DE102004039259A1

DE102004039259A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Zünden einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004039259A1
Application number: DE200410039259
Authority: DE
Inventors: Ewald Schmidt; Juergen Hasch; Hans-Oliver Ruoss; Juergen Seidel; Klaus Linkenheil
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-08-13
Filing date: 2004-08-13
Publication date: 2006-02-23

Abstract

Es wird eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zum Zünden einer Brennkraftmaschine mittels eines Hochfrequenzsignals angegeben. Dabei wird zur Erzeugung eines Hochfrequenzplasmas in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine ein erstes Hochfrequenzsignal (21) mit hoher Leistung und ein zweites Hochfrequenzsignal (22) geringer Leistung erzeugt. Die Hochfrequenzsignale werden an ein Zündmittel (6) im Brennraum der Brennkraftmaschine weitergegeben.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung bzw. einem Verfahren zum Zünden einer Brennkraftmaschine nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche. Aus der DE 198 52 652 ist bereits eine Vorrichtung zum Zünden einer Brennkraftmaschine bekannt bei der ein Hochfrequenzsignal verwendet wird. Im Brennraum der Brennkraftmaschine ist dabei ein als Zündkerze ausgebildetes Zündmittel angeordnet, an das ein Hochfrequenzsignal weitergegeben wird. Durch dieses Hochfrequenzsignal wird zwischen den Elektroden der Zündkerze ein Hochfrequenzplasma entzündet.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass es die Leistung der einzelnen Hochfrequenzsignale an den Leistungsbedarf bei der Ausbildung eines Hochfrequenzplasmas anpasst. Die entsprechenden Hochfrequenzerzeugungsmittel können somit auf eine geringere mittlere Leistung ausgelegt werden, was die Kosten, die Baugröße und den Kühlbedarf verringern. Weiterhin kann so die Zuverlässigkeit der Hochfrequenzerzeugungsmittel erhöht werden. Als weiterer Vorteil ist zu sehen, dass die im Brennraum angeordneten Zündmittel in Abhängigkeit von der mittleren Leistung des Hochfrequenzplasmas verschleißen. Durch eine verringerte gemittelte Leistung wird somit auch der Verschleiß der im Brennraum angeordneten Zündmittel verringert.

Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Da das Hochfrequenzsignal mit hoher Leistung nur für eine sehr geringe Zeitdauer verwendet wird, wird die mittlere Leistung gering gehalten. Eine einfache Signalfolge besteht darin, dass zunächst ein Hochfrequenzsignal hoher Leistung und danach ein Hochfrequenzsignal mit geringerer Leistung verwendet wird. Das Signal mit geringerer Leistung kann aber bereits vor dem Signal mit hoher Leistung vorhanden sein. Um eine sichere Zündung zu gewährleisten, können mehrere Hochfrequenzsignale mit hoher Leistung jeweils gefolgt von Signalen geringer Leistung verwendet werden. Die zeitliche Ansteuerung der Hochfrequenzerzeugungsmittel wird vereinfacht, wenn sich die Signale hoher und geringer Leistung überlappen. Wenn jeweils für die unterschiedlichen Hochfrequenzsignale unterschiedliche Hochfrequenzerzeugungsmittel vorgesehen sind, so können diese jeweils besonders einfach ausgestaltet sein.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen 1 eine Brennkraftmaschine und Hochfrequenzerzeugungsmittel und die 2, 3 und 4 jeweils unterschiedliche Signalverläufe der Intensität der Hochfrequenzsignale über der Zeit.

Beschreibung

In der 1 wird schematisch eine Brennkraftmaschine 1 gezeigt, mit einem Zylinder 2 in dem ein Kolben 3 angeordnet ist. Der im Zylinder 2 oberhalb des Kolbens 3 freibleibende Raum wird als Brennraum 4 genutzt. Durch nicht dargestellte Mittel beispielsweise einen Luftansaugtrakt, Benzineinspritzventile und Lufteinlassventile wird der Brennraum 4 mit einem brennfähigen Gemisch von Benzin und Luft befüllt. Durch Verbrennen dieses brennfähigen Gemisches wird der Druck im Brennraum 4 erhöht, was eine Bewegung des Kolbens 3 in den Zylinder 2 bewirkt. Die Bewegung des Kolbens 3 wird durch ein Pleuel 5 durch eine hier nicht dargestellte Kurbelwelle in eine Drehbewegung umgesetzt. Durch hier nicht dargestellte Auslassventile wird dann das verbrannte Gemisch aus dem Brennraum 4 entfernt und es erfolgt abermals eine Befüllung des Brennraums 4 mit zünd fähigem Benzinluftgemisch. Es handelt sich hier somit um einen üblichen Benzin-Ottomotor.

Die Zündung des brennfähigen Gemisches im Brennraum 4 erfolgt durch Zündmittel 6, die beispielsweise in der DE 19852652 als Zündkerze ausgebildet sind. Für die Hochfrequenzzündung sind jedoch auch andere Zündmittel im Brennraum 4 insbesondere einfache Stabelektroden oder dergleichen geeignet wie dies schematisch in der 1 gezeigt wird. Die Zündmittel sind dabei als Resonatoren, insbesondere als Lambda-Viertel Resonatoren ausgebildet. Wesentlich ist, dass die Zündmittel 6 in den Brennraum 4 hineinragen und daher in der Lage sind im Brennraum 4 ein Hochfrequenzplasma, d. h. eine sehr heiße elektrische Entladung zu erzeugen. Erfindungsgemäß erfolgt hier die Erzeugung dieses Hochfrequenzplasmas durch ein hochfrequentes Mikrowellensignal. Zur Erzeugung des hochfrequenten Mikrowellensignals ist ein erster Hochfrequenzgenerator 11 und ein zweiter Hochfrequenzgenerator 12 vorgesehen. Diese beiden Hochfrequenzgeneratoren werden von einem Zeitsteuerglied 10 angesteuert. Die Signale der beiden Hochfrequenzgeneratoren 11 und 12 werden durch ein Zusammenführglied 13 auf einer Leitung zusammengeführt und in einem nachfolgenden Verstärker 14 verstärkt. Die so verstärkten Hochfrequenzsignale werden dann dem Zündmittel 6 zugeführt, um ein Hochfrequenzplasma im Brennraum 4 auszulösen.

Alternative kann für die Erzeugung des ersten und zweiten Hochfrequenzsignals auch nur ein einziger Hochfrequenzgenerator vorgesehen werden. Von dem Zeitsteuerglied wird dann ein Leistungssteuerungssignal erzeugt durch das die Leistung des einzigen Hochfrequenzgenerator beeinflusst wird. Ein derartiger einziger Hochfrequenzgenerator mit steuerbarer Leistung ist für sich aufwendiger als jeder der beiden Hochfrequenzgeneratoren für sich. Der Fachmann wird die Lösung auswählen, die das gewünschte Ergebnis zu den günstigsten Kosten bereit stellt.

Bei der Ausbildung eines Hochfrequenzplasma verhält es sich so, dass zuerst zur Ausbildung des Hochfrequenzplasma ein relativ hoher Energiebedarf besteht, während für die Aufrechterhaltung des Hochfrequenzplasmas im weiteren Verlauf nach einer erstmaligen Zündung ein relativ geringer Energiebedarf besteht. Erfindungsgemäß wird vorgesehen, die Leistung des Hochfrequenzsignals dem anzupassen. In der 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Leistungsverlauf des Hochfrequenzsignals aufgezeigt. In der 2 ist die Intensität des Hochfrequenzsignals I gegenüber der Zeit achse t aufgetragen. Der Zeitpunkt t0 wurde hier von der Zeitsteuerung 10 als der Zeitpunkt bestimmt, zudem mit der Ausbildung eines Hochfrequenzplasma begonnen werden soll. Von der Zeitsteuerung 10 wird dazu der erste Hochfrequenzgenerator 11 angesteuert, der daraufhin ein erstes Hochfrequenzsignal 21 mit einer vergleichsweise hohen Leistung I1 erzeugt. Zum Zeitpunkt t1 wird von der Zeitsteuerung 10 der erste Hochfrequenzgenerator 11 wieder abgestellt und es wird zeitgleich zum Zeitpunkt t1 der zweite Hochfrequenzgenerator 12 eingeschaltet. Dieser erzeugt ein zweites Hochfrequenzsignal 22 mit einer Intensität I2, die deutlich geringer ist als die Intensität I1. Dieses zweite Hochfrequenzsignale 22 wird von der Zeitsteuerung 10 für ein Zeitraum t1 bis t2 aufrecht erhalten, wobei dieser Zeitraum deutlich länger ist als der Zeitraum t0 bis t1. Zur Veranschaulichung sind die jeweiligen Signalamplituden in der 2 noch einmal schematisch angedeutet, wobei weder die Frequenzen noch die dargestellten Intensititäten einen Weise ein Hinweis auf irgendeinen Maßstab liefern sollen.
Durch den in der 2 gezeigten Verlauf wird in besonderer Weise den Leistungsanforderungen eines Hochfrequenzplasmas gerecht. Während einer relativ kurzen Zeitspanne von t0 bis t1 wird ein Hochfrequenzsignal 21 mit sehr hoher Intensität an das Zündmittel 6 im Brennraum gegeben. Durch die hohe Intensität des Hochfrequenzsignals werden am Zündmittel hohe elektrische Feldstärken erzeugt, die zuverlässig zur Ausbildung eines Hochfrequenzplasmas, d. h. zur Ausbildung eines sehr heißen Plasmas im Brennraum 4 führen. Nachdem das Plasma einmal erzeugt wurde, ist der Energiebedarf für ein weiteres Brennen des Plasmas deutlich verringert und ein Aufrechterhalten des Hochfrequenzsignals auf der hohen Intensität I1 ist nicht erforderlich. Der erste Hochfrequenzgenerator 11 muss daher nur für einen kurzzeitigen Betrieb, d. h. eine geringe gemittelte Leistung aufgelegt sein. Der Hochfrequenzgenerator 11 kann daher besonders einfach ausgestaltet werden und kann auch einfach gekühlt werden. Weiterhin treten durch ein Hochfrequenzsignal mit der hohen Intensität I1 auch besonders starke Verschleißerscheinungen am Zündmittel 6 im Brennraum auf. Auch diese Verschleißerscheinungen werden gering gehalten wenn die Zeitdauer t0 bis t1 vergleichsweise kurz gehalten wird. Da es jedoch zur sicheren Entflammung des brennfähigen Gemisches im Brennraum 4 wünschenswert ist, das Hochfrequenzplasma für einen Zeitraum aufrecht zu erhalten, der die Zeitdauer t0 bis t1 deutlich übersteigt, wird nach dem -ersten Hochfrequenzsignal 21 ein weiteres Hochfrequenzsignal 22 mit der deutlich geringeren Intensität I2 erzeugt. Durch dieses Hochfrequenzsignal mit verringerter Leistung I2 kann jedoch das einmals ausgebildete Plasma problemlos weiter am Brennen gehalten werden. Typischerweise wird das Plasma für einen Zeitraum t1 bis t2 der den Zeitraum t0 bis t1 deutlich übersteigt weiter betrieben. Dies erfolgt mit dem zweiten Hochfrequenzsignal 22.
In der 3 wird eine weitere Ansteuerstrategie gezeigt, die mehrere erste Hochfrequenzsignale 21 mit hoher Intensität und mehrere zweite Hochfrequenzsignale 22 geringere Intensität aufweist. Aufgetragen ist wieder die Intensität I gegenüber der Zeit t. In den Zeiträumen t0 bis t1, t2 bis t3 und t4 bis t5 wird jeweils ein erstes Hochfrequenzsignal mit einer hohen Intensität I1 erzeugt. Jeweils auf diese Signale hoher Intensität folgen zweite Hochfrequenzsignale 22 mit geringerer Intensität I2. Durch die mehrfachen Signale höherer Intensität wird sichergestellt, dass sich ein Hochfrequenzplasma ausbildet auch wenn beispielsweise bei dem ersten Signal im Zeitraum t0 bis t1 noch keine Zündung ausgelöst wurde. Da jedoch die gesamte Zeitdauer der Signale hoher Intensität gering ist, gelten die beschriebenen Vorteile der verringerten mittleren Leistung auch für den Signalverlauf wie er in der 3 gezeigt wird entsprechend. Falls es durch ein geeignetes Mittel möglich ist festzustellen, ob das erste Hochfrequenzsignal im Zeitraum t0 bis t1 auch zur Ausbildung eines Hochfrequenzplasmas führte, so können die nachfolgenden ersten Signale 21 auch unterbleiben. Dies kann beispielsweise mittels eines Körperschallsensors wie er für die Klopfregelung verwendet wird oder eines Sensors der den Druck im Brennraum misst festgestellt werden. Mittels eines solchen Sensors ist es dann möglich bedarfsgerecht weitere Hochfrequenzsignale hoher Intensität 21 nur dann auszulösen, wenn ein erstes Hochfrequenzsignal hoher Intensität nicht den gewünschten Erfolg, d. h. die Auslösung eines Hochfrequenzplasma bewirkt.
Zur zeitlichen Ansteuerung der 2 und 3 sei noch angemerkt, dass natürlich beide Hochfrequenzsignale zur gleichen Zeit an das Zündmittel 6 angelegt werden können. Dies vereinfacht die zeitliche Ansteuerung dahingehend, dass der Hochfrequenzgenerator 12 von der Zeitsteuerung 10 einfach ebenfalls zum Zeitpunkt t0 angesteuert wird und dann im Fall der 2 bis zum Zeitpunkt t2 bzw. im Fall der 3 bis zum Zeitpunkt t6 ununterbrochen angesteuert bleibt. Die Zeitsteuerung 10 muss sich somit nur damit befassen, den ersten Hochfreguenzgenerator 11 zeitlich so präzise so anzusteuern, dass jeweils nur in den vergleichsweise kurzen Zeiträumen t0 bis t1 im Fall der 2 bzw. t0 bis t1 im Fall der 2 bzw. t0 bis t1, t2 bis t3 und t4 bis 5 der erste Hochfrequenzgenerator 11 angesteuert wird. Die Zeitsteuerung 10 kann daher auch entsprechend einfach ausgebildet sein.
In der 4 wird noch ein weiterer zeitlicher Verlauf der Hochfrequenzsignale hoher Intensität 21 und Hochfrequenzsignale geringer Intensität 22 gezeigt. Aufgetragen ist wieder die Intensität I über der Zeit t. Zum Zeitpunkt t0 wird das Hochfrequenzsignal geringer Intensität 22 gestartet. Zu einem Zeitpunkt t1 der nach dem Zeitpunkt t0 liegt, wird dann für einen kurzen Zeitraum nämlich von t1 bis t2 zusätzlich zum Signal geringer Intensität ein erstes Hochfrequenzsignal hoher Intensität 21 an die Zündmittel 6 angelegt. Auf diese kurze Phase eines Hochfrequenzsignals hoher Intensität 21 folgt dann wieder ein längerer Zeitraum eines Hochfrequenzsignals geringerer Intensität 22. Hier verhält es sich, dass das Hochfrequenzsignal geringer Intensität zum Zeitpunkt t0 eingeschaltet wird und dann bis zum Zeitpunkt t3 eingeschaltet bleibt. Es wird somit der Beginn dieses Signals zeitlich entzerrt vom Hochfrequenzsignal hoher Intensität 21. Da das Signal geringer Intensität 22 für sich allein betrachtet nicht in der Lage ist einen Hochfrequenzplasma auszulösen, entsteht ein Hochfrequenzplasma erst ab de Zeitpunkt t1. Durch die zeitliche Entzerrung der Ansteuerung der beiden Signale ist es jedoch möglich, eine besonders einfache Zeitsteuerung 10 zu verwenden, insbesondere eine Zeitsteuerung die nicht in der Lage ist zwei Zeitsteuersignale zeitgleich zu erzeugen.

Claims

Vorrichtung zum Zünden einer Brennkraftmaschine 1, mit Hochfrequenzerzeugungsmitteln 11, 12, die ein Hochfrequenzsignal erzeugen, dass an ein in einem Brennraum 4 der Brennkraftmaschine 1 angeordnetes Zündmittel 6 weitergegeben werden und in den Brennraum 4 ein Hochfreguenzplasma zur Zündung eines brennfähigen Luft-/Kraftstoffgemisches erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass von den Hochfrequenzerzeugungsmitteln 11, 12 zur Erzeugung eines Hochfrequenzplasma ein erstes Hochfrequenzsignal 21 mit hoher Leistung und ein zweites Hochfrequenzsignal 22 geringer Leistung erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer des ersten Hochfrequenzsignals 21 gering ist im Vergleich zur Zeitdauer des zweiten Hochfrequenzsignals 22.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines Hochfrequenzplasma zuerst das erste Hochfrequenzsignal 21 und danach das zweite Hochfrequenzsignal 22 erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst das zweite Signal 22, dann das erste Signal 21 und dann wieder das zweite Signal 22 erzeugt werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines Hochfrequenzplasmas mehrere erste Signale 21 erzeugt werden, denen jeweils ein zweites Signal 22 folgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das erste und das zweite Hochfrequenzsignal 21, 22 überlappen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzerzeugungsmittel erste Hochfrequenzerzeugungsmittel 11 für das erste Hochfrequenzsignal 21 und zweite Hochfrequenzerzeugungsmittel 12 für die zweiten Hochfrequenzsignale 22 aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzerzeugungsmittel in Abhängigkeit von einem Leistungssteuerungssignal das erste Hochfreguenzsignal 21 und das zweiten Hochfrequenzsignale 22 erzeugt.
Verfahren zum Zünden einer Brennkraftmaschine mit einem Hochfreguenzsignal, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines Hochfrequenzplasmas ein erstes Hochfrequenzsignal 21 mit hoher Leistung und ein zweites Hochfrequenzsignal 22 geringer Leistung erzeugt werden.