DE10239411A1 - Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mittels einer hochfrequenten elektrischen Energiequelle vorgeschlagen. Es ist eine einen Resonatorraum bildende koaxiale Wellenleiterstruktur (21), in die die hochfrequente elektrische Energie an einer vorgegebenen Einkoppelstelle (4; 20) am einen Ende eines Innenleiters (7; 23) der Wellenleiterstruktur (21) einspeisbar ist. An der Einkoppelstelle (20) bildet sich eine Kapazität durch eine entsprechende geometrische Ausbildung des Innenleiters (23) und/oder des Außenleiters (22) der Wellenleiterstruktur (21) und durch eine zusätzliche kurzgeschlossene Koaxialleitung (25) aus, mit der eine geeignete, insbesondere niederohmige, Impedanzanpassung der Speiseleitung (24) durchführbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mittels einer hochfrequenten Energiequelle nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
• Die Zündung eines solchen Luft-Kraftstoff-Gemischs mit Hilfe einer sogenannten Zündkerze stellt einen üblichen Bestandteil von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge dar. Bei diesen heute eingesetzten Zündsystemen wird die Zündkerze induktiv mittels einer Zündspule mit einer genügend hohen elektrischen Spannung versorgt, so dass sich ein Zündfunke am Ende der Zündkerze im Brennraum des Verbrennungsmotors herausbildet, um die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs einzuleiten.
• Beim Betrieb dieser herkömmlichen Zündkerze können Spannungen bis über dreißig Kilovolt auftreten, wobei durch den Verbrennungsprozess Rückstände, wie Ruß, Öl oder Kohle sowie Asche aus Kraftstoff und Öl auftreten, die unter bestimmten thermischen Bedingungen elektrisch leitend sind. Es dürfen jedoch bei diesen hohen Spannungen keine Über- oder Durchschläge am Isolator der Zündkerze auftreten, so dass der elektrische Widerstand des Isolators auch bei den auftretenden hohen Temperaturen während der Lebensdauer. der Zündkerze sich nicht verändern sollte.
• Es ist beispielsweise aus der DE 198 52 652 A1 eine Zündvorrichtung bekannt, bei der die Zündung eines solchen Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges unter Verwendung eines koaxialen Leitungsresonators vorgenommen wird. Hierbei wird die Zündspule durch eine genügend starke Mikrowellenquelle, z.B. eine Kombination aus einem Hochfrequenzgenerator und einem Verstärker, ersetzt. Mit einem geometrisch optimierten koaxialen Leitungsresonator stellt sich dann die für die Zündung erforderliche Feldstärke am offenen Ende des kerzenähnlichen Leitungsresonators ein und zwischen den Elektroden der Kerze bildet sich mit dem Spannungsüberschlag eine zündfähige Plasmastrecke heraus.
• Die elektrische Anregung dieses bekannten koaxialen Leitungsresonators erfolgt durch eine seitliche Einkopplungen, wobei diese Speiseanordnungen nach dem Einschrauben der sogenannten HF-Kerze allerdings eine undefinierte Winkelposition einnehmen. Um eventuell durch entsprechende konstruktive Maßnahmen die Kontaktposition in eine besser beherrschbare axiale Position zu überführen ist ein relativ großer radialer oder auch axialer Raumbedarf damit schon beim Einschrauben notwendig.
• Eine solche Hochfrequenzzündung ist allgemein auch in dem Aufsatz "SAE-Paper 970071, Investigatinon of a Radio Frequency Plasma Ignitor for Possible Internal Combustion Engine Use" beschrieben. Auch bei dieser Hochfrequenz- bzw. Mikrowellenzündung wird ohne eine übliche Zündspule mittels einer niederohmigen Einspeisung eine Hochspannung am sogenannten heißen Ende einer λ/4-Leitung eines HF-Leitungsresonators erzeugt.
• Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mittels einer hochfrequenten elektrischen Energiequelle, mit einer einen Resonatorraum bildenden koaxialen Wellenleiterstruktur, in die die hochfrequente elektrische Energie an einer vorgegebenen Einkoppelstelle am einen Ende des Innenleiters der koaxialen Wellenleiterstruktur einspeisbar ist. Das andere Ende des Innenleiters ragt in den jeweiligen Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors hinein, wobei an diesem Ende durch eine Überhöhung der elektrischen Feldstärke eine freistehende Plasmawolke erzeugbar ist.
• Die koaxiale Wellenleiterstruktur ist dabei in an sich bekannter Weise so ausgebildet, dass sich für eine vorgegebene effektive Wellenlänge λ_eff der eingekoppelten hochfrequenten Schwingung ein Leitungsresonator in etwa nach der Beziehung (2n+l)*λ_eff/4 mit n ≥ 0 ergibt und die hochfrequente Schwingung beispielsweise durch eine kapazitive, induktive, gemischte oder eine Aperturkopplung eingekoppelt wird. Die effektive Wellenlänge λ_eff wird dabei im wesentlichen durch die Formgebung des Endes des herausragenden Innleiters, durch die Abdichtung des Dielektrikums bzw. durch die Formgebung des gesamten Leitungsresonators bestimmt.
• Bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen stellt sich die für die Zündung im Brennraum erforderliche elektrische Feldstärke damit am offenen Ende des in seiner Form weitgehend zündkerzenähhlichen Resonators ein. Die we sentlichen Vorteile einer solchen Hochfrequenzzündkerze gegenüber der herkömmlichen Verwendung einer Zündkerze sind vor allem eine Kosten, Bauraum- und Gesichtseinsparung durch die Möglichkeit zur Miniaturisierung. Die bei der vorgeschlagenen Vorrichtung erreichte weitgehende Wärmewertfreiheit ermöglicht zudem eine Reduzierung der Typenvielfalt und damit ebenfalls eine Kosteneinsparung.
• Dadurch, dass hier auf einfache Weise bevorzugt im Oszillator, eventuell aber auch an sonstigen Bereichen des koaxialen Wellenleiters, ein elektrisches Mess- oder Steuersignal auskoppelbar ist, das von den physikalischen Größen des freistehenden Plasma im Luft-Kraftstoff-Gemisch abhängig ist, wird prinzipiell eine Einstellbarkeit der Flammgröße ermöglicht, womit ein vergrößertes Zündvolumen im Vergleich zur herkömmlichen Zündkerze und eine gute Einleitung der Flammfront in den Brennraum erreichbar ist. Dies führt zu einer Erhöhung der Zündsicherheit insbesondere bei Magergemischmotoren und bei einer Benzin-Direkt-Einspritzung.
• Ferner sind zusätzliche Freiheitsgrade durch die Steuerbarkeit der Brenndauer aufgrund der Möglichkeit der Ableitung auskoppelbarer Steuersignale vorhanden. Das ausgekoppelte elektrische Signal ist in einer Auswerteschaltung weiterverarbeitbar, mit der z.B. eine Diagnose der Anordnung, eine Regelung der hochfrequenten Energiequelle und/oder eine Steuerung vorgegebener Betriebsfunktionen bewirkbar ist. Diese Steuerbarkeit aufgrund der Möglichkeit der Verbrennungsdiagnostik und damit der Optimierung der Motorsteuerung führt zu einem geringeren Verschleiß der als Zündelektroden wirkenden Strukturen und es ist außerdem auch ein gesteuertes Abbrennen von Verunreinigungen, z.B. von Ruß, möglich.
• Gemäß einer besonders vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform ist an der Einkoppelstelle durch eine entsprechende geometrische Ausbildung des Innenleiters und/oder der äußeren koaxialen Wand der Wellenleiterstruktur eine zusätzliche kurzgeschlossene Koaxialleitung am Innenleiter und/oder der äußeren koaxialen Wand gebildet, mit der sich im wesentlichen eine Kapazität und/oder Induktivität an der Einkoppelstelle herausbildet und damit eine geeignete, insbesondere niederohmige Impedanzanpassung der Speiseleitung an den durch die Wellenleiterstruktur gebildeten Resonatorraum durchführbar ist.
• Hierbei wird durch eine geeignete Wahl und Verwendung einer Unterbrechungsstelle des Außen bzw. Innenleiters für den Anschluss der koaxialen Speiseleitung auf einfache konstruktive Weise der Impedanzpegel für die speisende Energiequelle geeignet gewählt. Kern dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Gestaltung der Einkopplung in die Resonatorraumstruktur durch entsprechende Ausgestaltungen des Innenleiters und/oder des Außenleiters, d.h. der äußeren Wand des Resonatorraumes, die es gestatten, das gewünschte Impedanzniveau zu erreichen.
• Beispielsweise kann die zusätzliche kurzgeschlossene Koaxialleitung durch eine sich koaxial in einer vorgegebene Länge erstreckende Ausnehmung in der äußeren Wand gebildet werden oder diese Koaxialleitung kann auch durch eine sich auch radial erstreckende Überlappung zwischen Bereichen des Innenleiters und der äußeren Wand der Wellenleiterstruktur mit einem dazwischenliegenden Dielektrikum gebildet sein.
• Vorteilhaft ist es auch, wenn die Überlappung und das dazwischenliegende Dielektrikum als die für die Anpassungstransformation notwendige Kapazität als Scheibenkapazität mit einer dielektrischen Scheibe ausgeführt ist, die eine einfache Montage gewährleistet. Die axiale Speiseleitung kann sich dabei auch konisch erweiternd bis zur Überlappung der Speiseleitung an der Einkoppelstelle erstrecken.
• Es ergibt sich mit den erfindungsgemäßen Ausführungsformen zusammenfassend eine gute, reproduzierbare Möglichkeit der Impedanzeinstellung an der Einkoppelstelle durch eine geeignete wahl der geometrischen Abmessungen. Diese Strukturen sind unmittelbar für den Anschluss eines koaxialen Steckers für die Zuführung der elektrischen Energie geeignet, wobei eine Wahl des Außenleiterdurchmessers der speisenden Leitung in weiten Grenzen möglich ist. Das Konzept ist auch auf einfache Weise für eine Integration in bestehende Resonatorstrukturen geeignet.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
• 1 eine prinzipielle Ansicht einer Vorrichtung zum hochfrequenten Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mit einer koaxialen Wellenleiterstruktur als Resonator,
• 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel in Abwandlung der Vorrichtung nach der 1 mit einer geometrischen Gestaltung des Außenleiters für eine niederohmige Einspeisung an der Einkoppelstelle,
• 3 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach der 2 mit einer Scheibenkapazität und einer kegelförmigen Speiseleitung,
• 4 und 5 weiteres Ausführungsbeispiel in Anwandlung der Vorrichtung nach der 2 oder der 3 mit einer geometrischen Gestaltung des Innenleiters.
• Beschreibung der Ausführungsbeispiele
• In 1 ist eine Prinzipansicht einer Vorrichtung zum hochfrequenten Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor gezeigt, die Bestandteile einer sogenannten Hochfrequenzzündkerze 1 aufweist. Es sind hier im einzelnen ein HF-Generator 2 und ein ev. auch verzichtbarer Verstärker 3 vorhanden, die als Mikrowellenquelle die hochfrequenten Schwingungen erzeugen. Schematisch ist hier eine induktive koaxiale Einkopplung 4 der hochfrequenten Schwingungen in eine als λ/4-Resonator 5 aufgebaute koaxiale Wellenleiterstruktur als wesentlicher Bestandteil der Hochfrequenzzündkerze 1 gezeigt.
• Der koaxiale Resonator 5 besteht aus einem Außenleiter 6 und einem Innenleiter 7, wobei das eine sogenannte offene oder heiße Ende 8 des Resonators 5 mit einem Innenleiter 7 als Zündstift 7a die Zündung bewirkt. Für die hochfrequenten Schwingungen stellt das andere sog. kalte, brennraumferne Ende 9 des Resonators 5 einen Kurzschluss dar. Das Dielektrikum 10 zwischen dem Außenleiter 6 und dem Innenleiter 7 besteht im wesentlichen aus Luft oder aus einem geeigneten nichtleitenden Material. Lediglich zur Abdichtung des offenen Endes 8 des Resonators 5 zum Brennraum ist eine Dichtung 11 vorhanden. Die Dichtung 11 besteht auch aus einem nichtleitendem Material, das den Temperaturen im Brennraum standhält, z.B. Keramik. Dabei bestimmen die dielektrischen Eigenschaften des Füllmaterials 10 bzw. der Abdichtung 11 mit die Abmessungen des Resonators 5.
• Bei dieser Hochfrequenzzündkerze 1 wird das Prinzip der Feldüberhöhung in einem koaxialen Resonator 5 der Länge (2n+l)*λ_eff/4 mit n ≥ 0 genutzt. Das durch eine genügend starke Mikrowellenquelle als Generator 2 und eventuell dem Verstärker 3 erzeugte hochfrequente Signal wird durch die Einkopplung 4 in den Resonator 5 eingespeist. Durch die Ausbildung eines Spannungsknotens am Kurzschluss 9 und eines Spannungsbauchs am einen offenen Ende 8 ergibt sich hier am Zündstift 7a eine Feldüberhöhung, die zu dem in der Beschreibungseinleitung erwähnten freistehenden Plasma führt.
• Aus 2 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Einkoppelstelle 20 (vgl. Einkopplung 4 nach der 1) in einer Wellenleiterstruktur 21 gezeigt, bei der durch eine geeignete Wahl und Verwendung einer Unterbrechungsstelle des Außen- bzw. Innenleiters 22,23 für den Anschluss einer koaxialen Speiseleitung 24 auf einfache konstruktive Weise der Impedanzpegel für die speisende Energiequelle geeignet gewählt werden kann. Nach der 2 ist eine zusätzliche kurzgeschlossene Koaxialleitung durch eine sich koaxial eine vorgegebene Länge erstreckende Ausnehmung 25 in der äußeren Wand 22 gebildet, mit der eine geeignete niederohmige Impedanzanpassung der Speiseleitung an den durch die Wellenleiterstruktur 21 gebildeten Resonatorraum erreicht wird.
• Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 weist die Speiseleitung 24 eine konische Form 26 und darüber hinaus eine sich radial erstreckende Überlappung 27 auf. Das im Bereich der Überlappung 27 dazwischenliegende Dielektrikum ist als die für die Anpassungstransformation notwendige Kapazität als eine dielektrische Scheibe 28 ausgeführt.
• 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Kapazität 29, die durch eine topfförmige Erweiterung 30 des Innenleiters in einer vorgegebene Länge gebildet ist. Eine Möglichkeit eine radiale Erweiterung 31 des Innenleiters zur Bildung einer Überlappung 27 heranzuziehen zeigt 5. Hier ist dann ebenfalls eine Kapazität mit einer dielektrischen Scheibe 28 gebildet. Bei allen den zuvor genanten Ausführungsbeispielen nach den 2 bis 5 wird die Speiseleitung 24 in einer isolierenden Dichtung 32 zur Abdichtung des Resonatorraumes gehalten.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einem Verbrennungsmotor mittels einer hochfrequenten elektrischen Energiequelle, mit – einer einen Resonatorraum bildenden koaxialen Wellenleiterstruktur (21), in die die hochfrequente elektrische Energie an einer vorgegebenen Einkoppelstelle (4;20) am einen Ende eines Innenleiters (7;23) der Wellenleiterstruktur (21) einspeisbar ist – und die Wellenleiterstruktur (21) mit dem anderen Ende (7a) des Innenleiters (7;23) in den jeweiligen Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors hineinragt, wobei an diesem Ende (7a) durch ein hohes Spannungspotential ein Plasma erzeugbar ist, dadurch ge kennzeichnet, dass – die Einkoppelstelle (4;20) so ausgebildet ist, dass eine Speiseleitung (10;24) koaxial ankoppelbar ist, mit der die Zuführung der elektrischen Energie durch eine koaxiale Isolierung (31) in der äußeren Wand (6;22) der Wellenleiterstruktur (21) in den Resonatorraum erfolgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – an der Einkoppelstelle (20) durch eine entsprechende geometrische Ausbildung des Innenleiters (23) und/oder der äußeren koaxialen Wand (22) der Wellenleiterstruktur (21) eine zusätzliche kurzgeschlossene Koaxialleitung (25) am Innenleiter (23) und/oder der äußeren koaxialen Wand (22) gebildet ist, mit der eine geeignete, insbesondere niederohmige Impedanzanpassung der Speiseleitung (24) an den durch die Wellenleiterstruktur (21) gebildeten Resonatorraum durchführbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die zusätzliche kurzgeschlossene Koaxialleitung durch eine sich koaxial eine vorgegebene Länge erstreckende Ausnehmung (25) in der äußeren Wand (22) gebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die zusätzliche kurzgeschlossene Koaxialleitung durch eine topfförmige Erweiterung (30) des Innenleiters (23) in einer vorgegebene Länge gebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die zusätzliche kurzgeschlossene Koaxialleitung durch eine sich auch radial erstreckende Überlappung (27) zwischen Bereichen des Innenleiters (23) und der äuße ren Wand (22) der Wellenleiterstruktur (21) mit einem dazwischenliegenden Dielektrikum gebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – die Überlappung (27) und das dazwischenliegende Dielektrikum als Scheibenkapazität mit einer dielektrischen Scheibe (28) ausgeführt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass – die axiale Speiseleitung (24) sich konisch erweiternd (26) bis zur Überlappung (27) an der Einkoppelstelle (20) ausgebildet ist.