DE10331418A1

DE10331418A1 - Plasmastrahl-Zündkerze

Info

Publication number: DE10331418A1
Application number: DE10331418A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Artmann; Michael Hallmannsegger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2005-01-27
Also published as: CN1820141A; WO2005005819A1; EP1644637A1; US20060137642A1; JP2007507060A; US7477008B2; KR20060032626A

Abstract

Bei einer Plasmastrahl-Zündkerze für Verbrennungsmotoren mit einer Mittelelektrode, einem aus Isolatormaterial gebildeten Schusskanal und einer zum Schusskanal konzentrischen und eine Austrittsöffnung bildenden Masseelektrode wird die Mittelelektrode konisch geformt. Der Schusskanal weist in seinem Verlauf zur Masseelektrode hin eine als Beschleunigungsstrecke für das Plasma wirkende Verjüngung auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasmastrahl-Zündkerze für Verbrennungsmotoren mit einer Mittelelektrode, einem aus Isolatormaterial gebildeten Schusskanal und einer zum Schusskanal konzentrischen und eine Austrittsöffnung bildenden Masseelektrode.
Mit dem Bestreben, den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission von Verbrennungsmotoren zu senken, wird die Verwendung von mageren Kraftstoffluftgemischen (Kraftstoffluftgemische mit Luftverhältnissen größer Eins) gefordert. Dies erfordert auch die Erzeugung hocheffektiver Funkenplasmen, die den Verbrennungsprozess magerer Gemische effektiv einleiten.
Eine Zündkerze der eingangs genannten Art ist aus der per Internet zugänglichen Veröffentlichung der RWTH Aachen
http://www.vka.rwth-aachen.de/sfb_224/Kapitel/pdf/kap3_2.pdf S. Abb. 3.2-8, S. 114 bekannt.
Diese Zündkerze ist in der Lage, ein Plasma außerhalb der Zündkerze zu erzeugen. Jedoch wird ein Großteil der Funkenenergie nicht an das Gas übertragen. Die Eindringtiefe des Funkenplasmas in das Gas ist gering. Damit ist diese Zündkerze nur bedingt in der Lage, magere Kraftstoff-Luft-Gemische zu zünden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Zündkerze der eingangs genannten Art zu schaffen, die in der Lage ist, einen Großteil der Funkenenergie an das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu übertragen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die konische Form der Mittelelektrode begünstigt die Plasmabildung. Die Ausbildung eines Schusskanals und die in seinem Verlauf zur Masseelektrode hin wirksame Beschleunigungsstrecke sorgen für ein tiefes Eindringen des Plasmas in das Gemisch und als Folge für eine optimale Zündwirkung auch bei extrem abgemagerten Gemischen.
Anhand der Zeichnungen wird eine Ausführungsform der Erfindung näher erläutert.
Es zeigt:
1 in schematischer Weise einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Zündkerze und
2 einen Ausschnitt von 1.
Die in den 1 und 2 ausschnittsweise dargestellte Zündkerze 1 besitzt eine Mittelelektrode 2, eine Masseelektrode 3 und einen Keramikkörper 4. Die Mittelelektrode 2 ist konisch geformt. Die Masseelektrode 3 bildet eine Austrittsöffnung 5, die nach außen trichterförmig erweitert ist.
Zwischen der Mittelelektrode 2 und der Masseelektrode 3 ist im Keramikkörper 4 ein Schusskanal 6 gebildet. In seinem Verlauf zur Masseelektrode hin weist der Kanal 6 eine Verjüngung 7 auf, die als Beschleunigungsstrecke für ein Plasma wirkt. Das Plasma wird, wie weiter unten noch im Detail erläutert, im Bereich der Spitze 2' der Mittelelektrode 2 gebildet.
Der Keramikkörper steht im Bereich der Austrittsöffnung unmittelbar, d.h. ohne jeden Luftspalt, an der Masseelektrode 3 an. Die Masseelektrode 3 ist bis über die Mittelelektrode zurückgezogen und besitzt auf ihrer Außenfläche ein Gewinde 8, mit dem die Zündkerze in einem nicht dargestellten Zylinderkopf eingeschraubt ist. Die 1 läuft in etwa bündig in einem Brennraum des Verbrennungsmotors aus.
Zwischen der Masseelektrode 3 und dem Keramikkörper 4 befindet sich ein torus-förmiger Luftraum 9, der auf Höhe der Mittelelektrode 2 seine größte Ausdehnung besitzt.
Die Erzeugung des Plasmas erfolgt in einer Hohlkammer 10 im Inneren der Zündkerze. Diese Hohlkammer ist in 2 vergrößert dargestellt.
Dem Prinzip nach entspricht die Hohlkammer 10 einer Hohlkathodenanordnung. Zwischen der konisch zulaufenden Mittelelektrode 2 und der die Zündkerze nach außen abschließenden Masseelektrode 3 wird ein elektrisches Feld aufgebaut, durch welches das Gas in der Hohlkammer ionisiert und ein elektrischer Durchschlag erzeugt wird.
Die Hohlkammer 10 besitzt eine besondere geometrische Ausgestaltung. Sie besteht aus einem zylindrischen Bereich „A", dem ein konisch zulaufender Abschnitt „B" folgt, welcher in eine Zylinderform „C" mündet. Die auf den Bereich „C" folgende Masseelektrode 3 öffnet den mit „D" bezeichneten Querschnitt konisch und stellt den Abschluss des sich ausbildenden Schusskanals 6 dar.
Diese Formgebung hat elektrotechnische und strömungsdynamische Gründe. Zum einen dient sie der gezielten Führung des elektrischen Feldes, zum anderen soll durch die sich im Bereich „C" bestehende Einschnürung entsprechend einer „Laval-Düse" eine Überschallströmung erzeugt werden, die zu einem höheren Austrittsimpuls des Plasmas führt.
Ein sich bei geeigneter Beschaltung der Mittelelektrode ergebender schneller Anstieg der Plasmatemperatur auf z.B. ca. 6000 K erzeugt gleichzeitig eine Druckwelle, die zu einem überkritischen Druckverhältnis zwischen dem statischen Druck in der Hohlkammer 10 und dem Druck im Brennraum eines Motors im Augenblick der Zündung führt. Dies hat zur Folge, dass die Strömung im zylindrischen Teil, der den engsten Querschnitt darstellt, auf Mach = 1 und im divergierenden Teil auf Mach > 1 beschleunigt wird.
Zur Bildung eines starken Plasmas ist es notwendig, einen möglichst großen räumlichen Bereich mit hoher elektrischer Feldstärke zu erzeugen. Damit das heiße Plasma nicht durch Wandwärmeverluste der thermisch gut leitenden Keramikisolierung geschwächt wird, ist es sinnvoll, das elektrische Feld auf den oberen Bereich der konisch zulaufenden Mittelelektrode 2 zu konzentrieren. Die oben erwähnte Feldli nienkonzentration erfährt eine entscheidende fokussierende Wirkung durch die Ausgestaltung der Form des keramischen Isolierkörpers 4. Die keulenartige Form leitet auf Grund ihrer dielektrischen Eigenschaften die elektrischen Feldlinien zur Elektrodenspitze 2'. Der Anteil der auf die Keramik entfallenden elektrischen Feldstärke ist gering im Vergleich zu der elektrischen Feldstärke die zur Überwindung der Strecke im Luftraum 9 aufzuwenden ist. Es herrscht somit bei einer entsprechenden Hochspannung zwischen den Elektroden im Bereich der Elektrodenspitze 2' eine elektrische Feldstärke, die in der Lage ist den Raum in der Hohlkammer 10 zu ionisieren. Die Ausbildung des elektrischen Feldes wird außerdem durch die runde Formgebung der Masseelektrode 3 begünstigt. Weiter dürfte sich diese Kontur aerodynamisch vorteilhaft auf die Gestaltung des Brennraumes auswirken.
Im Bereich des Übergangs der konischen Mittelelektrode 2 in eine zylindrische und im Keramikkörper 4 verlaufende Form, ist eine Ionisierung nicht erwünscht, weil ein daraus resultierender elektrischer Durchschlag seine thermische Energie unmittelbar an die Keramikisolation ableiten würde. Aus diesem Grund erfährt die Keramikisolation hier eine Verjüngung 11, das heißt, die anliegende Spannung teilt sich vorteilhaft so auf, dass die elektrische Feldstärke in diesem Bereich der Mittelelektrode 2 reduziert und damit eine Ionisierung behindert wird.
Durch die dargestellte Führung des elektrischen Feldes entsteht eine optimale Richtwirkung hin zur Austrittsöffnung 5. Die erzeugten elektrischen Ladungsträger erfahren eine entsprechende Beschleunigung, wodurch weitere Atome bzw. Moleküle ionisiert werden und ein Lawineneffekt entsteht.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Zündkerze:
Die Glühzündgefahr bei Wasserstoff- und Benzinmotoren wird beseitigt. Es ergibt sich eine bessere Gemischentflammung, d.h. ein Nutzen besonders bei direkt einspritzenden Motoren durch Reduktion der Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe.
Da keine in den Brennraum ragenden Elektroden vorkommen, ergibt sich eine Erhöhung der Freiheit bei der konstruktiven Ausgestaltung des Brennraumes, die zum Beispiel durch die Möglichkeit der Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses, und einer damit verbundenen Steigerung des thermischen Wirkungsgrades umgesetzt werden kann.
Eine Absenkung der HC-Emissionen ist denkbar, da hervorstehende Elektroden fehlen, die einen „Flammschatten" bilden könnten.

Claims

Plasmastrahl-Zündkerze für Verbrennungsmotoren mit einer Mittelelektrode, einem aus Isolatormaterial gebildeten Schusskanal und einer zum Schusskanal konzentrischen und eine Austrittsöffnung bildenden Masseelektrode, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelelektrode konisch geformt ist und dass der Schusskanal in seinem Verlauf zur Masseelektrode hin eine als Beschleunigungsstrecke für das Plasma wirkende Verjüngung aufweist.
Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolatormaterial an der Masseelektrode ansteht.
Zündkerze nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseelektrode bis über die Mittelelektrode zurückgezogen ist.
Zündkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Masseelektrode und dem Isolatormaterial ein torusförmiger Luftraum vorgesehen ist.
Zündkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftraum auf Höhe der Mittelelektrode seine größte Ausdehnung besitzt.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Masseelektrode ausgebildete Austrittsöffnung nach außen trichterförmig erweitert.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest annähernd bündig in einem Brennraum des Verbrennungsmotors ausläuft.