DE102011078995A1

DE102011078995A1 - Zündvorrichtung für eine Plasmastrahl-Zündkerze und Zündsystem

Info

Publication number: DE102011078995A1
Application number: DE102011078995A
Authority: DE
Inventors: Yoshikuni Sato; Hiroyuki Kameda; Daisuke Kasahara; Daisuke Nakano; Naofumi YAMAMURA
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2012-05-10
Also published as: US20120013262A1; JP2012021446A; JP5210361B2

Abstract

Es wird eine Zündvorrichtung für eine Zündkerze einschließlich einer Stromversorgung mit einer positiven Polarität anzugeben, wobei die Zündvorrichtung veranlassen kann, dass die Zündkerze eine Funkenentladung unter Verwendung ihrer Mittelelektrode als negativer Elektrode erzeugt, und weiterhin sowohl den Zeitablauf für die Zufuhr von elektrischer Energie zu der Zündkerze als auch den Zeitablauf für das Laden der Kondensatoren einstellen kann. Die Zündvorrichtung für eine Zündkerze ist ausgebildet, um zu veranlassen, dass die Zündkerze eine Funkenentladung unter Verwendung ihrer Mittelelektrode als negativer Elektrode erzeugt, und umfasst eine positive Stromversorgung und mehrere Energiezuführeinheiten. Jede Energiezuführeinheit umfasst einen Kondensator, dessen eines Ende mit der Stromversorgung verbunden ist und dessen anderes Ende mit der Zündkerze verbunden ist, eine Ladungsschalteinheit, deren eines Ende mit einer Leitung zwischen dem Kondensator und der Zündkerze verbunden ist und deren anderes Ende geerdet ist, und eine Energiezufuhrschalteinheit, deren eines Ende mit einer Leitung zwischen dem Kondensator und der Stromversorgung verbunden ist und deren anderes Ende geerdet ist. Dank dieser Konfiguration können eine Funkenentladung und ein Plasma unter Verwendung der Mittelelektrode als negativer Elektrode erzeugt werden und können der Zeitablauf für die Zufuhr von elektrischer Energie und der Zeitablauf für das Laden eingestellt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung für eine Plasmastrahl-Zündkerze, die eine Luft/Kraftstoff-Mischung durch die Bildung eines Plasmas zündet, sowie ein Zündsystem, das die Zündvorrichtung enthält.
Herkömmlicherweise verwendet eine Verbrennungsvorrichtung wie etwa ein Verbrennungsmotor eine Zündkerze zum Zünden einer Luft/Kraftstoff-Mischung durch eine Funkenentladung. In den letzten Jahren wurde eine Plasmastrahl-Zündkerze vorgeschlagen, um den Anforderungen nach einer höheren Ausgabe und einem geringeren Kraftstoffverbrauch nachzukommen, weil eine Plasmastrahl-Zündkerze eine schnelle Fortpflanzung der Verbrennung und eine zuverlässigere Zündung auch bei einer mageren Luft/Kraftstoff-Mischung mit einem die Zündung stärker begrenzenden Luft/Kraftstoff-Verhältnis ermöglicht.
Allgemein umfasst die Plasmastrahl-Zündkerze: einen rohrförmigen Isolator mit einem Axialloch; eine Mittelelektrode, die derart in das Axialloch eingesetzt ist, dass eine vordere Endfläche derselben in eine vordere Endfläche des Isolators eingesteckt ist; eine Metallhülse, die um den Außenumfang des Isolators herum angeordnet ist; und eine ringförmige Erdungselektrode, die mit einem vorderen Endteil der Metallhülse verbunden ist. Weiterhin weist die Plasmastrahl-Zündkerze einen Hohlraum auf, der durch die vordere Endfläche der Mittelelektrode und eine Wandfläche des Axiallochs definiert wird. Der Hohlraum kommuniziert mit einer Umgebungsatmosphäre über ein in der Erdungselektrode ausgebildetes Durchgangsloch.
Eine derartige Plasmastrahl-Zündkerze zündet eine Luft/Kraftstoff-Mischung wie folgt. Zuerst wird eine Spannung zwischen der Mittelelektrode und der Erdungselektrode angelegt, um eine Funkenentladung zwischen denselben zu erzeugen und dadurch einen dielektrischen Durchschlag zu veranlassen. In diesem Zustand wird ein hochenergetischer Strom zwischen der Mittelelektrode und der Erdungselektrode angelegt, um einen Übergang eines Entladungszustands zu bewirken und dadurch ein Plasma in dem Hohlraum zu erzeugen. Das erzeugte Plasma wird als ein Strahl durch eine Öffnung des Hohlraums ausgestoßen, um die Luft/Kraftstoff-Mischung zu zünden.
Eine bekannte Zündvorrichtung für eine Plasmastrahl-Zündkerze (nachfolgend auch einfach als „Zündkerze” bezeichnet) umfasst: eine Schaltung, die eine Spannung für eine Funkenentladung zuführt; einen Kondensator, der elektrische Energie für die Erzeugung eines Plasmas zuführt; und eine Stromversorgung, die parallel zu dem Kondensator verbunden ist und den Kondensator lädt. Weiterhin wurde eine Zündvorrichtung vorgeschlagen, die die oben beschriebene Konfiguration aufweist und derart ausgebildet ist, dass sie die Zündleistung und die Erosionsbeständigkeit der Elektroden verbessert, wobei die Mittelelektrode als eine negative Elektrode zum Erzeugen einer Funkenentladung und eines Plasmas dient. In einer derartigen Zündvorrichtung wird eine Stromversorgung verwendet, die eine negative Spannung erzeugt (siehe zum Beispiel das Patentdokument 1). Eine bekannte Stromversorgung zum Erzeugen einer negativen Spannung umfasst eine Hochstufungseinrichtung zum Hochstufen einer Spannung von einer Batterie, um eine Hochspannung mit einer negativen Polarität zu erzeugen, und eine Überwachungseinrichtung zum Prüfen der Erzeugung der negativen Spannung.
In einer anderen Zündvorrichtung zur Verbesserung der Zündleistung sind eine Vielzahl von Kondensatoren vorgesehen, wobei die Zeitabläufe, mit denen elektrische Energie von den Kondensatoren zu einer Zündkerze zugeführt wird, mittels einer Spule usw. zueinander versetzt werden, sodass die elektrische Energie in einer Vielzahl von Stufen zu der Zündkerze zugeführt wird (siehe zum Beispiel das Patentdokument 2).
Patentdokument 1: Offen gelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2007-170371
Patentdokument 2: Offen gelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2009-97500
Die in dem Patentdokument 2 angegebene Zündvorrichtung verwendet jedoch eine Stromversorgung, die eine Spannung mit einer positiven Polarität erzeugt und derart konfiguriert ist, dass die Mittelelektrode einer Zündkerze als positive Elektrode zum Erzeugen einer Funkenentladung und eines Plasmas dient. Dementsprechend kann die in dem Patentdokument 2 angegebene Zündvorrichtung eine Verschlechterung der Zündleistung und/oder der Erosionsbeständigkeit verursachen.
Und obwohl die in dem Patentdokument 2 angegebene Zündvorrichtung bis zu einem gewissen Grad die Zeitabläufe, mit denen die elektrische Energie zu einer Zündkerze zugeführt wird, einstellen kann, kann die elektrische Energie von jedem Kondensator nicht mit einem beliebigen Zeitablauf zugeführt werden. Weiterhin wird das Laden jedes Kondensators durchgeführt, wenn die Isolation zwischen der Mittelelektrode und der Erdungselektrode nach dem Zuführen der elektrischen Energie zu der Zündkerze wiederhergestellt ist, sodass die Ladezeit überhaupt nicht eingestellt werden kann. Dementsprechend kann das erzeugte Plasma nicht in Übereinstimmung mit den Zuständen einer Verbrennungsvorrichtung und/oder der Zündkerze eingestellt werden.
Außerdem ist bei der in dem Patentdokument 1 angegebenen Zündvorrichtung, die eine Stromversorgung verwendet, die eine negative Spannung zum Veranlassen einer Funkenentladung usw. unter Verwendung der Mittelelektrode als negative Spannung erzeugt, das Problem gegeben, dass die Erzeugung einer Hochspannung mit einer negativen Polarität relativ schwierig ist und allgemein die Überwachungseinrichtung zum Prüfen der Erzeugung der negativen Spannung eine komplexe Konfiguration aufweist. Dementsprechend können die Produktionskosten steigen und kann die Zündvorrichtung komplex werden, auch wenn eine Verbesserung der Zündleistung usw. zu erwarten ist.
Die vorliegende Erfindung nimmt auf die vorstehend geschilderten Umstände Bezug, wobei es eine Aufgabe der Erfindung ist, eine Zündvorrichtung für eine Plasmastrahl-Zündkerze einschließlich einer Stromversorgung mit einer positiven Polarität anzugeben, wobei die Zündvorrichtung veranlassen kann, dass die Plasmastrahl-Zündkerze eine Funkenentladung unter Verwendung der Mittelelektrode als negative Elektrode erzeugt, und weiterhin sowohl den Zeitablauf für das Zuführen von elektrischer Energie zu der Zündkerze als auch den Zeitablauf für das Laden der Kondensatoren beliebig einstellen kann. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Zündsystem anzugeben, das eine derartige Zündvorrichtung enthält.
Im Folgenden werden verschiedene Konfigurationen beschrieben, die die vorstehend genannte Aufgabe erfüllen. Ggf. werden auch die den Konfigurationen eigenen Aktionen und Effekte beschrieben.
Eine Zündvorrichtung für eine Plasmastrahl-Zündkerze gemäß einer Konfiguration 1 umfasst: eine Mittelelektrode; eine Erdungselektrode; und einen Hohlraum, der wenigstens einen Teil eines Zwischenraums zwischen den zwei Elektroden umgibt, um einen Entladungsraum zu bilden; wobei eine Funkenentladung an dem Zwischenraum erzeugt wird, indem eine Spannung zwischen den Elektroden angelegt wird, und ein Plasmastrahl aus dem Hohlraum ausgegeben wird, indem elektrische Energie an der Mittelelektrode synchron zu der Funkenentladung angelegt wird, wobei die Mittelelektrode als negative Elektrode zum Erzeugen der Funkenentladung dient. Die Zündvorrichtung umfasst eine Stromversorgung, die eine positive Spannung erzeugt; und eine Energiezuführeinheit zum Zuführen von elektrischer Energie zu der Plasmastrahl-Zündkerze. Die Energiezuführeinheit umfasst einen Kondensator, dessen eines Ende mit der Stromversorgung verbunden ist und dessen anderes Ende mit der Plasmastrahl-Zündkerze verbunden ist; eine Ladungsschalteinheit, deren eines Ende mit einer Leitung zwischen dem Kondensator und der Plasmastrahl-Zündkerze verbunden ist und deren anderes Ende geerdet ist, wobei die Ladungsschalteinheit ein Laden von elektrischer Energie von der Stromversorgung zu dem Kondensator gestattet und unterbindet; und eine Energiezufuhrschalteinheit, deren eines Ende mit einer Leitung zwischen dem Kondensator und der Stromversorgung verbunden ist und deren anderes Ende geerdet ist, wobei die Energiezufuhrschalteinheit das Zuführen von elektrischer Energie von dem Kondensator zu der Plasmastrahl-Zündkerze gestattet und unterbindet.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration 1 ist der Kondensator in Reihe zwischen der Stromversorgung, die eine positive Spannung erzeugt, und der Zündkerze vorgesehen. Während also der Kondensator geladen wird, wird die mit der Stromversorgung verbundene Seite des Kondensators positiv und wird die mit der Zündkerze verbundene Seite des Kondensators negativ. Wenn also elektrische Energie von dem Kondensator zu der Zündkerze zugeführt wird, fließt Strom von der Zündkerze zu dem Kondensator (d. h. die Mittelelektrode dient als negative Elektrode zum Erzeugen eines Plasmas). Die Zündkerze erzeugt also sowohl eine Funkenentladung als auch ein Plasma und verwendet dabei die Mittelelektrode als negative Elektrode. Dadurch können die Zündleistung und die Erosionsbeständigkeit der Elektroden verbessert werden.
Und weil die Stromversorgung eine positive Spannung erzeugt, können die Herstellungskosten reduziert werden und kann ein komplexerer Aufbau der Vorrichtung vermieden werden.
Weiterhin umfasst die Stromversorgungseinheit eine Energiezufuhrschalteinheit und eine Ladungsschalteinheit. Wenn die Energiezufuhrschalteinheit eingeschaltet wird und die Ladungsschalteinheit ausgeschaltet wird, kann elektrische Energie von dem Kondensator zu der Zündkerze zugeführt werden. Wenn die Energiezufuhrschalteinheit ausgeschaltet wird und die Ladungsschalteinheit eingeschaltet wird, kann elektrische Energie von der Stromversorgung zu dem Kondensator geladen werden. Der Zeitablauf für das Zuführen von elektrischer Energie zu der Zündkerze und der Zeitablauf zum Laden des Kondensators können also beliebig eingestellt werden, indem die Zeiten für das Ein-/Ausschaltens der zwei Schalteinheiten geändert werden. Dank dieser Konfiguration kann die Plasmaerzeugung in Übereinstimmung mit den Zuständen einer Verbrennungsvorrichtung und der Zündkerze eingestellt werden.
Eine Zündvorrichtung für eine Plasmastrahl-Zündkerze gemäß einer Konfiguration 2 entspricht der Konfiguration 1, wobei jedoch eine Vielzahl von Energiezufuhreinheiten vorgesehen sind und jede Energiezufuhreinheit parallel zwischen der Stromversorgung und der Plasmastrahl-Zündkerze verbunden ist.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration 2 kann elektrische Energie von den Kondensatoren zu der Zündkerze übereinander gelagert zugeführt werden und kann elektrische Energie mit einer großen Anzahl von Wiederholungen während einer einzelnen Funkenentladung zugeführt werden. Deshalb können der Zuführablauf, die Zuführmenge usw. der elektrischen Energie feiner eingestellt werden, sodass ein für die Zustände der Verbrennungsvorrichtung und der Zündkerze geeignetes Plasma erzeugt werden kann.
Ein Zündsystem gemäß einer Konfiguration 3 der vorliegenden Erfindung umfasst:
eine Zündvorrichtung für eine Plasmastrahl-Zündkerze gemäß der Konfiguration 2; und
eine Steuereinheit zum Steuern der Ladungsschalteinheit und der Energiezufuhrschalteinheit;
wobei die Steuereinheit die Energiezufuhrschalteinheit derart steuert, dass elektrische Energie während einer einzelnen Funkenentladung von der Vielzahl von Energiezufuhreinheiten zu der Plasmastrahl-Zündkerze zugeführt wird.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration 3 kann elektrische Energie mit einer Vielzahl von Wiederholungen während einer einzelnen Funkenentladung zu der Zündkerze zugeführt werden. Indem also eine Flamme mit einer Vielzahl von Wiederholungen während einer einzelnen Funkenentladung ausgestoßen wird, können eine Vielzahl von Gelegenheiten für eine Zündung sichergestellt werden. Und indem die zu dem Plasma zugeführte elektrische Energie erhöht wird, kann die Flamme verstärkt werden (die Spitzenenergie des Plasmaentladungsstroms erhöht werden). Dadurch kann die Zündleistung verbessert werden.
Ein Zündsystem gemäß einer Konfiguration 4 der vorliegenden Erfindung entspricht der oben beschriebenen Konfiguration 3, wobei die Steuereinheit die Energiezufuhrschalteinheit für die Vielzahl von Energiezuführeinheiten derart steuert, dass die Kondensatoren in der Vielzahl von Energiezuführeinheiten während einer einzelnen Funkenentladung elektrische Energie zuführen, sodass elektrische Energie mit einer Vielzahl von Wiederholungen während der einzelnen Funkenentladung zugeführt wird.
In der vorstehend beschriebenen Konfiguration 4 können die Kondensatoren der Vielzahl von Energiezuführeinheiten sequentiell elektrische Energie während einer einzelnen Funkenentladung zuführen. Auch in diesem Fall können eine Betätigung und eine Wirkung erzielt werden, die denjenigen der weiter oben beschriebenen Konfiguration 3 ähnlich sind. Und weil ein oder mehrere der Kondensatoren mit Ausnahme des gerade elektrische Energie zuführenden Kondensators Zeit für das Laden haben, können die Vielzahl von Kondensatoren die elektrische Energie sequentiell zuführen, sodass kontinuierlich elektrische Energie zu der Zündkerze zugeführt werden kann.
Im Folgenden werden die Zeitabläufe für das Zuführen von elektrischer Energie und die Zeitabläufe für das Laden in Konfigurationen 5 bis 7 erläutert.
Ein Zündsystem gemäß einer Konfiguration 5 entspricht den oben beschriebenen Konfigurationen 3 oder 4, wobei die Steuereinheit die Energiezufuhrschalteinheiten der Vielzahl von Energiezuführeinheiten derart steuert, dass während einer Zeitperiode, während der wenigstens ein Kondensator elektrische Energie zuführt, mit dem Zuführen von elektrischer Energie von einem oder mehreren der Kondensatoren mit Ausnahme des gerade elektrische Energie zuführenden Kondensators zu der Plasmastrahl-Zündkerze begonnen wird.
Ein Zündsystem gemäß einer Konfiguration 6 entspricht der oben beschriebenen Konfiguration 5, wobei die Steuereinheit die Energiezufuhrschalteinheiten der Vielzahl von Energiezuführeinheiten derart steuert, dass während einer Periode, während der wenigstens ein Kondensator elektrische Energie zuführt, mit dem Zuführen von elektrischer Energie von einem oder mehreren Kondensatoren mit Ausnahme des elektrische Energie zuführenden Kondensators zu der Plasmastrahl-Zündkerze begonnen wird, nachdem der aufgrund der Zufuhr von elektrischer Energie von dem wenigstens einen Kondensator erzeugte Plasmaentladungsstrom seine Spitze erreicht hat.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration 6 wird elektrische Energie von einem oder mehreren der Kondensatoren mit Ausnahme des elektrische Energie zuführenden Kondensators zugeführt, nachdem der aufgrund der Zufuhr von elektrischer Energie von dem wenigstens einen Kondensator erzeugte Plasmaentladungsstrom seine Spitze erreicht hat. Dementsprechend kann die Ausstoßzeit der Flamme verlängert werden, wodurch die Zündleistung weiter verbessert werden kann.
Ein Zündsystem gemäß einer Konfiguration 7 entspricht einer der oben beschriebenen Konfigurationen 3 bis 6, wobei die Steuereinheit die Energiezufuhrschalteinheiten der Vielzahl von Energiezuführeinheiten derart steuert, dass die entsprechenden Zeitabläufe, mit denen elektrische Energie von wenigstens zwei Kondensatoren zu der Plasmastrahl-Zündkerze zugeführt wird, zusammenfallen.
Weil eine Plasmastrahl-Zündkerze derart aufgebaut ist, dass sich ihr Hohlraum zu einer Verbrennungskammer hin öffnet, können Fremdsubstanzen wie etwa Kohlenstoff und Kraftstoff an der Wandfläche des Hohlraums haften. Wenn Fremdsubstanzen an der Wandfläche des Hohlraums haften und sich dort ansammeln, können die Fremdsubstanzen die Erzeugung der Funkenentladung und des Plasmas behindern.
Weil jedoch bei der oben beschriebenen Konfiguration 7 die entsprechenden Zeitabläufe, mit denen elektrische Energie von wenigstens zwei Kondensatoren zu der Zündkerze zugeführt wird, zusammenfallen, kann die Spitzenenergie des Plasmas erhöht werden, sodass die Flamme kräftiger ausgestoßen werden kann. Sollten also Fremdsubstanzen an der Wandfläche des Hohlraums haften (z. B. wenn der Isolationswiderstand zwischen der Mittelelektrode und der Erdungselektrode vermindert ist), können diese Fremdsubstanzen zuverlässiger aus dem Hohlraum entfernt werden und können eine Funkenentladung und ein Plasma über eine längere Zeitperiode hinweg erzeugt werden.
Und weil gemäß der oben beschriebenen Konfiguration 7 die Zündung an einer der Mitte der Verbrennungskammer näheren Position stattfindet, kann die Zündleistung weiter verbessert werden.
Ein Zündsystem gemäß einer Konfiguration 8 entspricht einer der oben beschriebenen Ausführungsformen 3 bis 7, wobei die Steuereinheit die Ladungsschalteinheiten und die Energiezufuhrschalteinheiten der Vielzahl von Energiezuführeinheiten derart steuert, dass synchron zu dem Zeitablauf, mit dem wenigstens ein Kondensator elektrische Energie zuführt, elektrische Energie in wenigstens einen Kondensator mit Ausnahme des gerade elektrische Energie zuführenden Kondensators geladen wird.
Gemäß der oben beschriebenen Konfiguration 8 wird synchron zu dem Zeitablauf, mit dem wenigstens ein Kondensator elektrische Energie zuführt, elektrische Energie in wenigstens einen Kondensator mit Ausnahme des gerade elektrische Energie zuführenden Kondensators geladen. Dementsprechend kann auch ohne eine große Anzahl von Energiezuführeinheiten elektrische Energie von einem einzigen Kondensator mit einer Vielzahl von Wiederholungen während einer einzelnen Funkenentladung zugeführt werden, sodass verschiedene Plasmaformen einfacher erzeugt werden können.
1 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines Zündsystems schematisch zeigt.
2 ist ein Zeitdiagramm, das den Zeitablauf für das Zuführen von elektrischer Energie, den Zeitablauf für das Laden von Kondensatoren usw. in einem ersten Fall zeigt.
3 ist ein Zeitdiagramm, das den Zeitablauf für das Zuführen von elektrischer Energie, den Zeitablauf für das Laden von Kondensatoren usw. in einem zweiten Fall zeigt.
4 ist ein Zeitdiagramm, das den Zeitablauf für das Zuführen von elektrischer Energie, den Zeitablauf für das Laden von Kondensatoren usw. in einem dritten Fall zeigt.
5 ist ein Zeitdiagramm, das den Zeitablauf für das Zuführen von elektrischer Energie, den Zeitablauf für das Laden von Kondensatoren usw. in einem vierten Fall zeigt.
6 ist eine teilweise ausgeschnittene Vorderansicht, die die Konfiguration einer Zündkerze zeigt.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch die Konfiguration eines Zündsystems 31 zeigt, das eine Zündvorrichtung 32 für eine Plasmastrahl-Zündkerze (nachfolgend auch einfach als Zündkerze bezeichnet) 1 und eine elektronische Steuereinheit (ECU) 33 eines Fahrzeugs, die als Steuereinheit zum Steuern der Zündvorrichtung 32 dient, umfasst.
Zuerst wird im Folgenden kurz der Aufbau der durch das Zündsystem 31 gesteuerten Zündkerze 1 beschrieben, bevor anschließend das Zündsystem 31 beschrieben wird.
6 ist eine teilweise ausgeschnittene Vorderansicht, die die Zündkerze 1 zeigt. In 6 wird die Richtung einer Achse CL1 der Zündkerze 1 als vertikale Richtung bezeichnet. In der folgenden Beschreibung wird die in der Darstellung von 6 untere Seite der Zündkerze 1 als Vorderseite der Zündkerze 1 bezeichnet und wird die obere Seite als Rückseite bezeichnet.
Die Zündkerze 1 umfasst einen rohrförmigen Isolator 2 und eine rohrförmige Metallhülse 3, in welcher der Isolator 2 gehalten wird.
Der Isolator 2 ist aus Aluminium oder ähnlichem auf aus dem Stand der Technik bekannte Weise etwa durch Brennen ausgebildet. Der Isolator 2 umfasst von außen gesehen: einen hinteren Rumpfteil 10, der an einer Rückseite ausgebildet ist; einen Teil 11 mit einem großen Durchmesser, der vor dem hinteren Rumpfteil 10 angeordnet ist und radial nach außen vorsteht; einen mittleren Rumpfteil 12, der vor dem Teil 11 mit dem großen Durchmesser angeordnet ist und einen kleineren Durchmesser aufweist als der Teil 11 mit dem großen Durchmesser; und einen Schenkelteil 13, der vor dem mittleren Rumpfteil 12 angeordnet ist und einen kleineren Durchmesser aufweist als der mittlere Rumpfteil 12. Außerdem sind der Teil 12 mit dem großen Durchmesser, der mittlere Rumpfteil 12 und der Schenkelteil 13 des Isolators 2 in der Metallhülse 3 aufgenommen. Ein sich verjüngender, gestufter Teil 14 ist an einem Verbindungsteil zwischen dem mittleren Rumpfteil 12 und dem Schenkelteil 13 ausgebildet. Der Isolator 2 sitzt auf der Metallhülse 3 an dem gestuften Teil 14.
Weiterhin weist der Isolator 2 ein Axialloch 4 auf, das sich entlang der Achse CL1 durch den Isolator 2 erstreckt. Eine Mittelelektrode 5 ist fix in einen vorderen Endteil des Axiallochs 4 eingesteckt. Die Mittelelektrode 5 umfasst eine innere Schicht 5A aus zum Beispiel Kupfer oder einer Kupferlegierung, die eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit aufweist, und eine äußere Schicht 5B aus einer Nickellegierung wie etwa ICONEL (Marke) 600 oder 601, die Nickel als Hauptkomponente enthält. Weiterhin weist die Mittelelektrode 5 insgesamt eine stangenartige (säulenartige) Form auf. Die vordere Endfläche der Mittelelektrode 5 ist hinter der vorderen Endfläche des Isolators 2 angeordnet. Insbesondere kann eine Spitze aus einem Metallmaterial mit einer hervorragenden Erosionsbeständigkeit (z. B. Ir, Pt, W oder ähnliches) an dem vorderen Ende der Mittelelektrode 5 vorgesehen sein.
Weiterhin ist eine Anschlusselektrode 6 fix in den hinteren Endteil des Axiallochs 4 eingesteckt und steht von dem hinteren Ende des Isolators 2 vor.
Eine säulenförmige Glasdichtungsschicht 9 mit einem kreisrunden Querschnitt ist in dem Axialloch 4 zwischen der Mittelelektrode 5 und der Anschlusselektrode 6 angeordnet. Die Glasdichtungsschicht 9 verbindet die Mittelelektrode 5 elektrisch mit der Anschlusselektrode 6 und fixiert die Mittelelektrode 5 und die Anschlusselektrode 6 an dem Isolator 2.
Außerdem ist die Metallhülse 3 rohrförmig aus einem kohlenstoffarmen Stahl oder einem ähnlichen Metall ausgebildet. Die Metallhülse 3 weist auf ihrer Außenumfangsfläche einen Gewindeteil (einen Außengewindeteil) 15 auf, damit die Zündkerze 1 in einem Montageloch einer Verbrennungsvorrichtung (z. B. eines Verbrennungsmotors oder eines Reformers) montiert werden kann. Weiterhin weist die Metallhülse 3 auf ihrer Außenumfangsfläche einen Dichtungsteil 16 auf, der hinter dem Gewindeteil 15 angeordnet ist. Eine ringförmige Dichtung 18 ist auf einen Stutzenteil 17 an dem hinteren Ende des Gewindeteils 15 gepasst. Weiterhin umfasst die Metallhülse 3 in der Nähe des hinteren Endes einen Werkzeugeingreifteil 19, der einen sechseckigen Querschnitt aufweist, sodass ein Werkzeug wie etwa ein Schraubenschlüssel in den Werkzeugeingreifteil 19 eingreifen kann, um die Metallhülse 3 an der Verbrennungsvorrichtung zu montieren. Weiterhin umfasst die Metallhülse 3 einen Crimpteil 20, der an einem hinteren Endteil vorgesehen ist, um den Isolator 2 zu halten. Weiterhin umfasst die Metallhülse 3 einen ringförmigen Eingreifteil 21, der außen an einem vorderen Endteil ausgebildet ist und in Bezug auf die Richtung der Achse CL1 nach vorne vorsteht. Die weiter unten beschriebene Erdungselektrode 27 wird mit dem Eingreifteil 21 verbunden.
Weiterhin umfasst die Metallhülse 3 auf ihrer Innenumfangsfläche einen sich verjüngenden, gestuften Teil 22, der ausgebildet ist, damit der Isolator 2 darauf sitzen kann. Der Isolator 2 wird von dem hinteren Ende der Metallhülse 3 nach vorne in die Metallhülse 3 einsteckt. In einem Zustand, in dem der gestufte Teil 14 des Isolators 2 gegen den gestuften Teil 22 der Metallhülse 3 anstößt, wird ein hinterer Öffnungsteil der Metallhülse 3 radial nach innen gecrimpt, wodurch der Crimpteil 20 gebildet wird und der Isolator 2 in seiner Position fixiert wird. Eine ringförmige Flachdichtung 23 ist zwischen den gestuften Teilen 14 und 22 jeweils des Isolators 2 und der Metallhülse 3 angeordnet. Dadurch wird eine Gasdichtigkeit einer Verbrennungskammer gewährleistet und ein Lecken von Kraftstoffgas durch einen Zwischenraum zwischen dem Schenkelteil 13 des Isolators 2 und der Innenumfangsfläche der Metallhülse 3 verhindert.
Um die durch das Crimpen hergestellte Gasdichtigkeit zu sichern, sind Ringglieder 24 und 25 zwischen der Metallhülse 3 und dem Isolator 3 in einem Bereich in der Nähe des hinteren Endes der Metallhülse 3 vorgesehen und ist ein Zwischenraum zwischen den Ringgliedern 24 und 25 mit einem Talkpulver 26 gefüllt. Die Metallhülse 3 hält also den Isolator 2 über die Flachdichtung 23, die Ringglieder 24 und 25 und den Talk 26.
Die Erdungselektrode 27 ist scheibenförmig aus einer Ir-Legierung ausgebildet, die Ir als Hauptkomponente enthält. Die Erdungselektrode 27 wird mit einem vorderen Endteil der Metallhülse wie folgt verbunden: während die Erdungselektrode 27 in den Eingreifteil 21 der Metallhülse 3 eingreift, wird ein Außenumfangsteil der Erdungselektrode 27 auf den Eingreifteil 21 geschweißt.
Außerdem weist die Erdungselektrode 27 ein Durchgangsloch 28 auf, das sich durch einen mittleren Teil der Erdungselektrode 27 in der Dickenrichtung derselben erstreckt. Die Wandfläche des Axiallochs 4 und die vordere Endfläche der Mittelelektrode 5 definieren einen Hohlraum 29. Der Hohlraum 29 ist über das Durchgangsloch 28 mit der Umgebungsatmosphäre verbunden.
Eine Hochspannung wird an der Anschlusselektrode 6 der oben beschriebenen Zündkerze 1 angelegt, um eine Funkenentladung zwischen der Mittelelektrode 5 und der Erdungselektrode 27 zu erzeugen und einen dielektrischen Durchschlag zwischen denselben zu veranlassen. In diesem Zustand wird elektrische Energie zwischen der Mittelelektrode 5 und der Erdungselektrode 27 angelegt, um einen Übergang eines Entladungszustands vorzusehen und dadurch ein Plasma in dem Hohlraum 29 zu erzeugen. Dadurch wird eine Flamme aus dem Durchgangsloch 28 ausgestoßen. Im Folgenden wird die Konfiguration des Zündsystems 31 einschließlich der Zündvorrichtung 32 beschrieben, das eine Hochspannung und elektrische Energie zu der Zündkerze 1 zuführt.
Wie in 1 gezeigt, umfasst das Zündsystem 31 die Zündvorrichtung 32 und die ECU 33 und umfasst die Zündvorrichtung 32 die Entladungsspannungszuführeinheit 41 und die Plasmastromzuführeinheit 51.
Die Entladungsspannungszuführeinheit 41 führt eine Hochspannung zu der Zündkerze 1 zu, um eine Funkenentladung zwischen der Mittelelektrode 5 und der Erdungselektrode 27 zu erzeugen. Die Entladungsspannungszuführeinheit 41 umfasst eine primäre Spule 42, eine sekundäre Spule 43, einen Kern 44 und eine Entladungsschalteinheit 45.
Ein Ende der primären Spule 42, die um den Kern 44 gewickelt ist, ist mit einer Stromversorgungsbatterie VA verbunden, während das andere Ende mit der Entladungsschalteinheit 45 verbunden ist. Ein Ende der sekundären Spule 43, die ebenfalls um den Kern 44 gewickelt ist, ist mit einer Leitung zwischen der primären Spule 42 und der Batterie VA verbunden, während das andere Ende über eine Diode 45, die einen Rückfluss des Stroms verhindert, mit der Zündkerze 1 verbunden ist.
Die Entladungsschalteinheit 45 wird durch einen Transistor gebildet und gestattet und unterbindet die Zufuhr von elektrischer Energie von der Batterie VA zu der primären Spule 42 in Übereinstimmung mit einem Energiezufuhrsignal aus der ECU 33. Wenn eine Hochspannung an der Zündkerze 1 angelegt werden soll, wird ein Stromfluss von der Batterie VA zu der primären Spule 42 veranlasst, sodass ein Magnetfeld um den Kern 44 herum gebildet wird. In diesem Zustand wird die Zufuhr des Stroms von der Batterie VA zu der primären Spule 42 durch die ECU 33 gestoppt (die ECU 33 wechselt den Pegel des Energiezufuhrsignals von einem EIN-Pegel zu einem AUS-Pegel). Das Stoppen des Stroms hat eine Änderung in dem Magnetfeld um den Kern 44 herum zur Folge. Die primäre Spule 42 erzeugt eine Primärspannung durch Selbstinduktion, und die sekundäre Spule 43 erzeugt eine negative Hochspannung (mehrere kV bis hin zu mehreren 10 kV). Indem diese negative Hochspannung an der Zündkerze 1 (an der Anschlusselektrode 6) angelegt wird, wird eine Funkenentladung zwischen der Erdungselektrode 27 und der als negativer Elektrode dienenden Mittelelektrode 5 erzeugt.
Die Plasmastromzuführeinheit 51 umfasst eine Stromversorgung PS zum Erzeugen einer positiven Spannung, eine erste Energiezuführeinheit 52 und eine zweite Energiezuführeinheit 53.
Die erste und die zweite Energiezuführeinheit 52, 53 führen elektrische Energie für die Erzeugung eines Plasmas zu der Zündkerze 1 zu. Die erste Energiezuführeinheit 52 umfasst einen ersten Kondensator 54, eine erste Ladungsschalteinheit 56 und eine erste Energiezufuhrschalteinheit 58. Die zweite Energiezufuhreinheit 53 umfasst einen zweiten Kondensator 55, eine zweite Ladungsschalteinheit 57 und eine zweite Energiezufuhrschalteinheit 59.
Erste Enden der Kondensatoren 54, 55 sind mit der Stromversorgung PS verbunden, um durch die Stromversorgung PS geladen zu werden, und zweite Enden der Kondensatoren 54, 55 sind mit der Zündkerze 1 verbunden. Die Kondensatoren 54, 55 sind jeweils in Reihe zwischen der Stromversorgung PS und der Zündkerze 1 angeordnet. Wenn Elektrizität von der Stromversorgung PS in die Kondensatoren 54, 55 geladen wird, wird die erste Endseite jedes Kondensators 54, 55 positiv und wird die zweite Endseite jedes Kondensators 54, 55 negativ. Wenn dementsprechend die in jedem Kondensators 54, 55 gespeicherte elektrische Energie zu der Zündkerze 1 zugeführt wird, fließt ein Strom von der Zündkerze 1 zu dem Kondensator 54, 55, wodurch ein Plasma erzeugt wird. In diesem Fall dient die Mittelelektrode 5 als eine negative Elektrode.
Die Ladungsschalteinheit 56 (57) gestattet und unterbindet die Zufuhr von elektrischer Energie von der Stromversorgung PS zu dem Kondensator 54 (55) und wird in der vorliegenden Ausführungsform durch einen MOSFET gebildet. Ein Ende der Ladungsschalteinheit 56 (57) ist über eine Diode 60 (61), die einen Rückfluss verhindert, mit einer Leitung zwischen dem Kondensator 54 (55) und der Zündkerze 1 verbunden, während das andere Ende geerdet ist. Signale aus der ECU 33 werden über einen Steuerkreis 34 in das Gate der Ladungsschalteinheit 56 (57) eingegeben. Wenn ein EIN-Signal von der ECU 33 zu der Ladungsschalteinheit 56 (57) geführt wird, wird die Ladungsschalteinheit 56 (57) eingeschaltet. Wenn ein AUS-Signal von der ECU 33 zu der Ladungsschalteinheit 56 (57) zugeführt wird, wird die Ladungsschalteinheit 56 (57) ausgeschaltet. Die EIN/AUS-Zustände der Ladungsschalteinheit 56, 57 werden also durch die ECU 33 gesteuert.
Die Energiezufuhrschalteinheit 58 (59) gestattet und unterbindet die Zufuhr von elektrischer Energie von dem Kondensator 54 (55) zu der Zündkerze 1 und wird in der vorliegenden Ausführungsform durch einen MOSFET gebildet. Ein Ende der Energiezufuhrschalteinheit 58 (59) ist mit einer Leitung zwischen dem Kondensator 54 (55) und der Stromversorgung PS verbunden, während das andere Ende geerdet ist. Signale aus der ECU 33 werden über den Steuerkreis 34 in das Gate der Energiezufuhrschalteinheit 58 (59) eingegeben. Wenn ein EIN-Signal von der ECU 33 zu der Energiezufuhrschalteinheit 58 (59) zugeführt wird, wird die Energiezufuhrschalteinheit 58 (59) eingeschaltet. Wenn ein AUS-Signal von der ECU 33 zu der Energiezufuhrschalteinheit 58 (59) zugeführt wird, wird die Energiezufuhrschalteinheit 58 (59) ausgeschaltet. Wie bei den Ladungsschalteinheiten 56, 57 werden die EIN/AUS-Zustände der Energiezufuhrschalteinheit 58, 59 durch die ECU 33 gesteuert.
Wenn elektrische Energie von der Stromversorgung PS in den Kondensator 54 (55) geladen werden soll, schaltet die ECU 33 die Ladungsschalteinheit 56 (57) ein und die Energiezufuhrschalteinheit 58 (59) aus. Wenn die in dem Kondensator 54 (55) gespeicherte elektrische Energie zu der Zündkerze 1 zugeführt werden soll, schaltet die ECU 33 die Ladungsschalteinheit 56 (57) aus und die Energiezufuhrschalteinheit 58 (59) ein.
Weiterhin enthält die Energiezuführeinheit 52 (53) Dioden 62, 64 (63, 65) und ist konfiguriert, um einen Rückfluss des Stroms zu verhindern, der ansonsten während des Ladens des Kondensators 54 (55) oder während des Zuführens von elektrischer Energie zu der Zündkerze 1 auftreten würde. Weiterhin ist eine Spule 66 (67) in der Energiezuführeinheit 52 (53) vorgesehen, um die Zufuhr von elektrischer Energie zu der Zündkerze 1 auf einmal zu verhindern.
Außerdem ist die ECU 33 mit verschiedenen Sensoren wie etwa einem Wassertemperatursensor SE zum Erhalten von Informationen zu der Wassertemperatur eines Motors EN, einem Kurbelwinkelsensor zum Erfassen des Winkels einer Kurbelwelle, einem Klopfsensor zum Erfassen eines Klopfens des Motors EN und einem Luft/Kraftstoff-Sensor zum Messen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses verbunden (in 1 ist nur der Wassertemperatursensor SE gezeigt). Die ECU 33 erfasst den Verbrennungszustand des Motors EN und den Zustand der Zündkerze 1 (z. B. ob eine Fremdsubstanz an der Wand des Hohlraums 29 haftet) auf der Basis von Informationen aus den Sensoren und anderer Informationen. Auf der Basis des Verbrennungszustands des Motors EN und des Zustands der Zündkerze 1 bestimmt die ECU 33 die Anzahl der Wiederholungen der Plasmaerzeugung während einer einzelnen Funkenentladung, die Ausstoßzeit der Flamme, die Spitzenenergie des Plasmas (die Ausstoßlänge der Flamme) usw. Um die Anzahl der Wiederholungen der Plasmaerzeugung usw. in Übereinstimmung mit der Bestimmung einzustellen, steuert die ECU 33 den Zeitablauf der Zufuhr von elektrischer Energie zu der Zündkerze 1 und den Zeitablauf des Ladens des Kondensators 54, 55, indem sie die EIN/AUS-Zeiten der Ladungsschalteinheit 56, 57 und der Energiezufuhrschalteinheit 58, 59 ändert.
Im Folgenden werden mit Bezug auf 2 bis 5 der Zeitablauf für die Zufuhr von elektrischer Energie zu der Zündkerze 1 und der Zeitablauf für das Laden der Kondensatoren 54, 55 für vier verschiedene Fälle beschrieben. Es ist zu beachten, dass die im Folgenden beschriebenen Zeitabläufe für das Zuführen von elektrischer Energie und für das Laden lediglich beispielhaft sind und auf verschiedene Weise in Übereinstimmung mit den Informationen aus den Sensoren, dem Aufbau der Zündkerze 1 usw. verändert werden können.
In einem ersten Fall muss die Gelegenheit zu einer Zündung mit einer Vielzahl von Wiederholungen während einer einzelnen Funkenentladung gesichert werden.
Wenn die ECU 33 auf der Basis der aus den Sensoren usw. erhaltenen Informationen bestimmt, dass die Gelegenheit zu einer Zündung mit einer Vielzahl von Wiederholungen gesichert werden muss (d. h. das Plasma mit einer Vielzahl von Wiederholungen während einer einzelnen Funkenentladung erzeugt werden muss), schaltet die ECU 33 wie in 2 gezeigt vor der Funkenentladung zuerst die beiden Ladungsschalteinheiten 56, 57 ein und die beiden Energiezufuhrschalteinheiten 58, 59 aus, um die Kondensatoren 54, 55 zu laden. Dann schaltet die ECU 33 die beiden Ladungsschalteinheiten 56, 57 aus und schaltet die erste Energiezufuhrschalteinheit 58 synchron mit der Funkenentladung ein (zu dem Zeitpunkt, zu dem der Pegel des Energiezufuhrsignals zu dem AUS-Pegel wechselt), um die in dem ersten Kondensator 54 gespeicherte elektrische Energie zu der Zündkerze 1 zuzuführen. Und nachdem die Zufuhr der elektrischen Energie von dem ersten Kondensator 54 zu der Zündkerze 1 während der Funkenentladung abgeschlossen ist, schaltet die ECU 33 die zweite Energiezufuhrschalteinheit 59 ein, um elektrische Energie von dem zweiten Kondensator 55 zu der Zündkerze 1 zuzuführen. Indem die Schalteinheiten 56 bis 59 auf diese Weise gesteuert werden, kann ein Plasma mit einer Vielzahl von Wiederholungen während einer einzelnen Funkenentladung erzeugt werden und kann die Gelegenheit einer Zündung mit einer Vielzahl von Wiederholungen gesichert werden.
In einem zweiten Fall muss die Gelegenheit zu einer Zündung mit einer größeren Anzahl von Wiederholungen während einer einzelnen Funkenentladung gesichert werden.
In dem oben beschriebenen ersten Fall werden die Schalteinheiten 56 bis 59 derart gesteuert, dass die Kondensatoren 54, 55 vor der Funkenentladung geladen werden. Die Kondensatoren 54, 55 können jedoch auch während der Funkenentladung geladen werden. Indem die Kondensatoren 54, 55 während der Funkenentladung geladen werden, kann elektrische Energie mit einer Vielzahl von Wiederholungen während einer einzelnen Funkenentladung zu der Zündkerze 1 zugeführt werden, wobei die Anzahl der Wiederholungen größer als die Anzahl der Energiezuführeinheiten 52 und 53 ist.
Dementsprechend schaltet wie in 3 gezeigt in der ersten Energiezuführeinheit 52 die ECU 33 die erste Ladungsschalteinheit 56 ein und die erste Energiezufuhrschalteinheit 58 aus, um den ersten Kondensator 54 zu laden. Währenddessen schaltet in der zweiten Energiezuführeinheit 53 die ECU 33 synchron zu der Funkenentladung die zweite Ladungsschalteinheit 57 aus und die zweite Energiezufuhrschalteinheit 59 ein, um die in dem zweiten Kondensator 55 gespeicherte elektrische Energie zu der Zündkerze 1 zuzuführen. Danach werden durch ein EIN/AUS-Schalten der Schalteinheiten 56 bis 59 das Zuführen von elektrischer Energie zu der Zündkerze 1 und das Laden des Kondensators 54, 55 alternativ in jeder Energiezuführeinheit 52, 53 durchgeführt. Durch die Verwendung der zwei Energiezuführeinheiten 52 und 53 kann also elektrische Energie zu der Zündkerze mit einer Vielzahl von Wiederholungen während einer einzelnen Funkenentladung zugeführt werden. Deshalb kann die Gelegenheit zu einer Zündung mit einer größeren Anzahl von Wiederholungen gesichert werden.
In einem dritten Fall muss eine Flamme über eine lange Zeitperiode ausgestoßen werden.
Wenn die ECU 33 auf der Basis der aus den Sensoren erhaltenen Informationen usw. bestimmt, dass die Periode zum Ausstoßen der Flamme verlängert werden soll, betreibt die ECU 33 die Schalteinheit 56 bis 59 wie in 4 gezeigt. Insbesondere schaltet in der zweiten Energiezufuhreinheit 53 die ECU 33 die zweite Ladungsschalteinheit 59 aus und die zweite Energiezufuhrschalteinheit 57 ein, um elektrische Energie von dem zweiten Kondensator 55 zu der Zündkerze 1 zuzuführen. Währenddessen schaltet in der ersten Energiezuführeinheit 52 die ECU 33 in der Periode, während der elektrische Energie von dem zweiten Kondensator 55 zu der Zündkerze 1 zugeführt wird, die erste Ladungsschalteinheit 56 aus und die erste Energiezufuhrschalteinheit 58 ein. Die Schaltzeiten der zwei Schalteinheiten 56 und 58 sind geringfügig gegenüber den Schaltzeiten der zwei Schalteinheiten 57 und 59 der zweiten Energiezuführeinheit 53 versetzt. Die Zufuhr der elektrischen Energie von dem ersten Kondensator 54 zu der Zündkerze 1 wird zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb der Periode, während der elektrische Energie aus dem zweiten Kondensator 55 zugeführt wird, gestartet, wobei der bestimmte Zeitpunkt hinter dem Zeitpunkt liegt, zu dem ein aufgrund der Zufuhr der elektrischen Energie erzeugter Plasmaentladungsstrom seine Spitze erreicht hat.
Und wenn die Zufuhr der elektrischen Energie zu der Zündkerze 1 in einer Energiezuführeinheit 52 (53) abgeschlossen wird, während Energie von der anderen Energiezuführeinheit 53 (52) zu der Zündkerze 1 zugeführt wird, wird die Energiezufuhrschalteinheit 58 (59) in der einen Energiezuführeinheit 52 (53) ausgeschaltet und wird die Ladungsschalteinheit 56 (57) in der einen Energiezuführeinheit 52 (53) eingeschaltet, sodass der Kondensator 54 (55) der einen Energiezuführeinheit 53 (53) geladen wird. Während danach eine Energiezuführeinheit 52 (53) elektrische Energie zuführt, wird das Laden des Kondensators 55 (54) durchgeführt und wird die Zufuhr der elektrischen Energie aus dem geladenen Kondensator 55 (54) in der anderen Energiezuführeinheit 53 (52) gestartet. Während dieser Operation wird elektrische Energie kontinuierlich zu der Zündkerze 1 zugeführt. Daraus resultiert, dass eine Flamme kontinuierlich über eine lange Zeitperiode ausgestoßen wird, wodurch die Zündleistung verbessert werden kann.
In einem vierten Fall muss die Spitzenenergie des Plasmas erhöht werden.
Wenn die ECU 33 auf der Basis der aus den Sensoren erhaltenen Informationen usw. bestimmt, dass eine Fremdsubstanz an der Wand des Hohlraums 29 haftet, schaltet die ECU 33 zur Erhöhung der Spitzenenergie des Plasmas (der Ausstoßlänge der Flamme) die zwei Ladungsschalteinheiten 56 und 57 aus und die zwei Energiezufuhrschalteinheiten 58 und 49 gleichzeitig ein, sodass der Zeitablauf, mit dem elektrische Energie von dem Kondensator 54 zu der Zündkerze 1 zugeführt wird, mit dem Zeitablauf zusammenfällt, mit dem elektrische Energie von dem Kondensator zu der Zündkerze 1 zugeführt wird. Durch diese Operation kann die Spitzenenergie des Plasmas erhöht werden und kann die an der Wand des Hohlraums 29 haftende Fremdsubstanz entfernt werden.
Wie vorstehend im Detail beschrieben, sind gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Kondensatoren 54, 55 jeweils in Reihe zwischen der Stromversorgung PS, die die positive Spannung erzeugt, und der Zündkerze 1 vorgesehen. Während also der Kondensator 54, 55 geladen wird, wird die mit der Stromversorgung PS verbundene Seite des Kondensators positiv und wird die mit der Zündkerze 1 verbundene Seite des Kondensators negativ. Wenn dementsprechend elektrische Energie von dem Kondensator 54, 55 zu der Zündkerze 1 zugeführt wird, fließt ein Strom von der Zündkerze 1 zu dem Kondensator 54, 55 (dabei dient die Mittelelektrode 5 als negative Elektrode für die Erzeugung des Plasmas). Die Zündkerze 1 erzeugt also sowohl eine Funkenentladung als auch ein Plasma, wobei die Mittelelektrode 5 als negative Elektrode verwendet wird. Dadurch können die Zündleistung und die Erosionsbeständigkeit der Elektroden verbessert werden.
Und weil die Stromversorgung PS eine positive Spannung erzeugt, können die Herstellungskosten reduziert werden und kann ein komplexer Aufbau der Vorrichtung vermieden werden.
Weiterhin umfasst die Energiezuführeinheit 52 (53) die Energiezufuhrschalteinheit 58 (59) und die Ladungsschalteinheit 56 (57) und kann den Zeitablauf für das Zuführen von elektrischer Energie zu der Zündkerze 1 und den Zeitablauf für das Laden des Kondensators 54 (55) durch das Ändern der Zeiten für das EIN/AUS-Schalten der zwei Schalteinheiten 56, 58 (57, 59) beliebig einstellen. Dank dieser Konfiguration können die Zufuhr von elektrischer Energie und das Laden mit korrekten Zeitabläufen in Übereinstimmung mit den Zuständen des Motors EN und der Zündkerze 1 durchgeführt werden. Das Plasma kann also in den verschiedenen oben beschriebenen Modi einfach erzeugt werden.
Und weil wie oben beschrieben mehrere Energiezuführeinheiten 52, 53 vorgesehen sind, kann elektrische Energie von den Kondensatoren 54, 55 in überlagerter Weise zu den Zündkerze 1 zugeführt werden und kann elektrische Energie intermittierend mit einer Vielzahl von Wiederholungen während einer einzelnen Funkenentladung zu der Zündkerze 1 zugeführt werden. Bei dem Zündsystem 31 der vorliegenden Ausführungsform können also durch die vorgesehene Vielzahl von Energiezuführeinheiten 52, 53 die Zuführzeiten, die Zuführmengen usw. der elektrischen Energie fein eingestellt werden, sodass ein für die Zustände des Motors EN und der Zündkerze 1 geeignetes Plasma einfacher erzeugt werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die hier beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann zum Beispiel auch wie nachfolgend beschrieben realisiert werden. Natürlich sind auch weitere Anwendungen und Modifikationen als die hier beschriebenen möglich.

(a) In der oben beschriebenen Ausführungsform sind zwei Energiezuführeinheiten 52, 53 vorgesehen. Die Anzahl der Energiezuführeinheiten 52, 53 muss jedoch nicht auf zwei beschränkt sein. Dementsprechend kann auch nur eine einzige Energiezuführeinheit zwischen der Stromversorgung PS und der Zündkerze 1 vorgesehen sein oder können drei oder mehr Energiezuführeinheiten parallel zwischen der Stromversorgung PS und der Zündkerze 1 vorgesehen sein. Indem drei oder mehr Energiezuführeinheiten vorgesehen werden, kann die Zündleistung verbessert werden und kann die Spitzenenergie des Plasmas effektiver realisiert werden.
(b) In der oben beschriebenen Ausführungsform wird jede der Schalteinheiten 56 bis 59 durch einen MOSFET gebildet. Die Energiezufuhrschalteinheiten und/oder Ladungsschalteinheiten können jedoch auch durch andere Halbleiterschalter (z. B. Transistoren) oder mechanische Schalter gebildet werden.
(c) In der oben beschriebenen Ausführungsform werden die Energiezuführeinheiten 52, 53 durch die ECU 33 gesteuert. Die beschriebene Ausführungsform kann jedoch auch derart modifiziert werden, dass die Energiezufuhreinheit 52, 53 durch einen separat vorgesehenen Mikrocomputer gesteuert wird.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007-170371 [0006]
JP 2009-97500 [0006]

Claims

Zündvorrichtung für eine Plasmastrahl-Züdkerze mit einer Mittelelektrode (5), einer Erdungselektrode (27) und einem Hohlraum (29), der wenigstens einen Teil eines Zwischenraums zwischen den zwei Elektroden (5, 27) umgibt, um einen Entladungsraum zu bilden, wobei eine Funkenentladung an dem Zwischenraum erzeugt wird, indem eine Spannung zwischen den Elektroden (5, 27) angelegt wird, und ein Plasmastrahl aus dem Hohlraum (29) ausgestoßen wird, indem in Reaktion auf die Funkenentladung elektrische Energie zu der Mittelelektrode (5) zugeführt wird, wobei die Mittelelektrode (5) als negative Elektrode zum Erzeugen der Funkenentladung dient, wobei die Zündvorrichtung umfasst: eine Stromversorgung (PS), die eine positive Spannung erzeugt, und eine Energiezuführeinheit (52, 53), die elektrische Energie zu der Plasmastrahl-Zündkerze (1) zuführt, wobei die Energiezuführeinheit (52, 53) umfasst: einen Kondensator (54, 55), dessen eines Ende mit der Stromversorgung (PS) verbunden ist und dessen anderes Ende mit der Plasmastrahl-Zündkerze (1) verbunden ist, eine Ladungsschalteinheit (56, 57), deren eines Ende mit einer Leitung zwischen dem Kondensator (54, 55) und der Plasmastrahl-Zündkerze (1) verbunden ist und deren anderes Ende geerdet ist, wobei die Ladungsschalteinheit (56, 57) das Laden von elektrischer Energie von der Stromversorgung (PS) zu dem Kondensator (54, 55) gestattet und unterbindet, und eine Energiezufuhrschalteinheit (58, 59), deren eines Ende mit einer Leitung zwischen dem Kondensator (54, 55) und der Stromversorgung (PS) verbunden ist und deren anderes Ende geerdet ist, wobei die Energiezufuhrschalteinheit (58, 59) das Zuführen von elektrischer Energie von dem Kondensator (54, 55) zu der Plasmastrahl-Zündkerze (1) gestattet und unterbindet.
Zündvorrichtung für eine Plasmastrahl-Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Energiezuführeinheiten (52, 53) vorgesehen sind und jede Energiezuführeinheit (52, 53) parallel zwischen der Stromversorgung (PS) und der Plasmastrahl-Zündkerze (1) verbunden ist.
Zündsystem, das umfasst: eine Zündvorrichtung (32) für eine Plasmastrahl-Zündkerze (1) nach Anspruch 2, und eine Steuereinheit (33) zum Steuern der Ladungsschalteinheiten (56, 57) und der Energiezufuhrschalteinheiten (58, 59), wobei die Steuereinheit (33) die Energiezufuhrschalteinheiten (58, 59) derart steuert, dass elektrische Energie während einer einzelnen Funkenentladung von der Vielzahl von Energiezuführeinheiten (52, 53) zu der Plasmastrahl-Zündkerze (1) zugeführt wird.
Zündsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (33) die Energiezufuhrschalteinheiten (58, 59) der Vielzahl von Energiezuführeinheiten (52, 53) derart steuert, dass die Kondensatoren (54, 55) der Vielzahl von Energiezuführeinheiten (56, 57) während einer einzelnen Funkenentladung sequentiell elektrische Energie zuführen, sodass elektrische Energie mit einer Vielzahl von Wiederholungen während einer einzelnen Funkenentladung zu der Plasmastrahl-Zündkerze (1) zugeführt wird.
Zündsystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (33) die Energiezufuhrschalteinheiten (58, 59) der Vielzahl von Energiezuführeinheiten (52, 53) derart steuert, dass während einer Periode, während der wenigstens ein Kondensator (54, 55) elektrische Energie zuführt, mit der Zufuhr von elektrischer Energie zu der Plasmastrahl-Zündkerze (1) von einem oder mehreren Kondensatoren (54, 55) mit Ausnahme des gerade elektrische Energie zuführenden Kondensators (54, 55) begonnen wird.
Zündsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (33) die Energiezufuhrschalteinheiten (58, 59) der Vielzahl von Energiezuführeinheiten (52, 53) derart steuert, dass während einer Periode, während der wenigstens ein Kondensator (54, 55) elektrische Energie zuführt, mit der Zufuhr von elektrischer Energie zu der Plasmastrahl-Zündkerze (1) von einem oder mehreren Kondensatoren (54, 55) mit Ausnahme des gerade elektrische Energie zuführenden Kondensators (54, 55) begonnen wird, nachdem der aufgrund der Zufuhr der elektrischen Energie von dem wenigstens einen Kondensator (54, 55) erzeugte Plasmaentladungsstrom seine Spitze erreicht hat.
Zündsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (33) die Energiezufuhrschalteinheiten (58, 59) der Vielzahl von Energiezuführeinheiten (52, 53) derart steuert, dass die Zeitabläufe, mit denen elektrische Energie von wenigstens zwei Kondensatoren (54, 55) zu der Plasmastrahl-Zündkerze (1) zugeführt wird, zusammenfallen.
Zündsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (33) die Ladungsschalteinheiten (56, 57) und die Energiezufuhrschalteinheiten (58, 59) der Vielzahl von Energiezuführeinheiten (52, 53) derart steuert, dass in Reaktion auf den Zeitablauf, mit dem wenigstens ein Kondensator (54, 55) elektrische Energie zuführt, elektrische Energie in wenigstens einen Kondensator (54, 55) mit Ausnahme des gerade elektrische Energie zuführenden Kondensators (54, 55) geladen wird.