High Frequency Plasma Enhancement of a Conventional Spark Ignition System to Extend the Operating Range of a Modern Mass-Production Engine

Das Erreichen künftiger Abgas- und Verbrauchsrichtlinien stellt bei der Entwicklung moderner Antriebsstränge eine zunehmend große Herausforderung dar. In der Vergangenheit wurde eine Vielzahl alternativer Zündsysteme vorgestellt, welche die konventionelle Transistor-Funkenzündung ersetzen oder erweitern sollten. Der robuste und einfache Aufbau, die geringe Anzahl an Bauteilen und der hohe maximale Energieeintrag in den Brennraum rechtfertigen dessen Einsatz jedoch bis heute. Die Firma Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH & Co. KG arbeitet zusammen mit der Ruhr-Universität Bochum an einer Erweiterung dieses bewährten Zündkonzepts. ... mehrDas konventionelle Funkenzündsystem wird hierfür beibehalten und lediglich um einen Pfad zur Einkopplung eines hochenergetischen, hochfrequenten (HF) Signals erweitert. Während des konventionell erzeugten Funkens entsteht zwischen den Elektroden der Zündkerze ein leitfähiger Kanal mit niedriger Impedanz. Da die Leistung der konventionellen Zündspule begrenzt ist, wird zusätzlich in diesen Kanal die Energie des HFSignals eingebracht. Dadurch entsteht eine steuerbare HF-Plasmaentladung zwischen den Elektroden mit einem deutlich größeren Plasmavolumen verglichen mit dem Funken. Sowohl die Dauer als auch die Leistung der HF-Plasmaentladung können beliebig eingestellt werden. Dadurch kann auch außerhalb der bisherigen Betriebsbereichen die für die Entflammung des Gemischs notwendige Energie bereitgestellt werden. Versuche an einem hochentwickelten Großserien-Motor (2017 EA 211 Evo model, Volkswagen AG) zeigten, dass so der Motorlauf in verschiedenen, zündkritischen Betriebspunkten sichergestellt werden konnte. Im Bereich des Leerlaufs konnte beispielsweise ein signifikanter Verbrauchsvorteil festgestellt werden. Bei einer Drehzahl von 1000 min-1, einem indizierten Mitteldruck (pmi) von 1 bar und einer zugehörigen Standardabweichung kleiner als 0.1 bar konnten 14 g/kWh durch den erweiterten Einsatz von interner Abgasrückführung eingespart werden. Neben den motorischen Ergebnissen wird der detaillierte Aufbau des Zündsystems sowie die für eine Analyse des Systems notwendige Messtechnik vorgestellt.

Achieving future emission and fuel efficiency standards represents an increasingly challenging aspect in developing modern powertrains. Numerous alternative ignition systems have previously been proposed to replace or enhance the conventional transistor spark ignition concept. Up to now, the robust and simple design of the conventional system, few components and high maximum energy input into combustion chamber continue to justify its use. Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH & Co. KG is working with Ruhr University Bochum on extending this proven ignition concept. To this end, the conventional spark ignition system has been retained and expanded only with a path for coupling a high-power, high frequency (HF) signal. ... mehrWhen a spark is conventionally generated, a low impedance conductive channel is formed between the spark plug’s electrodes. Since the power input of a conventional ignition coil is limited, the HF signal energy is additionally introduced into this channel thereby creating a controllable and adjustable HF plasma discharge between the electrodes with a much larger plasma volume compared to the original spark. As both the duration and power of the HF plasma discharge can be arbitrarily set, the prerequisite energy for mixture ignition can also be provided beyond previous operating ranges. Experiments on a highly developed mass-production engine (2017 EA 211 Evo model, Volkswagen AG) showed that engine operation could be ensured in various, ignition-critical operating points. A significant fuel consumption advantage was exemplary found in terms of idling. At 1000 min-1, an indicated mean pressure (pmi) of 1 bar, and a corresponding standard deviation less than 0.1 bar, 14 g/kWh could be saved by the extended use of internal exhaust gas recirculation. In addition to engine results, the detailed design of the ignition system and measurement technology required for system analysis are also presented.