DE102004058925A1

DE102004058925A1 - High-frequency plasma ignition device for internal combustion engines, in particular for directly injecting gasoline engines

Info

Publication number: DE102004058925A1
Application number: DE200410058925
Authority: DE
Inventors: Georg Bachmaier; Peter-Christian Eccardt; Reinhard Freitag; Paul William Guthrie; Thomas Dr. Hammer; Oliver Hennig; Hans Prof. Meixner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2006-06-08
Also published as: WO2006061314A1

Abstract

Hochfrequenz-Plasmazündung für Otto-Motoren, die in einem Verbrennungsraum ein räumlich ausgedehntes Plasma zur Zündung eines Kraftstoff/Luft-Gemisches liefert, bestehend aus: DOLLAR A Einem Serienschwingkreis (10) mit einer Induktivität (3), einer Hochfrequenzquelle (9) zur resonanten Anregung und einer Kapazität (4), wobei die Kapazität (4) durch Innen- (1) und Außenelektroden (2) mit zwischen liegendem Dielektrikum (5) dargestellt ist und diese Elektroden (1, 2) mit ihren äußersten Enden mit einem vorgegebenen gegenseitigen Abstand bis in den Verbrennungsraum hineinreichen.High-frequency plasma ignition for gasoline engines, which provides in a combustion chamber, a spatially extended plasma for ignition of a fuel / air mixture, consisting of: DOLLAR A A resonant circuit (10) with an inductance (3), a high frequency source (9) for resonant Excitation and a capacitance (4), wherein the capacitance (4) by inner (1) and outer electrodes (2) with lying between dielectric (5) is shown and these electrodes (1, 2) with their outermost ends with a predetermined mutual Extend the distance into the combustion chamber.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zündsystem für Verbrennungsmotoren, insbesondere zur Zündung von Kraftstoff-Luft-Gemischen für Benzinmotoren mit Direkteinspritzung.The The invention relates to an ignition system for internal combustion engines, especially for ignition of fuel-air mixtures for Petrol engines with direct injection.

So genannte Otto-Brennverfahren mit Direkteinspritzung des Brennstoffes besitzen durch die Möglichkeit eine Schichtladung im Verbrennungsraum darzustellen ein großes Potential hinsichtlich der Verbrauchsreduktion. Das nicht homogene Gemisch im Brennraum stellt jedoch erhöhte Anforderungen an das eingesetzte Zündverfahren hinsichtlich einer zuverlässigen Zündung zum geeigneten Zeitpunkt. Schwankungen jeglicher Art mindern beispielsweise die Qualität der Zündung und somit den Wirkungsgrad des gesamten Motors. Zum einen kann die Lage des zündfähigen Gemisches leicht variieren und zum anderen kann sich der Haken einer Zündkerze störend auf die Gemischbildung auswirken. Hilfreich für ein direkt einspritzendes Brennverfahren ist ein Zündsystem mit einer größeren räumlichen Ausdehnung in den Verbrennungsraum hinein.So named Otto-Brennverfahren with direct injection of the fuel own by the possibility a layer charge in the combustion chamber represent a great potential in terms of consumption reduction. The non-homogeneous mixture in the combustion chamber, however, raises Requirements for the ignition method used with regard to a reliable ignition at the appropriate time. Fluctuations of any kind reduce, for example the quality the ignition and thus the efficiency of the entire engine. For one thing, the Position of the ignitable mixture vary slightly and on the other hand may be the hook of a spark plug disturbing affect the mixture formation. Helpful for a direct injection Burning process is an ignition system with a larger spatial Expansion into the combustion chamber.

Eine größere Flexibilität hinsichtlich der Brenndauer, der Energie und deren Dichte sowie der Impulsformen und -folgen wäre wünschenswert. Dies sollte vor dem Hintergrund eines kostengünstigen Einsatzes betrachtet werden.A greater flexibility in terms of the burning time, the energy and its density as well as the pulse shapes and consequences would be desirable. This should be considered against the background of a cost-effective use become.

Grundanforderungen für die zuverlässige Zündung sind:

a) die Ausbildung eines Plasmas mit ausreichender Leistungsdichte,
b) Ausbildung zum richtigen Zeitpunkt,
c) Ausbildung in einem Bereich des Zylinders, in dem ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegt.

Basic requirements for reliable ignition are:

a) the formation of a plasma with sufficient power density,
b) training at the right time,
c) Training in an area of the cylinder in which an ignitable fuel-air mixture is present.

Die erforderliche Leistungsdichte des Plasmas unterscheidet sich nicht prinzipiell von der in konventionellen Ottomotoren, bei denen das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Vergaser erzeugt und dann in den Zylinder eingesaugt wird. Die Anforderungen hinsichtlich Zeitpunkt, Dauer und Ort der Zündung können jedoch unterschiedlich sein:
Durch die Einspritzung des Kraftstoffs vom Zylinderkopf aus und unter hohem Druck bildet sich eine hohlkegelförmige Verteilung des Kraftstoffsprays mit einer Rückströmzone, deren räumlich-zeitliche Entwicklung nicht nur systematischen, vom Betriebspunkt des Motors abhängigen Einflüssen, sondern auch statistischen Schwankungen unterliegt. Deshalb kommt diese Rückströmzone dem Zylinderkopf von Einspritzung zu Einspritzung unterschiedlich nahe. Ein technisches Problem liegt beispielsweise darin, eine zuverlässige, rechtzeitige Zündung im Bereich einer Rückströmzone mit Mitteln zu erreichen, die vom Zylinderkopf nicht oder nur wenige mm in das Zylindervolumen hineinragen, da thermo-mechanische Belastungen die Lebensdauer von weiter in das Volumen hineinragenden Komponenten stark verkürzen würden und die Gemischaufbereitung unter Umständen negativ beeinflusst wird.The required power density of the plasma does not differ in principle from that in conventional gasoline engines, in which the fuel-air mixture is produced in the gasifier and then sucked into the cylinder. However, the timing, duration and location requirements for ignition may vary:
The injection of the fuel from the cylinder head and under high pressure forms a hollow cone-shaped distribution of the fuel spray with a backflow zone whose spatial-temporal development is not only subject to systematic, dependent on the operating point of the engine influences, but also statistical fluctuations. Therefore, this backflow zone approaches the cylinder head differently from injection to injection. A technical problem is, for example, to achieve a reliable, timely ignition in the region of a backflow zone with means that protrude from the cylinder head not or only a few mm into the cylinder volume, since thermo-mechanical loads greatly shorten the life of further protruding into the volume components and the mixture preparation may be adversely affected.

Im Stand der Technik sind konventionelle Zündsysteme bekannt, die aus einem elektronischen Hochspannungsimpulserzeuger und einer Zündkerze ein elektrodengeführtes Plasma mit direktem Stromfluss erzeugen. Dies geschieht zwischen einer mit pulsförmiger Hochspannung beaufschlagten Hochspannungselektrode, die typischerweise als Stift in einem Isolierkörper ausgeführt ist, und mindestens einer Masse-Elektrode, die häufig als von der geerdeten Einschraubfassung ausgehende Hakenelektrode ausgeführt ist. Dieses elektrodengeführte Plasma bildet eine heiße, ionisierte Zone zwischen den Elektroden, deren Länge gleich dem Elektrodenabstand ist und deren Durchmesser in der Lichtbogenphase typisch 3/10 mm ist und nach 0,1 ms durch thermische Ausdehnung unter gleichzeitiger Abkühlung anwächst (Glimmentladungsphase). Aufgrund ihrer hohen Temperatur ist die räumlich schwach ausgedehnte Bogenphase, in der ein Großteil der elektrischen Pulsenergie umgesetzt wird, wesentlich für die Zündung zuständig. Bedingt durch diese Lokalisierung des Plasmas im wandnahen Bereich kommt es beim Einsatz in DI-Ottomotoren zu ungleichmäßiger Zündung.in the Conventional ignition systems are known from the prior art an electronic high voltage pulse generator and a spark plug an electrode-guided Create plasma with direct current flow. This happens between one with pulse-shaped High voltage applied high voltage electrode, which typically as a pin in an insulating body accomplished is, and at least one ground electrode, often as grounded Screw outgoing hook electrode is executed. This electrode-guided Plasma is a hot, ionized zone between the electrodes whose length is equal to the electrode gap is and whose diameter in the arc phase typically 3/10 mm is and after 0.1 ms by thermal expansion with simultaneous Cooling increases (Corona discharge). Due to its high temperature is the spatially weak extended arc phase, in which much of the electric pulse energy is implemented, essential for the ignition responsible. Due to this localization of the plasma near the wall When used in DI gasoline engines to uneven ignition.

Es gibt eine Vielzahl von Ansätzen, die die beschriebenen Nachteile der konventionellen Zündung zu vermeiden suchen:

(a) In US 4,416,226 wird eine lokalisierte Zündung durch Laserimpulse offenbart, in DE 100 48 053 A1 und DE 100 50 756 A1 die Kombination elektrische Gasentladung mit einer optisch lokalisierten Zündung der elektrischen Gasentladung,
(b) in US 4,203,393 , US 4,317,068 , US 4,354,136 , US 4,471,732 , US 5,704,321 und US 6,321,733 B1 wird die Nutzung von thermisch oder magnetisch getriebenen Plasmajets für eine räumlich ausgedehnte Zündung offenbart,
(c) in US 6,289,868 B1 die Kombination von Zündung und Injektion des Kraftstoffes, wobei z.B. die Kraftstoff-Injektoren als Plasma-Elektroden ausgelegt sind,
(d) in WO 99/20087, US 6,633,017 B1 und US 4,589,398 wird eine räumlich ausgedehnte Zündung durch Einsatz extrem schnell ansteigender Spannungen beschrieben,
(e) in US 5,297,510 wird die Erzeugung großflächiger Plasmen durch Oberflächengleitentladungen in einer speziellen Geometrie offenbart,
(f) in DE 100 37 536 A1 , DE 101 44 466 A1 und DE 102 39 410 A1 wird der Einsatz hochfrequenter Spannungen im Mikrowellenbereich für die Erzeugung von Plasmen gezeigt, die nicht im Kontakt mit Elektroden stehen, und
(g) in DE 197 47 700 A1 und DE 197 47 701 A1 ist die Erzeugung hochohmiger, kurzlebiger Plasmafäden durch Verwendung scharfkantiger Elektrodenstrukturen zur Generierung von Feldstärkeüberhöhungen in Verbindung mit Radiofrequenzanregung beschrieben.

There are a variety of approaches that seek to avoid the described disadvantages of conventional ignition:

(a) In US 4,416,226 a localized ignition is revealed by laser pulses, in DE 100 48 053 A1 and DE 100 50 756 A1 the combination of electrical gas discharge with an optically localized ignition of the electrical gas discharge,
(b) in US 4,203,393 . US 4,317,068 . US 4,354,136 . US 4,471,732 . US 5,704,321 and US 6,321,733 B1 discloses the use of thermally or magnetically driven plasma jets for a spatially extended ignition,
(c) in US 6,289,868 B1 the combination of ignition and injection of the fuel, wherein, for example, the fuel injectors are designed as plasma electrodes,
(d) in WO 99/20087, US 6,633,017 B1 and US 4,589,398 describes a spatially extended ignition by using extremely fast rising voltages,
(one US 5,297,510 discloses the generation of large area plasmas by surface slip discharges in a specific geometry,
(f) in DE 100 37 536 A1 . DE 101 44 466 A1 and DE 102 39 410 A1 is the use of high-frequency voltages in the microwave range for the Er tion of plasmas that are not in contact with electrodes, and
(g) in DE 197 47 700 A1 and DE 197 47 701 A1 The production of high-impedance, short-lived plasma filaments by the use of sharp-edged electrode structures for the generation of field strength peaks in connection with radio frequency excitation is described.

Ein Teil dieser Ansätze ist in Kraftfahrzeugen nicht einsetzbar, andere Ansätze erfordern einen unverhältnismäßig großen Energieaufwand und konventionelle Zündvorrichtungen zu modifizieren ist mit hohem Verschleiß verbunden.One Part of these approaches is not applicable in motor vehicles, require other approaches a disproportionate amount of energy and conventional igniters to modify is associated with high wear.

Zu den einzelnen oben genannten Gruppen ist Folgendes anzumerken:
Zu (a): Der für lichtgetriebene Verfahren erforderliche wartungsfreundliche optische Zugang zum Brennraum kann nur aufwändig gewährleistet werden.For the individual groups mentioned above, the following should be noted:
To (a): The maintenance-friendly optical access to the combustion chamber required for light-driven methods can be ensured only with great difficulty.

Zu (b): Die Erzeugung ausreichend starker magnetischer Felder oder thermischer Gradienten erfordert extrem hohe Ströme oder extrem schnell ansteigende Spannungen bei hohen Strömen, was in der Praxis problematisch ist.To (b): The generation of sufficiently strong magnetic fields or thermal gradient requires extremely high currents or extremely fast rising Voltages at high currents, which is problematic in practice.

Zu (c): Die Kombination von Zündung und Injektion ist ein weit reichender Eingriff in die häufig in langjähriger Arbeit optimierte Brennraumgeometrie und stößt in der Automobilindustrie deshalb auf Akzeptanzprobleme.To (c): The combination of ignition and injection is a far-reaching intervention in the often years of work optimized combustion chamber geometry and thrusts in the automotive industry therefore on acceptance problems.

Zu (d): Die Erzeugung extrem schnell ansteigender Spannungen erfordert aufwändige elektrische Netzteile und besondere Maßnahmen zur Vermeidung von EMV-Problemen. Da für eine sichere Zündung erhebliche Überspannungen nötig sein können, sind Probleme mit der elektrischen Durchführung zu erwarten.To (d): requires the generation of extremely fast rising voltages complex electrical power supplies and special measures to prevent EMC problems. Therefore a safe ignition considerable overvoltages be necessary can, are problems with the electrical implementation expected.

Zu (e): Oberflächengleitentladungen lösen wegen ihrer Bindung an Oberflächen nicht die Aufgabe eines möglichst weit in das Zylindervolumen hineingreifenden Plasmas unter Vermeidung von in das Zylindervolumen hineinragenden Bauteilen.To (e): surface slip discharges solve because of their bond to surfaces not the task of a possible far into the cylinder volume reaching into plasma while avoiding of protruding into the cylinder volume components.

Zu (f): Bei der Erzeugung von Mikrowellenplasmen im Brennraum werden Interferenzen ausgenutzt, die vom Brennraumdesign nicht unabhängig sind. Damit ergibt sich ein Interessenkonflikt zwischen dem Design des Zündsystems und dem Design des Brennraums und deshalb ergibt sich eine reduzierte Akzeptanz in der Automobilindustrie.To (f): When generating microwave plasmas in the combustion chamber Exploited interference that is not independent of the combustion chamber design. This results in a conflict of interest between the design of the ignition system and the design of the combustion chamber and therefore results in a reduced Acceptance in the automotive industry.

Zu (g): Die Erzeugung hochohmiger, kurzlebiger Plasmafäden, die ausreichend weit in das Volumen hineinragen, verlangt trotz scharfkantiger Elektrodenstrukturen zur Feldstärkeüberhöhung extrem hohe Spannungsamplituden, weil der plasmafreie Raum von den Enden der in den Brennraum hineinragenden Plasmafäden wie eine sehr kleine Kapazität gegen die weit entfernten, geerdeten Wände des Brennraumes inklusive der Fassung der zündkerzenähnlichen Elektrodenstruktur wirkt, an der ein Großteil der angelegten Radiofrequenz-Spannung abfällt. Aufgrund von Isolationsproblemen lassen sich Spannungen der erforderlichen Amplitude in Kfz praktisch nicht einsetzen. Weiterhin ist fraglich, ob in hochohmigen Plasmafäden die für die Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches erforderliche Leistungsdichte bereitgestellt werden kann.To (g): The production of high-impedance, short-lived plasma filaments, the protrude sufficiently far into the volume, despite sharp-edged Electrode structures for field strength superelevation extremely high Voltage amplitudes, because the plasma-free space from the ends of the into the combustion chamber projecting plasma threads as a very small capacity against the distant, grounded walls the combustion chamber including the socket of the spark plug-like electrode structure works, at the most part the applied radio frequency voltage drops. Due to insulation problems Tensions of the required amplitude in motor vehicles are virtually impossible deploy. Furthermore, it is questionable whether the high-resistance plasma filaments for the ignition provided a fuel-air mixture required power density can be.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Hochfrequenz-Plasmazündung zu beschreiben, welche für ein Zündelement wie beispielsweise eine Zündkerze eine ausreichende Lebensdauer mit entsprechend niedrigem Verschleiß liefert.Of the The invention is based on the object of a high-frequency plasma ignition describe which for an ignition element such as a spark plug provides a sufficient life with correspondingly low wear.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination entsprechend Patentanspruch 1.The solution This task is done by the combination of features accordingly Claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.advantageous Embodiments are to be taken from the subclaims.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass auf der Basis einer Hochfrequenz-Gasentladung mit einer Betriebsfrequenz von wesentlich weniger als 1 GHz ein einfaches kosten günstiges Zündsystem darstellbar ist. Bei dieser Hochfrequenz-Plasmazündung wird die Ionisation des Gasgemisches in einem Verbrennungsraum einer Verbrennungskraftmaschine durch Energieeinkopplung mittels hochfrequenter Spannung eingeleitet. Dabei wird ein Schwingkreis im Zündkerzenschacht durch einen Hochfrequenz-Generator resonant angeregt, so dass sich durch die entsprechende Resonanzerscheinung an den Elektroden, deren äußerste Enden bis in den Verbrennungsraum reichen eine ausreichend hohe Feldstärke für die Zündung eines Plasmas im Verbrennungsraum, das heißt im Kraftstoff/Luft-Gemisch einstellt.Of the The invention is based on the finding that based on a High-frequency gas discharge with an operating frequency of substantially less than 1 GHz a simple cost-effective ignition system can be displayed. at this high-frequency plasma ignition is the ionization of the gas mixture in a combustion chamber a Internal combustion engine through energy coupling by means of high-frequency Voltage initiated. This is a resonant circuit in the spark plug well resonantly excited by a high-frequency generator, so that itself by the corresponding resonance phenomenon on the electrodes, their outermost ends into the combustion chamber, a sufficiently high field strength for the ignition of a sufficient Plasmas in the combustion chamber, that is in the fuel / air mixture sets.

Der Aufbau des Schwingkreises erfordert die Bestandteile einer Induktivität, einer Hochfrequenz-Quelle und einer Kapazität, wobei die durch ein Dielektrikum beabstandeten und gegenseitig isolierten Innen- und Außenelektroden einerseits in den Schwingkreis integriert sind und andererseits bis in den Verbrennungsraum hinein reichen oder bündig mit dem Rand abschließen wo ihre äußersten Enden mit einem gegenseitigen Abstand zur Erzeugung einer entsprechend hohen Feldstärke bzw. eines Plasmas gegenseitig beabstandet sind. Die räumliche Aufteilung dieses Zündsystems sieht vor, dass die Hochfrequenz-Quelle die beispielsweise eine Spannung von 500 V liefert, sowie die Induktivität vom Verbrennungsraum entfernt angeordnet sind. Wird an einem herkömmlichen Zündkerzenschacht eines üblicherweise verwendeten Zylinderkopfes einer Verbrennungskraftmaschine keine Veränderung vorgenommen, so laufen Innen- und Außenelektroden des Zündsystems darin über eine längere Strecke parallel und sind von einem Dielektrikum voneinander getrennt und isoliert. Die notwendige Kapazität wird durch Innenleiter, Außenleiter und zwischen liegendem Dielektrikum dargestellt. Durch die in den Verbrennungsraum mehr oder weniger hinein ragenden äußersten Enden der Elektroden, die entweder Bestandteil des Schwingkreises bzw. eine Verlängerung der Kapazität darstellen, wird innerhalb des Verbrennungsraumes eine Feldstärke und daraus resultiernd ein Plasma erzeugt. Dies geschieht jeweils bei resonanter Anregung des Schwingkreises.The structure of the resonant circuit requires the components of an inductance, a high-frequency source and a capacitance, wherein the spaced by a dielectric and mutually insulated inner and outer electrodes are on the one hand integrated into the resonant circuit and on the other hand extend into the combustion chamber into or flush with the edge close where their extreme ends with a mutual distance to generate a correspondingly high field strength or a plasma are mutually spaced. The spatial distribution of this ignition system provides that the high-frequency source, for example, provides a voltage of 500 V, as well as the inductance of Ver combustion chamber are arranged away. If no change is made to a conventional spark plug well of a commonly used cylinder head of an internal combustion engine, internal and external electrodes of the ignition system will run in parallel over a longer distance and be separated and isolated from each other by a dielectric. The necessary capacity is represented by inner conductor, outer conductor and between horizontal dielectric. As a result of the outermost ends of the electrodes projecting more or less into the combustion chamber, which are either components of the resonant circuit or an extension of the capacitance, a field strength and, consequently, a plasma are generated within the combustion chamber. This happens in each case with resonant excitation of the resonant circuit.

Es ist besonders vorteilhaft, die Betriebsfrequenz des Schwingkreises im Bereich von bis zu 100 MHz zu betreiben, insbesondere jedoch bei 25 bis 30 MHz.It is particularly advantageous, the operating frequency of the resonant circuit operate in the range of up to 100 MHz, but in particular at 25 to 30 MHz.

Da eine Schichtbeladung mit beispielsweise abwechselnden Schichten von Brennstoff und Luft in Verbrennungsräumen mittlerweile möglich ist, besteht der Bedarf ein Gemisch in einem Verbrennungsraum örtlich und zeitlich gezielt zu zünden. Um die Eindringtiefe eines Plasmas in einen Verbrennungsraum zu steuern kann die Geometrie der äußersten Enden der Elektroden entsprechend angepasst werden. Zu beachten ist ein zur Erzeugung einer entsprechenden Feldstärke notwendiger Abstand der äußersten Enden dieser Elektroden, die in den Verbrennungsraum hinein reichen oder bündig an der inneren Wand im Verbrennungsraum abschließen. Eine zeitliche Steuerung der Resonanz des Schwingkreises zur Erzeugung eines Plasmas und zur Umsetzung der Zündung kann durch eine elektronische Steuereinheit ausgeführt werden.There a layer loading with, for example, alternating layers of fuel and air in combustion chambers is now possible, There is a need locally for a mixture in a combustion chamber to fire in a timely manner. To increase the penetration depth of a plasma into a combustion chamber can control the geometry of the outermost Ends of the electrodes are adjusted accordingly. To be considered is one necessary to generate a corresponding field strength Distance of the outermost Ends of these electrodes, which extend into the combustion chamber or flush complete on the inner wall in the combustion chamber. A time control the resonance of the resonant circuit for generating a plasma and the Implementation of the ignition can be performed by an electronic control unit.

Die Ansteuerung des Schwingkreises geschieht in vorteilhafter Weise mit einer Hochfrequenz-Quelle, die im Niederspannungsbereich betrieben wird.The Control of the resonant circuit is done in an advantageous manner with a high frequency source operating in the low voltage range becomes.

Durch entsprechende Auslegung der den Schwingkreis bildenden Bestandteile wird an den äußersten Enden der Elektroden innerhalb des Verbrennungsraumes beispielsweise eine Spannung von 50 kV erzeugbar sein.By appropriate design of the resonant circuit forming components becomes the utmost Ends of the electrodes within the combustion chamber, for example a voltage of 50 kV be generated.

Im Folgenden wird anhand der begleitenden Figuren ein Ausführungsbeispiel beschrieben.in the An embodiment will be described below with reference to the accompanying drawings described.

1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung, die als Hochfrequenz-Plasmazündung einsetzbar ist, 1 shows a schematic diagram of a device that can be used as a high-frequency plasma ignition,

2 zeigt ein Ersatzschaltbild für eine Vorrichtung entsprechend 1. 2 shows an equivalent circuit diagram for a device accordingly 1 ,

In der 1 ist in Anlehnung an den herkömmlichen Aufbau einer Zündkerze 11 zumindest hinsichtlich der Baulänge eine für die erfindungsgemäße Hochfrequenz-Plasmazündung mögliche Gestaltung mit den wesentlichen Bestandteilen der Induktion 3, der Kapazität 4, der Hochfrequenzquelle 9 dargestellt.In the 1 is based on the conventional construction of a spark plug 11 at least with regard to the length of a possible for the inventive high frequency plasma ignition design possible with the essential components of the induction 3 , the capacity 4 , the high frequency source 9 shown.

Die Zündung eines Hochfrequenz-Plasmas in einem Verbrennungsraum erfordert eine ausreichend hohe Feldstärke, die eine Zündung des dort vorliegenden Kraftstoff/Luft-Gemisches mittels eines durch die Feldstärke induzierten Plasmas erzeugt. Gegenüber dem Stand der Technik ist der energetische Aufwand für die Erzeugung eines Plasmas für die Zündung derartiger Gemische deutlich reduziert. Das Volumen der Eindringtiefe bzw. die Raumtiefe des Plasmas kann durch die Geometrie der äußersten Enden der Innenelektrode 1 und der Außenelektrode 2 beeinflusst werden. Durch eine entsprechende elektronische Ansteuerung ist eine weitere Anpassung der Plasmaausbreitung möglich. Insbesondere kann die Leistungsabgabe oder die Brenndauer des Plasmas durch eine entsprechende Ansteuerung kontrolliert ablaufen.The ignition of a high-frequency plasma in a combustion chamber requires a sufficiently high field strength, which generates an ignition of the fuel / air mixture present there by means of a plasma induced by the field strength. Compared to the prior art, the energy expenditure for the generation of a plasma for the ignition of such mixtures is significantly reduced. The volume of the penetration depth or the depth of the plasma can be determined by the geometry of the outermost ends of the inner electrode 1 and the outer electrode 2 to be influenced. By means of a corresponding electronic control, a further adaptation of the plasma propagation is possible. In particular, the power output or the burning time of the plasma can be controlled by a corresponding control.

Die Kombination einer Induktivität 3 und einer Kapazität 4 und die Integration in ein zündkerzenähnliches Gebilde, wobei die Innenelektrode 1 und die Außenelektrode 2, die die Kapazität 4 darstellen, im Bereich des Verbrennungsraumes getrennt sind, liefert einen Resonator, der im Resonanzfall eine von einer Hochfrequenz-Quelle 9 gelieferte Spannung auf eine um den Faktor der Güte (typisch 100) höhere Spannung zwischen den äußersten Enden der Innen- und der Außenelektroden 1, 2 wandelt. Dabei wird die Hochfrequenz-Quelle 9 mit einer sehr geringen Spannung beispielsweise im Bereich von 50 bis 1000 V betrieben. Unter gleichzeitiger Betrachtung der 2, die das ERsatzschaltbild des in 1 schematisch dargestellten Zündsystemes darstellt, wird sichtbar, dass die Hochfrequenz-Quelle 9 in einen Schwingkreis 10 eingeschaltet ist, der die Induktivität 3 und die Kapazität 4 aufweist. Weiterhin sind Ohm'sche Widerstände/Ersatzwiderstände 7, 8 dargestellt, die in Verbindung mit der Kapazität 4 und der Induktivität entsprechend zu berücksichtigen sind. Die Kapazität 4 wird, wie in 1 sichtbar, durch die Innenelektrode 1, das Dielektrikum 5 und die Außenelektrode 2 dargestellt. Ein in Resonanz befindlicher Schwingkreis 10 wird also an den im Bereich des Kondensators 4 bis in den Brennraum verlängerten Enden der Außen- und Innenelektroden 1, 2 eine entsprechende Feldstärke bzw. ein Plasma 6 zur Zündung des im Brennraum befindlichen Gemisches liefern. Durch einen Schwingkreis/Resonator mit hoher Güte ist es möglich, diesen mit einer niedrigen Wechselspannung anzuregen, die für das Hochfrequenz-Plasma eine entsprechende notwendige Hochspannung unmittelbar an der Stelle, an der ein Plasma zu erzeugen ist, darstellt. Die Hochspannungsdurchführung zum Brennraum erfüllt damit zwei wesentliche Punkte:

a) Die Isolierung bzw. das Dielektrikum 5 verhindert Überschläge zwischen Innen- und Außenelektrode 1, 2 und dient zur Darstellung der Kapazität in dem Schwingkreis 10.
b) Das beschriebene Prinzip ist mit einer einfachen Ansteuerelektronik und üblich ausgelegten Versorgungsleitungen zum Beispiel hinsichtlich der Spannungsfestigkeit realisierbar. Mithilfe eines Anpassnetzwerkes kann für die Zuführung zum Beispiel eine handelsübliche koaxiale 50 Ω-Leitung verwendet werden.

The combination of an inductance 3 and a capacity 4 and the integration into a spark plug-like structure, wherein the inner electrode 1 and the outer electrode 2 that the capacity 4 represent, are separated in the region of the combustion chamber, provides a resonator, which in the case of resonance one from a high-frequency source 9 supplied voltage to a factor of the quality (typically 100) higher voltage between the extreme ends of the inner and the outer electrodes 1 . 2 converts. This will be the high frequency source 9 operated at a very low voltage, for example in the range of 50 to 1000 volts. With simultaneous consideration of the 2 that the replacement circuit diagram of in 1 represents schematically illustrated ignition system, it is visible that the high frequency source 9 into a resonant circuit 10 is turned on, the inductance 3 and the capacity 4 having. Furthermore, ohmic resistors / substitute resistors 7 . 8th shown in conjunction with the capacity 4 and the inductance are taken into account accordingly. The capacity 4 will, as in 1 visible, through the inner electrode 1 , the dielectric 5 and the outer electrode 2 shown. A resonant circuit in resonance 10 So it is at the in the area of the capacitor 4 up to the combustion chamber extended ends of the outer and inner electrodes 1 . 2 a corresponding field strength or a plasma 6 to ignite the mixture in the combustion chamber. By a resonant circuit / resonator with high quality, it is possible, this with a low Wech To stimulate selspannung, which represents a corresponding high voltage necessary for the high-frequency plasma directly at the point at which a plasma is to be generated. The high voltage feedthrough to the combustion chamber thus fulfills two essential points:

a) The insulation or the dielectric 5 prevents flashovers between the inner and outer electrodes 1 . 2 and serves to represent the capacity in the resonant circuit 10 ,
b) The principle described can be realized with a simple control electronics and commonly designed supply lines, for example, with regard to the dielectric strength. For example, with the help of a matching network, a commercially available coaxial 50 Ω line can be used for the feed.

Claims

Hochfrequenz-Plasmazündung für Motoren, die in einem Verbrennungsraum ein räumlich ausgedehntes Plasma zur Zündung eines Kraftstoff/Luft-Gemisches liefert, bestehend aus: Einem Serienschwingkreis (10) mit einer Induktivität (3), einer Hochfrequenzquelle (9) zur resonanten Anregung und einer Kapazität (4), wobei die Kapazität (4) durch Innen- (1) und Außenelektroden (2) mit zwischen liegendem Dielektrikum (5) dargestellt ist und diese Elektroden (1, 2) mit ihren äußersten Enden mit einem vorgegebenen gegenseitigen Abstand bis in den Verbrennungsraum hineinreichen.High-frequency plasma ignition for engines, which supplies in a combustion chamber a spatially expanded plasma for igniting a fuel / air mixture, comprising: a series resonant circuit ( 10 ) with an inductance ( 3 ), a high frequency source ( 9 ) for resonant excitation and a capacitance ( 4 ), where the capacity ( 4 ) by indoor ( 1 ) and external electrodes ( 2 ) with intervening dielectric ( 5 ) and these electrodes ( 1 . 2 ) extend with their outermost ends with a predetermined mutual distance into the combustion chamber.

Hochfrequenz-Plasmazündung nach Anspruch 1, bei dem die Betriebsfrequenz im Bereich bis zu 100 MHz, insbesondere bei 25-30 MHz liegt.High-frequency plasma ignition according to claim 1, at the operating frequency in the range up to 100 MHz, in particular at 25-30 MHz.

Hochfrequenz-Plasmazündung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Eindringtiefe des Plasmas (6) in den Verbrennungsraum durch Variation der Geometrie der äußersten Enden der Elektroden (1, 2) veränderbar ist.High-frequency plasma ignition according to one of the preceding claims, in which the penetration depth of the plasma ( 6 ) into the combustion chamber by varying the geometry of the extremities of the electrodes ( 1 . 2 ) is changeable.

Hochfrequenz-Plasmazündung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Spannung an der Hochfrequenz-Quelle (9) im Bereich von 50 bis 1000 V liegt.High-frequency plasma ignition according to one of the preceding claims, in which the voltage at the high-frequency source ( 9 ) is in the range of 50 to 1000 volts.

Hochfrequenz-Plasmazündung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an Stelle eines Serienschwingkreises ei Parallelschwingkreis vorhanden ist.High-frequency plasma ignition according to one of the preceding Claims, in which instead of a series resonant circuit ei parallel resonant circuit exists is.