in einem Brennraum

Die Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung zum Zünden eines Luft- Kraftstoffgemisches in einem Brennraum, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit einer Zündkerze, die eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweist, mit einer Hochspannungsquelle bzw. Hochgleichspannungsquelle zum Erzeugen eines elektrischen Hochspannungsimpulses bzw. Hochgleichspannungsimpulses an einem Ausgang der Hochspannungsquelle und mit einer Hochfrequenzspannungsquelle bzw. Hochfrequenzwechselspannungsquelle zum Erzeugen einer elektrischen Hochfrequenz-Wechselspannung an einem Ausgang der

Hochfrequenzspannungsquelle, wobei der Ausgang der Hochspannungsquelle mit der ersten Elektrode der Zündkerze über einen ersten elektrischen Leitungspfad derart elektrisch verbunden ist, dass der Hochspannungsimpuls an der ersten Elektrode anliegt, wobei die zweite Elektrode mit einem elektrischen Massepotential elektrisch verbunden ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. 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 Masseelektrode der Zündkerze störend auf die Gemischbildung auswirken. Hilfreich für ein direkt einspritzendes Brennverfahren ist ein Zündsystem mit einer größeren räumlichen Ausdehnung in den Verbrennungsraum hinein. Hierzu wird in der DE 10 2004 058 925 A1 vorgeschlagen, ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine mittels eines Plasmas zu zünden. Eine entsprechende Hochfrequenz-Plasmazündvorrichtung umfasst einen Serienschwingkreis mit einer Induktivität und einer Kapazität sowie eine Hochfrequenzquelle zur resonanten Anregung dieses Serienschwingkreises. Die Kapazität ist durch Innen- und Außenleiterelektroden mit dazwischen liegendem Dielektrikum dargestellt. Diese Elektroden reichen mit ihren äußersten Enden mit einem vorgegebenen gegenseitigen Abstand bis in den Verbrennungsraum hinein.

Aus der DE 10 2008 051 185 A1 ist ein Verfahren zum Zünden bekannt, bei dem mittels eines Hochspannungsimpulses ein Funkenplasma erzeugt wird, welches anschließend mittels eines HF-Feldes weiter geheizt wird und dabei in eine Glimmentladung übergeht. Der Hochspannungsimpuls und ein Ausgangssignal eines HF-Generators werden dabei gemeinsam einer Funkenelektrode einer Zündkerze zugeführt. Eine Gegenelektrode der Zündkerze ist geerdet.

Moderne Zündanlagen für Ottomotoren weisen heute eine Zündkerze und eine Einzelzündspule mit elektronischer Ansteuereinheit auf. Die Zündkerze ist ein koaxialer Aufbau und besteht im Wesentlichen aus einer mittleren Elektrode umgeben von einem Isolator und einer äußeren Elektrode, die mit dem Zündkerzengehäuse verbunden ist. Die Zündspule liefert der Zündkerze einen Hochspannungsimpuls bzw. Hochgleichspannungsimpuls. Zwischen den Elektroden entsteht ein Funke der die Verbrennung einleitet. Ein alternatives Verfahren in dem zusätzlich zur angelegten Hochspannung der Zündspule eine hochfrequente Spannung an die Zündkerze angelegt wird, ist in der DE 10 2013 215 663 A1 A 1 beschrieben. Hierbei geht das Funkenplasma in ein HF-Plasma über. Bei den zuvor beschriebenen klassischen Zündkonzepten brennt das Funkenplasma zwischen zwei Elektroden, einer aktiven "getriebenen" Elektrode (auch Hochspannungselektrode genannt) und einer passiven Elektrode (auch Masseelektrode genannt), deren Potential auf der Masse (0 V) des Motorblocks sowie der vollständigen Karosserie eines Automobils liegt. Die Masseelektrode kann auch als Mehrfachelektrode ausgeführt sein. Diese Zündsysteme haben den Prinzip bedingten Nachteil einer mangelhaften Steuerbarkeit, da nach der Plasmazündung die in der Zündspule gespeicherte Energie auf einer Zeitskala von wenigen zehn Nanosekunden in das Plasma eingekoppelt wird. Der stark ansteigende Strom ist eine Folge der rasant steigenden Elektronendichte und damit verbundenen Steigerung der Leitfähigkeit des Plasmas. Alle nachwirkenden Prozesse im Plasma sind nur noch eine Folge dieses Energieeintrages und nicht mehr von außen beeinflussbar. Insbesondere findet keine Heizung des Plasmas mehr statt. Dies hat zur Folge, dass keine nennenswerte Erzeugung von freien Elektroden und damit einhergehend von reaktiven Spezies, wie beispielsweise von atomarem Sauerstoff, die die Verbrennung fördern, stattfindet. Die Verbrennung hingegen findet auf erheblich längeren Zeitskalen statt, lebt aber von der zuvor erzeugten atomaren Sauerstoffdichte. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zündvorrichtung der o.g. Art hinsichtlich der Einflussmöglichkeiten auf die Parameter des Plasmas zwischen den Elektroden der Zündkerze zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Zündvorrichtung der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Dazu ist es bei einer Zündvorrichtung der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Zündkerze eine dritte Elektrode aufweist, wobei der Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle mit der dritten Elektrode über einen zweiten elektrischen Leitungspfad derart elektrisch verbunden ist, dass die Hochfrequenz- Wechselspannung an der dritten Elektrode anliegt. Dies hat den Vorteil, dass zwei aktive Elektroden zur Verfügung stehen, so dass nach dem Zünden eines Plasmas zwischen den beiden Elektroden der Zündkerze durch den Hochspannungsimpuls sofort die Hochfrequenz-Wechselspannung bei einem wesentlich niedrigeren Niveau der elektrischen Spannung weiter Energie in das Plasma einkoppeln kann.

Eine besonders einfache und funktionssichere Zündvorrichtung erzielt man dadurch, dass die Hochspannungsquelle als Zündspule ausgebildet ist. Einen Schutz der Hochfrequenzspannungsquelle gegen Überspannung erzielt man dadurch, dass in dem zweiten Leitungspfad zwischen der dritten Elektrode der Zündkerze und dem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle eine Schutzschaltung elektrisch eingeschleift ist, welche ein Durchschlagen des Hochspannungsimpulses von der Hochspannungsquelle zum Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle blockiert.

Eine frequenzselektive Übertragung, beispielsweise von nur einem gewünschten Frequenzband, von der Hochfrequenzspannungsquelle zu der dritten Elektrode der Zündkerze erzielt man dadurch, dass in dem zweiten elektrischen Leitungspfad zwischen der dritten Elektrode der Zündkerze und dem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle ein Trennelement in Form eines frequenzselektiven Filters, insbesondere in Form eines Bandpassfilters, elektrisch eingeschleift ist.

Einen Schutz auch des Trennelementes vor Überspannung erzielt man dadurch, dass das Trennelement zwischen der Schutzschaltung und dem Ausgang der Hochfrequenzspannungsquelle in den zweiten elektrischen Leitungspfad eingeschleift ist.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Trennelement zwischen der Schutzschaltung und der dritten Elektrode in den zweiten elektrischen Leitungspfad eingeschleift. Dies hat den Vorteil, dass der Bandpass des Trennelementes die Energie außerhalb des Durchlassbereiches dämpft, wodurch die Realisierung der Schutzschaltung einfacher wird. Eine verbesserte Übertragung der Hochspannung von der Hochspannungsquelle zur Zündkerze wird dadurch erzielt, dass in dem ersten elektrischen Leitungspfad zwischen dem Ausgang der Hochspannungsquelle und der ersten Elektrode der Zündkerze eine Schutzschaltung elektrisch eingeschleift ist, welche einen Massebezug für die HF darstellt.

Bei Anliegen des Hochspannungsimpulses an der ersten Elektrode bildet sich in einer ersten Alternative zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ein erster leitfähiger Plasmakanal aus und bei Anliegen der Hochfrequenz- Wechselspannung an der dritten Elektrode bildet sich ein dritter leitfähiger Plasmakanal zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode aus. Somit kann durch das zusätzliche Anlegen einer Hochfrequenzspannung aus der Hochfrequenzspannungsquelle an der Hochfrequenzelektrode mehr Leistung über einen längeren Zeitraum in das Plasma eingebracht werden. Dadurch werden kontinuierlich Elektronen erzeugt und die freie Elektronendichte im Plasma bleibt länger erhalten, womit eine permanente Erzeugung von reaktiven Spezies (vor allem von atomarem Sauerstoff) einhergeht.

In einer zweiten Alternative bildet sich bei Anliegen des Hochspannungsimpulses an der ersten Elektrode zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode ein zweiter leitfähiger Plasmakanal und zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode ein dritter leitfähiger Plasmakanal aus. Bei Anliegen der Hochfrequenzspannung an der dritten Elektrode wird der dritte Plasmakanal zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode aufrechterhalten und planzt sich über einen längeren Zeitraum und über einen größeren Bereich fort.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer alternativen bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung.. Die in Fig. 1 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung 10 weist eine Zündkerze 12, eine Hochspannungsquelle bzw. Hochgleichspannungsquelle 14 und eine Hochfrequenzspannungsquelle 16 auf. Die Zündkerze 12 weist eine erste Elektrode 18 (Hochspannungselektrode), eine zweite Elektrode 19 ( asseelektrode) und eine dritte Elektrode 20 (Hochfrequenzelektrode) auf. Die zweite Elektrode 19 ist mit einem elektrischen Massepotential 40 elektrisch verbunden. Die Elektroden 18, 19, 20 ragen in einen nicht dargestellten Brennraum, beispielsweise in einem Arbeitszylinder einer Brennkraftmaschine, in dem ein Kraftstoff-Luftgemisch entzündet werden soll. Die Hochspannungsquelle 14 ist als Zündspule ausgebildet und erzeugt einen Hochspannungsimpuls bzw. Hochgleichspannungsimpuls (DC), welcher an einem Ausgang 22 der Hochspannungsquelle 14 anliegt. Der Ausdruck "elektrischer Hochgleichspannungsimpuls" bezeichnet hier einen elektrischen Gleichspannungsimpuls mit hoher elektrischer Spannung von einigen kV, wie beispielsweise 3 kV bis 30 kV oder 8 kV bis 12 kV. Der Ausgang 22 der Hochspannungsquelle 14 ist über einen ersten elektrischen Leitungspfad 24 mit der ersten Elektrode 18 derart elektrisch verbunden, dass der Hochspannungsimpuls aus der Hochspannungsquelle 14 der ersten Elektrode 18 der Zündkerze 12 zugeführt wird.

Die Hochfrequenzspannungsquelle 16 erzeugt eine Hochfrequenz- Wechselspannung, welche an einem Ausgang 26 der Hochfrequenzspannungsquelle 16 anliegt. Der Ausgang 26 der Hochfrequenzspannungsquelle 16 ist über einen zweiten elektrischen Leitungspfad 28 mit der dritten Elektrode 20 der Zündkerze 12 elektrisch derart verbunden, dass die Hochfrequenz-Wechselspannung aus der Hochfrequenzspannungsquelle 16 der dritten Elektrode 20 der Zündkerze 12 zugeführt wird. Die Hochfrequenzspannungsquelle 16 ist weiterhin mit dem elektrischen Massepotential 40 elektrisch verbunden.

In dem zweiten elektrischen Leitungspfad 28 ist eine Schutzschaltung 30 elektrisch eingeschleift. Diese Schutzschaltung 30 ist derart ausgebildet, dass sie einerseits den Hochspannungsimpuls von der Hochspannungsquelle 14 daran hindert, über den zweiten elektrischen Leitungspfad 28 bis zum Ausgang 26 der Hochfrequenzspannungsquelle 16 durchzuschlagen und andererseits die Hochfrequenz-Wechselspannung aus der Hochfrequenzspannungsquelle 16 in Richtung der dritten Elektrode 20 der Zündkerze 12 weiterleitet. Auf diese Weise ist die Hochfrequenzspannungsquelle 16 vor Überspannung geschützt.

Weiterhin ist in dem zweiten elektrischen Leitungspfad 28 ein Trennelement 32 zwischen der Schutzschaltung 30 und dem Ausgang 26 der Hochfrequenzspannungsquelle 16 elektrisch eingeschleift. Dieses Trennelement 32 ist als ein frequenzselektives Filter, beispielswese als ein Bandpassfilter mit einer konstanten oder variablen Kapazität 34 und einer konstanten oder variablen Induktivität 36, ausgebildet. Dieses Bandpassfilter lässt nur ein vorbestimmtes Frequenzband von der Hochfrequenzspannungsquelle 16 über den zweiten elektrischen Leitungspfad 28 in Richtung der dritten Elektrode 20 passieren. Mit dem Trennelement 32 kann die eingekoppelte Frequenz der Hochfrequenz- Wechselspannung ständig angepasst werden, so dass ein optimaler Energieeintrag in das gezündete Plasma erzielt wird.

Die erfindungsgemäße Zündvorrichtung ist als Hochfrequenz-Plasma-Zündsystem ausgebildet und beinhaltet in der Zündkerze 12 zwei aktive Elektroden 18, 20 nämlich die Hochspannungselektrode als erste Elektrode 18 und die Hochfrequenzelektrode als dritte Elektrode 20 und eine Masseelektrode 19. Die Zündspule 14 erzeugt einen Hochspannungsimpuls bzw. Hochgleichspannungsimpuls (DC), der bei Erreichen einer Durchbruchspannung zwischen der Hochspannungselektrode 18 und der Masseelektrode 19 der Zündkerze 12 in einer ersten Alternative ein initiales Plasma im Raum zwischen den beiden Elektroden 18, 19 brennen lässt (erster Plasmakanal 42).

Ein Plasma beinhaltet unter anderem Elektronen, Ionen, angeregte Teilchen und Neutralteilchen. Die freien Ladungsträger (Elektronen und Ionen) bilden einen leitfähigen ersten Plasmakanal zunächst zwischen der Hochspannungselektrode 8 und der Masseelektrode 19 der Zündkerze 12 (Pfeil 42). Durch anschließendes Zuführen der Hochfrequenz-Wechselspannung von der

Hochfrequenzspannungsquelle 16 zur dritten Elektrode 20, die sich im Raum des initialen Plasmas befindet, wird das initiale Plasma im Raum zwischen der Hochfrequenzelektrode 20 und der Masseelektrode 19 (dritter Plasmakanal 44) aufrechterhalten. Das Plasma bleibt durch die Zufuhr von Hochfrequenzenergie länger erhalten, als es alleine durch den Hochspannungsimpuls aus der Hochspannungsquelle 14 der Fall wäre. Insbesondere vergrößert sich das Plasma räumlich vom Zentrum des dritten Plasmakanals 44. Die durch das Plasma entstandenen freien Ladungsträger werden für den Stromtransport des Hochfrequenzplasmas zwischen der Hochfrequenzelektrode 20 und der Masseelektrode 19 genutzt. Somit kann durch das zusätzliche Anlegen einer Hochfrequenzspannung aus der Hochfrequenzspannungsquelle 16 an der Hochfrequenzelektrode 20 mehr Leistung über einen längeren Zeitraum in das Plasma eingebracht werden. Dadurch werden kontinuierlich Elektronen erzeugt und die freie Elektronendichte im Plasma bleibt länger erhalten, womit eine permanente Erzeugung von reaktiven Spezies (vor allem von atomarem Sauerstoff) einhergeht. Die deutlich erhöhte Menge von atomarem Sauerstoff sorgt für eine effektivere Verbrennung und erlaubt u.a. das sichere Entflammen von mageren Kraftstoff-Luft- Gemischen im Brennraum bzw. eine erhöhte Motorleistung bei konstantem Kraftstoffve rb ra u ch .

In einer zweiten Alternative bildet sich ein initiales Plasma in einem zweiten Plasmakanal 43 zwischen der ersten Elektrode 18 und der dritten Elektrode 20 und in einem dritten Plasmakanal 44 zwischen der dritten Elektrode 20 und der Masseelektrode 19. Bei Zuführung der Hochfrequenz-Wechselspannung von der Hochfrequenzspannungsquelle 16 zur dritten Elektrode 20 wird das Plasma z eitlich aufrechterhalten und vergrößert sich räumlich vom Zentrum des dritten Plasmakanals 44.

Damit die Hochfrequenzspannungsquelle 16 vor dem Hochspannungsimpuls aus der Hochspannungsquelle 14 geschützt ist, ist zwischen der Hochfrequenzelektrode 20 und Hochfrequenzspannungsquelle 16 die Schutzschaltung 30 vorgesehen. Eine sichere Übernahme der Hochfrequenzspannungsquelle, um nach dem initialen Funken durch den Hochspannungsimpuls aus der Hochspannungsquelle 14 weiterhin aktiv Energie in das Plasma einzukoppeln, ist gegeben, da der initiale Funken in jedem Fall freie Ladungsträger zwischen den Elektroden generiert. Die Schutzschaltung 30 beinhaltet beispielsweise einen gasgefüllten Überspannungsabieiter, welcher isolierend wirkt, solange die Spannung unter einem vorbestimmten Wert von beispielsweise etwa 450 V bleibt. Der gasgefüllte Überspannungsabieiter stört wegen seiner geringen Kapazität von nur etwa 2 pF nicht. Wird die Zündspannung des gasgefüllten Überspannungsabieiters überschritten, fällt der Widerstand innerhalb von Mikrosekunden auf sehr geringe Werte, wobei Stromspitzen von beispielsweise 100 kA abgeleitet werden können.

Die gemeinsame Masseelektrode 19 ist das Bezugspotential für die Hochfrequenzelektrode 20 und die Hochspannungselektrode 18. Durch die Trennung von Hochspannungs- und Hochfrequenzpotential werden die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit des Trennelementes 32 drastisch reduziert. Gleichzeitig wird durch diesen Schritt die Belastung der Hochspannungsquelle 14 in Form der Zündspule erheblich herabgesetzt und die Erzeugung der Hochspannung deutlich vereinfacht. Vor dem Hintergrund immer stärker aufgeladener und kleinvolumiger Otto-Motoren ist die Erzeugung von ausreichend hohen Spannungsimpulsen zur sicheren Entflammung eine immer weiter wachsende Herausforderung. Des Weiteren ergeben sich mehr Freiheitsgrade bei der Wahl der reaktiven Bauelemente des Trennelementes, da auf eine möglichst geringe kapazitive Belastung der Zündspule nicht mehr geachtet werden muss. Die Kapazitäten des Trennelementes können im Gegensatz zu bisherigen Schaltungskonzepten erhöht und die Induktivitäten gesenkt werden, was die Realisierung des Trennelementes vereinfacht. In Fig. 2 sind funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der Fig. 1 verwiesen wird. Bei der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist im Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 die Schutzschaltung 30 zwischen dem Trennelement 32 und dem Ausgang 26 der Hochfrequenzspannungsquelle 16 in den zweiten elektrischen Leitungspfad 28 eingeschleift.

Optional weist die Schutzschaltung 30 und/oder das Trennelement 32 zusätzlich eine elektrische Verbindung mit dem Massepotential 40 auf, wie mit gestrichelten Linien in Fig. 1 und 2 dargestellt. Optional ist in dem ersten elektrischen Leitungspfad 24 zwischen dem Ausgang 22 der Hochspannungsquelle 14 und der ersten Elektrode 18 eine Schutzschaltung 31 mit elektrischer Verbindung mit dem Massepotential 40 elektrisch eingeschleift. Diese Schutzschaltung 31 ist in den Fig. 1 und 2 entsprechend mit gestrichelten Linien angedeutet. Die Schutzschaltung soll einen Massebezug für die HF darstellen und nicht die Hochspannung blockieren.