DE102010042318A1

DE102010042318A1 - Ignition system with optional spark-ignition and partial-discharge ignition depending on the engine load

Info

Publication number: DE102010042318A1
Application number: DE102010042318A
Authority: DE
Inventors: Franz Zellinger; Josef Holzmann; Dr. Schenk Martin
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2012-04-12
Also published as: WO2012048763A1; DE112011103436A5; WO2012048762A1; DE112011103445B4; DE112011103445A5; DE112011103436B4

Abstract

Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Zündanlage für einen bei unterschiedlichen Motorlasten, d. h. unterschiedlichen Drücken und damit unterschiedlichem Drehmoment, betreibbaren Verbrennungsmotor. Die Zündanlage umfasst Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung, beispielsweise eine Zündspule. Ferner ist eine Zündkerze vorgesehen. Die Zündanlage ist derart eingerichtet, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor in einem ersten Motorlastbereich mit im Vergleich zu einem zweiten Motorlastbereich niedrigerer Motorlast durch einen von der Zündkerze erzeugten niederohmigen, vollständigen Luftfunken zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode der Zündkerze gezündet wird. In dem zweiten Motorlastbereich wird das Gemisch hingegen durch einen von der Zündkerze erzeugten Teilentladungsfunken gezündet. Da im (oberen) zweiten Motorlastbereich die Zündung über Teilentladungen stattfindet, ist die Zündspannung in diesem Motorlastbereich vom Betrag typischerweise unter der in diesem Lastbereich zum Funkendurchbruch zwischen den Elektroden notwendigen Spannung.One aspect of the invention relates to an ignition system for use at different engine loads; H. different pressures and thus different torques, operable combustion engine. The ignition system comprises means for generating an ignition voltage, for example an ignition coil. A spark plug is also provided. The ignition system is set up such that the fuel-air mixture in the internal combustion engine is ignited in a first engine load range with a lower engine load compared to a second engine load range by a low-resistance, complete air spark generated by the spark plug between a first electrode and a second electrode of the spark plug becomes. In the second engine load range, on the other hand, the mixture is ignited by a partial discharge spark generated by the spark plug. Since ignition takes place via partial discharges in the (upper) second engine load range, the amount of the ignition voltage in this engine load range is typically below the voltage required for spark breakdown between the electrodes in this load range.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündanlage für einen Verbrennungsmotor, welche Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung und mindestens eine Zündkerze umfasst. Ferner betrifft die Erfindung eine Zündkerze für eine solche Zündanlage.The invention relates to an ignition system for an internal combustion engine, which comprises means for generating an ignition voltage and at least one spark plug. Furthermore, the invention relates to a spark plug for such an ignition system.

Bei einer gewöhnlichen Zündanlage mit Zündspule und Zündkerze wird die von der Batterie gelieferte elektrische Energie in der Zündspule gespeichert. Wenn der Stromfluss im Primärkreis der Zündspule unterbrochen wird (beispielsweise durch einen Schalttransistor), entsteht sekundärseitig eine so große Spannung, dass die Luftverbindung zwischen den beiden Elektroden der Zündkerze niederohmig wird (es bildet sich ein Plasma zwischen den Elektroden, das diese leitend verbindet) und ein heißer Luftfunke auf dem direkten Weg zwischen beiden Elektroden entsteht, der das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet, das sich zwischen den Elektroden befindet.In a conventional ignition system with ignition coil and spark plug, the electrical energy supplied by the battery is stored in the ignition coil. When the current flow in the primary circuit of the ignition coil is interrupted (for example, by a switching transistor), the voltage on the secondary side is so high that the air connection between the two electrodes of the spark plug becomes low (a plasma forms between the electrodes, which conductively connects them) a hot air spark is created on the direct path between both electrodes, which ignites the fuel-air mixture that is between the electrodes.

Nachteilig an dem konventionellen Luftfunkenkonzept der Zündkerze ist, dass der Zündspannungsbedarf mit zunehmendem Motordruck und damit mit zunehmender Motorlast steigt. Nach dem sogenannten Paschen-Gesetz nimmt die benötigte Durchschlagspannung (d. h. der Zündspannungsbedarf) näherungsweise linear mit zunehmendem Produkt p_ZZP·EA aus Druck p_ZZP zum Zündzeitpunkt und Elektrodenabstand EA zu. Daraus ergibt sich, dass bei hohen Motordrücken, insbesondere bei hochaufgeladenen Brennverfahren, ein ausreichend hohes Zündspannungsangebot von der Zündspule bereitgestellt werden muss (z. B. 40 bis 50 kV). Die Bereitstellung eines hohen Zündspannungsangebots ist mit einer Vielzahl von Nachteilen verbunden. So ergeben sich hierdurch erhöhte Kosten, ein vergrößerter Bauraum durch größere Spulen und Kerzen, Isolationsprobleme, ein erhöhter Verschleiß und damit verringerte Wechselintervalle und die Zunahme von Gleitfunken, die die Zündkerzen-Keramik schädigen und Zündaussetzer verursachen können.A disadvantage of the conventional air spark plug concept is that the ignition voltage requirement increases with increasing engine pressure and thus with increasing engine load. According to the so-called Paschen law, the required breakdown voltage (ie the ignition voltage requirement) increases approximately linearly with increasing product p _ZZP * EA from pressure p _ZZP at the ignition time and electrode distance EA. It follows that at high engine pressures, especially in highly charged combustion processes, a sufficiently high ignition voltage supply must be provided by the ignition coil (eg 40 to 50 kV). The provision of a high ignition voltage supply is associated with a number of disadvantages. This results in increased costs, increased space through larger coils and candles, insulation problems, increased wear and thus reduced replacement intervals and the increase of sliding sparks, which can damage the spark plug ceramic and cause misfiring.

Das benötigte Zündspannungsangebot ist laut dem Paschen-Gesetz umso kleiner, je kleiner der Abstand der Elektroden ist. Ein kleiner Abstand der Elektroden ist aber insbesondere bei geringer Motorlast hinderlich, da die Gemischzugänglichkeit geringer ist und durch den kleineren Funken die Entflammung erschwert wird. Daraus ergibt sich ein prinzipieller Zielkonflikt zwischen Teillast, bei welcher ein großer Elektrodenabstand (z. B. EA = 1.1 mm) von Vorteil ist, und Volllast, bei welcher ein geringer Elektrodenabstand (z. B. EA = 0,7 mm) zur Reduktion des Zündspannungsbedarfs führt.According to the Paschen law, the required ignition voltage supply is smaller, the smaller the distance between the electrodes. However, a small distance between the electrodes is a hindrance, especially at low engine load, since the mixture accessibility is lower and the ignition is made more difficult by the smaller spark. This results in a principal conflict of objectives between partial load, in which a large electrode spacing (eg EA = 1.1 mm) is advantageous, and full load, in which a small electrode spacing (eg EA = 0.7 mm) for reduction the Zündspannungsbedarfs leads.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Zündanlage und ein entsprechendes Zündverfahren für eine Zündanlage anzugeben, wobei der Zündspannungsbedarf bei hohem Motordruck im Vergleich zum konventionellen Luftfunkenkonzept reduziert ist und insbesondere für einen geringeren Druck noch ein ausreichend großen Elektrodenabstand vorhanden ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Zündkerze für die Zündanlage anzugeben.It is an object of the invention to provide an ignition system and a corresponding ignition method for an ignition system, wherein the Zündspannungsbedarf is reduced at high engine pressure compared to the conventional air spark concept and in particular for a lower pressure still a sufficiently large electrode gap is present. It is another object of the invention to provide a corresponding spark plug for the ignition system.

Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.The objects are achieved by the features of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are described in the subclaims.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Zündanlage für einen bei unterschiedlichen Motorlasten, d. h. unterschiedlichen Drücken und damit unterschiedlichen Drehmomenten, betreibbaren Verbrennungsmotor. Die Zündanlage umfasst Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung, beispielsweise eine Zündspule. Ferner ist eine Zündkerze vorgesehen.A first aspect of the invention relates to an ignition system for a different engine loads, d. H. different pressures and thus different torques, operable internal combustion engine. The ignition system comprises means for generating an ignition voltage, for example an ignition coil. Further, a spark plug is provided.

Die Zündanlage ist derart eingerichtet, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor in einem ersten Motorlastbereich mit im Vergleich zu einem zweiten Motorlastbereich niedrigerer Motorlast durch einen von der Zündkerze erzeugten Luftfunken zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode der Zündkerze gezündet wird. In dem zweiten Motorlastbereich mit (im Vergleich zu dem ersten Motorlastbereich höherer Motorlast) wird das Gemisch hingegen durch einen von der Zündkerze erzeugten Teilentladungsfunken gezündet. Die Zündung muss nicht über einen einzelnen Teilentladungsfunken erfolgen, sondern kann auch durch mehrere Teilentladungsfunken erfolgen.The ignition system is configured such that the fuel-air mixture in the internal combustion engine is ignited in a first engine load range with a lower spark generated by the spark plug between a first electrode and a second electrode of the spark plug compared to a second engine load range of lower engine load. On the other hand, in the second engine load range with higher engine load (as compared to the first engine load range), the mixture is ignited by a partial discharge spark generated by the spark plug. The ignition does not have to be via a single partial discharge spark, but can also be done by multiple partial discharge sparks.

Da im (oberen) zweiten Motorlastbereich die Zündung über Teilentladungen stattfindet, ist die Zündspannung in diesem Motorlastbereich vom Betrag typischerweise unter der zum Funkendurchbruch zwischen den Elektroden notwendigen Spannung, wodurch der Zündspannungsbedarf bei Volllast reduziert werden kann.Since in the (upper) second engine load range the ignition takes place via partial discharges, the ignition voltage in this engine load range of the amount is typically below the voltage required for radio sparking between the electrodes, whereby the ignition voltage requirement at full load can be reduced.

Eine Teilentladung im Sinne der Anmeldung ist eine elektrische Entladung ohne vollständigen Funkendurchbruch. Es entsteht also im Unterschied zum Luftfunken kein vollständiger Plasmakanal, welcher zwei Elektroden niederohmig verbindet; es fließt im Wesentlichen kein Strom zwischen den Elektroden. Es fließt – wenn überhaupt – nur ein äußerst geringer Teil der Ladung, z. B. über „schnelle” Elektronen, von der einen Elektrode zur anderen Elektrode ab. Beispiele für Teilentladungen sind Korona-Entladungen oder sogenannte dielektrisch-behinderte Entladungen an einem Dielektrikum (z. B. am Isolator der Zündkerze, bei z. B. denen ein Teil der Strecke durch einen Funkenkanal überbrückt ist, aber aufgrund der isolierenden Wirkung des Dielektrikums keine niederohmige Ankopplung auf Masse erfolgen und somit kein hoher Strom fließen kann). Solche Teilentladungen sind bei ausreichend hohem Druck zündfähig, ohne dass es hierzu eines vollständig niederohmig leitenden und damit heißen Luftfunkendurchschlages bedarf.A partial discharge in the sense of the application is an electrical discharge without complete spark break. Thus, in contrast to the air sparks, there is no complete plasma channel which connects two electrodes with low resistance; essentially no current flows between the electrodes. It flows - if at all - only a very small part of the charge, z. B. via "fast" electrons, from one electrode to the other electrode. Examples of partial discharges are corona discharges or so-called dielectrically-impeded discharges on a dielectric (eg on the insulator of the spark plug, in which, for example, part of the path is bridged by a spark channel, but none due to the insulating effect of the dielectric) Low-impedance coupling to ground and thus done no high current can flow). Such partial discharges are ignitable at sufficiently high pressure, without the need for this purpose a completely low-ohmic conductive and thus hot air spark-through.

Der Vorteil der Zündung über eine Teilentladung ist, dass bei hohem Druck und damit hoher Motorlast der Zündspannungsbedarf für eine Zündung über eine Teilentladung geringer ist als der Zündspannungsbedarf für eine Zündung über einen Luftfunken. Hierdurch reduzieren sich die Kosten für die Zündspule, die Zündkerze und weiterer Komponenten des Zündsystems (beispielsweise für den Zündverteiler). So ist beispielsweise bei getesteten konventionellen Zündkerzen bei hoher Motorlast ab ca. 31 kV ein Zünden über einen Teilentladungsfunken möglich, ohne dass es hierzu eines sehr geringen Elektrodenabstands bedarf. Bei geringer Motorlast kann die Zündung über einen gewöhnlichen Luftfunken erfolgen.The advantage of ignition via a partial discharge is that at high pressure and thus high engine load, the ignition voltage required for ignition via a partial discharge is less than the ignition voltage required for ignition via an air spark. This reduces the costs of the ignition coil, the spark plug and other components of the ignition system (for example, for the ignition distributor). For example, in tested conventional spark plugs at high engine load from about 31 kV ignition via a partial discharge spark is possible without this requires a very small electrode spacing. At low engine load, the ignition can take place via a normal air spark.

Die Motorlast abhängige Verwendung entweder einer Teilentladungs-Zündung oder eine Luftfunken-Zündung hat neben der Reduktion des benötigten Hochspannungsniveaus den Vorteil, dass ein größerer Elektrodenabstand für die Zündkerze verwendet werden kann; dies bringt Vorteile mit sich (insbesondere auch für den sogenannten Katheiz-Betrieb, also die motorische Temperierung des Abgasnachbehandlungsstranges). Darüber hinaus kann das Zündkerzenwechselintervall vergrößert werden, da mit Alterung der Zündkerze und damit typischerweise einhergehender Vergrößerung des Elektrodenabstands keine Gefahr von Zündaussetzern bei hoher Motorlast besteht (die bei über der Lebensdauer zunehmendem Elektrodenabstand bei konventioneller Luftfunken-Zündung ansonsten bestünde).The engine load dependent use of either a partial discharge ignition or an air spark ignition has the advantage, in addition to the reduction of the required high voltage level, that a larger electrode gap can be used for the spark plug; This brings advantages (especially for the so-called Katheiz operation, so the motor temperature of the exhaust aftertreatment line). In addition, the spark plug change interval can be increased because aging of the spark plug, and thus typically associated increase in the spark gap, will not present a risk of misfiring at high engine load (which would otherwise occur over the life of the spark plug longer spark plug gap).

Die Zündkerze kann auch mehr als zwei Elektroden zur Erzeugung von niederohmigen Luftfunken aufweisen, insbesondere mehrere Elektrodenpaare mit verschiedenen Elektrodenabständen.The spark plug may also have more than two electrodes for generating low-resistance air sparks, in particular a plurality of electrode pairs with different electrode spacings.

Bei der Zündkerze kann es sich um eine konventionelle Zündkerze handeln, da auch bei konventionellen Zündkerzen im Allgemeinen ab einer bestimmten Spannung Teilentladungen stattfinden (ungefähr für die von der Anmelderin getesteten Zündkerzen ab 31 kV). Statt einer konventionellen Zündkerze kann auch eine für die Teilentladungs-Zündung speziell angepasste Zündkerze verwendet werden.The spark plug may be a conventional spark plug since partial discharges generally also occur with conventional spark plugs starting from a certain voltage (approximately for the spark plugs tested by the applicant from 31 kV). Instead of a conventional spark plug, a spark plug specially adapted for partial discharge ignition can also be used.

Die Zündkerze sollte vorzugsweise die Eigenschaft haben, dass der Teilentladungsfunke nicht in der Tiefe des Atmungsraums der Zündkerze entsteht, da ein derartiger Funke möglicherweise die Entflammung des Gemisches nicht auslösen kann. Stattdessen sollte die Zündkerze die Eigenschaft haben, dass der Teilentladungsfunke weiter oben im Atmungsraum, d. h. in Brennraumnähe, oder gar schon im Brennraum selbst entsteht.The spark plug should preferably have the property that the partial discharge spark does not arise in the depth of the breathing chamber of the spark plug, since such a spark may not trigger the ignition of the mixture. Instead, the spark plug should have the property that the partial discharge spark further up in the respiratory space, i. H. near the combustion chamber or even in the combustion chamber itself.

Außerdem sollte die Zündkerze vorzugsweise die Eigenschaft haben, dass Gleitfunken möglichst vermieden werden, da diese im Unterschied zu Teilentladungen mit einem großen Stromfluss verbunden sind und zu Keramikschäden führen können. Außerdem können sich bei Gleitfunken Zündaussetzern ergeben. Daher sollte die Zündkerze vorzugsweise die Eigenschaft haben, dass die Gleitfunkenwahrscheinlichkeit bei dem für die Teilentladung verwendeten Spannungswert gering ist. Vorzugsweise sollten für Motorlasten im ersten Motorlastbereich, im zweiten Motorlastbereich und einem etwaig dazwischen liegendem Motorlastbereich im Wesentlichen keine Gleitfunken an der Zündkerze auftreten.In addition, the spark plug should preferably have the property that sliding sparks are avoided if possible, since these are connected in contrast to partial discharges with a large current flow and can lead to ceramic damage. In addition, misfires can result in creeping sparks. Therefore, the spark plug should preferably have the property that the floating-point probability is small in the voltage value used for the partial discharge. Preferably, for engine loads in the first engine load range, in the second engine load range, and any engine load range therebetween, there should be substantially no spark on the spark plug.

Bei Verwendung einer angepassten Zündkerze kann vorgesehen sein, dass die Zündkerze neben den beiden Elektroden für den Luftfunkendurchbruch eine zusätzliche Elektrode oder eine Elektroden zur Erzeugung einer Teilentladung aufweist.When using a matched spark plug can be provided that the spark plug next to the two electrodes for the air spark breakdown has an additional electrode or an electrode for generating a partial discharge.

Vorzugsweise sieht die Zündanlage zum Erzeugen der Hochspannung eine Zündspule mit einer Primärwicklung (mit n₁ Windungen) und einer Sekundärwicklung (mit n₂ Windungen) vor. Das Steuergerät der Zündanlage steuert den Energieaufbau in der Zündspule so, dass im zweiten Motorlastbereich das Zündspannungsangebot (d. h. die bei der gegebenen Zündspulenenergie maximal mögliche Hochspannung für die Zündung) bei dem jeweiligen Druck vom Betrag her unter der zum Funkendurchbruch zwischen den Elektroden notwendigen Spannung liegt. Es muss also vom Steuergerät vorgesehen werden, dass die Spulenenergie für den zweiten Motorlastbereich nicht zu hoch gewählt wird, so dass ein normaler Funkendurchbruch stattfindet. Die Energie sollte also im zweiten Motorlastbereich so begrenzt sein, dass bei dem jeweiligen Motordruck die Hochspannung für eine normale Zündung durch einen niederohmigen Luftfunkendurchbruch nicht ausreicht.Preferably, the ignition system for generating the high voltage, an ignition coil with a primary winding (with n ₁ turns) and a secondary winding (with n ₂ turns) before. The control unit of the ignition system controls the energy buildup in the ignition coil so that in the second engine load range the Zündspannungsangebot (ie the maximum possible ignition coil energy high voltage for the ignition) at the respective pressure of the amount below the voltage required for sparking between the electrodes. It must therefore be provided by the control unit that the coil energy for the second engine load range is not too high, so that a normal spark break occurs. The energy should therefore be limited in the second engine load range so that at the respective engine pressure, the high voltage for a normal ignition by a low-ohmic spark arrest is not sufficient.

Da für den ersten Motorlastbereich jedoch eine ausreichende Zündspulenenergie für eine bestimmte notwendige Luftfunkendauer vorhanden sein sollte, auf der anderen Seite im zweiten Motorlastbereich jedoch ein Luftfunkendurchbruch nicht stattfinden sollte, sollte das Steuergerät vorzugsweise die Energieaufladung der Spule vor der Zündung so steuern oder regeln, dass die in der Zündspule vor dem Abbau des Magnetfeld gespeicherte Zündenergie im zweiten Motorlastbereich kleiner als in einem darunter liegenden Motorlastbereich, insbesondere in dem ersten Motorlastbereich, ist. Mit anderen Worten: das Zündspannungsangebot sollte vorzugsweise im zweiten Motorlastbereich kleiner als in einem darunter liegenden Motorlastbereich, insbesondere in dem ersten Motorlastbereich, sein.However, since sufficient ignition coil energy should be present for a given required spark duration for the first engine load range, but air sparking should not occur on the other side in the second engine load range, the controller should preferably control or regulate the energy charge of the coil prior to ignition such that the Ignition energy stored in the ignition coil before the degradation of the magnetic field in the second engine load range smaller than in a underlying engine load range, especially in the first engine load range, is. In other words, the ignition voltage supply should preferably be smaller in the second engine load range than in an underlying engine load range, in particular in the first engine load range.

Dies kann durch verschiedene Maßnahmen oder eine Kombination dieser Maßnahmen gewährleistet werden:
Beispielsweise kann der Betrag des maximalen Primärstroms angepasst werden, welcher wiederum vom Ladewiderstand und der Ladespannung U_L abhängig ist. Der Primärruhestrom kann durch Änderung eines Ladewiderstands oder Änderung der Ladespannung verändert werden. So kann beispielsweise der Ladewiderstand im oberen Motorlastbereich größer als im ersten Motorlastbereich sein. Alternativ kann beispielsweise die Ladespannung im zweiten Motorlastbereich kleiner als im ersten Motorlastbereich sein.This can be ensured by various measures or a combination of these measures:
For example, the amount of the maximum primary current can be adjusted, which in turn is dependent on the charging resistance and the charging voltage U _L. The primary quiescent current can be changed by changing a charging resistance or changing the charging voltage. For example, the charging resistance in the upper engine load range may be greater than in the first engine load range. Alternatively, for example, the charging voltage in the second engine load range may be smaller than in the first engine load range.

Außerdem ist es möglich, die Zündenergie durch Änderung der Ladezeit oder Schließzeit vom Schließen des Primärstromkreises bis zur Unterbrechung des Primärstromkreises zu verändern, wodurch der Betrag des Primärstroms im Zündzeitpunkt verändert werden kann. So kann beispielsweise im zweiten Motorlastbereich die Schließzeit geringer als im ersten Motorlastbereich gewählt werden.In addition, it is possible to change the ignition energy by changing the charging time or closing time from closing the primary circuit to the interruption of the primary circuit, whereby the amount of the primary current can be changed in the ignition. For example, in the second engine load range, the closing time may be less than in the first engine load range.

Außerdem kann auch eine Strombegrenzung vorgesehen sein, wobei in diesem Fall beispielsweise der Wert der Strombegrenzung in Abhängigkeit der Motorlast M_d verändert wird (nämlich im oberen Motorlastbereich vorzugsweise geringer als im unteren Motorlastbereich gewählt wird) oder die Strombegrenzung im oberen Motorlastbereich überhaupt erst aktiviert wird.In addition, a current limit may be provided, in which case, for example, the value of the current limit depending on the engine load M _{d is} changed (namely in the upper engine load range is preferably less than in the lower engine load range selected) or the current limit in the upper engine load range is only activated.

Beispielsweise handelt es sich bei der Teilentladung um eine sogenannte dielektrisch behinderte Entladung, d. h. die Entladung zwischen einer Elektrode und Masse wird durch ein zwischen Elektrode und Masse befindliches Dielektrikum, d. h. durch einen Isolator, behindert. Ein dielektrisch behinderter Entladungskanal kann bei einer Zündkerze beispielsweise zwischen der Masseelektrode und der die Mittelelektrode umlaufenden Isolator-Keramik ab einer bestimmten Hochspannung entstehen und das Gemisch bei einem ausreichenden Zylinderdruck zünden.For example, the partial discharge is a so-called dielectrically impeded discharge, i. H. the discharge between an electrode and ground is effected by a dielectric located between electrode and ground, i. H. through an insulator, obstructed. A dielectrically impeded discharge channel can arise in a spark plug, for example, between the ground electrode and the insulator ceramic circulating the center electrode above a certain high voltage and ignite the mixture at a sufficient cylinder pressure.

Es handelt sich vorzugsweise um eine Zündkerze, welche eine Mittelelektrode als erste Elektrode und einen die Mittelelektrode umschließenden Isolator umfasst. Der Teilentladungsfunke kann dann beispielsweise als dielektrisch behinderter Entladungskanal im den Isolator umgebenden Bereich entstehen.It is preferably a spark plug, which comprises a center electrode as a first electrode and an insulator enclosing the center electrode. The partial discharge spark can then arise, for example, as a dielectrically impeded discharge channel in the region surrounding the insulator.

Alternativ kann aber auch ein Teilentladungsfunke an der Mittelelektrode entstehen, beispielsweise in der Nähe des oberen Endes der Keramik, insbesondere zwischen der Keramik und der Mittelelektrode. Ein Isolator ist zur Erzeugung des Teilentladungsfunkens nicht zwingend notwendig.Alternatively, however, a partial discharge spark may also be generated at the center electrode, for example in the vicinity of the upper end of the ceramic, in particular between the ceramic and the center electrode. An isolator is not mandatory for generating the partial discharge spark.

Bei der Zündkerze kann es sich beispielsweise um eine Zündkerze handeln, bei welcher eine Masseelektroden-Mittelelektroden-Anordnung mit einer zusätzlichen Elektrode für die gezielte Erzeugung eines dielektrisch behinderten Entladungsfunkens kombiniert wird. Der Luftspalt zwischen der Masseelektrode und der Mittelelektrode ist vorzugsweise relativ groß, beispielsweise EA ≥ 1 mm. Hierdurch wird eine gute Entflammung im ersten Motorlastbereich (beispielsweise Teillastbereich) ermöglicht. Im zweiten Motorlastbereich (beispielsweise Hochlast, Volllast und/oder Mittellast) zündet dann die Kerze nicht mehr über den klassischen Luftfunken, sondern über den dielektrisch behinderten Teilentladungsfunken.The spark plug may, for example, be a spark plug in which a ground electrode center electrode assembly is combined with an additional electrode for the targeted generation of a dielectrically impeded discharge spark. The air gap between the ground electrode and the center electrode is preferably relatively large, for example EA ≥ 1 mm. As a result, a good ignition in the first engine load range (for example, partial load range) is made possible. In the second engine load range (for example, high load, full load and / or medium load) then ignited the candle no longer on the classic air sparks, but on the dielectrically impeded partial discharge spark.

Beispielsweise umfasst die Zündkerze neben der ersten Elektrode und der als Masseelektrode fungierenden zweiten Elektrode eine als Masseelektrode fungierende dritte Elektrode zur gezielten Erzeugung des dielektrisch behinderten Teilentladungsfunkens im Bereich zwischen dem Isolator und der dritten Elektrode, wobei die dritte Elektrode von der Außenfläche des Isolators durch einen Luftkanal beabstandet ist.For example, in addition to the first electrode and the second electrode functioning as a ground electrode, the spark plug comprises a third electrode for selectively generating the dielectrically impeded partial discharge spark in the region between the insulator and the third electrode, wherein the third electrode extends from the outer surface of the insulator through an air channel is spaced.

Hierbei sollte vorzugsweise durch Formung der dritten (zusätzlichen) Elektrode und des Zündkerzen-Isolators und/oder durch die Wahl des Abstands zwischen der dritten Elektrode zum Zündkerzen-Isolator im zweiten Motorlastbereich ein elektrisches Feld dergestalt erzeugbar sein, dass ein ionisierter Luftkanal zwischen der Elektrode und dem Isolator auch bei hohen Druckwerten im Zündzeitpunkt entstehen kann (der ionisierte Kanal muss dabei aber nicht von der Elektrode zum Isolator reichen). Die Funkenstrecke der Teilentladung ist aufgrund der isolierenden Wirkung des Isolators nicht niederohmig; der so entstehende Teilentladungsfunke reicht aber im zweiten Motorlastbereich (beispielsweise im Mittel- und/oder Hochlastbereich) zur Auslösung der Entflammung typischerweise aus.Here, preferably by forming the third (additional) electrode and the spark plug insulator and / or by selecting the distance between the third electrode to the spark plug insulator in the second engine load range, an electric field should be generated such that an ionized air duct between the electrode and The insulator can also occur at high pressure values in the ignition point (the ionized channel does not have to reach from the electrode to the insulator). The spark gap of the partial discharge is not low-resistance due to the insulating effect of the insulator; However, the resulting partial discharge spark is sufficient in the second engine load range (for example, in the medium and / or high load range) to trigger the ignition typically.

Die dritte zusätzliche Elektrode kann eine auf den Isolator ausgerichtete Spitze oder eine der Isolatoroberfläche gegenüberliegende Fläche umfassen und/oder als ganz oder teilweise den Isolator umlaufender Ring ausgeführt sein.The third additional electrode may comprise a tip aligned with the insulator or a surface opposite the insulator surface, and / or may be in the form of a ring wholly or partly circumferential to the insulator.

Eine lokale Feldstärkenerhöhung aufgrund eines geringen Krümmungsradius, beispielsweise bei einer Spitze, begünstigt die Bildung einer dielektrisch behinderten Plasmaentladung.A local field strength increase due to a small radius of curvature, for example at a tip, favors the formation of a dielectrically impeded plasma discharge.

Die dritte Elektrode schließt sich vorzugsweise an das Zündkerzengewinde an und kann insbesondere mit dem Zündkerzengewinde einstückig ausgebildet sein.The third electrode preferably connects to the spark plug thread and can in particular be integrally formed with the spark plug thread.

Die Geometrie der dritten Elektrode sollte generell so ausgelegt sein, dass der dielektrisch behinderte Entladungsfunke auch bei den höchsten auftretenden Zünd-Drücken des Motors entsteht. Hintergrund ist, dass bei steigender Teilchendichte und sonst gleichen Bedingungen in der Regel eine erhöhte Feldstärke zur Initiierung eines Plasmakanals oder Streamers in einem Gas erforderlich ist. Um diese bei höheren Zünddichten nicht durch unnötig hohe Spannungen erzeugen zu müssen, kann die Geometrie der Massenelektrode durch entsprechende Wahl der Krümmungsradien so ausgelegt sein, dass eine ausreichende inhomogene Feldüberhöhung lokal an der Elektrode die Überschreitung der für die Plasmaentstehung kritische Grenzfeldstärke sicherstellt.The geometry of the third electrode should generally be designed so that the dielectrically impeded discharge spark arises even at the highest occurring ignition pressures of the engine. The background is that with increasing particle density and otherwise identical conditions, generally an increased field strength is required to initiate a plasma channel or streamer in a gas. In order not to have to generate this at higher ignition densities by unnecessarily high voltages, the geometry of the ground electrode can be designed by appropriate choice of the radii of curvature so that a sufficient inhomogeneous field elevation locally at the electrode ensures the exceeding of the critical field strength for plasma generation.

Damit sich der Teilentladungsfunke auf Höhe der dritten Elektrode ausbildet und nicht tiefer am Zündkerzengewinde im Atmungsraum der Zündkerze, ist der Abstand zwischen der dritten Elektrode und dem Isolator vorzugsweise kleiner als der Abstand zwischen dem Zündkerzengewinde und dem Isolator. Außerdem sollte der Abstand zwischen der dritten Elektrode und der ersten Elektrode vorzugsweise kleiner sein als der Abstand zwischen dem Zündkerzengewinde und der ersten Elektrode.In order for the partial discharge spark to be formed at the level of the third electrode and not deeper at the spark plug thread in the breathing space of the spark plug, the distance between the third electrode and the insulator is preferably smaller than the distance between the spark plug thread and the insulator. In addition, the distance between the third electrode and the first electrode should preferably be smaller than the distance between the spark plug thread and the first electrode.

Vorzugsweise wird – beispielsweise wie bei der vorstehend beschriebenen Zündkerze – ein Teilentladungsfunke, insbesondere ein dielektrisch behinderter Entladungsfunke, in einer entflammungsgünstigen Position im Brennraum oder zumindest nahe dem Brennraum erzeugt und nicht in einer ungünstigen Position wie tief im Atmungsraum der Kerze.Preferably, for example, as in the case of the spark plug described above, a partial discharge spark, in particular a dielectrically impeded discharge spark, is generated in a flammable position in the combustion chamber or at least near the combustion chamber and not in an unfavorable position as deep in the breathing chamber of the candle.

Durch die Verlagerung des Teilentladungsfunkens aus dem Atmungsraum heraus in den Brennraum kann die thermische Belastung der Zündkerze durch den Entflammungsvorgang reduziert werden. Weiterhin ist die Entflammung durch eine Teilentladung im Brennraum in der Regel wesentlich zuverlässiger als im Atmungsraum, da eine bessere Gemischzugänglichkeit bei gleichzeitig reduziertem Bauteilquenching gewährleistet ist.By shifting the partial discharge spark from the breathing chamber out into the combustion chamber, the thermal load of the spark plug can be reduced by the ignition process. Furthermore, the ignition by a partial discharge in the combustion chamber is usually much more reliable than in the respiratory room, as a better mixture accessibility is ensured at the same time reduced component quenching.

Die Entstehung von Gleitfunken, die bei einer derartigen Elektrodenausführung zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode möglicherweise auftreten könnten und zu einem beschleunigten Verschleiß der Zündkerze führen könnten, lassen sich durch geeignete Maßnahmen, wie eine entsprechende Formung des Isolators verhindert, oder doch zumindest reduzieren. So ist es Vorteil, wenn der Isolator an dessen Außenseite mindestens eine Kriechstrombarriere, z. B. eine Wulst, zur Vermeidung von Gleitfunken zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode aufweist. Auch die gezielte Wahl der Polarität kann hier hilfreich sein.The emergence of sliding sparks, which could possibly occur in such an electrode design between the first electrode and the third electrode and could lead to accelerated wear of the spark plug can be prevented by suitable measures, such as a corresponding shaping of the insulator, or at least reduce. Thus, it is advantageous if the insulator on its outer side at least one Kriechstrombarriere, z. B. has a bead, to avoid sliding sparks between the first electrode and the third electrode. The specific choice of polarity can also be helpful here.

Bei einer Teilentladung fließt im Unterschied zum normalen Luftfunken nicht die Ladung von einer Elektrode zu der anderen Elektrode ab. Stattdessen kann es bei einer Teilentladung zu einer Rückspeisung der Zündspulenergie in die Zündendstufe kommen. Insbesondere kann die über der Zündendstufe anliegende Spannung so hoch werden, dass die Zündendstufe durchbricht. Hierdurch kann die Zündendstufe geschädigt werden oder in Ansteuerrichtung vor der Zündendstufe liegende Schaltungsteile negativ beeinträchtigt werden.In a partial discharge, unlike the normal air sparks, the charge does not flow from one electrode to the other electrode. Instead, it may come in a partial discharge to a feeding back of the ignition coil in the ignition. In particular, the voltage applied across the ignition output voltage can become so high that the ignition output stage breaks down. As a result, the ignition output can be damaged or negatively affected in the driving direction before the ignition output circuit components.

Vorzugsweise ist die Zündanlage daher so eingerichtet, dass die bei einer Teilentladung über der Zündendstufe anliegende Spannung unter der Grenze zum Durchbruch der Stufe bleibt.Preferably, the ignition system is therefore set up so that the voltage applied across the ignition output stage during a partial discharge remains below the limit for the step break.

Dies kann dadurch realisiert werden, indem die Spulenenergie oder das Zündspannungsangebot der Zündspule verringert wird. Die Verringerung kann beispielsweise dann stattfinden, wenn eine Teilentladung über einen sogenannten Teilentladungs-Detektor detektiert wurde.This can be realized by reducing the coil energy or the ignition voltage supply of the ignition coil. The reduction can take place, for example, when a partial discharge has been detected via a so-called partial discharge detector.

Alternativ zur Verringerung der von der Spule bereitgestellten Energie kann auch die Spannung dadurch begrenzt werden, indem ein niederohmiger Pfad von der Zündendstufe zur Masse gebildet wird und die Spannung sich daher nicht weiter aufbauen kann. Hierzu kann beispielsweise ein zusätzliches Schaltmittel vorgesehen sein, welches rechtzeitig geschlossen wird.As an alternative to reducing the energy provided by the coil, the voltage can also be limited by forming a low-impedance path from the ignition output stage to the ground, and therefore the voltage can not build up any further. For this purpose, for example, an additional switching means may be provided, which is closed on time.

Zur Realisierung des Schutzes der Zündendstufe vor einem Durchbruch kann ein Teilentladungs-Detektor verwendet, dessen Ausgangssignal bei Anzeige einer Teilentladung entsprechende Maßnahmen initiiert. Die Teilentladungs-Detektion kann insbesondere anhand einer Auswertung eines Signals an einem Masseanschluss der Zündspule (z. B. des Signals an der sogenannten Klemme 1 einer Zündspule) erfolgen. Beispielsweise kann der Teilentladungs-Detektor prüfen, ob die Spannung an diesem Massenanschluss einen bestimmten Schwellwert überschreitet.To realize the protection of the ignition output stage before a breakthrough, a partial discharge detector may be used whose output signal initiates appropriate measures when a partial discharge is indicated. The partial discharge detection can be carried out in particular on the basis of an evaluation of a signal at a ground connection of the ignition coil (eg the signal at the so-called terminal 1 of an ignition coil). For example, the partial discharge detector can check whether the voltage at this ground terminal exceeds a certain threshold value.

Der Teilentladungs-Detektor kann alternativ oder zusätzlich zur Steuerung des Schutzes der Zündendstufe auch für andere Steuerungsaufgaben oder Regelungsaufgaben im Zusammenhang mit der Teilentladungszündung verwendet werden. Beispielsweise kann das Signal des Teilentladungs-Detektors dafür verwendet werden, das Zündspannungsangebot nach Detektion einer Teilentladung zu reduzieren oder generell anzupassen.The partial discharge detector may alternatively or additionally be used for controlling the ignition of the ignition output for other control tasks or control tasks in connection with the partial discharge ignition. For example, the signal of the partial discharge detector can be used to reduce or generally adjust the starting voltage supply after detection of a partial discharge.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist auf ein Zündverfahren für eine Zündanlage mit mindestens einer Zündkerze und Mitteln zum Erzeugen einer Zündspannung für die Zündkerze gerichtet. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor wird in einem ersten Motorlastbereich mit im Vergleich zu einem zweiten Motorlastbereich niedrigerer Motorlast durch einen von der Zündkerze erzeugten Luftfunken zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode der Zündkerze gezündet. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor wird in dem zweiten Motorlastbereich mit im Vergleich zu dem ersten Motorlastbereich höherer Motorlast durch einen von der Zündkerze erzeugten Teilentladungsfunken gezündet. A second aspect of the invention is directed to an ignition system for an ignition system having at least one spark plug and means for generating a spark voltage for the spark plug. The fuel-air mixture in the internal combustion engine is ignited in a first engine load range with a lower engine load compared to a second engine load range by a spark generated by the spark plug between a first electrode and a second electrode of the spark plug. The fuel-air mixture in the internal combustion engine is ignited in the second engine load region with a higher engine load than a first engine load region by a partial discharge spark generated by the spark plug.

Die vorstehenden Ausführungen zur erfindungsgemäßen Zündanlage und deren vorteilhafte Ausführungsformen nach dem ersten Aspekt der Erfindung gelten in entsprechender Weise auch für das erfindungsgemäße Zündverfahren nach dem zweiten Aspekt der Erfindung.The above statements on the ignition system according to the invention and its advantageous embodiments according to the first aspect of the invention also apply in a corresponding manner to the ignition method according to the invention according to the second aspect of the invention.

Ein dritter Aspekt der Erfindung ist auf eine Zündkerze gerichtet, die eine erste und eine zweite Elektrode zur Erzeugung eines Luftfunkens zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode umfasst. Außerdem ist eine dritte Elektrode oder eine Elektrodenspitze zur Erzeugung einer Teilentladung vorgesehen.A third aspect of the invention is directed to a spark plug comprising first and second electrodes for generating air spark between the first electrode and the second electrode. In addition, a third electrode or an electrode tip is provided for generating a partial discharge.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die erste Elektrode als Mittelelektrode ausgeführt. Die zweite Elektrode fungiert dann als Masseelektrode. Ferner umfasst die Zündkerze einen die Mittelelektrode umlaufenden Isolator. Die dritte Elektrode fungiert als Masseelektrode, welche von der Außenfläche des Isolators durch einen Luftkanal beabstandet ist. Die dritte Elektrode dient zur gezielten Erzeugung eines dielektrisch behinderten Teilentladungsfunken im Bereich zwischen dem Isolator und der dritten Elektrode.According to an advantageous embodiment, the first electrode is designed as a center electrode. The second electrode then acts as a ground electrode. Furthermore, the spark plug comprises an insulator circulating around the center electrode. The third electrode acts as a ground electrode, which is spaced from the outer surface of the insulator by an air channel. The third electrode serves to selectively generate a dielectrically impeded partial discharge spark in the region between the insulator and the third electrode.

Von jeder der vorstehend genannten Elektroden können auch mehrere Elektroden vorhanden sein.Each of the aforementioned electrodes may also have a plurality of electrodes.

Die vorstehenden Ausführungen zu vorteilhaften Zündkerzen, die vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zündanlage gemacht wurden, gelten in entsprechender Weise auch für die erfindungsgemäße Zündkerze nach dem dritten Aspekt der Erfindung.The above statements on advantageous spark plugs, which were made above in connection with the ignition system according to the invention, apply in a corresponding manner to the spark plug according to the invention according to the third aspect of the invention.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. In diesen zeigen:The invention will be described below with reference to the accompanying drawings with reference to several embodiments. In these show:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Zündanlage; 1 a first embodiment of an ignition system according to the invention;

2 ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen Zündspannungsbedarf und Drehmoment bei einer konventionellen Luftfunkenzündung; 2 an example of the relationship between ignition voltage requirement and torque in a conventional air spark ignition;

3 ein Foto eines Teilentladungsfunkens; 3 a photo of a partial discharge spark;

4 ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen Zündspannungsbedarf und Drehmoment bei einer Luftfunkenzündung im unteren Lastbereich und einer Teilentladungszündung im oberen Lastbereich; 4 an example of the relationship between ignition voltage requirement and torque in an air spark ignition in the lower load range and a partial discharge ignition in the upper load range;

5 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Zündkerze zur Erzeugung sowohl von Luftfunken als auch Teilentladungsfunken; 5 a first embodiment of a spark plug for generating both air sparks and partial discharge sparks;

6 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Zündkerze zur Erzeugung sowohl von Luftfunken als auch Teilentladungsfunken; 6 a second embodiment of a spark plug for generating both air sparks and partial discharge sparks;

7 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Zündkerze zur Erzeugung sowohl von Luftfunken als auch Teilentladungsfunken; und 7 a third embodiment of a spark plug for generating both air sparks and partial discharge sparks; and

8 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Zündanlage. 8th A second embodiment of an ignition system according to the invention.

In 1 ist ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Zündanlage für einen Verbrennungsmotor, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, dargestellt. Die Zündanlage wird von einer Batterie 1, beispielsweise einer 12V-Batterie gespeist. Der Pluspol der Batterie 1 ist über einen Zündschalter 2 mit einer Zündspule verbunden. Die Zündspule 1 umfasst eine Primärwicklung 4 und eine Sekundärwicklung 5. Die Zündspule 3 dient der Erzeugung einer Zündhochspannung und ist mit einer Zündkerze 7a oder über einen Zündverteiler 6 mit mehreren Zündkerzen 7a–d verbunden. Die Zündspule 3 umfasst vier Klemmen: Klemme 15, Klemme 1, Klemme 4a und Klemme 4b (s. Kl 15, Kl 1, Kl 4a, Kl 4b in 1).In 1 is an example of an ignition system according to the invention for an internal combustion engine, such as a motor vehicle, shown. The ignition system is powered by a battery 1 , for example a 12V battery. The positive pole of the battery 1 is via an ignition switch 2 connected to an ignition coil. The ignition coil 1 includes a primary winding 4 and a secondary winding 5 , The ignition coil 3 is used to generate a high ignition voltage and is with a spark plug 7a or via an ignition distributor 6 with several spark plugs 7a -D connected. The ignition coil 3 consists of four terminals: terminal 15, terminal 1, terminal 4a and terminal 4b (see Kl 15, Kl 1, Kl 4a, Kl 4b in 1 ).

Zur Erzeugung der Zündhochspannung für die Zündkerze 7a schaltet ein Steuergerät 8 eine Zündungsendstufe 9 für eine bestimmte Schließzeit ein. Die Zündendstufe 9 entspricht einem elektronischer Schalter und umfasst typischerweise einen Transistor, beispielsweise einen IGBT (insulated-gate bipolar transistor). Die Zündendstufe 9 kann beispielsweise in dem Steuergerät 8 oder in der Zündspule 3 integriert sein. Während der Schließzeit ist der Primärstromkreis geschlossen und der Betrag des Primärstroms in der Primärwicklung 4 steigt gegen die Gegeninduktionsspannung auf einen bestimmten Stromwert an, wobei ein Magnetfeld in der Zündspule aufgebaut wird.For generating the ignition high voltage for the spark plug 7a switches a control unit 8th an ignition output stage 9 for a certain closing time. The ignition output stage 9 corresponds to an electronic switch and typically comprises a transistor, for example an IGBT (insulated-gate bipolar transistor). The ignition output stage 9 For example, in the controller 8th or in the ignition coil 3 be integrated. During the closing time, the primary circuit is closed and the amount of primary current in the primary winding 4 rises against the mutual induction voltage to a certain current value, whereby a magnetic field is built up in the ignition coil.

Durch Aufbau des Magnetfelds wird in dem Magnetfeld Energie gespeichert, deren Höhe von der Größe des Primärstroms und der Induktivität der Primärwicklung 4 abhängt. Gesteuert über das Steuergerät 8 unterbricht die Zündendstufe 9 den Primärstromkreis, so dass der Stromfluss im Primärstromkreis unterbrochen wird. Das Magnetfeld bricht dabei zusammen, so dass in der Sekundärwicklung 5 ein großer Spannungswert induziert wird. By building up the magnetic field, energy is stored in the magnetic field whose height depends on the size of the primary current and the inductance of the primary winding 4 depends. Controlled via the control unit 8th interrupts the ignition output stage 9 the primary circuit, so that the current flow in the primary circuit is interrupted. The magnetic field breaks down, so that in the secondary winding 5 a large voltage value is induced.

Die maximal mögliche Spannung auf der Sekundärseite (d. h. das sogenannte Zündspannungsangebot) ist abhängig von der Größe des Magnetfelds und damit typischerweise abhängig von dem Primärstrom beim Öffnen des Primärkreises.The maximum possible voltage on the secondary side (i.e., the so-called ignition voltage supply) depends on the size of the magnetic field and thus typically depends on the primary current when opening the primary circuit.

Für einen konventionellen Luftfunkendurchbruch zwischen den Elektroden 21 und 20 in der Zündkerze muss das Zündspannungsangebot vom Betrag her mindestens so groß wie der sogenannte Zündspannungsbedarf (d. h. die für den Durchbruch notwendige Spannung) sein. Der Zündspannungsbedarf hängt von dem Zylinderdruck zum Zündzeitpunkt und damit unter anderem von dem Drehmoment M_d, also der Motorlast, ab. Gemäß dem Gesetz von Paschen nimmt der Zündspannungsbedarf mit steigender Motorlast, d. h. steigendem Drehmoment zu. Außerdem nimmt gemäß dem Gesetz von Paschen der Zündspannungsbedarf mit abnehmendem Elektrodenabstand EA zwischen den Elektroden 21 und 20 ab. 2 zeigt drei beispielhafte Verläufe der Zündspannung über dem Drehmoment M_d für drei verschiedene Elektrodenabstände EA = 0,7 mm; 0,9 mm und 1,1 mm. Durch den hohen Zündspannungsbedarf (z. B. 40 kV oder mehr) bei sehr hoher Motorlast ergeben sich Isolationsprobleme in der Zündkerze, ein erhöhter Verschleiß der Zündkerze und die Gefahr von Gleitfunken.For a conventional air gap between the electrodes 21 and 20 in the spark plug, the amount of starting voltage must be at least as large as the so-called ignition voltage requirement (ie the voltage required for the breakdown). The ignition voltage requirement depends on the cylinder pressure at the ignition time and thus, inter alia, on the torque M _d , ie the engine load. According to Paschen's law, the ignition voltage requirement increases with increasing engine load, ie increasing torque. In addition, according to the law of Paschen, the ignition voltage requirement decreases with decreasing electrode distance EA between the electrodes 21 and 20 from. 2 shows three exemplary courses of the ignition voltage over the torque M _d for three different electrode distances EA = 0.7 mm; 0.9 mm and 1.1 mm. The high ignition voltage requirement (eg 40 kV or more) at very high engine load results in insulation problems in the spark plug, increased wear of the spark plug and the risk of sliding sparks.

Zur Reduzierung des Zündspannungsbedarfs für höhere Motorlasten wird vorgeschlagen, die Zündung für höhere Motorlastbereiche (beispielsweise ab Werte von 220–330 Nm) über einen Teilentladungsfunken statt über einen Luftfunkendurchbruch zu bewerkstelligen. Bei der Teilentladung entsteht im Unterschied zum Luftfunken kein niederohmiges Plasma. Zur Realisierung eines Teilentladungsfunkens kann eine für Teilentladungen vorgesehene zusätzliche Elektrode 22 in der Zündkerze 7a vorgesehen sein, die beispielsweise als Masseelektrode fungiert. Es kann aber auch eine Zündkerze ohne dediziert ausgeformte Zusatzelektrode 22 verwendet werden, da auch konventionelle Zündkerzen ab bestimmten Spannungswerten Teilentladungsfunken im Bereich um den Isolator erzeugen können.In order to reduce the ignition voltage requirement for higher engine loads, it is proposed to achieve the ignition for higher engine load ranges (for example from values of 220-330 Nm) via a partial discharge spark instead of via a radio spark opening. During the partial discharge, in contrast to the air sparks, no low-resistance plasma is produced. In order to realize a partial discharge spark, an additional electrode provided for partial discharges may be provided 22 in the spark plug 7a be provided, for example, acts as a ground electrode. But it can also be a spark plug without dedicated molded additional electrode 22 can be used because even conventional spark plugs can generate partial discharge sparks in the area around the insulator from certain voltage values.

Das Foto in 3 zeigt eine konventionelle Zündkerze mit Sicht auf die Mittelektrode 21 (die Masseelektrode wurde für das Foto entfernt), wobei sich um den Isolator 23 der Zündkerze ein Teilentladungsfunke 50 gebildet hat.The photo in 3 shows a conventional spark plug with a view of the center electrode 21 (the ground electrode was removed for the photo), taking care of the insulator 23 the spark plug a partial discharge spark 50 has formed.

4 zeigt drei beispielhafte Verläufe für den Zündspannungsbedarf über dem Motordrehmoment M_d für drei verschiedene Elektrodenabstände EA = 0,7 mm; 0,9 mm und 1,1 mm bei Verwendung von konventioneller Luftfunkenzündung im unteren Motorlastbereich und Teilentladungszündung im oberen Motorlastbereich. Bei der verwendeten Zündkerze handelt es sich um eine konventionelle Zündkerze ohne zusätzliche Elektrode für den Teilentladungsfunken. 4 shows three exemplary courses for the ignition voltage requirement over the motor torque M _d for three different electrode distances EA = 0.7 mm; 0.9 mm and 1.1 mm when using conventional air spark ignition in the lower engine load range and partial discharge ignition in the upper engine load range. The spark plug used is a conventional spark plug without an additional electrode for the partial discharge spark.

Teilentladungsfunken zur Zündung lassen sich bei dem in 4 zugrundeliegenden Versuch im Wesentlichen ab ca. 31 kV erzeugen, diese Zündspannung entspricht dem Zündspannungsbedarf bei einer Motorlast M_d,TE,1 (s. M_d,TE für EA = 0,9 mm in 3). Ab diesem Drehmoment M_d,TE,1 kann bereits eine Zündung über einen Teilentladungsfunken stattfinden. Das tatsächliche Drehmoment M_d, ab dem reine Teilentladungszündung ohne die Möglichkeit eines niederohmigen Luftfunkens stattfindet, hängt von dem gelieferten Zündspannungsangebot der Spule 3 ab. In dem in 3 dargestellten Beispiel ist das Zündspannungsangebot der Zündspule 3 auf ca. 33 kV begrenzt. Für Drehmomente größer M_d,TE,2, also im Motorlastbereich 13 reicht das begrenzte Zündspannungsangebot nicht aus, um einen niederohmigen Luftfunkendurchbruch zu erzeugen; die Zündung findet für Motorlasten größer M_d.TE,2 dann über Teilentladungsfunken statt. Das Zündspannungsangebot liegt im Motorlastbereich 13 für Motorlasten größer M_d,TE,2 also vom Betrag her unter der zum Funkendurchbruch zwischen den Elektroden 21 und 20 notwendigen Spannung (vgl. 2 mit 3).Partial discharge spark for ignition can be in the in 4 This test voltage corresponds to the ignition voltage requirement at an engine load M _{d, TE, 1} (see M _{d, TE} for EA = 0.9 mm in.) 3 ). From this torque M _{d, TE, 1} can already take place ignition via a partial discharge spark. The actual torque M _d , from which pure partial discharge ignition takes place without the possibility of low-resistance air sparking, depends on the supplied ignition voltage supply of the coil 3 from. In the in 3 example shown is the Zündspannungsangebot the ignition coil 3 limited to approx. 33 kV. For torques greater than M _{d, TE, 2} , ie in the engine load range 13 the limited ignition voltage supply is insufficient to produce a low-impedance air breakdown; the ignition takes place for engine loads greater than M _{d.TE, 2} then via partial discharge _sparks . The ignition voltage range is in the engine load range 13 for motor loads greater than M _{d, TE, 2} so the amount below the spark gap between the electrodes 21 and 20 necessary tension (cf. 2 With 3 ).

In einem Zwischenbereich von M_d,TE,1 und M_d,TE,2 kann die Zündung entweder über Luftfunken oder Teilentladungsfunken stattfinden. Durch eine weitere Begrenzung des Zündspannungsangebots kann dieser Zwischenbereich verringert oder im Wesentlichen ganz aufgehoben werden, wenn das Zündspannungsangebot auf die für die Teilentladung notwendige Spannung (hier: ca. 31 kV) oder leicht darüber begrenzt wird. Im Motorlastbereich 14 unter der Motorlast M_d.TE.1 findet Luftfunkenzündung statt.In an intermediate region of M _{d, TE, 1} and M _{d, TE, 2} , the ignition may take place either via air sparks or partial discharge sparks. By further limiting the ignition voltage supply, this intermediate range can be reduced or essentially canceled altogether if the starting voltage supply is limited to the voltage required for the partial discharge (in this case about 31 kV) or slightly above it. In the engine load range 14 under engine load M _d.TE.1 , air _{spark ignition} takes place.

Bei der Zündstrategie sollten vorzugsweise Gleitfunken an der Zündkerze vermieden werden. Die Wahrscheinlichkeit für Gleitfunken hängt von dem Zündspannungsangebot und dem Kerzentyp ab. Bei ungünstigen Zündkerzentypen entstehen bereits bei Spannungswerten kleiner als die notwendige Spannung für Teilladungsfunken Gleitfunken (beispielsweise ab 25 kV). Vorzugsweise wird jedoch ein solcher Zündkerzentyp verwendet, bei dem die Gleitfunkenwahrscheinlichkeit bis zur maximal auftretenden Zündspannung (33 kV in 3) gering ist (z. B. 1% oder geringer ist). Der Gleitfunkenbereich sollte also durch einen entsprechend nach oben ausgedehnten Luftfunkenbereich überdeckt sein; zwischen normaler Luftzündung und Teilentladungszündung sollte also kein Bereich mit Gleitfunkenzündung liegen.In the ignition strategy, preferably, spark gaps on the spark plug should be avoided. The probability of sliding sparks depends on the ignition voltage and the candle type. In the case of unfavorable spark plug types, even with voltage values smaller than the necessary voltage for partial charge sparks, sliding sparks occur (for example, from 25 kV). Preferably, however, such a type of spark plug is used, in which the surface spark probability up to the maximum occurring ignition voltage (33 kV in 3 ) is low (eg 1% or less). The surface of the spark gap should thus be covered by a correspondingly extended upward aerial spark area; between normal air ignition and partial discharge ignition so no area should be with Gleitfunkenzündung.

Gleitfunken können durch ein entsprechend angepasstes Kerzendesign und die Verwendung einer geeigneten Polarität (z. B. positive Polarität, d. h. ein positives Potential an der Elektrode 21) verhindert werden. Von großer Bedeutung hierfür sind beispielsweise das Design zwischen Mittelelektrode und Keramik, die Kantenübergänge im Atmungsraum und die Oberflächenbeschaffenheit (Porosität) der Keramik.Slip sparks can be achieved by a suitably adapted spark plug design and the use of a suitable polarity (eg positive polarity, ie a positive potential at the electrode 21 ) be prevented. Of great importance for this are, for example, the design between center electrode and ceramic, the edge transitions in the respiratory space and the surface condition (porosity) of the ceramic.

Wie vorstehend beschrieben, sollte das Zündspannungsangebot im Lastbereich der Teilentladungszündung so gewählt sein, dass es unter der jeweils für den Funkendurchbruch notwendigen Spannung liegt. Die Spulenenergie darf also nicht zu hoch gewählt werden. Umgekehrt muss aber für den Lastbereich mit Luftfunkenzündung das Zündspannungsangebot und die Energie groß genug gewählt werden, dass einerseits ein Funkendurchbruch entsteht und andererseits die Funkendauer für eine sichere Zündung ausreicht. Die in der Zündspule gespeicherte Energie (und damit das Zündspannungsangebot) wird daher von dem Steuergerät 8 tendenziell im oberen Motorlastbereich 13 größer als im unteren Motorlastbereich 14, insbesondere im oberen Teil des unteren Motorlastbereichs 14, eingestellt.As described above, the ignition voltage in the load range of the partial discharge ignition should be selected so that it is below the voltage required in each case for the spark gap. The coil energy must not be too high. Conversely, however, for the load range with air spark ignition Zündspannungsangebot and the energy must be large enough that on the one hand, a sparking occurs and on the other hand the spark duration is sufficient for a reliable ignition. The stored energy in the ignition coil (and thus the ignition voltage supply) is therefore from the controller 8th tends to be in the upper engine load range 13 greater than in the lower engine load range 14 , in particular in the upper part of the lower engine load range 14 , discontinued.

Dazu stellt das Steuergerät 8 die Spulenenergie und damit auch das Zündspannungsangebot in Abhängigkeit der jeweiligen Motorlast ein. Die Anpassung der Spulenenergie in Abhängigkeit der Motorlast kann auf verschiedene Weisen erfolgen.This is what the controller does 8th the coil energy and thus also the Zündspannungsangebot depending on the respective engine load. The adjustment of the coil energy depending on the engine load can be done in various ways.

Beispielsweise kann der Betrag des maximalen Primärstroms angepasst werden, welcher wiederum vom Ladewiderstand und der Ladespannung abhängig ist. Der maximale Primärstrom kann durch Änderung eines Ladewiderstands oder Änderung der Ladespannung verändert werden. So kann beispielsweise der Ladewiderstand im oberen Motorlastbereich größer als im ersten Motorlastbereich sein. Alternativ kann beispielsweise die Ladespannung im zweiten Motorlastbereich kleiner als im ersten Motorlastbereich sein.For example, the amount of the maximum primary current can be adjusted, which in turn is dependent on the charging resistance and the charging voltage. The maximum primary current can be changed by changing a charging resistor or changing the charging voltage. For example, the charging resistance in the upper engine load range may be greater than in the first engine load range. Alternatively, for example, the charging voltage in the second engine load range may be smaller than in the first engine load range.

Außerdem ist es möglich, die Zündenergie durch Änderung der Ladezeit vom Schließen des Primärstromkreises bis zur Unterbrechung des Primärstromkreises zu verändern, wodurch der Betrag des Primärstroms im Zündzeitpunkt verändert werden kann. So kann beispielsweise im zweiten Motorlastbereich die Ladezeit geringer als im ersten Motorlastbereich gewählt werden.In addition, it is possible to change the ignition energy by changing the charging time from the closing of the primary circuit to the interruption of the primary circuit, whereby the amount of the primary current at the ignition timing can be changed. For example, in the second engine load range, the charging time may be less than in the first engine load range.

Es kann eine Strombegrenzung vorgesehen sein, wobei in diesem Fall beispielsweise der Wert der Strombegrenzung in Abhängigkeit der Motorlast M_d verändert wird (nämlich im oberen Motorlastbereich 13 geringer als im unteren Motorlastbereich 14) oder die Strombegrenzung im oberen Motorlastbereich 13 überhaupt erst aktiviert wird.It can be provided a current limit, in which case, for example, the value of the current limit as a function of the engine load M _{d is} changed (namely in the upper engine load range 13 lower than in the lower engine load range 14 ) or the current limit in the upper engine load range 13 ever activated.

Es sollte vorzugsweise eine Spule gewählt werden, deren Spannungsangebot vom maximal auftretenden Primärstrom und/oder von der Ladezeit abhängig ist.It should preferably be chosen a coil whose voltage supply is dependent on the maximum occurring primary current and / or the charging time.

Durch die gezielte Bildung von Teilentladungen zur Zündung im oberen Motorlastbereich 13 ist es also möglich, den maximal nötigen Zündspannungsbedarf zu verringern, da die Zündung im oberen Motorlastbereich 13 nicht durch einen normalen Funkendurchschlag, sondern durch einen Teilentladungsfunken erfolgt.Through the targeted formation of partial discharges for ignition in the upper engine load range 13 So it is possible to reduce the maximum required Zündspannungsbedarf, since the ignition in the upper engine load range 13 not by a normal spark-through, but by a partial discharge spark occurs.

Das Zündsystem kann statt als Gleichstrom- auch als Wechselstromzündsystem realisiert werden.The ignition system can be realized instead of DC as an AC ignition system.

Bei der Zündkerze 7a kann es sich um eine klassische Zündkerze oder um eine speziell für Teilentladungen angepasste Zündkerze handeln.At the spark plug 7a it can be a classic spark plug or a spark plug specially adapted for partial discharges.

5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Zündkerze 7a mit Zusatzelektrode 22, wobei eine konventionelle Anordnung umfassend eine Masseelektrode 20 und eine Mittelelektrode 21 mit einer Zusatzelektrode 22 zu gezielten Erzeugung eines Teilentladungsfunkens kombiniert wird. Zwischen der Masseelektrode 20 und der Mittelelektrode 21 befindet sich der Elektrodenabstand EA, welcher der Luftfunkenstrecke entspricht. Vorzugsweise wird ein großer Elektrodenabstand EA gewählt, beispielsweise EA ≥ 1 mm, insbesondere EA ≥ 1,3 mm. Hierdurch wird eine gute Entflammung im unteren Motorlastbereich 14 ermöglicht. 5 shows an embodiment of a spark plug 7a with additional electrode 22 wherein a conventional arrangement comprising a ground electrode 20 and a center electrode 21 with an additional electrode 22 is combined to targeted generation of a partial discharge spark. Between the earth electrode 20 and the center electrode 21 is the electrode distance EA, which corresponds to the air gap. Preferably, a large electrode spacing EA is selected, for example EA ≥ 1 mm, in particular EA ≥ 1.3 mm. As a result, a good ignition in the lower engine load range 14 allows.

Die Zündkerze umfasst ferner einen die Mittelelektrode 21 umlaufenden Isolator 23, welcher vorzugsweise eine oder mehrere Kriechstrombarrieren 24 zur Vermeidung von Gleitfunken umfasst. Der Isolator 23 ist beispielsweise aus einem Keramikmaterial hergestellt.The spark plug further includes a center electrode 21 circulating insulator 23 which preferably blocks one or more leakage currents 24 to avoid sliding sparks. The insulator 23 is made of a ceramic material, for example.

In dem oberen Motorlastbereich 13 zündet die Zündkerze nicht mehr über den klassischen Luftfunken, sondern über einen dielektrisch behinderten Teilentladungsfunken. Bei der Zusatzelektrode 22 handelt es sich um eine Masseelektrode, welche von der Außenfläche des Isolators durch einen Luftkanal 25 beabstandet ist, in welchem sich eine dielektrisch behinderte Entladung ausbilden kann. Der Luftkanal 25 bildet eine Funkenstrecke für die dielektrisch behinderte Entladung.In the upper engine load range 13 ignites the spark plug no longer on the classic air sparks, but on a dielectrically impeded partial discharge spark. At the additional electrode 22 it is a ground electrode, which from the outer surface of the insulator through an air duct 25 is spaced, in which a dielectrically impeded discharge can form. The air duct 25 forms a spark gap for the dielectrically impeded discharge.

Die Zusatzelektrode 22 schließt sich an ein den Isolator 23 umlaufendes Zündkerzengewinde 26 an, welches auf Massepotential liegt. Für eine gezielte Erzeugung des Teilentladungsfunkens im Bereich der Zusatzelektrode 22 kann der Abstand zwischen dem Zündkerzengewinde 26 und dem Isolator 23 größer gewählt werden als der Abstand zwischen der Zusatzelektrode 22 und dem Isolator 23. The additional electrode 22 joins the insulator 23 circumferential spark plug thread 26 which is at ground potential. For a targeted generation of the partial discharge spark in the region of the additional electrode 22 can the distance between the spark plug thread 26 and the insulator 23 be selected larger than the distance between the additional electrode 22 and the insulator 23 ,

Durch die Verwendung einer Zusatzelektrode 22 kann der dielektrisch behinderte Teilentladungsfunke statt im Atmungsraum 28 jenseits der Brennraumgrenze 27 erzeugt werden, wodurch die thermische Belastung der Zündkerze reduziert wird und die Gemisch-Entflammung verbessert wird.By using an additional electrode 22 may the dielectrically impeded partial discharge spark instead of in the respiratory space 28 beyond the combustion chamber boundary 27 can be generated, whereby the thermal load of the spark plug is reduced and the mixture-ignition is improved.

Die Zusatzelektrode kann die Mittelektrode ganz oder teilweise umlaufen. Außerdem kann die Zusatzelektrode 22 statt mit einem flachen Ende auch mit einer Spitze ausgeführt sein (s. 6).The additional electrode can completely or partially circulate the center electrode. In addition, the additional electrode 22 be executed with a tip instead of a flat end (s. 6 ).

Die Entstehung des Luftfunkens und des dielektrische behinderten Entladungsfunkens kann generell durch die Polarität, die Spannungsanstiegs-Geschwindigkeit, die Elektrodengeometrien (insbesondere die Krümmungsradien und Bauteilproportionen) und Werkstoffauswahl (Keramik zur Erzeugung einer dielektrische behinderten Entladung) gezielt beeinflusst werden und an das Motorkennfeld adaptiert werden. Auch die Entstehungstendenzen der beiden Funkentypen relativ zueinander können durch diese Maßnahmen ebenfalls gezielt beeinflusst werden.The generation of the spark and the dielectrically impeded discharge spark can generally be influenced by the polarity, the voltage rise speed, the electrode geometries (in particular the radii of curvature and component proportions) and material selection (ceramic for the production of a dielectric barrier discharge) and adapted to the engine map. The development tendencies of the two types of spark relative to each other can also be selectively influenced by these measures.

Bei einer konventionellen Zündkerze, bei der auf eine Zusatzelektrode 22 verzichtet wird, kann auf ähnliche Weise wie bei der Zündkerze in 5 auch ein Teilentladungsfunke im Bereich um den Isolator 23 entstehen. Die Zündkerze sollte dafür vorzugsweise so ausgestaltet sein, dass der Teilentladungsfunke im oberen Bereich des Atmungsraums 28 nahe der Brennraumgrenze 27 oder gar bereits im Brennraum entsteht, um eine leichte Entflammung des Gemisches zu ermöglichen. Der Teilentladungsfunke kann auch im Brennraum am oberen Bereich der Mittelelektrode entstehen, beispielsweise in der Nähe des oberen Endes der Keramik 23, insbesondere zwischen der Keramik 23 und der Mittelelektrode 21 (s. Bezugszeichen 29 in 6).In a conventional spark plug, in which an additional electrode 22 can be omitted in a similar manner as in the spark plug in 5 also a partial discharge spark in the area around the insulator 23 arise. The spark plug should preferably be designed so that the partial discharge spark in the upper region of the respiratory space 28 near the combustion chamber boundary 27 or even already created in the combustion chamber to allow a slight ignition of the mixture. The partial discharge spark may also arise in the combustion chamber at the top of the center electrode, for example near the top of the ceramic 23 , especially between the ceramics 23 and the center electrode 21 (see reference numerals 29 in 6 ).

Statt den vorstehend gezeigten Ausführungsformen für die Zündkerze kann auch eine klassische Elektrodenanordnung zur funktionalen Abdeckung der Zündung in einem niedrigen Motorlastbereich mit einer Korona-Entladungs tauglichen Elektrodenspitze 30 für die Zündung in einem hohen Motorlastbereich kombiniert werden. Statt eines dielektrisch behinderten Teilentladungsfunken erzeugt eine solche Zündkerze einen Teilentladungsfunken in Form einer Korona-Entladung. Die Entstehung des Luftfunkens und die Entstehung der Korona-Entladung können unter anderem durch die Polarität, die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit, die Elektrodengeometrie (insbesondere die Krümmungsradien und Bauteilproportionen) und Werkstoffstoffauswahl erfolgen.Instead of the embodiments for the spark plug shown above, a conventional electrode arrangement for the functional covering of the ignition in a low engine load range with a corona discharge capable electrode tip 30 be combined for the ignition in a high engine load range. Instead of a dielectrically impeded partial discharge spark, such a spark plug generates a partial discharge spark in the form of a corona discharge. The generation of the air spark and the emergence of the corona discharge can be done inter alia by the polarity, the rate of voltage rise, the electrode geometry (in particular the radii of curvature and component proportions) and material selection.

Ein Beispiel für eine Zündkerze mit Massenelektrode 20, Mittelektrode 21 mit Elektrodenspitze 30 und Isolator 23 ist in 7 dargestellt. Die Mittelektrode 21 ist vorzugsweise rund und umfasst vorzugsweise eine umlaufende Edelmetallarmierung 31. Die Edelmetallarmierung 23 fungiert als Verschleißschutz, da der Grundwerkstoff zu schnell verschleißt. Für die Edelmetallarmierung wird beispielsweise ein Platinring aufgeschrumpft und dann verschweißt. Vorzugsweise werden für den Teillastbereich der Elektrodenabstand EA und der Durchmesser D der Mittelektrode groß gewählt. Der Abstand A zwischen dem Ende der Mittelektrodenspitze 30 und der Massenelektrode 20 bestimmt die Ausbildung der Korona-Entladung im Hochlastbereich.An example of a spark plug with a ground electrode 20 , Middle electrode 21 with electrode tip 30 and insulator 23 is in 7 shown. The middle electrode 21 is preferably round and preferably comprises a circumferential precious metal reinforcement 31 , The precious metal reinforcement 23 acts as wear protection because the base material wears too fast. For the precious metal reinforcement, for example, a platinum ring is shrunk and then welded. Preferably, the electrode spacing EA and the diameter D of the center electrode are chosen to be large for the partial load range. The distance A between the end of the center electrode tip 30 and the ground electrode 20 determines the formation of the corona discharge in the high load range.

Bei einer Teilentladung fließt im Unterschied zum normalen Luftfunken nicht ein merklicher Teil der Ladung von einer Elektrode zu der anderen Elektrode ab. Stattdessen kann es bei einer Teilentladung zu einer Rückspeisung der Zündspulenergie in die Zündendstufe kommen. Insbesondere kann – wenn der Schalter der Zündendstufe 9 offen ist – die über der Zündendstufe anliegende Spannung (d. h. die Spannung zwischen Kl. 1 und Masse) so hoch (z. B. größer 400 V) werden, dass der Schalttransistor (z. B. IGBT) der Zündendstufe 9 durchbricht und leitet (es also zur sogenannten Klammerung kommt). Hierdurch kann die Zündendstufe 9 oder in dem Steuergerät 8 vor der Zündendstufe 9 liegende Schaltungsteile geschädigt werden.In a partial discharge, unlike normal air sparks, a significant portion of the charge does not flow from one electrode to the other electrode. Instead, it may come in a partial discharge to a feeding back of the ignition coil in the ignition. In particular, if - the switch of the ignition output 9 open - the voltage applied across the ignition output stage (ie the voltage between terminal 1 and ground) becomes so high (eg greater than 400 V) that the switching transistor (eg IGBT) of the ignition output stage 9 breaks through and leads (thus it comes to the so-called parenthesis). This allows the ignition output 9 or in the controller 8th in front of the ignition output stage 9 lying circuit parts are damaged.

Eine Möglichkeit besteht darin, eine Zündendstufe 9 mit einem Schalttransistor vorzusehen, der trotz Rückspeisung der Zündspulenenergie keinen Schaden nimmt. Beispielsweise kann die Gesamtenergie inklusive der rückgespeiste Energie für eine Teilladungszündung 300 mJ betragen. Der Schalttransistor kann so ausgelegt sein, dass der Schalttransistor die Energie ohne Schaden verträgt.One possibility is an ignition output stage 9 to provide with a switching transistor, which takes no damage despite feedback of the ignition coil energy. For example, the total energy including the regenerated energy for a partial charge ignition may be 300 mJ. The switching transistor may be designed so that the switching transistor can withstand the energy without damage.

Alternativ können Maßnahmen ergriffen werden, um einen Defekt durch rückgespeiste Zündspulenenergie auszuschließen.Alternatively, measures may be taken to eliminate a defect due to recharged ignition coil energy.

Beispielsweise kann durch eine Erkennung und Steuerung der Teilentladung, zum Beispiel über eine Auswertung des Signals an Kl 1, die Energierückspeisung reduziert oder gar fast vollständig vermieden werden. Dies kann durch eine Reduktion des Zündspannungsangebots erfolgen.For example, by detecting and controlling the partial discharge, for example via an evaluation of the signal at K1, the energy recovery can be reduced or even almost completely avoided. This can be done by reducing the ignition voltage.

Vorzugsweise ist die Zündanlage eingerichtet, dass die bei einer Teilentladung über der Zündendstufe 9 anliegende Spannung unter der Grenze zum Durchbruch des Schalttransistors der Zündendstufe 9 bleibt.Preferably, the ignition system is set up that at a partial discharge via the ignition output 9 voltage applied below the limit to the breakdown of the switching transistor of the ignition output 9 remains.

Dies kann dadurch realisiert werden, dass die Spulenenergie oder das Zündspannungsangebot der Zündspule während des Betriebs verringert wird. Die Verringerung kann beispielsweise dann stattfinden, nachdem eine Teilentladung über einen sogenannten Teilentladungs-Detektor 40 detektiert wurde, wie dies in 8 dargestellt ist. Das Detektorsignal des Teilentladungs-Detektors 40 wird dazu in das Steuergerät 8 gespeist. Die verringerte Spulenenergie oder das verringerte Zündspannungsangebot gelten dann beispielsweise für die nächste Zündung nach Detektion einer Teilladung.This can be realized by reducing the coil energy or the ignition voltage supply of the ignition coil during operation. The reduction may take place, for example, after a partial discharge via a so-called partial discharge detector 40 was detected, as in 8th is shown. The detector signal of the partial discharge detector 40 is added to the control unit 8th fed. The reduced coil energy or the reduced ignition voltage supply then apply, for example, for the next ignition after detection of a partial charge.

Die Teilentladungs-Detektion kann beispielsweise anhand einer Auswertung an einem Masseanschluss der Zündspule (z. B. anhand des Signals an der Klemme 1 der Zündspule 3) erfolgen. Beispielsweise kann der Teilentladungs-Detektor 40 prüfen, ob die Spannung an dem Masseanschluss einen bestimmten Schwellwert (z. B. 400 V) überschreitet. Der Teilladungsdetektor 40 kann beispielsweise eine gewisse Zeitdauer warten, nachdem die Zündendstufe geöffnet wird. Nach der Zeitdauer misst der Teilladungsdetektor 40 dann die anliegende Spannung und prüft, ob diese über dem Schwellwert liegt.The partial discharge detection can, for example, based on an evaluation at a ground terminal of the ignition coil (eg., Based on the signal at the terminal 1 of the ignition coil 3 ) respectively. For example, the partial discharge detector 40 Check that the voltage at the ground connection exceeds a certain threshold (eg 400 V). The partial charge detector 40 For example, it may wait a certain amount of time after the ignition output stage is opened. After the period of time, the partial charge detector measures 40 then the applied voltage and check if it is above the threshold value.

Alternativ zur Verringerung der von der Spule bereitgestellten Energie kann auch die Spannung dadurch begrenzt werden, dass ein niederohmiger Pfad von Kl 1 zur Masse gebildet wird und die Spannung sich daher nicht weiter aufbauen kann. Hierzu kann beispielsweise ein zusätzliches Schaltmittel 41 (beispielsweise ein IGBT) vorgesehen werden, welcher rechtzeitig geschlossen wird. Es wäre auch denkbar, den Schalttransistor der Zündendstufe 9 rechtzeitig wieder zu schließen. Die Ansteuerung des Schaltmittels 41 oder des Schalttransistors der Zündendstufe 9 über das Steuergerät 8 erfolgt beispielsweise bei Erkennung einer Teilentladung durch den Teilentladungs-Detektor 40. Die Schutzmaßnahme kann bereits für die soeben erkannte Teilentladung durchgeführt werden. Das Schaltmittel 41 bzw. der Schalttransistors der Zündendstufe sollten vorzugsweise nur kurz geschlossen werden, so dass es nicht zur Aufladung der Spule kommt.As an alternative to reducing the energy provided by the coil, the voltage can also be limited by forming a low-impedance path from K 1 to the ground, and therefore the voltage can not build up any further. For this purpose, for example, an additional switching means 41 (For example, an IGBT) are provided, which is closed on time. It would also be conceivable to use the switching transistor of the ignition output stage 9 close in time. The activation of the switching means 41 or the switching transistor of the ignition output stage 9 via the control unit 8th takes place, for example, upon detection of a partial discharge by the partial discharge detector 40 , The protective measure can already be carried out for the partial discharge just recognized. The switching means 41 or the switching transistor of the ignition output should preferably be closed only briefly so that it does not come to the charging of the coil.

Statt einen Teilentladungs-Detektor 40 zur Detektion einer Teilentladung zu verwenden, kann auch vorgesehen werden, dass in Motorlastbereichen mit Teilentladungszündung eine der vorstehend beschriebenen Maßnahmen „blind” erfolgt, d. h. ohne zu prüfen, ob tatsächlich eine Teilentladungszündung erfolgt ist.Instead of a partial discharge detector 40 For the purpose of detecting a partial discharge, it may also be provided that one of the above-described measures takes place "blindly" in engine load ranges with partial discharge ignition, ie without checking whether a partial discharge ignition has actually occurred.

Claims

Ignition system for an internal combustion engine operable with different engine loads, comprising - means ( 3 ) for generating a sparking voltage for a spark plug ( 7a ) and - a spark plug ( 7a ), wherein the ignition system is set up such that - fuel-air mixture in the internal combustion engine in a first engine load range ( 14 ) compared to a second engine load range ( 13 ) lower engine load through one of the spark plug ( 7a ) generated low-resistance air sparks between a first electrode ( 21 ) and a second electrode ( 20 ) of the spark plug is ignited, and - fuel-air mixture in the internal combustion engine in the second engine load area ( 13 ) compared to the first engine load range ( 14 ) higher engine load through one of the spark plug ( 7a ) generated partial discharge spark ( 50 ) and not ignited by a low-resistance air spark.

Ignition system according to claim 1, wherein the ignition voltage in the second engine load range ( 13 ) from the amount under the spark gap between the two electrodes ( 20 . 21 ) necessary voltage is.

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein - the means ( 3 ) for generating a high voltage an ignition coil ( 3 ) with a primary winding ( 4 ) and a secondary winding ( 5 ), and - the ignition voltage supply of the ignition coil ( 3 ) in the second engine load range ( 13 ) is selected so that the amount of starting voltage is below the voltage necessary for the low-voltage spark breakdown.

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein - the means ( 3 ) for generating a high voltage an ignition coil ( 3 ) with a primary winding ( 4 ) and a secondary winding ( 5 ), and - the ignition system is set up to be in the ignition coil ( 3 ) stored energy in the second engine load range ( 13 ) lower than in one under the second engine load range ( 13 ), in particular in the first engine load range ( 14 ) is.

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein - the means ( 3 ) for generating a high voltage an ignition coil ( 3 ) with a primary winding ( 4 ) and a secondary winding ( 5 ), and - the ignition system is set up so that - when the primary circuit is interrupted, the amount of the primary current of the primary winding ( 4 ) in the second engine load range ( 13 ) is less than the magnitude of the primary current in one under the second engine load range ( 13 ), in particular less than in the first engine load range ( 14 ).

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein in the first engine load range ( 14 ), in the second engine load range ( 14 ) and in any range between the first engine load range ( 14 ) and the second engine load range ( 13 ) essentially no sliding spark on the spark plug ( 7a ) occur.

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein the spark plug comprises a central electrode ( 21 ) as the first electrode and the center electrode ( 21 ) enclosing isolator ( 23 ) and the partial discharge spark ( 50 ) in particular a dielectrically impeded partial discharge spark in the area around the insulator ( 23 ) or a partial discharge spark at the center electrode.

Ignition system according to claim 7, wherein the spark plug ( 7a ) next to the first electrode ( 21 ) and the ground electrode ( 20 ) acting second electrode acting as a ground electrode third electrode ( 22 ) for the targeted production of a dielectrically impeded partial discharge spark ( 50 ) in the area between the insulator ( 23 ) and the third electrode ( 22 ), wherein the third electrode ( 22 ) from the outer surface of the insulator through an air channel ( 25 ) is spaced.

Ignition system according to claim 8, wherein the third electrode ( 22 ) one on the insulator ( 23 ) aligned tip, cutting edge or one of the insulator surface opposite surface comprises and / or designed as wholly or partially the insulator circumferential ring.

Ignition system according to one of claims 8-9, wherein - the third electrode ( 22 ) to an isolator ( 23 ) circumferential spark plug thread ( 26 ) and - at least at the end of the spark plug thread ( 26 ) the distance between the spark plug thread ( 26 ) and the insulator ( 23 ) or the center electrode ( 21 ) is greater than the distance between the third electrode ( 22 ) and the insulator ( 23 ) or the center electrode ( 21 ).

Ignition system according to one of claims 8-10, wherein the insulator ( 23 ) on its outside at least one leakage current barrier ( 24 ) to prevent sliding sparks between the center electrode ( 21 ) and the third electrode ( 22 ) having.

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein for generating the partial discharge spark, the spark plug a third electrode ( 22 ) or a corona-compatible electrode tip ( 30 ).

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein - the means ( 3 ) for generating a high voltage an ignition coil ( 3 ) with a primary winding ( 4 ) and a secondary winding ( 5 ), - the ignition system has an ignition output stage ( 9 ) for switching the primary current, and - the ignition system is set up so that in the case of a partial discharge ignition, the one above the ignition output stage ( 9 ) voltage from the amount below the limit to the breakthrough of the final stage ( 9 ) remains.

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein - the means ( 3 ) for generating a high voltage an ignition coil ( 3 ) with a primary winding ( 4 ) and a secondary winding ( 5 ), - the ignition system has an ignition output stage ( 9 ) is arranged for switching the primary current and - the ignition system is set up that in the case of a partial discharge ignition, the coil energy or the ignition voltage supply of the ignition coil ( 3 ) is reduced.

Ignition system according to claim 13, wherein the at the ignition output stage ( 9 ) voltage is limited by closing a low-impedance path to the ground, in particular by closing an additional switching means ( 41 ).

Ignition system according to one of the preceding claims, wherein the ignition system comprises a partial discharge detector ( 40 ), which is set up in particular, the detection based on an evaluation of a signal at a ground terminal (Kl 1) of the ignition coil ( 3 ).

Ignition system for an ignition system with at least one spark plug ( 7a ) and funds ( 3 ) for generating a sparking voltage for the spark plug ( 7a ), wherein the ignition system is for an operable at different engine loads combustion engine, wherein - fuel-air mixture in the internal combustion engine in a first engine load range ( 14 ) compared to a second engine load range ( 13 ) lower Engine load through one of the spark plug ( 7a ) generated low-resistance air sparks between a first electrode ( 21 ) and a second electrode ( 20 ) of the spark plug is ignited, and - fuel-air mixture in the internal combustion engine in the second engine load area ( 13 ) compared to the first engine load range ( 14 ) higher engine load by a partial discharge spark generated by the spark plug ( 50 ) and not ignited by an air spark.

Spark plug ( 7a ) for an ignition system, comprising - a first (21) and a second electrode ( 20 ) for generating an air spark between the first electrode ( 21 ) and the second electrode ( 20 ) and - a third electrode ( 22 ), wherein - the first electrode ( 21 ) is designed as a center electrode, - the second electrode ( 20 ) acts as a ground electrode, - the spark plug ( 7a ) further comprises a center electrode ( 21 ) circulating insulator ( 23 ), - the third electrode ( 22 ) acts as a ground electrode, which from the outer surface of the insulator ( 23 ) through an air duct ( 25 ), and - the third electrode ( 22 ) for producing a dielectrically impeded partial discharge spark (US Pat. 50 ) in the area between the insulator ( 23 ) and the third electrode ( 22 ) serves.