DE102006037412B4

DE102006037412B4 - Verfahren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine und Zündkerze zur Durchführung eines derartigen Verfahrens

Info

Publication number: DE102006037412B4
Application number: DE200610037412
Authority: DE
Inventors: Diana Zimmermann; Franz Brinkmann
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2011-05-05
Anticipated expiration: 2026-08-11
Also published as: DE102006037412A1

Abstract

Verfahren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine, die mit einer Zündkerze (10) ausgestattet ist, welche mindestens ein Elektrodenpaar aufweist, das zwei voneinander elektrisch isolierte und beabstandete Elektroden (11, 13) umfasst, von denen eine Elektrode (11) als Masseelektrode (12) verwendet wird, wobei der Abstand (15) zwischen der ersten Elektrode (11) und der zweiten Elektrode (13) in einem Bereich, in dem im Rahmen der Fremdzündung eine Funkenstrecke ausgebildet wird, in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine verändert wird, und bei dem der Abstand (15) zwischen der ersten Elektrode (11) und der zweiten Elektrode (13)
– ausgehend von einer kalten Brennkraftmaschine im Rahmen einer Warmlaufphase mit zunehmender Betriebstemperatur vergrößert wird, und
– ab einer vorgebbaren Grenztemperatur T_Grenz mit weiter zunehmender Betriebstemperatur wieder verkleinert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine, die mit einer Zündkerze ausgestattet ist, welche mindestens ein Elektrodenpaar aufweist, das zwei voneinander elektrisch isolierte und beabstandete Elektroden umfasst, von denen eine Elektrode als Masseelektrode verwendet wird, wobei der Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode in einem Bereich, in dem im Rahmen der Fremdzündung eine Funkenstrecke ausgebildet wird, in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine verändert wird.
Die internationale Anmeldung WO 2001/045 216 A1 beschreibt ein Verfahren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine, die mit einer Zündkerze ausgestattet ist, welche mindestens ein Elektrodenpaar aufweist, das zwei voneinander elektrisch isolierte und beabstandete Elektroden umfasst. Der Abstand zwischen den beiden Elektroden wird in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine verändert.
Im Gegensatz zum eingangs genannten gattungsgemäßen Verfahren, welches Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, betrifft die WO 2001/045 216 A1 nicht konkret direkteinspritzende Brennkraftmaschinen. Zudem wird ganz allgemein auf den Betriebszustand der Brennkraftmaschine abgestellt und nicht wie vorliegend auf eine Variation des Elektrodenabstandes in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine.
Des weiteren betrifft die Erfindung eine Zündkerze zur Durchführung eines derartigen Verfahrens, mit mindestens einem Elektrodenpaar, das zwei voneinander elektrisch isolierte und beabstandete Elektroden umfaßt, von denen eine Elektrode als Masseelektrode dient, wobei der Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode in einem Bereich, in dem sich im Rahmen der Fremdzündung eine Funkenstrecke ausbildet, veränderbar ist, wozu mindestens eine der beiden Elektroden des mindestens einen Elektrodenpaares zumindest teilweise in der Art eines Bimetalls ausgebildet ist, welches zwei Komponenten umfaßt, deren thermisches Ausdehnungsverhalten unterschiedlich ist.
Aufgrund der begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern, insbesondere aufgrund der begrenzten Vorkommen an Mineralöl als Rohstoff für die Gewinnung von Kraftstoffen für den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, ist man bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren.
Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere aufgrund des schlechteren Wirkungsgrades bei Ottomotoren. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des traditionellen Ottomotors. Der traditionelle Ottomotor arbeitet mit einem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch, das durch äußere Gemischbildung aufbereitet wird, indem in die angesaugte Luft im Ansaugtrakt Kraftstoff eingebracht wird. Die Einstellung der gewünschten Leistung erfolgt durch Veränderung der Füllung des Brennraumes, so daß dem Arbeitsverfahren des Ottomotors – anders als beim Dieselmotor – eine Quantitätsregelung zugrunde liegt.
Diese Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugtrakt vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Je weiter die Drosselklappe geschlossen ist d. h. je mehr sie den Ansaugtrakt versperrt desto höher ist der Druckverlust der angesaugten Luft über die Drosselklappe hinweg und desto geringer ist der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe und vor dem Einlaß in den Brennraum. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse d. h. die Quantität eingestellt werden. Dies erklärt auch, weshalb sich diese Art der Quantitätsregelung gerade im Teillastbereich als nachteilig erweist, denn geringe Lasten erfordern eine hohe Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugtrakt. Die Quantitätsregelung mittels Drosselklappe hat daher thermodynamische Nachteile.
Um die beschriebenen Drosselverluste zu senken, wurden verschiedene Strategien zur Laststeuerung entwickelt. Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens besteht in der Verwendung eines variablen Ventiltriebs.
Ein anderer Lösungsansatz zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs von Ottomotoren basiert auf der Übernahme technischer Merkmale, die ursprünglich als Kennzeichen des dieselmotorischen Verfahrens galten. Dies führt zu neuen sogenannten hybriden Brennverfahren.
Das traditionelle ottomotorische Verfahren ist dabei gekennzeichnet durch eine Gemischverdichtung, ein homogenes Gemisch, eine Fremdzündung, sowie die Quantitätsregelung, wohingegen das dieselmotorische Verfahren charakterisiert ist durch eine Luftverdichtung, ein inhomogenes Gemisch, eine Selbstzündung und die Qualitätsregelung. Der geringe Kraftstoffverbrauch der Dieselmotoren resultiert unter anderem aus einem hohen Verdichtungsverhältnis und geringen Ladungswechselverlusten aufgrund der Qualitätsregelung des Dieselmotors, bei der die Last über die eingespritzte Kraftstoffmenge gesteuert wird.
Insbesondere die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum des Zylinders wird als eine geeignete Maßnahme angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu reduzieren, weshalb die Entwicklung direkteinspritzender Ottomotoren zunehmend an Bedeutung gewonnen hat. Die direkte Einspritzung des Kraftstoffes kann dabei beispielsweise auch zur Realisierung einer geschichteten Brennraumladung dienen.
Der Kraftstoff wird dabei vorzugsweise während der Kompressionsphase direkt in den Brennraum d. h. in den Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt. Für die Einspritzung des Kraftstoffes, die Gemischaufbereitung im Brennraum, nämlich die Durchmischung von Luft und Kraftstoff und die Aufbereitung des Kraftstoffes im Rahmen von Vorreaktionen einschließlich der Verdampfung, sowie der Zündung des aufbereiteten Gemisches stehen vergleichsweise kurze Zeiträume in der Größenordnung von Millisekunden zur Verfügung.
Bedingt durch die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum, die nur wenig Zeit zur Aufbereitung eines zünd- und brennfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches zur Verfügung stellt, insbesondere aufgrund der Inhomogenität des Gemisches, sind die Anforderungen an die Zündung bzw. an die Zündkerze wesentlich höher als bei traditionellen ottomotorischen Verfahren, damit auch unter den erschwerten Verhältnissen eine sichere Entzündung gewährleistet werden kann.
Des weiteren ist zu beachten, daß das Gesamtluftverhältnis λ d. h. das Verhältnis von angesaugter Luft und eingespritzter Kraftstoffmenge während des Betriebes des direkteinspritzenden Ottomotors variiert wird, beispielsweise in Abhängigkeit von der Last.
Dabei wird die Brennkraftmaschine im Teillastbetrieb in der Regel mager d. h. überstöchiometrisch (λ > 1) mit einem Luftüberschuß und bei Volllast gelegentlich auch fett d. h. unterstöchiometrisch (λ < 1) unter Luftmangel betrieben. Selbst wenn die Brennkraftmaschine während der Volllast mit einem Luftüberschuß – beispielsweise mit λ ≈ 1.05 – betrieben wird, liegt ein im Vergleich zum Teillastbetrieb fetteres Kraftstoff-Luft-Gemisch vor.
Auch diese Variation des Gesamtluftverhältnisses λ führt zu erhöhten Anforderungen an die Zündung bzw. an die Zündkerze, denn es muß in sämtlichen Lastbereichen bzw. bei unterschiedlichen Gesamtluftverhältnissen λ eine sichere Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches gewährleisten sein.
Insbesondere sollen Zündaussetzer, die nicht nur zu Drehungleichförmigkeiten d. h. Drehzahlschwankungen der Brennkraftmaschine, sondern auch zu erhöhten Schadstoffemissionen, insbesondere zu erhöhten Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, führen, vermieden werden. Denn grundsätzlich wird eine Minimierung der Schadstoffemissionen angestrebt, um auch zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten.
Um magere Gemische zuverlässig entzünden zu können, wird ein vergleichsweise großer Abstand zwischen den beiden Elektroden bevorzugt bzw. angestrebt, damit ein ausreichend hoher Anteil an Kraftstoffmolekülen trotz des Luftüberschusses im Brennraum in den Bereich der Zündkerze gelangt, in dem im Rahmen der Fremdzündung die Funkenstrecke ausgebildet wird.
Hingegen wird für den Vollastbetrieb ein verminderter d. h. ein vergleichsweise geringer Abstand der Elektroden bevorzugt, wobei ein Mindestabstand nicht unterschritten werden sollte, um einen unakzeptabel hohen Abbrand an den beiden Elektroden zu vermeiden.
Ein geringerer bzw. kleiner Elektrodenabstand wird auch im Hinblick auf einen Kaltstart der Brennkraftmaschine bevorzugt, um auch während der Warmlaufphase, wenn die Betriebstemperaturen noch verhältnismäßig niedrig sind, eine sichere Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu gewährleisten.
Folglich wäre eine Zündkerze, bei der der Elektrodenabstand variabel ausgeführt ist, zielführend, um bei einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine unter sämtlichen Betriebsbedingungen optimale Randbedingungen für eine zuverlässige Entzündung generieren zu können.
Die US 6,586,865 B1 beschreibt eine Zündkerze, bei der sich der Abstand der Elektroden in Abhängigkeit von der vorliegenden Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine verändert.
Dabei wird gemäß einer konkreten Ausführungsform der Zündkerze eine Elektrode in der Art eines Bimetalls ausgebildet. Diese Bimetall-Elektrode umfaßt zwei in Schichten angeordnete Komponenten, deren thermisches Ausdehnungsverhalten unterschiedlich ist. Die beiden Komponenten sind dabei hinsichtlich ihres Ausdehnungsverhaltens in der Art ausgewählt und angeordnet, daß sich der Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ausgehend von einer kalten Brennkraftmaschine im Rahmen der Warmlaufphase mit zunehmender Betriebstemperatur vergrößert.
Eine derartige Zündkerze erfüllt somit zwei der drei oben dargelegten Anforderungen, die an den Elektrodenabstand bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen gestellt werden. Sie verfingt nämlich über einen geringen Elektrodenabstand während der Warmlaufphase und einen vergrößerten Abstand im Teillastbetrieb bzw. Magerbetrieb.
Nachteilig an dieser in der US 6,586,865 B1 offenbarten Zündkerze ist hingegen, daß sich der Elektrodenabstand ausgehend vom Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine bei einem Übergang zum Volllastbetrieb, was mit einer Anfettung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und einem weiteren Temperaturanstieg verbunden ist, weiter vergrößert, was der oben dargelegten Forderung nach einem verkleinerten Elektrodenabstand bei Volllast zuwiderläuft.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, welches sämtlichen oben dargelegten Anforderungen bzw. Erfordernissen Rechnung trägt und mit dem eine sichere Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches unter sämtlichen Betriebsbedingungen gewährleistet wird.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Zündkerze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2 zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
Gelöst wird die erste Aufgabe durch ein Verfahren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine, die mit einer Zündkerze ausgestattet ist, welche mindestens ein Elektrodenpaar aufweist, das zwei voneinander elektrisch isolierte und beabstandete Elektroden umfaßt, von denen eine Elektrode als Masseelektrode verwendet wird, wobei der Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode in einem Bereich, in dem im Rahmen der Fremdzündung eine Funkenstrecke ausgebildet wird, in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine verändert wird, und bei dem der Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode

– ausgehend von einer kalten Brennkraftmaschine im Rahmen einer Warmlaufphase mit zunehmender Betriebstemperatur vergrößert wird, und
– ab einer vorgebbaren Grenztemperatur T_Grenz mit weiter zunehmender Betriebstemperatur wieder verkleinert wird.

Ähnlich dem in der US 6,586,865 B1 beschriebenen Verfahren wird erfindungsgemäß der Temperaturanstieg während der Warmlaufphase dazu genutzt, den Abstand der Elektroden – ausgehend von einem für die Warmlaufphase bevorzugten kleinen Elektrodenabstand – mit zunehmender Betriebstemperatur zu vergrößern.
Um auch die unterschiedlichen Anforderungen an den Elektrodenabstand während des Teillastbetriebs einerseits und des Volllastbetriebs andererseits zu erfüllen, nutzt das erfindungsgemäße Zündverfahren den Umstand, daß der Teillastbetrieb und der Volllastbetrieb der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine nicht nur durch ein unterschiedliches Gesamtluftverhältnis λ, sondern auch durch unterschiedliche Betriebstemperaturen gekennzeichnet sind, wobei eine ansteigende Betriebstemperatur – nicht strenggenommen aber vereinfachend – als Indiz für eine Anfettung des Kraftstoff-Luft-Gemisches angesehen bzw. gewertet werden kann.
Ausgehend von einem Teillastbetrieb bzw. Magerbetrieb der Brennkraftmaschine und der dabei vorliegenden Betriebstemperatur bzw. dem dabei vorliegenden Gesamtluftverhältnis λ nimmt die Temperatur bei Anfettung des Kraftstoff-Luft-Gemisches d. h. bei einem Übergang zum Volllastbetrieb tendenziell zu, während das Luftverhältnis λ prinzipbedingt abnimmt.
Zwar korreliert das Gesamtluftverhältnis λ in der Regel nicht unter sämtlichen Betriebsbedingungen streng und in gleicher Weise mit der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine, aber in einem für den hier erforderlichen Zweck ausreichendem Maße, um nämlich den Elektrodenabstand über die Temperatur dem vorliegenden Gesamtluftverhältnis λ entsprechend anzupassen.
So kann die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine ihren maximalen Wert im Rahmen der Anfettung beispielsweise bei einem Luftverhältnis λ ≈ 1.05 erreichen und im Rahmen einer weiteren Anfettung wieder abnehmen. Das Verhältnis bzw. die Korrelation von Temperatur und Luftverhältnis wird darüber hinaus auch durch andere Betriebsparameter beeinflußt, insbesondere durch die Abgasrückführrate und eine gegebenenfalls vorhandene Ladeluftkühlung.
Unabhängig von der konkreten Wechselbeziehung zwischen Temperatur und Luftverhältnis, liegt der für das erfindungsgemäße Verfahren maßgebliche Zusammenhang vor, daß die Betriebstemperatur bei Volllast höher ist als bei Teillast, so daß bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Elektrodenabstand im Volllastbetrieb kleiner ist als beim Teillastbetrieb, auch wenn in der Regel kein kontinuierlicher Anstieg der Temperatur mit abnehmendem Luftverhältnis zu beobachten ist.
Infolgedessen ist es zielführend, wenn ab einer vorgebbaren Grenztemperatur T_Grenz, welche vorliegend den Übergang vom Teillastbetrieb zum Vollastbetrieb kennzeichnen bzw. markieren soll, mit weiter zunehmender Betriebstemperatur der Abstand zwischen den beiden Elektroden wieder verkleinert wird.
Dadurch wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich ein Verfahren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine aufzuzeigen, welches die unterschiedlichen Erfordernissen an den Elektrodenabstand bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen ausnahmslos erfüllt und mit dem eine sichere Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches unter sämtlichen Betriebsbedingungen gewährleistet wird.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe wird gelöst durch eine Zündkerze, insbesondere zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Elektrodenpaar, das zwei voneinander elektrisch isolierte und beabstandete Elektroden umfaßt, von denen eine Elektrode als Masseelektrode dient, wobei der Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode in einem Bereich, in dem sich im Rahmen der Fremdzündung eine Funkenstrecke ausbildet, veränderbar ist, wozu mindestens eine der beiden Elektroden des mindestens einen Elektrodenpaares zumindest teilweise in der Art eines Bimetalls ausgebildet ist, welches zwei Komponenten umfaßt, deren thermisches Ausdehnungsverhalten unterschiedlich ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß die zweite Komponente ein Ausdehnungsverhalten in der Art aufweist, daß diese zweite Komponente in einem ersten Temperaturbereich ein vermindertes und in einem benachbarten Temperaturbereich ein vergrößertes Ausdehnungsverhalten als die erste Komponente hat.
Bei der erfindungsgemäßen Zündkerze ist – ähnlich wie bei der aus dem Stand der Technik bekannten Zündkerze – mindestens eine der beiden Elektroden des mindestens einen Elektrodenpaares zumindest teilweise in der Art eines Bimetalls ausgebildet.
Zur Durchführung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ist es aber nicht ausreichend, daß die beiden Komponenten des Bimetalls ein unterschiedliches Ausdehnungsverhalten aufweisen.
Damit sich der Abstand zwischen den Elektroden ausgehend von einer kalten Brennkraftmaschine im Rahmen einer Warmlaufphase mit zunehmender Betriebstemperatur zunächst vergrößert, um sich bei Überschreiten einer vorgebbaren Grenztemperatur T_Grenz mit weiter zunehmender Betriebstemperatur wieder zu verkleinern, ist eine gezielte Auswahl der beiden zur Ausbildung des Bimetalls verwendeten Materialien bzw. Komponenten entscheidend bzw. zielführend. D. h. die beiden Komponenten müssen ein aufeinander abgestimmtes Ausdehnungsverhalten aufweisen, weshalb bei der Definition des Ausdehnungsverhaltens der zweiten Komponente auch Bezug genommen wird auf das Ausdehnungsverhalten der ersten Komponente.
Eine der beiden Komponenten, die als zweite Komponente bezeichnet wird, weist ein Ausdehnungsverhalten auf, welches in Bezug auf das Ausdehnungsverhalten der ersten Komponente variiert. Das Ausdehnungsverhalten der zweiten Komponente ändert sich bei Überschreiten einer vorgebbaren Grenztemperatur T_Grenz und zwar in der Art, daß diese zweite Komponente im Vergleich zur ersten Komponente in einem ersten Temperaturbereich ein vermindertes und in einem benachbarten Temperaturbereich ein vergrößertes Ausdehnungsverhalten aufweist.
Ob der erste Temperaturbereich die höheren Temperaturen zu umfassen hat und der zweite Temperaturbereich die niedrigeren Temperaturen oder umgekehrt, hängt auch von der konstruktiven Ausgestaltung der in Rede stehenden Elektrode ab, was auch die beiden folgenden bevorzugten Ausführungsformen verdeutlichen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Zündkerze, bei denen

– der zweite Temperaturbereich sich hin zu höheren Temperaturen an den ersten Temperaturbereich anschließt,
– die erste Komponente auf der dem Elektrodenabstand zugewandten Seite angeordnet ist, und
– die zweite Komponente auf der dem Elektrodenabstand abgewandten Seite angeordnet ist.

Gemäß dieser Ausführungsform der Zündkerze umfaßt der erste Temperaturbereich die niedrigeren Temperaturen und der zweite Temperaturbereich die höheren Temperaturen.
Folglich weist bei dieser Ausführungsform die zweite Komponente bei niedrigeren Temperaturen ein im Vergleich zur ersten Komponente vermindertes Ausdehnungsverhalten auf, wohingegen das Ausdehnungsverhalten bei höheren Temperaturen vergrößert ist.
Diesem Ausdehnungsverhalten der zweiten Komponente entsprechend muß die zweite Komponente auf der dem Elektrodenabstand abgewandten Seite und die erste Komponente auf der dem Elektrodenabstand zugewandten Seite angeordnet sein, damit sich der Elektrodenabstand ausgehend von niedrigen Temperaturen mit zunehmender Betriebstemperatur zunächst vergrößert und sich bei Überschreiten einer vorgebbaren Grenztemperatur T_Grenz mit weiter zunehmender Betriebstemperatur wieder verkleinert.
Die beschriebenen Zusammenhänge werden im Rahmen der Beschreibung der 4a und 4b deutlich sichtbar und leicht verständlich.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Zündkerze, bei denen

– der erste Temperaturbereich sich hin zu höheren Temperaturen an den zweiten Temperaturbereich anschließt,
– die erste Komponente auf der dem Elektrodenabstand abgewandten Seite angeordnet ist, und
– die zweite Komponente auf der dem Elektrodenabstand zugewandten Seite angeordnet ist.

Gemäß dieser Ausführungsform der Zündkerze umfaßt der erste Temperaturbereich die höheren Temperaturen und der zweite Temperaturbereich die niedrigeren Temperaturen.
Folglich weist bei dieser Ausführungsform die zweite Komponente bei höheren Temperaturen ein im Vergleich zur ersten Komponente vermindertes Ausdehnungsverhalten auf, wohingegen das Ausdehnungsverhalten bei niedrigeren Temperaturen vergrößert ist.
Diesem Ausdehnungsverhalten der zweiten Komponente entsprechend muß die zweite Komponente auf der dem Elektrodenabstand zugewandten Seite und die erste Komponente auf der dem Elektrodenabstand abgewandten Seite angeordnet sein, damit sich der Elektrodenabstand ausgehend von niedrigen Temperaturen mit zunehmender Betriebstemperatur zunächst vergrößert und sich bei Überschreiten einer vorgebbaren Grenztemperatur T_Grenz mit weiter zunehmender Betriebstemperatur wieder verkleinert.
Die beschriebenen Zusammenhänge werden im Rahmen der Beschreibung der 3a und 3b deutlich sichtbar und leicht verständlich.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Zündkerze, bei denen ein einzelnes Elektrodenpaar vorgesehen ist mit einer zentral angeordneten Mittelelektrode und einer zur Ausbildung des Elektrodenabstandes hakenförmig ausgebildeten, diese Mittelelektrode überragenden Masseelektrode, wobei die Masseelektrode zumindest teilweise in der Art eines Bimetalls ausgebildet ist.
Bei dieser Ausführungsform wird die Masseelektrode verwendet, um den Elektrodenabstand variabel im Sinne der vorliegenden Erfindung zu gestalten. Wollte man den veränderbaren Elektrodenabstand mittels der Mittelelektrode realisieren, wäre ein Elektrodenmaterial erforderlich, dessen Ausdehnungsverhalten sich bei Überschreiten der Grenztemperatur T_GRENZ umkehrt. Es wäre ein Elektrodenmaterial erforderlich, daß sich ausgehend von niedrigen Temperaturen mit zunehmender Betriebstemperatur zunächst ausdehnt und sich bei Überschreiten einer vorgebbaren Grenztemperatur T_Grenz mit weiter zunehmender Betriebstemperatur wieder zusammenzieht.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen der Zündkerze gemäß den 1 und 4b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine Zündkerze nach dem Stand der Technik in der perspektivischen Darstellung,
2a schematisch eine erste Momentaufnahme eines Fragments einer ersten Ausführungsform der Zündkerze in der Seitenansicht,
2b schematisch eine zweite Momentaufnahme der in 2a dargestellten ersten Ausführungsform der Zündkerze in der Seitenansicht,
2c schematisch eine dritte Momentaufnahme der in 2a dargestellten ersten Ausführungsform der Zündkerze in der Seitenansicht,
3a schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel für den konstruktiven Aufbau der Masseelektrode der in den 2a bis 2c dargestellten Ausführungsform der Zündkerze in der Seitenansicht,
3b schematisch in einem Diagramm das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten der verwendeten Komponenten A, B zur Ausbildung der in der 3a dargestellten Masseelektrode,
4a schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel für den konstruktiven Aufbau der Masseelektrode der in den 2a bis 2c dargestellten Ausführungsform der Zündkerze in der Seitenansicht, und
4b schematisch in einem Diagramm das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten der verwendeten Komponenten A, B zur Ausbildung der in der 4a dargestellten Masseelektrode.
1 zeigt in der perspektivischen Darstellung eine Zündkerze 100 nach dem Stand der Technik, wie sie beispielsweise in der US 6,586,865 B1 beschrieben wird. Die dargestellte Zündkerze 100 verfügt über ein Elektrodenpaar, das zwei voneinander elektrisch isolierte und beabstandete Elektroden 101, 103 aufweist.
Eine Elektrode 103 des Elektrodenpaares ist als zentral angeordnete Mittelelektrode 104 ausgebildet. Der Isolator 106 umgibt diese zentral angeordnete Mittelelektrode 104 und isoliert die beiden Elektroden 101, 103 elektrisch voneinander. Die andere Elektrode 101 dient als Masseelektrode 102 und ist zur Ausbildung des Elektrodenabstandes 105 hakenförmig ausgebildet, so daß die Masselelektrode 102 die Mittelelektrode 104 überragt.
Die Masseelektrode 102 ist in der Art eines Bimetalls ausgebildet, so daß sich der Abstand 105 der Elektroden 101, 103 in Abhängigkeit von der vorliegenden Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine verändert. Dabei vergrößert sich der Abstand 105 zwischen der ersten Elektrode 101 und der zweiten Elektrode 103 mit zunehmender Betriebstemperatur stetig.
Die 2a, 2b und 2c zeigen schematisch drei verschiedene Momentaufnahmen eines Fragments einer ersten Ausführungsform der Zündkerze 10 in der Seitenansicht. Diese Figuren dienen insbesondere zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Zündkerze 10 verfügt wie die zuvor beschriebene Zündkerze, die in 1 dargestellt ist, über ein Elektrodenpaar, das aus einer hakenförmig ausgebildeten, als Masseelektrode 12 dienenden ersten Elektrode 11 und einer zentral angeordneten Mittelelektrode 14, der zweiten Elektrode 13, aufgebaut ist. Der Isolator 16 umgibt die zentral angeordnete Mittelelektrode 14 und isoliert die beiden Elektroden 11, 13 elektrisch voneinander. Zwischen den Enden der beiden Elektroden 11, 13 wird ein Abstand 15 ausgebildet. In diesem Bereich bildet sich bei Einleitung der Zündung eine Funkenstrecke aus, wodurch die zur Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches notwendige Zündenergie eingebracht wird.
Die Masseelektrode 12 ist an ihrem Ende – d. h. zumindest teilweise – in der Art eines Bimetalls ausgebildet, das zwei Komponenten A, B umfaßt, deren thermisches Ausdehnungsverhalten unterschiedlich ist, was anhand von zwei Ausführungsbeispielen gemäß den 3a und 3b bzw. 4a und 4b noch näher erläutert werden wird.
Diese Ausgestaltung der Masseelektrode 12 führt dazu, daß die Masseelektrode 12 ihre Gestalt bzw. Ausrichtung in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine ändert, wodurch sich der Elektrodenabstand 15 vergrößert bzw. verkleinert.
2a zeigt in einer ersten Momentaufnahme die Zündkerze 10 während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart. Der Elektrodenabstand 15 ist vergleichsweise gering. Die Masseelektrode 12 ist an ihrem Ende nach unten in Richtung Mittelelektrode 14 gebogen.
Ausgehend von dem geringen Elektrodenabstand 15 während der Warmlaufphase – siehe 2a – vergrößert sich der Elektrodenabstand 15 mit zunehmender Betriebstemperatur, wie aus 2b ersichtlich ist. Dabei entfernt sich das Ende der Masseelektrode 12 von der Mittelelektrode 14 zunehmend, wodurch sich der Elektrodenabstand 15 vergrößert. 2b zeigt in einer zweiten Momentaufnahme die Zündkerze 10 während des Teillastbetriebs der Brennkraftmaschine.
Bei Erreichen einer Grenztemperatur T_Grenz kehrt sich das beschriebene Szenario um d. h. das Ende der Masseelektrode 12 wandert wieder in die Richtung der Mittelelektrode 14. Mit weiter zunehmender Betriebstemperatur verkleinert sich daher der Elektrodenabstand 15 wieder, wie 2c entnommen werden kann. 2c zeigt in einer dritten Momentaufnahme die Zündkerze 10 während des Volllastbetriebs der Brennkraftmaschine.
3a zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel für den konstruktiven Aufbau einer Masseelektrode 12, wie sie beispielsweise bei einer Zündkerze gemäß den 2a bis 2c Verwendung finden kann.
3b zeigt schematisch in einem Diagramm das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten der Komponenten A, B, die zur Ausbildung der in 3a dargestellten Masseelektrode 12 verwendet wurden. Dabei ist auf der Abszisse die Temperatur T und auf der Ordinate die absolute Ausdehnung Δs aufgetragen.
Das in 3a dargestellte Ende einer Masseelektrode 12 ist aus zwei Schichten aufgebaut. Dabei liegt eine erste Schicht aus der Komponente A auf einer zweiten Schicht aus der Komponente B, wobei die erste Komponente A bzw. die erste Schicht auf der dem Elektrodenabstand 15 bzw. der Mittelelektrode 14 abgewandten Seite und die zweite Komponente B bzw. die zweite Schicht auf der dem Elektrodenabstand 15 bzw. der Mittelelektrode 14 zugewandten Seite angeordnet ist.
Die Komponente der ersten Schicht d. h. die erste Komponente A und die Komponente der zweiten Schicht d. h. die zweite Komponente B haben ein unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten, wie in 3b dargestellt.
Die zweite Komponente B weist bei höheren Temperaturen – in einem ersten Temperaturbereich I – ein im Vergleich zu der ersten Komponente A vermindertes Ausdehnungsverhalten auf, wohingegen das Ausdehnungsverhalten bei niedrigeren Temperaturen – innerhalb eines zweiten Temperaturbereichs II – vergrößert ist. Das Ausdehnungsverhalten der zweiten Komponente B ändert sich beim Übergang vom ersten zum zweiten Temperaturbereich d. h. bei Überschreiten der Grenztemperatur T_Grenz. Die erste Komponente A hat ein lineares Ausdehnungsverhalten, was nur beispielhaften Charakter hat und dem leichteren Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen soll.
Diesem Ausdehnungsverhalten der beiden Komponenten A, B entsprechend muß die zweite Komponente B auf der dem Elektrodenabstand 15 zugewandten Seite und die erste Komponente A auf der dem Elektrodenabstand 15 abgewandten Seite angeordnet sein, wie in 3a auch dargestellt.
4a zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel für den konstruktiven Aufbau der Masseelektrode 12, wie sie beispielsweise bei einer Zündkerze gemäß den 2a bis 2c Verwendung finden kann.
4b zeigt schematisch in einem Diagramm das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten der verwendeten Komponenten A, B, die zur Ausbildung der in der 4a dargestellten Masseelektrode 12 verwendet wurden. Wie in 3b ist dabei auf der Abszisse die Temperatur T und auf der Ordinate die absolute Ausdehnung Δs aufgetragen.
Das in 4a dargestellte Ende einer Masseelektrode 12 ist – wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3a – aus zwei Schichten aufgebaut. Dabei liegt eine erste Schicht aus der Komponente A auf einer zweiten Schicht aus der Komponente B. Die Anordnung der beiden Schichten in Bezug auf den Elektrodenabstand 15 bzw. in Bezug auf die Mittelelektrode 14 ist aber anderes als bei dem in 3a dargestellten Ausführungsbeispiel. Denn die erste Komponente A bzw. die erste Schicht ist auf der dem Elektrodenabstand 15 bzw. der Mittelelektrode 14 zugewandten Seite und die zweite Komponente B bzw. die zweite Schicht auf der dem Elektrodenabstand 15 bzw. der Mittelelektrode 14 abgewandten Seite angeordnet.
Die Komponente der ersten Schicht d. h. die erste Komponente A und die Komponente der zweiten Schicht d. h. die zweite Komponente B haben ein unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten, wie in 4b dargestellt.
Die zweite Komponente B weist bei höheren Temperaturen – in einem zweiten Temperaturbereich II – ein im Vergleich zu der ersten Komponente A vergrößertes Ausdehnungsverhalten auf, wohingegen das Ausdehnungsverhalten bei niedrigeren Temperaturen – innerhalb eines ersten Temperaturbereichs I – vermindert ist. Das Ausdehnungsverhalten der zweiten Komponente B ändert sich beim Übergang vom ersten zum zweiten Temperaturbereich d. h. bei Überschreiten der Grenztemperatur Die erste Komponente A hat – zum leichteren Verständnis – wiederum ein lineares Ausdehnungsverhalten.
Diesem Ausdehnungsverhalten der beiden Komponenten A, B entsprechend muß die zweite Komponente B auf der dem Elektrodenabstand 15 abgewandten Seite und die erste Komponente A auf der dem Elektrodenabstand 15 zugewandten Seite angeordnet sein, wie in 4a auch dargestellt.
Bezugszeichenliste

10: Zündkerze
11: erste Elektrode
12: Masseelektrode
13: zweite Elektrode
14: Mittelelektrode
15: Elektrodenabstand
16: Isolator
100: Zündkerze
101: erste Elektrode
102: Masseelektrode
103: zweite Elektrode
104: Mittelelektrode
105: Elektrodenabstand
106: Isolator
A: erste Komponente
B: zweite Komponente
I: erster Temperaturbereich
II: zweiter Temperaturbereich
Δs: Ausdehnung
T: Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine
TGrenz: Grenztemperatur
λ: Luftverhältnis

Claims

Verfahren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine, die mit einer Zündkerze (10) ausgestattet ist, welche mindestens ein Elektrodenpaar aufweist, das zwei voneinander elektrisch isolierte und beabstandete Elektroden (11, 13) umfasst, von denen eine Elektrode (11) als Masseelektrode (12) verwendet wird, wobei der Abstand (15) zwischen der ersten Elektrode (11) und der zweiten Elektrode (13) in einem Bereich, in dem im Rahmen der Fremdzündung eine Funkenstrecke ausgebildet wird, in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine verändert wird, und bei dem der Abstand (15) zwischen der ersten Elektrode (11) und der zweiten Elektrode (13) – ausgehend von einer kalten Brennkraftmaschine im Rahmen einer Warmlaufphase mit zunehmender Betriebstemperatur vergrößert wird, und – ab einer vorgebbaren Grenztemperatur T_Grenz mit weiter zunehmender Betriebstemperatur wieder verkleinert wird.
Zündkerze (10), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, mit mindestens einem Elektrodenpaar, das zwei voneinander elektrisch isolierte und beabstandete Elektroden (11, 13) umfasst, von denen eine Elektrode (11) als Masseelektrode (12) dient, wobei der Abstand (15) zwischen der ersten Elektrode (11) und der zweiten Elektrode (13) in einem Bereich, in dem sich im Rahmen der Fremdzündung eine Funkenstrecke ausbildet, veränderbar ist, wozu mindestens eine der beiden Elektroden (11, 13) des mindestens einen Elektrodenpaares zumindest teilweise in der Art eines Bimetalls ausgebildet ist, welches zwei Komponenten (A, B) umfaßt, deren thermisches Ausdehnungsverhalten unterschiedlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß – die zweite Komponente (B) ein Ausdehnungsverhalten in der Art aufweist, daß diese zweite Komponente (B) in einem ersten Temperaturbereich (I) ein vermindertes und in einem benachbarten zweiten Temperaturbereich (II) ein vergrößertes Ausdehnungsverhalten als die erste Komponente (A) hat.
Zündkerze (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß – der zweite Temperaturbereich (II) sich hin zu höheren Temperaturen an den ersten Temperaturbereich (I) anschließt, – die erste Komponente (A) auf der dem Elektrodenabstand (15) zugewandten Seite angeordnet ist, und – die zweite Komponente (B) auf der dem Elektrodenabstand (15) abgewandten Seite angeordnet ist.
Zündkerze (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß – der erste Temperaturbereich (I) sich hin zu höheren Temperaturen an den zweiten Temperaturbereich (II) anschließt, – die erste Komponente (A) auf der dem Elektrodenabstand (15) abgewandten Seite angeordnet ist, und – die zweite Komponente (B) auf der dem Elektrodenabstand (15) zugewandten Seite angeordnet ist.
Zündkerze (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelnes Elektrodenpaar vorgesehen ist mit einer zentral angeordneten Mittelelektrode (14) und einer zur Ausbildung des Elektrodenabstandes (15) hakenförmig ausgebildeten, diese Mittelelektrode (14) überragenden Masseelektrode (12), wobei die Masseelektrode (12) zumindest teilweise in der Art eines Bimetalls ausgebildet ist.