-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Hochfrequenzzündanlage, die Entladungen zum Entzünden eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine erzeugen kann.
-
Bei derartigen Verbrennungskraftmaschinen besteht eine Aufgabe darin, den Kraftstoff bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum zu entzünden. Dabei ist es erwünscht, dass der Kraftstoff im Brennraum vollständig verbrennt. Die Brenneigenschaften des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum hängen jedoch insbesondere von der Zusammensetzung ab, so dass insbesondere bei mageren Gemischen mit wenig Kraftstoff eine vollständige Verbrennung schwerer zu erreichen ist. Für eine verbesserte Zündung insbesondere von mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen sind Plasmazündeinrichtungen bekannt, bei denen mittels einer Hochfrequenzentladung im Radiowellenbereich in einem großen Volumen Plasmaentladungen hervorgerufen werden können, mit denen eine verbesserte Zündung erreicht wird. Eine solche Zündanlage ist beispielsweise durch die
US 5,361,737 bekannt. Diese Druckschrift beschreibt eine Hochfrequenzzündung, die im Radiowellenbereich arbeitet und einen Resonator aufweist, mit dem an einer Elektrode eine in den Brennraum hinein gerichtete Plasmaentladung erzeugt werden kann. Auf diese Weise wird eine großvolumige Zündung erreicht, die insbesondere bei mageren Gemischen für eine verbesserte Verbrennung sorgen soll.
-
Eine solche Zündanlage weist jedoch insbesondere den Nachteil auf, dass die Erzeugung der Frequenzen im Radiobereich einen hohen Aufwand erfordert und die entstehende Plasmaentladung sich nicht genau definiert im Brennraum ausbildet, so dass der zugeführte Kraftstoff u. U. nicht vollständig verbrannt wird.
-
In diesem Zusammenhang offenbart die
US 5,361,737 eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Zündungsquelle für einen Verbrennungsmotor. Die Vorrichtung umfasst einen Funkfrequenzoszillator, einen Verstärker und einen koaxialen Hohlraumresonator. Der koaxiale Hohlraumresonator ist für eine Verbindung mit einer Verbrennungskammer der Verbrennungskraftmaschine ausgestaltet.
-
Die
DE 197 11 876 A1 betrifft ein Funkenzündsystem eines Verbrennungsmotors mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, welche voneinander beabstandet sind und bei hohen Spannungen arbeiten, um einen Funken in einer Verbrennungszone des Motors zu erzeugen. Die Konstruktion des Systems gestattet die Bildung von Funken mit großer Länge, wobei eine Abfolge von elektrischen Impulsen eine abgekürzte Gesamtstoßdauer mit höherer Leistung besitzt, während sie weniger Energie verbraucht.
-
Die
DE 197 08 154 A1 betrifft eine Brennkraftmaschine, bei welcher eine Gemischzündung mit einer vom jeweils vorliegenden Betriebspunkt abhängigen Zündfunkenstrecke mit einer ortsfesten Anordnung einer Mittelelektrode einer Zündkerze und einer aus einem Kolbenboden ragenden Anordnung einer Masseelektrode, welche von dem Kolben zur Mittelelektrode bewegbar ist, erreicht wird.
-
Die
US 4,561,406 betrifft eine Verbrennungskammer einer Verbrennungskraftmaschine, welche für eine elektromagnetische Anregung einer Verbrennung geeignet ist, welche durch Hinzufügen von Verbrennungskammerumfangserweiterungen (Flügeln), die mit einem dielektrischen Material gefüllt sind, verbessert wird.
-
Die
DE 198 28 849 A1 betrifft ein Brennstoffeinspritzventil mit integrierter Zündkerze zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine und zum Zünden des in den Brennraum eingespritzten Brennstoffs. Dabei wird ein Funkenüberschlag zwischen einem Ventilkörper und einer Zündelektrode erzeugt.
-
Die
DE 43 24 642 A1 betrifft einen Brennraum für eine Brennkraftmaschine, wobei jeder Zylinder der Brennkraftmaschine zwei Einlassventile, zwei Auslassventile, einen Kraftstoffeinspritzer und eine Zündkerze aufweist. Der Kraftstoffeinspritzer ist in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine vertikal vorgesehen, so dass eine Düse des Kraftstoffeinspritzers in einer zentralen Position einer Brennkammer liegt. Die Zündkerze ist zwischen Einlasskanälen der Einlassventile angeordnet, so dass eine Elektrode der Zündkerze nahe der Düse des Kraftstoffeinspritzers liegt.
-
Die
DE 44 41 092 A1 betrifft ein Ventil zum Einbringen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Zur Sicherung der Zündung des im Brennraum enthaltenen Krafstoff-Luft-Gemisches wird von einem schirmartigen Einspritzstrahl ein Zündstrahl abgezweigt, welcher abweichend von der Schirmkonfiguration des Einspritzstrahls in den Bereich einer Zündkerze gelangt, um somit kraftstoffreiches Kraftstoff-Luft-Gemisch im Bereich des überspringenden Zündfunkens der Zündkerze bereitzustellen.
-
Die
WO 01/29406 A1 betrifft eine Direkteinspritzung von Kraftstoffen in Verbrennungskraftmaschinen. Ein Zuführungsinjektor bildet einen Teil einer Vorrichtung, welche ein kombiniertes Kraftstoffeinspritz- und Zündmittel für die Maschine bereitstellt. Der Zuführungsinjektor ist ausgestaltet, um eine Trajektorie eines Kraftstoffsprühnebels zu beeinflussen, wobei kleinere Kraftstofftröpfchen und Nebel in Richtung einer Zündfunkenstrecke geleitet werden.
-
Die
WO 00/73647 A1 betrifft eine Anordnung für eine Kraftstoffeinspritzung und eine Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Kompressionskammer eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine. Der Zylinder weist einen beweglichen Kolben auf, welcher vorzugsweise mit einer Masseelektrode versehen ist. Die Anordnung weist eine kombinierte Einspritz- und Zündungsvorrichtung auf, welche in einer Öffnung in dem Zylinderkopf der Maschine befestigt werden kann. Ein Endteil der Vorrichtung, welches in die Kompressionskammer hineinragt, weist eine Einspritzdüse mit einer damit verbundenen Zündelektrode auf, welche eine mittlere Elektrode ausbildet.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit Hochfrequenzzündung zu schaffen, bei dem die zugeführte Kraftstoffmenge mit geringem Aufwand vollständig verbrannt werden kann.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Die Unteransprüchen definieren jeweils bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
-
Erfindungsgemäß wird die Entladung entlang einer Entladungsstrecke zwischen Elektroden ausgebildet, so dass der Ort der Entladung genau festgelegt werden kann. Auf diese Weise kann die Entladung gezielt in einem Bereich erzeugt werden, in dem gute Bedingungen für die Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs bestehen. Insbesondere in den Fällen, in denen der Kraftstoff gezielt eingespritzt wird, kann auf diese Weise eine Verbesserung der Zündung erreicht werden. Bei dem Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum entsteht ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, das an der Einspritzstelle einen sehr hohen Kraftstoffanteil aufweist, der mit steigender Entfernung von der Einspritzstelle abnimmt. In solchen Fällen existieren auch bei über den gesamten Brennraum betrachteten mageren Gemischen Bereiche mit einem höheren Kraftstoffanteil, in denen eine bessere Zündung möglich ist. Vorteilhafterweise wird die Entladungsstrecke so angeordnet, dass sie wenigstens zum Teil durch solche Bereiche mit einem höheren Kraftstoffanteil verläuft, in denen die Zündung zu einer verbesserten Verbrennung führt.
-
Vorteilhafterweise sind die Elektroden dabei so angeordnet, dass sie sich außerhalb des Kraftstoffbereichs befinden und nicht von Kraftstoff benetzt werden. Auf diese Weise kann die thermische Belastung für die Elektroden verringert werden. Dadurch wird auch die Lebensdauer erhöht, da die starken thermischen Wechsel zwischen der Erhitzung durch die Entladung und der Abkühlung durch benetzenden Kraftstoff vermieden werden.
-
Wenn der Kraftstoff mithilfe einer in den Brennraum hinein ragenden Kraftstoffleitung eingespritzt wird, kann vorteilhafterweise eine Elektrode an der Einspritzleitung vorgesehen sein. Dabei ist vorzugsweise die Elektrode an einem Ende der Einspritzleitung vorgesehen, so dass sich die Entladungsstrecke von diesem Ende aus entweder zur Seite, zu einer anderen Elektrode oder gegebenenfalls auch zu einem Kolben hin erstrecken kann. Die Einspritzöffnungen, durch die der Kraftstoff in den Brennraum gespritzt wird, befinden sich vor der Elektrode und sind in den Brennraum hinein gerichtet, so dass der eingespritzte Kraftstoff durch die Entladung hindurch gespritzt wird oder zumindest nahe daran vorbei gespritzt wird. In beiden Fällen kann mit der Entladung im Kraftstoffstrahl bzw. in einem Randbereich eine verbesserte Verbrennung des Kraftstoffs erreicht werden. In einem solchen Fall wird der Zündimpuls über die Einspritzleitung geleitet, die daher isoliert in der Verbrennungskraftmaschine befestigt sein muss. Demgegenüber ist es auch denkbar, die Einspritzleitung als Masseelektrode zu verwenden und eine zweite Elektrode isoliert so im Brennraum zu befestigen, dass die Entladung sich zur Einspritzleitung hin ausbildet.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
-
1 zeigt den Aufbau einer Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
-
2 zeigt den Aufbau einer Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
-
3 zeigt den Aufbau einer Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, und
-
4 zeigt den Aufbau einer Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
-
In den 1–4 ist jeweils eine Brennkammer 3 einer Verbrennungskraftmaschine mit Elektroden 1, 2 dargestellt, zwischen denen von einer nicht dargestellten Hochfrequenzzündanlage Entladungen erzeugt werden können.
-
Weiterhin ist in den 1–4 die Kraftstoffzuführung dargestellt, um die Anordnung eines Kraftstoffbereichs 6 zu zeigen, in den der Kraftstoff zugeführt wird. Die weiteren zur Kraftstoffzuführung erforderlichen Teile sind nicht dargestellt. Bei dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel wird der Kraftstoff in den Brennraum 3 über eine rohrförmige Einspritzleitung 10 zugeführt. Die Einspritzleitung 10 weist in ihrem Ende innerhalb des Brennraums 3 eine kugelförmige Verdickung 4 auf. Kurz vor der kugelförmigen Verdickung 4 sind Einspritzöffnungen 5 in der Einspritzleitung 10 vorgesehen. Die Einspritzleitung 10 ragt von oben in den Brennraum 3, wobei die Einspritzöffnungen 5 so ausgerichtet sind, dass der durch sie austretende Kraftstoff nach unten und ein wenig nach außen gerichtet in den Brennraum 3 gespritzt wird. Der zugeführte Kraftstoff bildet auf diese Weise Kraftstoffbereiche 6, die die Form von schmalen Fächern aufweisen, die sich beiderseits der Verdickung 4 erstrecken. Die Einspritzleitung 9 ist mit der Verdickung 4 und der restlichen Verbrennungskraftmaschine elektrisch verbunden.
-
Seitlich von der Verdickung 4 ist eine weitere Elektrode 1 angeordnet, die jedoch gegenüber der Verbrennungskraftmaschine mittels eines Isolators 7 elektrisch isoliert ist. Die Elektrode 1 weist eine in den Brennraum 3 ragende Spitze auf, die auf die Verdickung 4 zeigt und von dieser einen Abstand aufweist. Der Abstand zwischen der Elektrode 1 und der Verdickung 4 ist größer als die Ausdehnung der Kraftstoffbereiche 6, so dass aus den Einspritzöffnungen 5 austretender Kraftstoff die Elektrode 1 nicht benetzen kann. Die Stelle der Verdickung 4, die der Elektrode 1 am nächsten ist, bildet einen Elektrodenabschnitt 2, an dem tatsächlich die Entladung stattfindet. Bei diesem Ausführungsbeispiel bildet sich die Entladung entlang einer Entladungsstrecke 12 aus, die sich von der Spitze der Elektrode 1 bis zum Elektrodenabschnitt 2 der Verdickung 4 erstreckt. Die Entladungsstrecke 12 verläuft dabei durch einen Kraftstoffbereich 6.
-
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem der Kraftstoff wieder durch eine Einspritzleitung 10 mit einer Verdickung 4 an ihrem Ende in den Brennraum 3 zugeführt wird. Die Einspritzleitung 10 weist wie im vorigen Ausführungsbeispiel Einspritzöffnungen 5 auf, die den Kraftstoff in Kraftstoffbereichen 6 beiderseits der Verdickung 4 in den Brennraum 3 einspritzen. Im Unterschied zum vorigen Ausführungsbeispiel verläuft die Entladungsstrecke 12 diesmal parallel zur Längsrichtung der Einspritzleitung 10. Dazu verläuft die Entladungsstrecke 12 vom unteren Ende der Verdickung 4 zu einem darunter befindlichen Kolben 8. Der Kolben 8 ist mit den restlichen Teilen der Verbrennungskraftmaschine elektrisch verbunden, so dass zum Ausbilden einer Entladung in diesem Fall die Einspritzleitung 10 isoliert befestigt werden muss. Der Elektrodenabschnitt 2 an der Verdickung 4 ist in diesem Fall unten ausgebildet und weist eine kleine Spitze auf, an der Feldstärkeüberhöhungen auftreten. Auf diese Weise kann das Ausbilden einer Entladung erleichtert werden.
-
In diesem Fall verläuft die Entladungsstrecke 12 nicht direkt durch einen Kraftstoffbereich 6 hindurch, sondern im wesentlichen parallel zu deren Randbereichen. In diesen Bereich jedoch bildet verdampfender Kraftstoff mit der Luft bereits ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch, das mit der Entladung entzündet werden kann.
-
Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 3 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Kraftstoff wieder durch eine Einspritzleitung 10 zugeführt, die in den Brennraum 3 hinein ragt. Die Einspritzleitung 10 weist an ihrem Ende eine Einspritzöffnung 5 auf, die nach unten in den Brennraum 3 den Kraftstoff einspritzt, so dass sich der Kraftstoffbereich 6 in Verlängerung der Einspritzleitung 10 ausbildet. Die Entladungsstrecke 12 verläuft in diesem Fall quer vor der Mündung der Einspritzöffnung 5. Dazu sind beiderseits der Einspritzleitung 10 isolierte Elektroden 1 angeordnet, deren Enden sich beiderseits der Mündung der Einspritzöffnung 5 befinden. Um zu verhindern, dass sich eine Entladung zwischen den Elektroden 1 an einer anderen Stelle ausbildet als zwischen deren Enden, sind die Elektroden 1 bis kurz vor deren Enden mit einem Isolator umgeben. Zusätzlich sind die Enden der Elektroden 1 zueinander gebogen und angespitzt, so dass sich durch den kürzeren Abstand der Enden und den Feldstärkeüberhöhungen aufgrund der Spitze die Entladung sicher zwischen den Enden ausbildet.
-
In 4 ist eine vierte Ausbildungsform dargestellt, bei der wieder die Entladungsstrecke 12 zwischen eine Elektrode 1 und den Kolben 8 verläuft. Dabei ist in diesem Fall vorgesehen, dass mehrere Entladungsstrecken 12 kreisförmig um die Einspritzstrecke herum angeordnet. Dazu ist im Brennraum mittig eine Einspritzleitung 10 vorgesehen, die in ihrem Inneren eine Düsennadel 11 trägt. Am unteren Ende der Einspritzleitung 10 ist eine Einspritzöffnung 5 vorgesehen, so dass der Kraftstoff mittig nach unten in den Brennraum 3 eingespritzt wird und der Kraftstoffbereich 6 sich in Längsrichtung der Einspritzleitung 10 in den Brennraum 3 hinein erstreckt. Kreisförmig um die Einspritzöffnung 5 herum sind mehrere Elektroden 1 angeordnet, die jeweils eine nach unten zeigende Spitze tragen. Die Elektroden 1 sind mit der Einspritzleitung 10 elektrisch verbunden, die wieder gegenüber der Verbrennungskraftmaschine mittels des Isolators 7 isoliert ist. Die Gegenelektrode wird von dem Kolben 8 gebildet. In diesem Fall ist die Einspritzöffnung 5 so ausgebildet, dass sich ein aufgefächerter Kraftstoffbereich 6 ergibt, durch dessen Randbereiche die Entladungsstrecken 12 verlaufen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es auch denkbar, die Elektrode 1 als einen ringförmigen Kranz auszubilden, so dass sich zwischen der Ringelektrode 1 und dem Kolben 8 eine Elektrode ausbildet, die die Form eines Zylindermantels aufweist und die Einspritzöffnung 5 einschließt.
-
Bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen wird die jeweils isolierte Elektrode 1, 2 mit einem Zündimpuls von einer Hochfrequenzzündanlage versorgt, der eine Spannung von ungefähr 30.000 V aufweist und dessen Frequenz sich im Bereich von wenigen 100 kHz bis maximal wenigen MHz, vorzugsweise maximal 2 MHz, bewegt. Die Spannung des Zündimpulses kann allgemein < 50.000 V, vorzugsweise < 30.000 V sein. Um trotz der für eine Hochfrequenzzündanlage eher geringen Frequenzen eine Entladung zu erreichen, werden mithilfe von angespitzten Elektroden Feldstärkeüberhöhungen verursacht.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Hochspannungselektrode
- 2
- Masseelektrode
- 3
- Brennraum
- 4
- Verdickung
- 5
- Einspritzöffnung
- 6
- Kraftstoffbereich
- 7
- Isolator
- 8
- Kolben
- 9
- Zylinder
- 10
- Einspritzleitung
- 11
- Düsennadel
- 12
- Entladungsstrecke
