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

Abstract

 Es wird eine Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mittels einer hochfrequenten elektrischen Energiequelle vorgeschlagen, die eine koaxialen Wellenleiterstruktur als Resonator aufweist, in die die hochfrequente elektrische Energie einkoppelbar ist und die mit einem Ende in den jeweiligen Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors hineinragt. Das eine Ende der koaxialen Wellenleiterstruktur ist so ausgebildet, dass bei einem anstehenden Spannungspotential eine in den Brennraum hineinragende Feldstruktur und damit ein freistehendes Plasma im Luft-Kraftstoff-Gemisch an dem aus der Wellenleiterstruktur herausragenden Zündstift (12) erzeugbar ist. Der Zündstift (12) der Vorrichtung ist mit einem sich zumindest teilweise über die axiale Länge erstreckenden Innenloch (13) versehen.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mittels einer hochfrequenten Energiequelle nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

[0002] 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.

[0003] Beim Betrieb dieser herkömmlichen Zündkerze können Spannungen bis über dreißig Kilovolt auftreten, wobei durch den Verbrennungsprozess Rückstände, wie Ruß, Öl oder Kohle 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.

[0004] Es ist beispielsweise aus der DE 198 52 652 Al 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 es erfolgt eine Entladung an einer Elektrode.

[0005] Der Ort des Zündens des Plasmas wird bei den zuvor beschriebenen Leitungsresonatoren durch den Punkt der höchsten Feldstärke bestimmt. In der nicht vorveröffentlichten DE 102 39 412 ist beschrieben, dass durch konstruktive Maßnahmen erreicht werden kann, dass dieser Punkt in der Regel der oberste Punkt als absolute Spitze der Kerzenspitze, bzw. des Zündstiftes ist.

[0006] Die bekannten Kerzenspitzen haben dabei insbesondere den Nachteil, dass die Spitze in der Regel mit einem sehr kleinen zylindrischen Durchmesser, z.B. unter 0,5 mm, ausgebildet wird. Hierdurch kann zwar ein technisch erreichbares Maximum der Feldstärke, bei vorgegebener Leistung, erreicht werden, jedoch ist diese dünne nadelförmige Spitze des Zündstiftes sehr empfindlich gegen mechanische Einwirkungen, z.B. durch ein Verbiegen beim Motoreinbau, so dass sie nur eine sehr kurze Länge aufweisen sollte. Außerdem wird hier beim Betrieb durch den unvermeidlichen Abbrand die Lebensdauer der Zündkerze wegen des kleinen Volumens unerwünscht verkürzt.

[0007] Ist dagegen die Kerzenspitze mechanisch robuster ausgeführt, sind allen scharfkantig und sehr spitz ausgeführten Geometrien, z.B. zylindrisch mit planem Ende oder Kerzenspitze mit Kronenform, folgende Nachteile gemeinsam: Mit Zunahme der Betriebsdauer werden die Spitzen durch den Abbrand verrundet und der Betrag des Feldstärkemaximums geht damit zurück.

[0008] Ist die Spitze mechanisch robust und jedoch vorne ohne scharfe Spitze ausgeführt, wie z.B. nach der nicht vorveröffentlichten DE 102 39 412 mit einer Halbkugel, hat man über die Betriebsdauer durch den Abbrand keine wesentliche Formänderung, dafür wurde aber von vornherein auf einen möglich hohen Feldstärkebetrag verzichtet.

Vorteile der Erfindung

[0009] 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 bei der eingangs erwähnten Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor der Zündstift gemäß des Kenzeichens des Anspruchs 1 so ausgebildet, dass der Zündstift mit einem sich zumindest teilweise oder über die gesamte axiale Länge erstreckenden Innenloch versehen ist.

[0010] Bevorzugt weist dabei das in den Brennraum hineinragende Ende des Zündstifts einen Querschnitt in Form eines Halbtorusrings auf. Es ist aber auch ein Querschnitt in Form eines Vierteltorusrings oder eine plane Ausführung möglich.

[0011] Es ist an sich bekannt, dass sich die größte Feldstärke bei einer solchen Vorrichtung an scharfkantigen Ecken und Spitzen ausbildet und dies dann die Ausgangspunkte von Plasmen und eventuell auch Überschlägen sind. Durch das erfindungsgemäße Innenloch, das im einfachsten Fall eine zylindrische Form hat, bleibt praktisch über die gesamte Betriebsdauer auch bei einem Abbrand die Scharfkantigkeit der Kerzenspitze erhalten. Damit sind von Anfang an in etwa gleiche elektrische Bedingungen gegeben, die immer einen relativ konstanten kleinen Leistungsbedarf erfordern.

[0012] Obwohl gegenüber einer Vollspitze mit gleichem Durchmesser hier ein zeitlich etwas schnellerer Abbrand, z.B. bei einem rechnerischen Oberflächenverhältnis einer Halbkugel zum Halbtorus von ca.1,3, auftreten kann, ist der Materialbedarf durch die Rohrform aber wesentlich geringer und es können hier ohne Kostenerhöhung teurere und standhaftere Metalle oder Metalllegierungen, zum Beispiel auch Platin, eingesetzt werden.

[0013] Weiter ist das Gewicht der Zündkerzenspitze geringer, so dass auch bei einem gewünschtem relativ langem Spitzenüberstand mechanische Schwingungsamplituden (Feder-Masse-System) wesentlich kleinere Werte aufweisen und damit auch qualitätsmäßig besser sind.

Zeichnung

[0014] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine prinzipielle Ansicht einer Vorrichtung zum hochfrequenten Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mit einer koaxialen Wellenleiterstruktur als Resonator und

Figur 2 eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des in den Brennraum des Verbrennungsmotors hineinragenden Zündstiftes mit einem sich axial teilweise erstreckenden Innenloch mit planer Spitzenoberfläche und

Figur 3 eine Alternative mit einem sich axial über die gesamte Länge erstreckenden Innenloch und einer als Halbtorusring ausgebildeten Kerzenspitze.

Beschreibung der Ausführunusbeigiele

[0015] In Figur 1 ist eine Prinzipansicht einer an sich bekannten 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.

[0016] Der koaxiale Leitungsresonator 5 besteht aus einem Außenleiter 6 und einem Innenleiter 7, wobei das eine sogenannte offene oder heiße Ende 8 des Resonators 5 mit einem gegenüber dem Außenleiter 6 isolierten Zündstift 12, 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.

[0017] Bei dieser Hochfrequenzzündkerze 1 wird das Prinzip der Feldüberhöhung in einem koaxialen Resonator 5 der Länge (2n+1)* λ_eff/4 mit n ≥ O 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 12 eine Feldüberhöhung, die zu dem in der Beschreibungseinleitung erwähnten freistehenden Plasma führt.

[0018] Anhand der folgenden Figuren 2 und 3 werden erfindungsgemäße Alternativen von möglichen Ausführungen eines Zündstiftes 12 gezeigt, mit einem sich gemäß der Figur 2 axial teilweise erstreckenden Innenloch 13 und mit einer planen Spitzenoberfläche 14. Das Ausführungsbeispiel nach der Figur 3 zeigt eine Variante mit einem sich axial über die gesamte Länge erstreckenden Innenloch 13 und einer als Halbtorusring ausgebildeten Spitzenoberfläche 14. Das Innenloch 13 kann dabei auch bei einer äußeren zylindrischen Form des Zündstiftes 12 innen auch andere Formen annehmen, zum Beispiel auch ein Innenloch 13, das sich zur Kerzenspitze 14 hin verjüngt.

[0019] Bei allen zuvor erwähnten Formen der Kerzenspitze 14 werden während der Betriebszeit die aktuellen mikroskopischen Kerzenspitzen vorne am Zündstift 12 am meisten beansprucht und bevorzugt mechanisch abgetragen. Damit ergibt sich im Betrieb keine exakt gleichbleibende Querschnittsform über den gesamten Umfang der Kerzenspitze 14 und der Betriebszeit. Große Ungleichheiten können aber wegen der Selbstregelung nicht auftreten, wobei hier besonders vorteilhaft von vornherein verrundete Querschnittsformen, z.B. der Halbtorusring, sind, die sich schon nahe an der sich im Betrieb einstellenden Form befinden.

Ansprüche

1. 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 (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 (12) so ausgebildet ist, dass bei einem anstehenden Spannungspotential durch eine in den Brennraum hineinragende Feldstruktur ein freistehendes Plasma im Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugbar ist, und dass

- der Zündstift (12) mit einem sich zumindest teilweise über die axiale Länge erstreckenden Innenloch (13) versehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- der Zündstift (12) mit einem sich die gesamte axiale Länge erstreckenden Innenloch (13) versehen ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass

- das in den Brennraum hineinragende Ende als Kerzenspitze (14) des Zündstifts (12) einen Querschnitt in Form eines Halbtorusrings aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass

- das in den Brennraum hineinragende Ende des Zündstifts (12) als Kerzenspitze (14) einen Querschnitt in Form eines Vierteltorusrings aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass

- das in den Brennraum hineinragende Ende als Kerzenspitze (14) des Zündstifts (12) plan ausgeführt ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- der Zündstift (12) aus einem temperaturstabilen und zunderfesten Material mit relativ hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie Platin, hergestellt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass

- der Zündstift (12) aus einem temperaturstabilen und zunderfesten Material mit relativ geringer elektrischer Leitfähigkeit hergestellt ist.

Zeichnung