (T< 5 000 K) bis zum Ende des Stromflusses
verlängert. Die Achsenteinperatur nähert sich dabei allmählich der Temperatur des
stationären Bogens. Die heiße Kathode der Bogenphase verursacht eine hohe Emission
von Elektrodenmaterial. Vblicherweise wird der Bereich der Durchbruchsphase und
der Bogenphase (zwischen tD1 und tG1) als Anfangsphase des Zündfunkens oder Funkenkopf
bezeichnet.
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Glimmphase: Die Glimmentladung (in Fig. 1 und 2 Bereich zwischen tG1
und tG2) ist durch eine kalte Kathode, einen hohen Kathodenfall (> 300 V) und
niedrige Ströme (( 100 mA) gekennzeichnet. Der Ionisierungsgrad ist kleiner als
bei der Bogenentladung (< 10 5). Die Werte für die Achsentemperatur liegen entsprechend
niedrig bei T = 3 000 K.
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Wärmeleitung und Diffusion bestimmen auch hier die Größe des aktivierten
Volumens. Im Anschluß an eine Durchbruchs- oder Bogenphase (Funkenkopf) bewirkt
die Glimmentladung, die auch als Funkenschwanz bezeichnet wird, einen verzögerten
Abfall der Achsentemperatur vom Temperaturbereich der Molekülbildung bis zum Stromende.
Durch Gemischströmungen und Turbulenzen, sowie durch ungünstige Elektrodenwerkstoffe
(Oxide)
kann die Glimmentladung leicht gelöscht werden.
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Bei technischen Zündanlagen ergeben sich dann im allgemeinen neue
Zündimpulse, die wieder mit einer Durchbruchsphase beginnen.
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Radiale und axiale Profile: Da die chemischen Reaktionen an der Oberfläche
des aktivierten Volumens einsetzen, ist eine möglichst große Oberfläche bei hoher
Temperatur und hoher Anfangsdichte der Radikale für eine sichere Entflammung anzustreben.
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In Fig. 3 sind die erzielbaren Temperaturwerte anhand radialer Profile
für die drei Phasen wiedergegeben, die bei einer Funkenentladung in Luft bei 1 bar,
Gesamtenergie jeweils 30 mJ, ermittelt werden. Ausgezogen: Elektrodendurchmesser
= 0,2 mm, gestrichelt:Elektrodendurchmesser = 2,5 I mm TD, TB, TG kennzeichnet die
Profile der Durchbruchs-, Bogen- bzw. Glimmphase, rD, r3, rG die entsprechenden
Radien für Oberflächen gleicher Temperatur (etwa Flammentemperatur).
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Man erkennt, daß sich bei der Durchbruchsphase (Kurve TD) infolge
der Ausdehnung durch den Überdruck nahezu ein Rechteckprofil er -gibt. Der große
Gradient der Front begünstigt über Diffusion und Wärmeleitung die Entflammung des
umgebenden Gemisches. Bogen- und Glimmentladung (Kurven T3 und TG) benötigen aufgrund
ihrer geringen Leistung wesentlich längere Zeiträume, bis sich ein größeres aktiviertes
Volumen einstellt. Da die Ausdehnung durch Diffusion und Wärmeleitung bestimmt ist,
stellen sich mit zunehmendem Volumen immer kleinere Gradienten mit entsprechend
ungünstigen Energieübertragungselgenschaften ein. Legt man eine Entflammungstemperatur
von 2 000 - 2 500 K zugrunde, so ergibt sich für die Reihenfolge der erzielbaren
aktiven Oberflächen anhand der entsprechenden Radien rD >r >r 3 G
Bei
Verwendung üblicher Elektrodenabmessungen wird der Energie transport aus dem Kern
des aktivierten Volumens durch Wärmeleitung über die Elektroden bereits merklich.
Die Durchbruchsphase wird davon am wenigstens betroffen (vgl. Fig. 3), weil das
ak -tivierte Volumen bereits in so kurzen Zeiten (10-50 ,uns) erreicht wird, daß
Wärmeleitungsverluste an der Oberfläche gering sind.
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Ein Vergleich der axialen Temperaturverteilung zeigt, daß die Glimmentladung
im Gegensatz zur Durchbruchs- und Bogenphase auch ein ausgeprägtes axiales Profil
aufweist. Die Größe der erzielbaren Oberfläche wird dadurch zusätzlich eingeschränkt.
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Vergleichende Energiebilanz: Die Unterschiede in Temperatur und Größe
der aktivierten Volumen ergeben sich aus den unterschiedlichen Energieanteilen,
die die einzelnen Phasen dem Gasraum übertragen können. In der Durchbruchsphase
sind die Anteile, die auf die Elektrodenprozesse entfallen, vergleichsweise gering.
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Bei der sehr niedrigen Brennspannung der Bogenphase machen der Kathodenfall
(ca. 20 V) und der Anodenfall (ca. 10 V) bereits erhebliche Anteile der Gesamtspannung
(ca. 40 V) aus. Ein Großteil der zugeführten Energie wird an den gut wärmeleitenden
Elektroden umgesetzt und geht dem Gasraum verloren. Insgesamt können damit dem zu
aktivierenden Volumen nur ca. 50 % der elektrischen Energie zugeführt werden. Davon
wird außerdem die Hälfte noch in unmittelbarer Nähe der Kathode umgesetzt. Der Energieumsatz
auf der heißen Bogenkathode verursacht ferner eine starke Erosion des Elektrodenmaterials.
So verkürzen sich übliche Cr-Ni-Elektroden (D = 3 mm) durch 106 Bogenentladungen
von 1 ms Dauer und 2 A Bogenstrom be reits um 3.4 mm.
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Der weit höhere Kathodenfall der Glimmentladung von ca. 300 V bei
einer Gesamtspannung von 400 V führt zu noch ungünstigeren Verhältnissen. Der hohe
Energieumsatz ergibt unmittelbar vor der Kathodenoberfläche
nur
eine geringe Gasaufheizung. Der Großteil dieser Energie wird durch Wärmeleitung
über die Elektrode nach außen abgeführt. Ähnliches gilt für den Anodenfall, so daß
nur ca. 30 % der elektrischen Energie dem Gasraum zugeführt werden. Da diese Energie
zudem vergleichsweise langsam zugeführt wird (geringe Leistungen, t = einige ms)
ergibt sich eine wesentliche Gasaufheizung nur im Zentrum des Elektrodenbereichs.
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Betrachtet man die dadurch entstehenden Auswirkungen auf die aktivierte:Volumina,
so zeigt sich, daß das von der Durchbruchsphase aktivierte und später durch sie
entflammte Volumen zu Jeder Zeit am größten ist.
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Die Bogenphase hat nach Abschluß der Energiezufuhr im Vergleich zur
Durchbruchsphase nur etwa die Hälfte des Volumens aktiviert, während vergleichbare
durch die Glimmentladung aktivierte Volumen wegen der Energiezufuhr über längere
Zeit erst viel später erreicht werden.
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Die Durchbruchsphase hat somit gegenüber der Bogen- und Glimmphase
auch den schnellsten Reaktionsablauf zur Folge.
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Die gemäß der Erfindung vorgeschlagene Energiezufuhr in der Durchbruchsphase
(dick ausgezogen in Fig. 1 und 2) erweist sich als besonders günstig. So kann selbst
bei gleicher Plasmaenergie, die in der Bogenphase zugeführt wird (entspricht der
doppelten elektrischen Energie gegenüber der Durchbruchsphase), die Entflammungs-.
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sicherheit der Durchbruchsphase nicht erreicht werden. Für die sichere
Entflammung brennfähiger Gemische ist nicht die zugeführte Energie allein maßgebend,
sondern ganz entscheidend deren optimale zeitliche Zufuhr. Die günstigste Entladungsform
stellt die Durchbruchsphase dar, mit der elektrische Energie am besten auf ein Gasvolumen
übertragen werden kann und mit der auch magere Gemische sicher entflammt werden
können. Mit der Bogenphase erreicht man eine geringere Entflammungswahrscheinlichkeit
und hat außerdem die unerwünschte Nebenwirkung eines starken Elektrodenabbrands.
Die Glimmphase
kann nur ruhende oder schwach strömende Gemische
und nur in einem kleinen A Bereich um den stöchiometrischen Punkt sicher entflammen.
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Um erfindungsgemäß die Energie möglichst ausschließlich in dieser
Durchbruchsphnse (siehe Fig. 1 und 2) abzugeben, sind Zündeinrichtungen zweckmäßig
und vorteilhaft, wie sie im Schaltbild der Fig. 4 und in den Ausführungsbeispielen
von Zündkerzen der Fig. 5 bis 8 gezeigt sind.
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In der Fig. 4 ist ein von einer Batterie 1 aus gespeistes Gleichspannung
abgebendes Hochspannungsgerät 2 über eine Ladestrombegrenzung 3 mit der Hauptelektrode
4 einer Zündkerze 5 verbunden, die schematisch angedeutet ist und die gemäß den
Fig. 2 bis 4 aufgebaut sein kann. Die Hauptelektrode 4 ist durch eine Vorfunkenstrecke
6 unterbrochen und bei 4a weitergeführt, wo sie mit einer ebenfalls nur schematisch
dargestellten und sn Masse anliegenden Außenelektrode 7 zusammenwirkt. Die eigentliche
Zündfunkenstrecke 8 wird dabei in den Motorraum gelegt, wenn Zündfunken für Otto-Motoren
erzeugt werden sollen. Die Hauptelektrode 4 bildet gleichzeitig einen Kondensator
9, der die vom Hochspannungsgerät 2 zugeführte Energie speichert.
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Im Gegensatz zu bekannten Zündanlagen ist die Hauptelektrode 4 nun
nicht an den Zündverteiler 10 angelegt. Die Auslösung eines Zündfunkens erfolgt
vielmehr beispielsweise über eine triggerbare Steuerelektrode 11, die von der Zündspule
12 her und abhängig von dem Unterbrecher 13, einen Impuls erhält, wenn der Verteiler
10, der hier für vier Zündkerzen ausgelegt ist, die im einzelnen nicht mehr dargestellt
sind, in der richtigen Lage steht. Dadurch kann die Vorfunkenstrecke 6 durchschlagen
und es wird die im Kondensator 9 gespeicherte Energie, die beim gezeigten Ausführungsbeispiel
sogar auf einen bestimmten Wert begrenzt werden kann, abgegeben werden.
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Um erfindungsgemäß zu erreichen, daß möglichst die gesamte Zündfunkenenergie
in der Durchbruchsphase abgegeben wird (siehe Kurven E in Fig. 1 und 2), ist, wie
aus Fig. 5 hervorgeht, die Vorfunkenstrecke 6 möglichst nahe an die zwischen den
beiden Zünd -elektroden 14 und 15 liegende Zündfunkenstrecke 8 her angelegt und
es ist dafür gesorgt, daß diese Vorfunkenstrecke 6 einen möglichst geringen ohm'schen
und induktiven Widerstand aufweist.
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Auch der als Zuleitung von der Vorfunkenstrecke 6 zur eigentlichen
Zündfunkenstrecke 8 dienende Elektrodenteil 4a wird in seiner Länge und in seinem
Material so gewählt, daß er ebenfalls möglichst geringe Induktivität und geringen
ohm'schen Widerstand mindestens bei Frequenzen oberhalb von 50 MHz aufweist. Das
Dielektrikum 16 zwischen der Zuleitung 4a und der mit der Masseelektrode 15 verbundenen
Zündkerzenumhüllung 17 ist so gewählt, daß eine gewisse Leitfähigkeit besteht, die
ausreicht, um in der Aufladephase des Kondensators 9, der hier zwischen der Hauptelektrode
4 und dem dieses rohrförmig umschließenden Zündkerzenhülle 18 gebildet wird, eine
kapazitive Aufladung der Zuleitung 4a zu verhindern. Es wird vielmehr dafür gesorgt,
daß das Potential der Zuleitung 4a nicht oder nicht merklich von dem der Masse abweicht.
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Der Gesamtaufbau der Zündkerzen nach Fig. 5, ebenso wie Jener der
Ausführungsformen der Fig. 6 bis 8, wird nach Höchstfrequenzgesichtspunkten vorgenommen.
Das bedeutet, daß der Wellenwiderstand in allen Teilstücken der Kerze möglichst
klein ist (sehr viel kleiner als 50 Ohm). Der Außendurchmesser der Hauptelektrode
4 wird möglichst groß gewählt und nur wenig kleiner als der Innendurchmesser der
Zündkerzenhülle 18. Es müssen außerdem alle Sprünge im Wellenwiderstand vermieden
werden. Scharfe Ecken, Eanten, Umwege o.dgl. dürfen daher nicht vorgesehen sein.
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Als Material für das die Dielektrikum 16 wird ein solches mit einer
möglichst hohen Dielektrizitätskonstante bei möglichst niedrigen Verlusten im Frequenzbereich
größer als 50 MHz vorgesehen.
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Dafür eignet sich beispielsweise Aluminiumoxydkeramik, wie sie unter
der Bezeichnung E37 von der Firma Feldmühle AG hergestellt wird. Für den leitfähigen
Teil der Kersmik werden Beimengungen von Metalloxyden vorgesehen, damit der Halbleitercharakter,
der vorher erwähnt wurde, erreicht wird.
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Als Material für Elektroden und Kerzenhüllen werden nicht magnetische
metallische Stoffe mit möglichst guter elektrischer Leit fähigkeit vorgesehen. Diese
Materialien können gegebenenfalls oberflächenbehandelt sein. So kann beispielsweise
ein V2A-Stahl mit einer Silber- oder Goldbeschichtung vorgesehen werden. Die Kapazitätswerte
für den Kondensator 9 (Fig. 4) werden größer als 10 pF (bis ca. 200 pF) gewählt.
Der Kondensator 29 wird kleiner oder gleich dem Kapazitätswert des Kondensators
9 ausgebildet Die Anpassung wird dabei so gewählt, daß der stark ausgezogene Stromverlauf
in der Fig. 2 gewährleistet ist.
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Der Kerzenaufbau selbst erfolgt streng koaxial bezüglich des Rohrkondensators
der zwischen den Teilen 4 und 18 gebildet wird0 Die Hauptelektrode 4 stellt gleichzeitig
die Zuleitung, die Elektrode, Kondensator und die Vorfunkenstreckenelektrode dar.
Der Durchmesser der Hauptelektrode 4 wird groß gewählt, damit niedrige Induktivität
und ohm'scher Widerstand erreicht werden. Diese Hauptelektrode kann eventuell, wie
angedeutet, versilbert werden, was zu einer weiteren Erniedrigung des ohm'schen
Widerstandes führt (Skineffekt). Verwendet werden können alle metallische Werkstoffe
aus nicht magnetischen Materialien, die auch als Verbundwerkstoffe ausgebildet werden
können. Die Zuleitung mit 4a wird möglichst kurz gestaltet, ebenfalls die Zündfunkenstrecke
8, wobei der Durchmesser möglichst groß, aber im Bereich der Elektrode 8 kleiner
als 3 mm Durchmesser, da sonst eine zu starke Abkühlung des erzeugten Plasmas zu
befürchten ist. Der Kondensator 9 selbst wird so dimensioniert, daß dessen gesamte
Energie während der Durchbruchsphase (siehe Fig. 2, stark ausgezogene Kurve) entladen
wird. Ziel ist es dabei, eine möglichst hohe Zündspannung bei kleinem Kondensator
zu erreichen, dennoch
wenigstens aber 5 bis 30 mJ Energieinhalt
pro Funke zu erhalten.
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Diese Energie darf durch die extern angebrachten Entstörmaßnahmen
nicht geschmälert werden.
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In der Fig. 6 ist eine abgewandelte Zündkerzenform gezeigt, deren
Aufbau nach den vorher erwähnten Gesichtspunkten erfolgt. Bei dieser Zündkerze ist
eine kapazitiv triggerbare Vorfunkenstrecke 20 vorgesehen, wobei die Steuerelektrode
11 rohrförmig ausgebildet ist.
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Bei der Ausführungsform der Fig. 7 ist die Hauptelektrode 4 kapazitiv
an die Vorfunkenstrecke 6 gekoppelt, während Fig. 8 eine Ausführungsform zeigt,
bei der eine Zündkerze in Scheibenkondensatorausführung vorgesehen ist. Der Kondensatoranschluß
liegt dabei bei 21. Die Triggerelektrode 11 der bisherigen Figur ist hier als Elektrode
22 in der Zündkerzenmitte vorgesehen. Alle Zündkerzenausführungen erlauben im Zusammenhang
mit der Schaltung nach Fig. 4 und bei geeigneter Dimensionierung die Abgabe der
Zündenergie in der Durchbruchsphase, wie das in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist.
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