DE19747701C2

DE19747701C2 - Plasma jet ignition for internal combustion engines

Info

Publication number: DE19747701C2
Application number: DE1997147701
Authority: DE
Inventors: Manfred Weniger; Juergen Gloger; Waldemar Krain
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1997-10-29
Filing date: 1997-10-29
Publication date: 1999-12-23
Anticipated expiration: 2017-10-30
Also published as: DE19747701A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in Verbrennungskraftmaschinen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Plasmastrahl-Zündeinrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 14.The present invention relates to a method for igniting a fuel-air mixture in internal combustion engines according to the preamble of claim 1 and a Plasma jet ignition device according to the preamble of claim 14.

Zur Entzündung von Kraftstoff-Luft-Gemischen in Verbrennungskraftmaschinen werden in Ottomotoren fast ausschließlich Zündanlagen mit konventionellen Spulenzündungen und Zündkerzen verwandt. Bei derartigen Systemen erzeugt die von der Zündspule bereitgestellte Zündenergie, die im Brennraum des Motors freigesetzt wird, eine Funkenentladung zwischen eng benachbarten Elektroden von Zündkerzen, bei der als Nachteil relativ hohe Wärmeverluste an den Zündkerzenelektroden auftreten. Die Übertragung der Zündenergie auf das Kraftststoff-Luft-Gemisch erfolgt durch direkten Kontakt des Zündfunkens mit dem Kraftstoff-Luft-Gemisch, wodurch eine Ausbildung von Flammenkernen nur in direkter Umgebung der Elektroden der Zündkerzen stattfindet. Zudem kann durch den Kontakt mit den relativ kalten Zündkerzenelektroden eine partielle Auslöschung des Flammenkernes erfolgen. Derartige als Quenchverluste bezeichnete Verluste lassen sich bei den konventionellen Zündsystemen nicht vermeiden.For the ignition of fuel-air mixtures in internal combustion engines Otto engines almost exclusively ignition systems with conventional coil ignitions and Related spark plugs. In such systems, that generated by the ignition coil provided ignition energy, which is released in the combustion chamber of the engine, a Spark discharge between closely adjacent electrodes of spark plugs when used as Disadvantage relatively high heat losses occur at the spark plug electrodes. The The ignition energy is transferred to the fuel-air mixture by direct means Contact of the spark with the fuel-air mixture, causing formation of Flame cores only take place in the direct vicinity of the electrodes of the spark plugs. In addition, contact with the relatively cold spark plug electrodes can cause a partial Extinguish the flame core. Such as quench losses Losses cannot be avoided with conventional ignition systems.

Reicht die trotz Quenchverlusten verbleibende Zündenergie unter normalen Betriebszuständen des Motors für eine sichere Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches aus, so können in bestimmten Betriebsbereichen oder Betriebsarten des Motors Gemischzusammensetzungen auftreten, die mit derartigen Zündverfahren nicht mehr sicher gezündet werden können. Insbesondere zunehmende Anforderungen an Verbrennungskraftmaschinen durch den Umweltschutz, wie verringertem Schadstoffausstoß und besserer Ausnutzung des Kraftstoffes, lassen sich vor allem dadurch erreichen, daß der Motor im sog. Magerbereich betrieben wird, also im Bereich einer Verringerung des Kraftstoffanteils am Kraftstoff-Luft-Gemisch. Derartige Gemische sind generell aber schwieriger zu zünden als fettere Gemische, da die Geschwindigkeit der sich nach der Zündung im Gemisch ausbreitenden Flammenfront bei einem mageren Gemisch geringer als bei einem fetten Gemisch ist. Es kommt somit bei konventionellen Zündsystemen zu unvollständiger Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches oder sogar komplettem Ausbleiben der Zündung und damit zu Verlusten eines Arbeitstaktes. Somit wird die Grenze der Abmagerung des Gemisches mit zunehmender Abmagerung durch einen rauhen Lauf des Motors infolge von Zündaussetzern bestimmt. Um auch bei aus Umweltschutzgründen erwünschten Magergemischen oder in homogenen Gemischen eine sichere Zündung des Gemisches zu erreichen, müssen die konventionellen Zündanlagen verbessert oder ersetzt werden.The ignition energy remaining despite quench losses is below normal Operating states of the engine for a safe ignition of the fuel-air mixture, so in certain operating areas or operating modes of the engine Mixture compositions occur that are no longer safe with such ignition methods can be ignited. In particular, increasing requirements Internal combustion engines through environmental protection, such as reduced pollutant emissions and better utilization of the fuel, can be achieved above all by the fact that the Engine is operated in the so-called lean area, i.e. in the area of a reduction in Fuel share in the fuel-air mixture. Such mixtures are generally more difficult to ignite than fatter mixtures, because the speed of the Ignition in the mixture spreading flame front with a lean mixture less than with a rich mixture. It therefore occurs with conventional ignition systems incomplete combustion of the fuel-air mixture or even complete Ignition does not occur and therefore a work cycle is lost. So the limit the emaciation of the mixture with increasing emaciation through a rough run of the engine due to misfires. To also for environmental reasons desired lean mixtures or in homogeneous mixtures a reliable ignition of the To achieve a mixture, the conventional ignition systems must be improved or replaced become.

Eine Möglichkeit der Verbesserung des Zündverhaltens besteht nach der DE 196 36 712 A1 darin, eine Mehrzahl von Zündelektroden gleichzeitig im Brennraum anzuordnen und mit der Zündspannung zu beaufschlagen. Derartige Zündsysteme bilden dabei mehrere Flammenkerne gleichzeitig aus und erreichen damit eine Zündzone größerer Erstreckung, die eine sichere Zündung auch problematischer Gemischsysteme erlauben soll. Nachteilig hieran ist insbesondere der hohe konstruktive Aufwand zur Bereitstellung geeigneter Zündkerzen sowie der benötigte Bauraum am Motor selbst.According to DE 196 36 712 A1, there is a possibility of improving the ignition behavior in arranging a plurality of ignition electrodes simultaneously in the combustion chamber and using the To apply ignition voltage. Such ignition systems form several Flame cores at the same time and thus reach an ignition zone of greater extent, which should allow reliable ignition of problematic mixture systems. Disadvantageous this is particularly due to the high design effort for providing more suitable Spark plugs and the space required on the engine itself.

Es sind weiterhin Zündverfahren für die Zündung von Kraftstoff-Luft-Gemischen bei Verbrennungskraftmaschinen bekannt, bei denen mit Hilfe von Plasmaentladungen thermische Energie in den Brennraum eingebracht und dadurch das Gemisch gezündet wird. Bei derartigen Plasmazündungen wird durch eine in einen Brennraum hineinragende Elektrode das in dem Brennraum befindliche Gemisch dadurch gezündet, daß das Gemisch durch ein Hochfrequenzfeld ausreichender Energie auf eine reaktionsfähige Temperatur gebracht wird, indem das Gas durch das von der Elektrode in den Brennraum eingebrachte Hochfrequenzfeld in den elektrisch leitfähigen Plasmazustand gelangt.Ignition methods for the ignition of fuel-air mixtures are also included Internal combustion engines are known in which with the help of plasma discharges thermal energy is introduced into the combustion chamber and the mixture is thereby ignited. In the case of such plasma ignitions, one protrudes into a combustion chamber Electrode ignited the mixture located in the combustion chamber in that the mixture through a high-frequency field of sufficient energy to a reactive temperature is brought in by the gas introduced into the combustion chamber by the electrode High-frequency field enters the electrically conductive plasma state.

Aus der EP 0 211 133 B1 ist eine derartige Einrichtung bekannt, mit der ein solches Plasma eng begrenzt in dem Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine erzeugt wird und durch Variation der zugeführten Energie bzw. Frequenz des an der Elektrode anliegenden Hochfrequenzfeldes die benötigte Zündtemperatur für das Gemisch in einem wählbaren Raumvolumen bereitgestellt wird. Nachteilig an der beschriebenen Einrichtung ist es, daß zur Erzielung ausreichender Energiedichten das Plasma räumlich eng begrenzt erzeugt werden muß und das Plasma sich wegen der beschriebenen längerdauernden Entladung im wesentlichen im physikalischen Gleichgewicht befindet. Hierdurch wird gerade bei mageren Gemischen keine ausreichende Zündsicherheit des gesamten Gemisches gewährleistet, wodurch auch eine unvollständige Verbrennung des Gemisches hervorgerufen werden kann. In der DE 40 28 869 A1 wird zur Erzielung einer ausreichend hohe Energiedichte des Plasmas die Plasmaentladung ausschließlich in einer in dem Elektrodenkörper zurückliegend angeordneten Zündkammer erzeugt, wodurch ein Einwirken auf größere Bereiches des Gemisches und damit eine Erhöhung der Zündsicherheit nicht möglich ist. Zur Überwindung derartiger Probleme auch bei wechselnden Belastungen des Motors wird in der DE 31 29 954 C2 vorgeschlagen, eine Abstimmung der Plasmaerzeugung auf die jeweiligen Betriebsbedingungen des Motors vorzunehmen, um auch bei ungünstigen Betriebsbedingungen eine sichere Zündung zu gewährleisten.Such a device is known from EP 0 211 133 B1 with which such a plasma is used is narrowly generated in the combustion chamber of an internal combustion engine and by Variation of the energy or frequency supplied to the electrode High frequency field the required ignition temperature for the mixture in a selectable Space volume is provided. A disadvantage of the device described is that To achieve sufficient energy densities, the plasma is generated in a spatially limited manner must be and the plasma due to the described long-term discharge in is essentially in physical equilibrium. This will just at lean mixtures do not provide sufficient ignition security for the entire mixture guaranteed, which also leads to incomplete combustion of the mixture can be caused. DE 40 28 869 A1 uses a sufficiently high energy density of the plasma only in the plasma discharge an ignition chamber arranged in the electrode body, whereby an action on a larger area of the mixture and thus an increase ignition safety is not possible. To overcome such problems also with changing loads on the engine is proposed in DE 31 29 954 C2, a Adjustment of the plasma generation to the respective operating conditions of the engine to ensure reliable ignition even under unfavorable operating conditions guarantee.

Zur Verbesserung der Einwirkung eines vorteilhaft in einer Brennraumvertiefung erzeugten Plasmastrahles wird in der DE 37 13 368 C2 vorgeschlagen, durch die Einwirkung eines das Plasma in den Brennraum hineintreibenden Magnetfeldes eine Vergrößerung des Einwirkbereiches des Plasmas auf das zu zündende Gemisch hervorzurufen. Durch eine derartige Vorgehensweise wird die Plasmaerzeugung und - leitung komplizierter und es wird der apparative Aufwand stark erhöht.To improve the effect of a beneficial in a combustion chamber recess generated plasma jet is proposed in DE 37 13 368 C2, through the Exposure to a magnetic field driving the plasma into the combustion chamber Enlargement of the area of exposure of the plasma to the mixture to be ignited to evoke. By doing this, the plasma generation and - line more complicated and the equipment complexity is greatly increased.

Ferner ist bekannt aus DE 196 38 787 A1, daß es im Brennraum zu einer Plasmabildung kommt, also eine energiedichte Überhöhung auftritt, wodurch eine Zündung des Gemisches im Brennraum iniziiert wird. Aus DE 25 43 125 A1 ist entnehmbar, daß die Hochfrequenzentladung sich nicht bis zur Wand des Brennraum erstreckt und das auch mit nur einem Fußpunkt auf der Mittelelektrode fackelartig in den Brennraum hineingebrannt werden kann. Weiterhin ist bekannt aus JP 59-70886 (A), daß eine speisende Elektrode eine Vielzahl von Flammkernen im Kraftstoff-Luft-Gemisch hervorruft.It is also known from DE 196 38 787 A1 that there is a plasma formation in the combustion chamber comes, so an energy-tight increase occurs, causing an ignition of the Mixture is initiated in the combustion chamber. From DE 25 43 125 A1 it can be seen that the High-frequency discharge does not extend to the wall of the combustion chamber, and that too with only one foot point on the center electrode like a torch into the combustion chamber can be burned into it. It is also known from JP 59-70886 (A) that a feeding electrode a variety of flame cores in the fuel-air mixture evokes.

Allen bekannten Plasmastrahl-Zündeinrichtungen ist dabei gemeinsam, daß die Bildung des Plasmas räumlich begrenzt in der Nähe der Elektrode erfolgt und daher die Ausbreitung der Flammenfront nicht grundsätzlich anders als bei herkömmlichen Zündkerzen und damit nicht für alle Betriebszustände des Motors schnell genug erfolgt und ferner, ist aus dem bekannten Stand der Technik nicht entnehmbar, daß gleichzeitig eine Mehrzahl Hochomegaplasmafädchen von kurzer Dauer ausgebildet werden, wobei das ausgebildete Plasma sich thermisch nicht im Gleichgewicht befindet.All known plasma jet ignition devices have in common that the formation of the plasma takes place in the vicinity of the electrode and therefore the Spread of the flame front is not fundamentally different from that of conventional ones Spark plugs and therefore not quickly enough for all engine operating states and further, it is not apparent from the known prior art that at the same time a plurality of short-duration high plasma plasma filaments are formed, wherein the formed plasma is not thermally in equilibrium.

Es ist daher Aufgabe der folgenden Erfindung, ein Verfahren zur Zündung mit Hilfe einer Plasmastrahl-Zündeinrichtung derart weiterzubilden, daß sich eine Verbesserung des Zündverhaltens auch bei schlecht zu zündenden Kraftstoff-Luft-Gemischen ergibt und die Betriebssicherheit des Motors auch in gemischmäßig ungünstigen Motorzuständen erhöht wird.It is therefore an object of the following invention, a method for ignition using a Develop plasma jet ignition device such that there is an improvement in Ignition behavior also results in poorly ignitable fuel-air mixtures and the Operational reliability of the engine even in mixed unfavorable engine conditions is increased.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich bezüglich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbegriffs sowie hinsichtlich der vorrichtungsmäßigen Gestaltung der Plasmastrahl-Zündeinrichtung nach den Merkmalen des Anspruches 14. Die Unteransprüche beschreiben jeweils bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Plasma strahl-Zündeinrichtung.The object of the invention is achieved with regard to the method the characterizing features of claim 1 in cooperation with the Features of the generic term as well as with regard to the design of the device Plasma jet ignition device according to the features of claim 14. Die Describe subclaims preferred further developments of the method according to the invention and the plasma beam ignition device.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung nach Anspruch 1 wird ein Verfahren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in Verbrennungskraftmaschinen vorgeschlagen, das in Zusammenwirken mit einer Plasmastrahl-Zündeinrichtung angewendet wird, die mindestens eine bereichsweise im Inneren eines Brennraumes einer Verbrennungskraftmaschine angeordnete Elektrode aufweist. Diese Elektrode ist mit einem Hochfrequenzerzeuger elektrisch verbunden, wobei in einem im Brennraum befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisch durch ein von dem Hochfrequenzerzeuger bereitgestelltes Hochfrequenzfeld ein Plasma erzeugt wird. Hierbei wird in erfindungsgemäßer Weise das Hochfrequenzfeld derart auf eine hohe Spannung geregelt, daß sich an der Elektrode in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch gleichzeitig eine Mehrzahl hochohmiger Plasmafäden kurzer Dauer ausbilden. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren zur Zündung mittels Plasmen, die im wesentlichen durch längerbrennende, stationäre Plasmen erzeugt werden, wird durch die hochfrequenten und von hoher Spannung hervorgerufenen Plasmaentladungen eine Anzahl sich kurzzeitig und intensiv ausbildender Plasmafäden gebildet, die zu kurzzeitigen, intensiven Entladungen des Plasmas führen und viele Flammenkerne in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch hervorrufen, wodurch sich ein besonders gutes Zündverhalten des Kraftstoff-Luft-Gemisches erreichen läßt.In the inventive solution according to claim 1, a method for igniting a Fuel-air mixture in internal combustion engines proposed that in Interaction with a plasma jet igniter is applied, at least a region in the interior of a combustion chamber of an internal combustion engine arranged electrode. This electrode is with a high frequency generator electrically connected, in a fuel-air mixture located in the combustion chamber a plasma through a high-frequency field provided by the high-frequency generator is produced. Here, in the manner according to the invention, the high-frequency field is set to a high voltage regulates that on the electrode in the fuel-air mixture at the same time form a plurality of high-resistance plasma threads of short duration. In contrast to the known methods for ignition by means of plasmas, which are essentially by longer-burning, stationary plasmas are generated by the high-frequency and plasma discharges caused by high voltage a number of times and intensely forming plasma threads, which lead to short-term, intensive discharges of the Lead to plasma and cause a lot of flame nuclei in the fuel-air mixture, which results in a particularly good ignition behavior of the fuel-air mixture leaves.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird das Hochfrequenzfeld derart betrieben, daß sich das in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum gebildete Plasma thermisch nicht im Gleichgewicht befindet. Durch die erfindungsgemäße Regelung des Hochfrequenzfeldes wird erreicht, daß sich kein stationäres Plasma und dadurch keine gleichmäßige Plasmaentladung geringer Intensität ausbildet, die nur eine geringere Zündeignung aufweist. Statt dessen wird aufgrund der hohen Frequenz erreicht, daß sich kurzzeitige, lokale hochohmige Plasmaentladungen in Form von Plasmafäden ausbilden, die intensive Flammenkerne zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches hervorrufen. Zwar wirken diese Plasmafäden nur kurzzeitig, dafür aber aufgrund ihrer Anzahl in dem der Elektrode benachbarten Bereich bei der hohen Potentialdifferenzen besonders intensiv.In a particularly advantageous development of the method, the high-frequency field operated such that that formed in the fuel-air mixture in the combustion chamber Plasma is thermally out of balance. Through the regulation according to the invention the high-frequency field ensures that there is no stationary plasma and therefore no uniform plasma discharge of low intensity, which forms only a lower Ignition suitability. Instead, the high frequency means that form short-term, local high-resistance plasma discharges in the form of plasma threads, which cause intense flame cores to ignite the fuel-air mixture. Though These plasma threads only work for a short time, but because of their number in that of Electrode adjacent area particularly intense at the high potential differences.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird das Hochfrequenzfeld mit einer Frequenz im MHz-Bereich betrieben. Eine derart hohe Frequenz trägt zur Bildung des instationären, sich nicht im thermischen Gleichgewicht befindlichen Plasmas bei, bei der Ausgleichsvorgänge durch Entladungen in Form von hochohmigen Plasmafäden und damit einer intensiven Flammenkernbildung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgen.In a particularly advantageous embodiment, the high-frequency field with a Frequency operated in the MHz range. Such a high frequency contributes to the formation of the unsteady, not in thermal equilibrium plasma in which Compensation processes through discharges in the form of high-resistance plasma threads and thus intensive formation of a flame in the fuel-air mixture.

Besonders günstig ist es, wenn das Plasma durch ein Hochfrequenzfeld mit einem steil ansteigenden, impulsförmigen Verlauf erzeugt wird, bei dem in weiterer Ausgestaltung der steil ansteigende impulsförmige Verlauf auf Werte kleiner oder gleich etwa 500 V/µs begrenzt wird. Durch derartige Spannungsverläufe wird die Bildung der hochohmigen, nur kurzzeitig brennenden Plasmafäden begünstigt.It is particularly favorable if the plasma is steep with a high-frequency field rising, pulse-shaped course is generated, in which the steeply rising pulse-shaped course to values less than or equal to about 500 V / µs is limited. Through such voltage profiles, the formation of the high-resistance, only short-term burning plasma threads favored.

In einer anderen Weiterbildung wird das Hochfrequenzfeld auf einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf ausgeregelt, der im Bereich der Flanken der Sinusfunktion einen steil ansteigenden Verlauf aufweisen kann.In another development, the radio frequency field is essentially one corrected sinusoidal curve, which is steep in the area of the edges of the sine function can have an increasing course.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Plasmafäden aus Korona- und/oder Streamer- Entladungen an der Elektrode gebildet werden. Hierbei können sich in einer Weiterbildung die Plasmafäden von der Elektrode büschelförmig divergierend in das Kraftstoff-Luft- Gemisch ausbreiten. Eine derartige Ausbreitung der Plasmafäden in dem nicht im thermischen Gleichgewicht befindlichen Plasma aufgrund der Regelung der Spannung des Hochfrequenzfeldes ruft vorteilhafterweise eine großvolumige Ausbreitung von Flammenkernen hervor, durch die das Kraftstoff-Luft-Gemisch ebenfalls großvolumig gezündet wird. Hierdurch werden auch von der mindestens einen Elektrode weiter entfernten Volumina des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum sicher gezündet, wodurch zum einen eine unvollständige Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches vermieden und gleichzeitig die Zündsicherheit auch bei zünd-ungünstigen Gemischen erhöht wird.It is particularly advantageous if the plasma threads made of corona and / or streamer Discharges are formed on the electrode. This may involve further training the plasma threads from the electrode in tufts diverging into the fuel-air Spread out mixture. Such a spread of the plasma filaments in the not thermal equilibrium plasma due to the regulation of the voltage of the High-frequency field advantageously calls for a large-volume spread of Flame cores emerge, through which the fuel-air mixture is also large is ignited. As a result, the at least one electrode is also further away Volumes of the fuel-air mixture safely ignited in the combustion chamber, which on the one hand an incomplete combustion of the fuel-air mixture avoided and at the same time Ignition reliability is increased even in the case of mixtures that are difficult to ignite.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung bilden sich die Plasmafäden zwischen einer einzelnen Elektrode und dem Kraftststoff-Luft-Gemisch im Brennraum aus. Es ist auch vorsehbar, daß die Plasmafäden sich zwischen mehreren im Brennraum angeordneten Elektroden ausbilden.In an advantageous embodiment, the plasma threads are formed between a single one Electrode and the fuel-air mixture in the combustion chamber. It is also foreseeable that the plasma threads are located between several electrodes arranged in the combustion chamber form.

Hierbei können in einer Weiterbildung an der Elektrode Barriereentladungen und/oder strombegrenzende Hochspannungserzeuger vorgesehen werden, die ansonsten eine auch an konventionellen Zündkerzen vor sich gehende Funkenentladung mit nur geringer Zündsicherheit sicher verhindern und die Ausbildung der büschelförmig divergierenden Plasmafäden ermöglichen.In a further development, barrier discharges and / or current-limiting high-voltage generators are provided, which are otherwise also a Spark discharge occurring on conventional spark plugs with only a small amount Safely prevent ignition and the formation of tufts that diverge Enable plasma threads.

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.Further refinements of the method according to the invention are in the others Subclaims specified.

Eine erfindungsgemäße Plasmastrahl-Zündeinrichtung für den Einsatz bei dem Verfahren gemäß Anspruch 1 zeichnet sich dadurch aus, daß die Geometrie der mindestens einen Elektrode Feldstärkeüberhöhungen des Hochfrequenzfeldes hervorruft, die zu Bildung kurzzeitiger Plasmafäden in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch führen. Eine derartige Konzentration der Wirkungen des Hochfrequenzfeldes auf lokal sich bildende, hochohmige Plasmafäden erlaubt ein sicheres Zünden auch von hinsichtlich ihrer Gemischzusammensetzungen ungünstigen Kraftstoff-Luft-Gemischen.A plasma jet ignition device according to the invention for use in the method according to claim 1, characterized in that the geometry of the at least one Electrode field strength increases in the radio frequency field, leading to formation lead short-term plasma threads in the fuel-air mixture. Such Concentration of the effects of the high-frequency field on locally developing, high-resistance Plasma threads also allow for a safe ignition in terms of their Mixture compositions of unfavorable fuel-air mixtures.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Plasmastrahl-Zündeinrichtung kann die Plasmastrahl-Zündeinrichtung eine oder eine Vielzahl von Elektroden aufweisen. Je nach zu zündendem Kraftstoff-Luft-Gemisch sowie Betriebszuständen des Motors kann die Anordnung von einer oder mehrerer Elektroden im Brennraum vorgesehen werden, wobei in einer weiteren Ausgestaltung die Geometrie der Elektroden so ausgebildet sein kann, daß eine große Anzahl von Mikroentladungen zur Plasmaerzeugung hervorgerufen wird.In an advantageous development of the plasma jet ignition device according to the invention the plasma jet ignition device can have one or a plurality of electrodes. Each depending on the fuel-air mixture to be ignited and the operating conditions of the engine Arrangement of one or more electrodes can be provided in the combustion chamber, wherein in a further embodiment, the geometry of the electrodes can be designed such that a large number of micro-discharges are generated for plasma generation.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Plasmastrahl-Zündeinrichtung in Form einer über die ganze Lebensdauer des Motor betreibbaren Zündkerze ausgeführt ist, die aufgrund der nur geringen benötigten Zündenergie nur geringem Verschleiß unterliegt und dadurch ein Auswechseln wie z. B. von üblichen Zündkerzen nach nur geringen Laufleistungen überflüssig macht.It when the plasma jet ignition device in the form of a via the Whole life of the engine is operated spark plug, which is due to the only low ignition energy required is subject to little wear and tear Replace such. B. from conventional spark plugs after only low mileage makes redundant.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Verfahren gemäß Anspruch 1 in Magermotoren, Schichtlademotoren oder Dieselmotoren verwendet wird, da hierdurch die Gemischzündung dieser zündmäßig nicht unproblematischen Motoren deutlich verbessert werden kann.It is particularly advantageous if the method according to claim 1 in lean-burn engines, Stratified charge engines or diesel engines are used, as this causes the mixture to ignite these ignition-problematic engines can be significantly improved.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Plasmastrahlstrahl- Zündeinrichtung unter Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens für Brennkraftmaschinen zeigt die Zeichnung. A particularly advantageous embodiment of the plasma jet jet according to the invention Ignition device using the inventive method for The drawing shows internal combustion engines.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 einen Schnitt durch den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine mit darin angeordneter erfindungsgemäßer Plasmastrahl-Zündeinrichtung Fig. 1 shows a section through the combustion chamber of an internal combustion engine with the inventive plasma jet ignition device arranged therein

In der einzigen Fig. 1 ist in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Plasmastrahl-Zündeinrichtung aufgezeigt, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Anspruch 1 betrieben wird.In the single Fig. 1 is a schematic representation of an inventive plasma jet ignitor is shown, in accordance with claim 1 is operated according to the inventive method.

Hierbei ist ein an sich bekannter und daher hier nicht näher beschriebener Hochfrequenzerzeuger 5 dargestellt, der über ein elektrisches Verbindungskabel 6 mit einer Elektrode 2 verbunden ist. Diese Elektrode 2 ist derart in einem Brennraum 9 z. B. eines Zylinders 1 eines nur in Teilen dargestellten Verbrennungskraftmotors bekannter Bauart angeordnet, daß sie mit ihrem einen Ende in den Brennraum 9 hineinragt und dort mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch 3 in Berührung kommt, das mit nicht weiter dargestellten Fülleinrichtungen in den Brennraum 9 eingefüllt wird. Der Brennraum 9 ist in bekannter Weise durch einen Kolben 7 kurbelseitig abgeschlossen, an dem in ebenfalls bekannter Weise die Kurbel 8 drehbar angreift.Here, a radio-frequency generator 5 , which is known per se and is therefore not described in detail here, is shown, which is connected to an electrode 2 via an electrical connecting cable 6 . This electrode 2 is in a combustion chamber 9 z. B. a cylinder 1 of an internal combustion engine of known type shown only in parts arranged that it protrudes with one end into the combustion chamber 9 and there comes into contact with a fuel-air mixture 3 , the filling devices not shown in the combustion chamber 9th is filled. The combustion chamber 9 is closed in a known manner by a piston 7 on the crank side, on which the crank 8 also rotatably engages in a known manner.

Das in dem Brennraum 9 befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch 3 wird nun durch die Elektrode 2 durch eine im Ganzen mit 4 bezeichnete, noch näher erläuterte Plasmaentladung 4 gezündet. Die Plasmaentladung 4 wird hervorgerufen durch das Hochfrequenzfeld, das der Hochfrequenzerzeuger 5 bei gleichzeitig hoher Spannung an die Elektrode 2 überträgt. Im Umfeld der Elektrode 2 im Inneren des Brennraumes 9 wird hierdurch das Kraftstoff-Luft- Gemisch 3 elektrisch leitfähig durch Ionisierung der Gemischpartikel.The fuel-air mixture 3 located in the combustion chamber 9 is now ignited by the electrode 2 by means of a plasma discharge 4 , which is designated as a whole by 4 and is explained in more detail. The plasma discharge 4 is caused by the high-frequency field that the high-frequency generator 5 transmits to the electrode 2 while the voltage is high. In the vicinity of the electrode 2 in the interior of the combustion chamber 9 , the fuel-air mixture 3 thereby becomes electrically conductive through ionization of the mixture particles.

In erfindungsgemäßer Weise bildet sich dabei das Plasma 4 in Form eines nicht im thermischen Gleichgewicht befindlichen Plasmas 4 aus, das eine Anzahl gleichzeitig brennender hochohmiger Plasmafäden 4 in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch 3 hervorruft. Diese hochohmigen Plasmafäden stellen kurzzeitige, sehr intensive Entladungen dar, die nur einen Teil der Potentialdifferenz des Hochfrequenzfeldes abbauen und lokal zu einer starken Ausbildung von Flammenkernen in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch 3 führen. In the manner according to the invention, the plasma 4 is in the form of a plasma 4 which is not in thermal equilibrium and which causes a number of simultaneously high-resistance plasma threads 4 in the fuel-air mixture 3 . These high-resistance plasma filaments represent short-term, very intensive discharges which only break down part of the potential difference in the high-frequency field and locally lead to a strong formation of flame nuclei in the fuel-air mixture 3 .

Die Plasmafäden 4 werden durch eine aus der Fig. 1 nicht weiter hervorgehende Ausgestaltung der Elektrode 2 dabei in einer büschelförmig divergierenden Weise im Bereich der Elektrode 2 ausgebildet, so daß sich die Plasmafäden 4 nicht wie bei den bekannten Plasmazündern nur lokal eng begrenzt ausbilden, sondern die Plasmafäden 4 in einem weiteren Umfeld Flammenkerne hervorrufen. Hierdurch wird ein großvolumiger Anteil des Kraftstoff-Luft-Gemisches 3 in dem Brennraum 9 durch viele kleine Flammenkerne gezündet und kann dadurch schnell und weitgehend vollständig verbrennen. Hierdurch wird es möglich, neben dem sicheren Zünden auch zündmäßig problematischer Kraftstoff-Luft- Gemische 3 eine besonders umweltverträgliche Verbrennung hervorzurufen. The plasma threads 4 are formed by a configuration of the electrode 2 , which does not appear further from FIG. 1, in a tuft-shaped, diverging manner in the region of the electrode 2 , so that the plasma threads 4 are not only locally narrowly limited as in the known plasma igniters, but instead the plasma threads 4 cause flame cores in a wider environment. As a result, a large volume portion of the fuel-air mixture 3 in the combustion chamber 9 is ignited by many small flame cores and can thereby burn quickly and largely completely. This makes it possible not only to safely ignite fuel-air mixtures 3 which are problematic in terms of ignition, but also to produce a particularly environmentally compatible combustion.

Reference list

11

Brennraum
Combustion chamber

22nd

Elektrode
electrode

33rd

Kraftstoff-Luft-Gemisch
Air-fuel mixture

44th

Plasma/Plasmafäden
Plasma / plasma filaments

55

Hochfrequenzerzeuger
High frequency generator

66

Verbindungskabel
connection cable

77

Kolben
piston

88th

Kurbel
crank

99

Brennraum
Combustion chamber

Claims

1. A method for igniting a fuel-air mixture ( 3 ) in internal combustion engines with a plasma jet ignition device which has at least one electrode ( 2 ) arranged in regions inside a combustion chamber ( 9 ) of an internal combustion engine, which has a high-frequency generator ( 5 ) is electrically connected, a plasma ( 4 ) being generated in a fuel-air mixture ( 3 ) located in the combustion chamber ( 9 ) by a high-frequency field provided by the high-frequency generator ( 5 ), characterized in that the high-frequency field is set to a high voltage it is regulated that at the electrode ( 2 ) in the fuel-air mixture ( 3 ) simultaneously form a plurality of high-resistance plasma threads ( 4 ) of short duration and that this occurs in the fuel-air mixture ( 3 ) in the combustion chamber ( 9 ) formed plasma ( 4 ) is not thermally in equilibrium.

2. The method according to any one of claims 1, characterized in that the Radio frequency field is operated with a frequency in the MHz range.

3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the high-frequency field on a steeply rising, pulse-shaped course is regulated.

4. The method according to claim 3, characterized in that the steeply rising pulse-shaped course is at least about 1 kV / µs.

5. The method according to any one of claims 1 to 2, characterized in that the High-frequency field is regulated to an essentially sinusoidal course.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the plasma threads ( 4 ) from corona and / or streamer discharges on the electrode ( 2 ) are formed.

7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the plasma filaments ( 4 ) from the electrode ( 2 ) spread in the form of tufts diverging into the fuel-air mixture ( 3 ).

8. The method according to claim 7, characterized in that the fuel-air mixture ( 3 ) is ignited in large volume by the tufts of diverging plasma threads ( 4 ).

9. The method according to claim 7, characterized in that the plasma threads ( 4 ) form between a single electrode ( 2 ) and the fuel-air mixture ( 3 ) in the combustion chamber ( 9 ).

10. The method according to claim 7, characterized in that the plasma threads ( 4 ) form between a plurality of electrodes ( 2 ) arranged in the combustion chamber ( 9 ).

11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that spark discharges by barrier discharges and / or by current-limiting high-voltage generators ( 5 ) are avoided on the electrode ( 2 ).

12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that only a low ignition energy is required for the formation of the plasma ( 4 ).

13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in the fuel-air mixture ( 3 ) by the plasma threads ( 4 ) activated molecules and / or radicals arise, so that after the combustion the pollutants in the burned fuel-air Mixture ( 3 ) are reduced.

14. Plasma jet ignition device for use in the method according to claim 1, characterized in that the geometry of the at least one electrode ( 2 ) causes field strength increases in the high-frequency field, which lead to the formation of short-term plasma threads ( 4 ) in the fuel-air mixture ( 3 ) to lead.

15. Plasma jet ignition device according to claim 14, characterized in that the plasma jet ignition device has one or a plurality of electrodes ( 2 ).

16. Plasma jet ignition device according to claim 15, characterized in that the geometry of the electrodes ( 2 ) is designed such that a large number of micro-discharges for generating the plasma ( 4 ) is caused.

17. Plasma jet ignition device according to one of claims 14 to 16, characterized characterized in that the plasma jet ignition device in the form of a the entire life of the engine is operable spark plug.

18. Use of the method according to claim 1 in lean-burn engines, Stratified charge engines or diesel engines.