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Diese Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren und insbesondere einen Motor, der eine elektrische Entladung oder einen Zündfunken zum Auslösen der Verbrennung nutzt.
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Es ist bekannt, eine Zündkerze mit ersten und zweiten Elektroden zum Auslösen von Verbrennung in einem Zylinder eines Motors durch Bewirken des Überspringens einer elektrischen Entladung oder eines Zündfunken von der ersten zur zweiten Elektrode vorzusehen.
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Ein Problem bei einer solchen Anordnung ist, dass die Zündkerze in dem Zylinderkopf Platz einnimmt, wodurch die Größe und Positionierung der zum Steuern des Strömens von Gas in und aus dem Brennraum verwendeten Ventile beschränkt werden.
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Zur Lösung dieses Problems wurde in der
EP 0 898 058 A1 vorgeschlagen, eine Zündkerze mit einem der Tellerventile zu kombinieren, die das Strömen von Gas in einen Brennraum des Motors steuern. Wenngleich diese Anordnung den Nachteil eines herkömmlichen Fremdzündungsmotors behebt, indem sie größere Maße der Tellerventile des Motors und ein weniger einschränkendes Anordnen derselben ermöglicht, hat sie mehrere Nachteile.
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Zum einen befindet sich der Punkt der Zündung wie bei einem herkömmlichen Fremdzündungsmotor an einem einzigen Punkt im Brennraum, und daher ist eine komplexe Einlass- und Brennraumauslegung erforderlich, um sicherzustellen, dass sich das zu zündende Gemisch zum präzisen Zeitpunkt der Erzeugung des Zündfunkens an der Position befindet, an der der Zündfunke erzeugt wird. Da zum anderen nur ein einziger Zündfunken erzeugt wird, ist die für das Ausbreiten der Flammenfront in dem ganzen Brennraum erforderliche Zeit recht lang, und daher muss für das Eintreten der Verbrennung in zufriedenstellendem Maß ausreichend Zeit zugestanden werden, während sich der Kolben des Motors noch in einem kleinen Kurbelumdrehungsbereich befindet, der eine optimale Position nach dem oberen Totpunkt darstellt, wo die Verbrennung das maximale Drehmoment erzeugt. Dies bedeutet, dass die Zündsteuerzeiten ausreichend vor dem oberen Totpunkt liegen müssen, damit die Verbrennung praktisch beendet ist, während sich der Kolben noch im optimalen Bereich nach dem oberen Totpunkt befindet. Die Position, bei der die Zündung vor dem oberen Totpunkt erfolgt, ist als Frühzündungswinkel des Motors bekannt, und allgemein gesagt muss dieser Frühzündungswinkel vergrößert werden, wenn die Drehzahl des Motors aufgrund einer Abnahme der für das Erfolgen von Verbrennung verfügbaren Zeit angehoben wird. Es ist aber bekannt, dass die Verwendung von großen Frühzündungswinkeln die Anfälligkeit eines Motors für Klopfen vergrößert, und dies ist häufig eine Beschränkung der maximalen Betriebsgeschwindigkeit eines Motors.
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Je länger der für das Erfolgen von Verbrennung erforderliche Zeitraum ist, desto länger ist zudem die Zeit, die für eine Übertragung von Wärme in den Motor zur Verfügung steht, wodurch der Wärmewirkungsgrad des Motors gemindert wird.
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Weitere Tellerventile mit integrierter Zündkerzenfunktion zeigen die Schriften
GB 2 227 054 A ,
DE 38 12 988 A1 ,
DE 198 04 140 A1 ,
DE 324 692 B1 und
WO 93/23662 A1 , wobei jeweils am Ventilteller voneinander beabstandet primäre und sekundäre Elektroden vorgesehen sind, zwischen denen ein Funkenschlag erzeugbar ist.
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Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, einen verbesserten Verbrennungsmotor an die Hand zu geben.
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Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verbrennungsmotor vorgesehen: mit einem mindestens einen Zylinder ausbildenden Zylinderblock, einem in jedem Zylinder gleitend gelagerten Kolben, einem Zylinderkopf, der zusammen mit jedem Zylinder und Kolben einen jeweiligen Brennraum ausbildet, wobei jeder Brennraum mindestens zwei Tellerventile zum gezielten Strömenlassen von Gas in und aus dem jeweiligen Brennraum aufweist, wobei jedes Tellerventil einen Ventilschaft zum gleitenden Lagern des Tellerventils in dem Zylinderkopf des Motors und einen Ventilkopf zum gezielten Öffnen und Schließen eines Gasströmwegs durch einen in dem Zylinderkopf gebildeten Kanal umfasst, wobei mindestens eines der Tellerventile einen Teil aufweist, der eine primäre Elektrode bildet, die bei Einsatz mit mindestens einer sekundären Elektrode, die nicht als Teil des Tellerventils ausgebildet ist, zusammenwirkt, um eine Reihe von Elektrodenpaaren zu erzeugen, wobei das Fließen einer elektrischen Entladung während des Betriebs des Motors zwischen jedem der Elektrodenpaare gezielt bewirkt wird, um in dem jeweiligen Brennraum des Motors Verbrennung auszulösen.
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Es können mehrere sekundäre Elektroden vorhanden sein, die jeweils zusammen mit der primären Elektrode ein jeweiliges der Anzahl von Elektrodenpaaren bilden.
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Die primäre Elektrode kann eine Reihe von Entladungsspitzen aufweisen, die jeweils zusammen mit der mindestens einen sekundären Elektrode eine Reihe von Elektrodenpaaren zu bilden. D.h. es können eine sekundäre Elektrode und mehrere Entladungsspitzen vorhanden sein.
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Jede Entladungsspitze kann zusammen mit einer jeweiligen sekundären Elektrode eines der Reihe von Elektrodenpaaren bilden.
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Die mindestens eine sekundäre Elektrode kann als integraler Teil des Zylinderkopfs ausgebildet sein, der benachbart zur primären Elektrode angeordnet ist.
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Jede sekundäre Elektrode kann ein integral ausgebildeter Vorsprung sein.
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Die mindestens eine sekundäre Elektrode kann alternativ so an dem Zylinderkopf befestigt sein, dass an einer an die primäre Elektrode angrenzenden Position dazwischen eine elektrische Verbindung vorgesehen wird.
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Als noch weitere Alternative kann die mindestens eine sekundäre Elektrode an einer Einspritzdüse ausgebildet sein, die in dem Brennraum des Motors angeordnet ist.
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Jeder Brennraum kann zwei oder mehr Tellerventile mit einer primären Elektrode, die zusammen mit mindestens einer sekundären Elektrode eine Anzahl von Elektrodenpaaren bildet, aufweisen.
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Alle Tellerventile jedes Zylinders können eine Elektrode aufweisen, die Teil mindestens eines Elektrodenpaars bildet.
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Die Zündsteuerzeiten jeder primären Elektrode können unabhängig gesteuert werden.
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Die Zündsteuerzeiten jeder primären Elektrode können basierend auf den Betriebsbedingungen des Motors unabhängig gesteuert werden, um die Verbrennung in dem jeweiligen Brennraum zu verbessern.
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Jedes Tellerventil kann aus einem elektrisch leitenden Material bestehen und kann einen die primäre Elektrode bildenden Kopfteil aufweisen, und das Tellerventil kann so in dem Zylinderkopf gleitend eingebaut sein, dass es davon elektrisch isoliert ist.
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Alternativ kann jedes Tellerventil aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt sein und kann einen die primäre Elektrode bildenden elektrisch leitenden Einsatzteil aufweisen.
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Als noch weitere Alternative kann jedes Tellerventil einen hohlen, elektrisch leitenden Bestandteil aufweisen, der einen Innenhohlraum ausbildet, der zum Aufnehmen eines aus isolierendem Material bestehenden Innenelements dient, wobei das Innenelement einen die primäre Elektrode bildenden elektrisch leitenden Einsatz aufweist.
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Nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Tellerventil zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor nach der ersten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen.
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Nun wird die Erfindung beispielhaft unter Bezug auf die Begleitzeichnung beschrieben. Hierbei zeigen:
- 1 eine Umrisszeichnung eines Kraftfahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Motor;
- 2 einen Querschnitt durch einen Teil eines Zylinderkopfs des in 1 gezeigten Motors, der einen Verbrennungsauslöser in Form eines erfindungsgemäßen Tellerventils zeigt;
- 2a einen Querschnitt durch eine alternative Form der zum gleitenden Lagern des in 2 gezeigten Tellerventils verwendeten Führung;
- 3 eine Endansicht des in 2 gezeigten Tellerventils;
- 4a einen Teilquerschnitt, der eine alternative sekundäre Elektrodenanordnung zeigt;
- 4b eine Endansicht des in 4a gezeigten Tellerventils;
- 5 und 6 Ansichten ähnlich zu 4b, die alternative sekundäre Elektrodenanordnungen zeigen;
- 7a einen Teilquerschnitt, der eine alternative primäre Elektrodenanordnung zu der in 4a gezeigten zeigt;
- 7b eine Endansicht des in 7a gezeigten Tellerventils;
- 8a einen Teilquerschnitt, der eine alternative sekundäre Elektrodenanordnung zu der in 7a gezeigten zeigt;
- 8b eine Endansicht des in 8a gezeigten Tellerventils;
- 9 einen Teilquerschnitt, der zu der in 2 gezeigten Form eine alternative Form einer elektrischen Verbindung zeigt;
- 10 einen Teilquerschnitt, der zu der in 2 gezeigten Form eine alternative Form einer elektrischen Verbindung zeigt;
- 11 eine Draufsicht auf den in 2 gezeigten Zylinderkopf;
- 12 eine Seitenansicht eines ersten alternativen Tellerventils zu dem in 2 gezeigten;
- 13a eine Seitenansicht eines zweiten alternativen Tellerventils zu dem in 2 gezeigten;
- 13b eine Endansicht des in 13a gezeigten Tellerventils;
- 14 eine Endansicht einer alternativen primären Elektrodenanordnung zu der in 13b gezeigten;
- 15a eine Seitenansicht eines dritten alternativen Tellerventils zu dem in 2 gezeigten;
- 15b eine Endansicht des in 15a gezeigten Tellerventils; und
- 16 eine Endansicht einer alternativen primären Elektrodenanordnung zu der in 15b gezeigten.
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Unter besonderem Bezug auf 1 wird ein Kraftfahrzeug 5 mit einem Verbrennungsmotor gezeigt, der als fremdgezündeter Dreizylinder-Reihenmotor 10 ausgelegt ist.
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Der Motor 10 umfasst einen Zylinderkopf 11 und einen Zylinderblock 12. Der Zylinderblock 12 bildet drei (nicht dargestellte) Zylinder aus, in denen jeweils ein (nicht dargestellter) Kolben gleitend gelagert ist. Der Zylinderkopf 11 und die Zylinder bilden zusammen mit den Kolben drei (nicht dargestellte) Brennräume.
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Jeder der Brennräume ist so ausgelegt, dass er mittels eines jeweiligen Einspritzventils 14a, 14b, 14c, das mittels einer Zufuhrleitung 13 von einem (nicht dargestellten) Vorratsbehälter mit Kraftstoff versorgt wird, eine Kraftstoffzufuhr aufnimmt. In diesem Fall spritzen die Einspritzventile 14a, 14b, 14c Kraftstoff direkt in die Brennräume ein, doch versteht sich, dass sie alternativ den Kraftstoff durch Rohreinspritzung einspritzen könnten. Die Einspritzventile 14a, 14b, 14c werden von einem elektronischen Steuergerät 15 gesteuert, das in diesem Fall auch zum Steuern der Zündung des Motors 10 genutzt wird.
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Die Verbrennung des Gemisches in jedem Brennraum wird durch die Entladung eines elektrischen Stroms zwischen primären und sekundären Elektroden ausgelöst. Die primären Elektroden sind mittels jeweiliger Hochspannungssteckverbinder 18a, 18b, 18c und Hochspannungsleitungen 17a, 17b, 17c mit einer Quelle elektrischen Stroms hoher Spannung in Form eines Hochspannungsgenerators 16 verbunden, der von dem elektronischen Steuergerät 15 gesteuert wird. Die sekundären Elektroden sind an dem Kraftfahrzeug 5 mit einem Massepunkt verbunden.
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Das elektronische Steuergerät 15 ist zum Steuern des Strömens von Kraftstoff in jeden der Brennräume und der Zeitsteuerung oder Phasenregelung der elektrischen Entladung an jedem Zylinder nutzbar, um eine effiziente Verbrennung im Motor 10 zu erzeugen.
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Unter besonderem Bezug auf 2 und 3 wird ein Teil des Zylinderkopfs 11 in dem Bereich eines Ansaugkanals 20 eines der Brennräume des Motors 10 gezeigt. Der Zylinderkopf 11 besteht in diesem Fall aus einem elektrisch leitenden Material wie Aluminium oder Gusseisen.
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Zum gezielten Öffnen und Schließen eines Gasströmwegs durch den Ansaugkanal 20 wird ein Tellerventil 30 vorgesehen. Das Tellerventil 30 umfasst einen Ventilschaft 31 zum gleitenden Lagern des Tellerventils 30 in dem Zylinderkopf 11 des Motors und einen Ventilkopf 32 zum gezielten Öffnen und Schließen eines Gasströmwegs durch den Einlasskanal 20.
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Der Ventilschaft 31 greift gleitend mit einer Führung 25 aus einem elektrisch isolierenden Material wie einem Keramikmaterial. In 2a wird eine alternative Form einer Führung gezeigt, wobei ein Rohr aus isolierendem Material 25b zwischen inneren und äußeren Rohren 25c und 25a aus Metall gesetzt ist. Bevorzugt besteht das innere Rohr 25c aus einem Lagermetall. Diese Führung 25 hat den Vorteil, dass die Tribologie zwischen einem Metallventil und einer Metallführung gut verstanden ist, wogegen die Tribologie einer Metall/Keramik-Grenzfläche weniger gut bekannt ist. Bevorzugt ist das isolierende Rohr 25b länger als die inneren und äußeren Rohre 25c und 25a, um das Risiko elektrischer Lichtbogenbildung zwischen den inneren und äußeren Rohren 25c und 25a zu reduzieren.
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Der Ventilkopf 32 ist so ausgelegt, dass er gezielt an einem Ventilsitz 34 anliegt, der aus einem elektrisch isolierenden Material wie Keramikmaterial besteht.
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Der Ventilsitz 34 dient zum Befestigen einer sekundären Elektrode in Form eines Elektrodenrings 33 an dem Zylinderkopf 11. Der Elektrodenring 33 weist vier nach innen gerichtete Vorsprünge auf, die vier Elektroden bilden, und ist mit dem Zylinderkopf 11 mittels direkten Kontakts damit elektrisch verbunden.
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Ein oberes Ende des Ventilschafts 31 ist dafür ausgelegt, mittels eines (nicht gezeigten) Ventilbetätigungsmittels ein Hin- und Herbewegen des Ventils 30 zwischen offenen und geschlossenen Stellungen zu ermöglichen. Die Ausführung des Ventilbetätigungsmittels kann jede bekannte Ausführung sein. In diesem Fall wird das Ventil 30 mittels eines (nicht dargestellten) nockenbetätigten Kipphebels bewegt, der auf einen Stößel 21 wirkt, der auf einem oberen Ende des Ventilschafts ruht. Der Stößel 21 ist mittels einer aus Keramikmaterial gefertigten isolierenden Abdeckung 22 von dem Ventilschaft elektrisch isoliert.
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Zum Vorspannen des Ventils 30 in seine geschlossene Stellung wird eine Ventilfeder 23 vorgesehen. Die Ventilfeder 23 wirkt zwischen einer mittels einer Halterung 27 an dem Ventilschaft 31 gehaltenen Zwischenlegscheibe 26 und einer als Teil des Hochspannungssteckverbinders 18a ausgebildeten Anschlagfläche. Es versteht sich, dass die Ventilfeder 23, die Zwischenlegschiebe 26 und die Halterung 27 allesamt aus elektrisch leitenden Materialien bestehen.
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Der Hochspannungssteckverbinder 18a ist von dem Zylinderkopf 11 mittels des eines isolierenden Topfs 24 elektrisch isoliert.
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Das Tellerventil 30 besteht aus einem elektrisch leitenden Material wie Metall. Einer der Hauptvorteile bei dieser erfindungsgemäßen Ausführung ist, dass ein aus einem gut bekannten Material gefertigtes herkömmliches Einlassventil verwendet wird.
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Es versteht sich, dass die Erfindung zwar unter Bezug auf ein als Einlassventil verwendetes Tellerventil beschrieben wird, das Tellerventil aber ein Auslassventil sein könnte und dass die Erfindung nicht auf die Verwendung eines Einlassventils als Zündauslöser beschränkt ist.
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Bei Einsatz ist das elektrische Steuergerät 15 verwendbar, um dem Hochspannungsgenerator 16 das Liefern einer Hochspannung mittels der Hochspannungsleitung 17a zu dem Hochspannungssteckverbinder 18a zu befehlen, wenn in dem jeweiligen Brennraum, mit dem das Ventil 30 zusammenwirkt, eine Verbrennung erforderlich ist.
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Die Hochspannung fließt durch die Ventilfeder 23 zu dem Ventilschaft 31 und entlang des Ventilschafts 31 zu dem Ventilkopf 32. Die Potentialdifferenz zwischen dem Ventilkopf 32 und der sekundären Elektrode 33, die mittels des Zylinderkopfs 11 geerdet ist, ist so ausgelegt, dass elektrische Entladungen oder Zündfunken zwischen dem Rand des Ventilkopfs 32 und den Elektroden 35 an dem sekundären Elektrodenring 33 auftreten. Wenngleich es in dem gezeigten Beispiel nicht verwendet wird, kann der Außenrand des Ventils 30 mit einem Wolframmaterial beschichtet sein oder aus einem Wolframmaterial gefertigt sein.
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Daher werden zwischen dem Ventil 30, das eine primäre Elektrode bildet, und den Elektroden 35 an dem sekundären Elektrodenring 33 vier Elektrodenpaare gebildet.
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Dies hat den Vorteil, dass der Bereich, in dem Verbrennung zuerst erfolgen kann, potentiell größer als bei einer herkömmlichen Zündkerze ist und dass zusätzlich ein relativ großer Kern anfänglicher Verbrennung erzeugt wird, der sich dann problemlos in dem Brennraum ausbreiten kann. Da es zudem vier potentielle Funkenstrecken gibt, wird die Wahrscheinlichkeit einer funkenlosen Situation minimiert.
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Auch wenn in 2 nur ein Tellerventil 30 gezeigt wird, versteht sich, dass jeder Brennraum mehrere Tellerventile hat und dass mehr als eines derselben zum Auslösen von Verbrennung genutzt werden kann.
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Unter Bezug auf 4a und 4b wird eine alternative Anordnung zu der in 2 gezeigten sekundären Elektrode gezeigt, die als direkter Ersatz für diese Elektrode gedacht ist. Das Tellerventil 30 ist identisch mit dem zuvor beschriebenen und hat einen Ventilkopf 32 und einen Ventilschaft 31. Statt dass die sekundäre Elektrode ein separates Bauteil ist, ist sie als Teil des Zylinderkopfs 11 ausgebildet, der eine Keramikventilführung 134 umgibt. In dem gezeigten Beispiel gibt es vier sekundäre Elektroden 133, die jeweils einen nach innen gerichteten Vorsprung 135 aufweisen, der sich über den Ventilsitz 134 hin zu dem Ventilkopf 32 erstreckt.
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Unter Bezug auf 5 wird eine alternative Anordnung zur in 2 gezeigten sekundären Elektrode gezeigt, die als direkter Ersatz für diese Elektrode gedacht ist.
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Das Tellerventil 30 ist identisch mit dem zuvor beschriebenen und hat einen Ventilkopf 32 und einen (nicht dargestellten) Ventilschaft. In diesem Fall umfasst die sekundäre Elektrode acht separate Elektroden 233, die als Teil des Zylinderkopfs 11 ausgebildet sind, der eine Keramikventilführung 234 umgibt. Jede der sekundären Elektroden 233 weist einen nach innen gerichteten Vorsprung 235 auf, der sich über den Ventilsitz 134 hin zu dem Ventilkopf 32 erstreckt.
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Unter Bezug auf 6 wird eine alternative Anordnung zur in 2 gezeigten sekundären Elektrodenanordnung gezeigt, die als direkter Ersatz für diese Elektrodenanordnung gedacht ist. Das Tellerventil 30 ist identisch mit dem zuvor beschriebenen und hat einen Ventilkopf 32 und einen (nicht dargestellten) Ventilschaft. In diesem Fall umfasst die sekundäre Elektrode drei separate als Teil des Zylinderkopfs 11 ausgebildete Elektroden 333, die eine Keramikventilführung 234 überlagern. Jede der sekundären Elektroden 333 weist einen nach innen gerichteten Vorsprung 335 auf, der sich über den Ventilsitz 334 hin zu dem Ventilkopf 32 erstreckt. Der Hauptunterschied zwischen dieser Ausführung und den in den 4b und 5 gezeigten Ausführungen ist, dass die sekundären Elektroden 333 alle innerhalb eines Quadranten des Ventilkopfs 32 angeordnet sind, um eine anfängliche Verbrennung in einem enger festgelegten Ort zu erzeugen.
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Unter Bezug auf 7a und 7b wird eine alternative Anordnung zur in 2 gezeigten primären Elektrode gezeigt, die als direkter Ersatz für diese Elektrode gedacht ist. Die sekundäre Elektrode ist gleich der in den 4a und 4b gezeigten, die vier als Teil des Zylinderkopfs 11 ausgebildete Elektroden 433 aufweist, die eine Keramikventilführung 434 umgeben. Jede der sekundären Elektroden 433 weist einen nach innen gerichteten Vorsprung 435 auf, der sich über den Ventilsitz 434 hin zu dem Ventilkopf 32 erstreckt. In dieser Ausführung weist die primäre Elektrode oder genauer gesagt der Ventilkopf 32 aber vier nach außen abstehende Vorsprünge 450 auf, wovon jeder mit einer der sekundären Elektroden 433 ausgerichtet ist. D.h. idealerweise sind die Vorsprünge 450 mit dem Vorsprung 435 ausgerichtet, wie in 7b gezeigt wird. In der Praxis ist es unwahrscheinlich, dass diese Ausrichtung aufrechterhalten bleibt, es sei denn das Ventil 30 ist mit einem Mittel zu dessen Halten in einer Drehstellung versehen. Wie bei den meisten Motoren ist es aber wünschenswert, ein langsames Drehen eines Tellerventils zu seinem Ventilsitz zu gestatten, um den Ventilkopf an dem Ventilsitz zu betten. Daher kann bei dieser Anordnung eine Veränderung der Funkenstrecke bei Drehen des Tellerventils vorliegen. Als Alternative zu der gezeigten Anordnung kann eine zur Anzahl der an dem Zylinderkopf 11 angeordneten sekundären Elektroden 433 unterschiedliche Anzahl an Vorsprüngen 450 an dem Ventilkopf 32 gegeben sein
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Unter Bezug auf 8a und 8b wird eine alternative Anordnung der sekundären Elektrode zu der in 7a und 7b dargestellten gezeigt. Das Tellerventil ist mit dem zuvor bezüglich 7a und 7b beschriebenen identisch und weist vier nach außen abstehende Vorsprünge 550 auf, die von dem Ventilkopf 32 abstehen.
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In dieser Ausführung umfasst die sekundäre Elektrode aber eine in einer Keramikventilführung 534 eingebettete einzelne Wolframringelektrode 533. Ein Ende der Ringelektrode 533 steht mit dem Zylinderkopf 11 in Kontakt, und das andere Ende ragt aus dem Keramikventilsitz 534 hervor, so dass es benachbart zu den vier Vorsprüngen 550 an dem Ventilsitz 32 positioniert ist. Selbst wenn das Tellerventil 30 im Verhältnis zu dem Ventilsitz 534 langsam drehen darf, ändert sich daher die Funkenstrecke nicht.
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Eine noch andere alternative sekundäre Elektrodenanordnung, die in 8a und 8b gezeigt wird, kann mit dem in 2 gezeigten Tellerventil kombiniert werden, so dass an jeder Stelle um den Rand des Ventilkopfs 32 und die umgebende sekundäre Elektrode ein Zündfunken erzeugt werden kann und, wenn ausreichend Energie vorhanden ist, ein ständiger Entladungsring zwischen dem Rand des Ventilkopfes 32 und der umgebenden sekundären Elektrode erzeugt werden kann.
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Als noch weitere Alternative könnten mehrere unabhängige Elektroden in die Keramikventilführung 534 als Ersatz für die Ringelektrode eingebettet werden.
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Auch wenn die sekundären Elektroden wie in 4a, 5, 6 und 7b gezeigt allesamt als Teil des Zylinderkopfs 11 gebildet sind, versteht sich, dass sie separate Bauteile sein könnten, die am Zylinderkopf 11 angebracht werden. In diesem Fall wäre es wünschenswert, zur Minderung von Zündkerzenabbrand jede der sekundären Elektroden aus einem Wolframmaterial herzustellen.
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Unter besonderem Bezug auf 9 wird eine andere Anordnung zum Liefern von Hochspannung zu dem Ventil 30 gezeigt, die als Ersatz für die in 2 gezeigte gedacht ist.
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Wie zuvor greift der Ventilschaft 31 gleitend mit einer aus elektrisch isolierendem Material gefertigten Führung 25, und das obere Ende des Ventilschafts 31 ist dafür ausgelegt, ein Hin- und Herbewegen des Ventils zwischen offener und geschlossener Stellung mittels eines (nicht dargestellten) Ventilbetätigungsmechanismus zuzulassen. Wie zuvor wird das Ventil 30 in diesem Beispiel mittels eines (nicht dargestellten) nockenbetätigten Kipphebels bewegt, der auf einen (nicht dargestellten) Stößel wirkt, der auf dem oberen Ende des Ventilschafts 31 ruht. Der Stößel ist mittels einer (nicht dargestellten) isolierenden Abdeckung, die aus Keramikmaterial besteht, von dem Ventilschaft elektrisch isoliert.
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Wie zuvor wirkt die Ventilfeder 23 gegen eine Unterlegscheibe 26, die mittels einer Halterung 27 an dem Ventilschaft 31 gehalten wird, aber in diesem Fall liegt das untere Ende der Ventilfeder 23 an einer isolierenden Unterlegscheibe an. Der Hochspannungssteckverbinder 18a ist in einem Isolierblock 40 eingebettet, der in eine Aussparung in dem Zylinderkopf 11 eingesetzt ist. Der Isolierblock weist eine Innenbohrung auf, in der eine Feder 41 angeordnet ist, die zum Vorspannen eines Gleitkontaktelements 42 gegen den Ventilschaft 31 dient. Bei Einsatz läuft ein Hochspannungsimpuls von dem Hochspannungsgenerator 16 entlang der Hochspannungsleitung 17a zu dem Hochspannungssteckverbinder 18a, wenn in dem jeweiligen Brennraum, in dem das Ventil 30 angeordnet ist, Verbrennung erforderlich ist.
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Die Hochspannung fließt durch die Feder 41 zu dem Gleitkontaktelement 42, in den Ventilschaft 31 und entlang des Ventilschafts 31 zu dem (nicht dargestellten) Ventilkopf und entlädt sich dann über eine kleine Funkenstrecke zu einer oder mehreren sekundären Elektroden, die mit dem Zylinderkopf 11 verbunden oder als Teil desselben ausgebildet sind.
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Unter besonderem Bezug auf 10 wird eine weitere alternative Anordnung zum Liefern von Hochspannung zu dem Ventil 30 gezeigt, die als Ersatz für die in 2 gezeigte gedacht ist.
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Wie zuvor greift der Ventilschaft 31 gleitend mit einer aus elektrisch isolierendem Material gefertigten Führung 25, und das obere Ende des Ventilschafts 31 ist dafür ausgelegt, ein Hin- und Herbewegen des Ventils 30 zwischen offener und geschlossener Stellung mittels eines (nicht dargestellten) Ventilbetätigungsmechanismus zuzulassen. Wie zuvor wird das Ventil 30 in diesem Beispiel mittels eines (nicht dargestellten) nockenbetätigten Kipphebels bewegt, der auf einen (nicht dargestellten) Stößel wirkt, der auf dem oberen Ende des Ventilschafts 31 ruht. Der Stößel ist mittels einer (nicht dargestellten) isolierenden Abdeckung, die aus Keramikmaterial besteht, von dem Ventilschaft elektrisch isoliert.
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Wie zuvor wirkt die Ventilfeder 23 gegen eine Unterlegscheibe 26, die mittels einer Halterung 27 an dem Ventilschaft 31 gehalten wird, aber in diesem Fall liegt das untere Ende der Ventilfeder 23 an einer isolierenden Unterlegscheibe an. Der Hochspannungssteckverbinder 18a ist in einem Isolierblock 40 eingebettet, der in eine Aussparung in dem Zylinderkopf 11 eingesetzt ist. Ein Fly-Kabel 45 aus einem biegsamen leitenden Material, das mit einem isolierenden Material beschichtet ist, ist zwischen dem Hochspannungssteckverbinder 18a und dem oberen Ende des Ventilschafts 31 angeschlossen.
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Bei Einsatz läuft ein Hochspannungsimpuls von dem Hochspannungsgenerator 16 entlang der Hochspannungsleitung 17a zu dem Hochspannungssteckverbinder 18a, wenn in dem jeweiligen Brennraum, mit dem das Ventil 30 zusammenwirkt, Verbrennung erforderlich ist. Die Hochspannung fließt durch das Fly-Kabel 45 in den Ventilschaft 31 und entlang des Ventilschafts 31 zu dem (nicht dargestellten) Ventilkopf und entlädt sich dann über einer kleinen Funkenstrecke zu einer oder mehreren sekundären Elektroden, die mit dem Zylinderkopf verbunden oder als Teil desselben ausgebildet sind.
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Unter Bezug auf 11 wird der Zylinderkopf 11 in dem Bereich eines Brennraums gezeigt. Der Zylinderkopf 11 weist eine darin ausgebildete Aussparung 60 von in etwa dem gleichen Durchmesser wie der Zylinder auf, mit dem er zusammenwirkt. In der Aussparung 60 ist mittig eine Einspritzdüse 75 so angeordnet, dass sie sich auf einer Mittellinie des Zylinders befindet, mit dem der Zylinderkopf 11 zusammenwirkt. Dies bedeutet, dass die Einspritzdüse 75 bezüglich der Wand des Zylinders gleich weit entfernt positioniert ist.
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Der Brennraum weist vier ihm zugeordnete Tellerventile auf, jedes der Tellerventile weist einen Kopf 32a, 32b, 32c, 32d auf, der eine primäre Elektrode bildet. Zwei der Tellerventile sind Einlassventile und ihre Köpfe 32a, 32b werden weg von einem zusammenwirkenden Ventilsitz 634 bewegt, um während eines Einlasshubs des Motors 10 Luft in den Brennraum einzulassen, und zwei der Tellerventile sind Auslassventile, und ihre Köpfe 32c, 32d werden weg von einem zusammenwirkenden Ventilsitz 634 bewegt, um die Verbrennungsnebenprodukte während eines Auspufftakts des Motors 10 aus dem Brennraum entweichen zu lassen.
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In dem gezeigten Beispiel sind die Ventilköpfe 32a, 32b, 32c, 32d, die sekundären Elektroden 633 und der Ventilsitz 634 von gleicher Form wie die bezüglich 6 gezeigten und beschriebenen, doch versteht sich, dass andere Formen von Tellerventil, primärer Elektrode, sekundärer Elektrode oder Ventilsitz verwendet werden könnten. Zu beachten ist, dass nicht nur Zündauslöser an beabstandeten Stellen des Brennraums (den vier Ecken) angeordnet sind, sondern dass an jeder dieser Stellen mehr als ein Entladungspaar ausgebildet ist.
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Da alle Tellerventile eine primäre Elektrode aufweisen, die Teil mindestens eines Elektrodenpaars bildet, können verschiedene Verbrennungsstrategien befolgt werden.
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Zunächst kann allen primären Elektroden, die durch die Ventilköpfe 32a, 32b, 32c, 32d gebildet werden, gleichzeitig ein Hochspannungsimpuls geliefert werden, um gleichzeitig zwischen allen durch die Ventilköpfe 32a, 32b, 32c gebildeten primären Elektroden und den sekundären Elektroden 633 elektrische Entladungen zu erzeugen. D.h. die Zündsteuerzeiten für alle Elektrodenpaare sind gleich.
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Dies hat den Vorteil, dass die Zeit, die die durch Verbrennung im Brennraum erzeugten Flammenfronten zum Ausbreiten in dem gesamten Brennraum benötigen, verglichen mit einer Zündfunkenanordnung an einem einzigen Punkt kleiner ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass aufgrund des Auftretens elektrischer Entladungen an einer Reihe von Punkten im Brennraum keine Notwendigkeit besteht, das Strömen des Gemisches im Brennraum präzis zu steuern, um es präzise durch eine Entladungsquelle zu einem bestimmten Zeitpunkt zu positionieren. Dies bedeutet, dass die Form oder Konfiguration des Brennraums und Einlasskanals weniger komplex sein kann und damit weniger Zeit und Aufwand zum Auslegen des Brennraums erforderlich sind.
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Da ferner die Flammenfront oder genauer gesagt die vier Flammenfronten weniger Zeit benötigen, um die fernen Teile des Brennraums zu erreichen, da jede Flammenfront eine kürzere Strecke zurücklegen muss, kann der Betrag der Frühzündung im Verhältnis zum oberen Totpunkt reduziert werden. Dies ist wichtig, da der Betrag der Frühzündung bezüglich der maximalen Laufgeschwindigkeit eines Motors ein einschränkender Faktor ist. Wenn die von den Flammenfronten zum Erreichen der fernen Teile des Brennraums benötigte Zeit reduziert ist, kann die maximale Betriebsgeschwindigkeit des Motors unbedenklich erhöht werden, ohne die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Klopfen zu vergrößern.
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Eine zweite Strategie, die befolgt werden kann, ist das unabhängige Steuern der Zündsteuerzeiten jeder primären Elektrode mit Hilfe des elektronischen Steuergeräts 15. Dies erlaubt das Eintreten der Verbrennungsauslösung an einem beliebigen der Tellerventile zu einem beliebigen bestimmten Zeitpunkt, um die Verbrennungswirksamkeit zu maximieren.
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Die primären Elektroden können zum Beispiel nacheinander mit Strom versorgt werden, beginnend mit einem der Tellerventile und weiter mit den anderen Tellerventilen in einer vorbestimmten Reihenfolge.
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Alternativ können die Zündsteuerzeiten jeder primären Elektrode basierend auf den Betriebsbedingungen des Motors unabhängig gesteuert werden, um die Verbrennung in dem jeweiligen Brennraum zu verbessern.
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D.h. die unabhängige Steuerung der Zündsteuerzeiten der primären Elektroden lässt ein Bewegen des Zündpunkts in dem Brennraum herum zu, um eine vorhergesagte Position des Gemisches im Brennraum für jeden Lastzustand basierend auf experimenteller Strömungsarbeit anzupassen. Der Ort des optimalen Gemisches im Brennraum wird in diesem Fall in einer Lookup-Tabelle gespeichert oder wird beruhend auf einem aus der experimentellen Strömungsarbeit abgeleiteten Algorithmus berechnet, und dann wird eine geeignete Zündsteuerzeit für jede der primären Elektroden basierend auf der aktuellen Motordrehzahl und Last gewählt.
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Dies hat den Vorteil, dass der Zündpunkt an einen vorhergesagten Ort des zu zündenden Gemisches angepasst werden kann, statt auf eine komplexe Brennraumform zum Beeinflussen des Strömens des Gemisches in dem Brennraum zu bauen. Dies eliminiert zumindest teilweise die Notwendigkeit der Verwendung einer komplexen Einlass- und Brennraumauslegung.
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Daher erlauben das Beschleunigen der Brennrate durch Erzeugen von Flammenfronten an mehr als einem Ort und durch Verkleinern der Strecke, über die sich diese Flammenfronten ausbreiten müssen, das Verwenden einer verminderten Frühzündung für den gleichen Drehzahl-/Lastzustand, was zu einer geringeren Wahrscheinlichkeit von Klopfen und verminderten Wärmeverlusten durch die Zylinderwände führt. Umgekehrt kann bei einer vorgegebenen Frühzündung ein bestimmter Motor bei einer höheren Geschwindigkeit betrieben werden.
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Vorsicht ist erforderlich, wenn die Wechselwirkung zwischen den separaten Flammenfronten Motorklopfen erzeugt. Um diese Wirkung zu kompensieren, können verschiedene Zündorte und Kombinationen von Orten zu gleichen oder verschiedenen Zeitpunkten zum Maximieren der vorteilhaften Wirkungen einer Mehrfachzündung genutzt werden. Das Erzeugen von Zündung an jedem Ventil der Reihe nach, um die Zündereignisse zeitlich und räumlich zu trennen, kann zum Ändern des Punkts der Zündung genutzt werden, um Füllungsbewegung auszugleichen.
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Da die Bewegung der Kraftstoff-/Luftfüllung in dem Zylinder bei unterschiedlichen Drehzahl-/Lastbedingungen unterschiedlich sein kann, ist es möglich, das Gemisch an jeder Ventilposition in dem Brennraum zu zünden, um den Punkt der Zündung mit der Gemischposition abzustimmen. Das erlaubt bei dem vorhergesagten Ort der Füllung für die aktuelle Drehzahl-/Lastbedingung ein Zünden des Gemisches an dem geeigneten Ventil und ermöglicht ein Bewegen des Zündpunkts, wenn sich die Drehzahl/Last ändert.
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Die Verwendung einer Zündanlage nach dieser Erfindung an einem Motor würde daher zu einer Vereinfachung der Lufteinlassanlage führen, da der Zündpunkt verstellt werden kann, um der Füllung zu folgen, statt dass man gezwungen ist, die Lufteinlassanlage so auszulegen, dass die Füllung sich garantiert bei einem festen Zündpunkt befindet.
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Die gewollte Nutzung einer Spätzündung durch Verwenden von ein oder mehreren Auslassventilen mit primären Elektroden kann als Mittel zum Verbessern der Katalysatoraufwärmung verwendet werden, um Emissionen bei Motorstart zu reduzieren. Im Anschluss an normale Verbrennung in einem Einspritzmotor wird ein zusätzlicher später Einspritzvorgang während des Auspufftakts genutzt, wobei die als Teil der Auslassventile gebildeten primären Elektroden mit elektrischem Strom beaufschlagt werden, wenn das Gemisch aus dem Brennraum strömt, um das aus dem Motor strömende Gemisch zu zünden. Diese Nachverbrennung des Motors erleichtert dann das Katalysatoraufwärmen. Dies würde eine optimale Frühzündung während des Motorstarts ermöglichen, um den Motor so schnell wie möglich aufzuwärmen und Reib-/ Wärmeverluste zu reduzieren.
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Auch wenn die vorstehend beschriebene Verwendung von ein oder mehreren Ventilen als primäre Elektroden bei allen Direkteinspritzmotoren gut funktioniert, ist es wünschenswert, bei Verwendung in einem rohreingespritzten Motor entweder die Tiefe des Ventilssitzes um den Ventilkopf im Einlasskanal zu vergrößern, um die Möglichkeit des Auftretens von Funkenüberschlag im Einlasskanal zu beseitigen, was Verbrennung im Einlasskanal verursachen könnte, oder nur die Auslassventile als primäre Elektroden zu verwenden, was das Risiko des Auftretens von Zündung in dem Einlasskanal völlig beseitigen würde.
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Auch wenn die Erfindung bisher nur unter Bezug auf eine Ausführung beschrieben wurde, die ein im Wesentlichen standardmäßiges Tellerventil nutzt, das von dem Zylinderkopf elektrisch isoliert ist, versteht sich, dass andere Tellerventilformen verwendet werden könnten.
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In 12 wird eine alternative Auslegung eines Tellerventils gezeigt, die weitgehend gleich dem zuvor unter Bezug auf 2 beschriebenen ist. Das Tellerventil 30 umfasst einen Ventilschaft 31 zum gleitenden Lagern des Tellerventils 30 in einem Zylinderkopf eines Motors sowie einen Ventilkopf 132 zum gezielten Schließen eines Einlass- oder Auslasskanals.
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Der Ventilschaft 31 greift gleitend mit einer Führung 25 aus einem elektrisch isolierenden Material wie Keramikmaterial. Ein Keramikventilsitz 134 wird zum elektrischen Isolieren des Ventilkopfs 132 gegenüber dem Zylinderkopf verwendet. Dem Tellerventil 30 wird mittels einer Hülse 165, die gleitend mit dem Ventilschaft 31 greift, Hochspannung gezielt zugeführt. Der Hochspannungssteckverbinder 18a ist mit der Hülse 165 verbunden, um von einer (nicht dargestellten) Hochspannungsleitung der Hülse 165 Hochspannung zuzuführen. Um ein Fließen der Hochspannung in den zum Betätigen des Tellerventils 30 verwendeten Mechanismus zu verhindern, ist eine isolierende Ventilfederabdeckung 122 an dem oberen Ende des Ventilschafts 31 angebracht. Der Betrieb ist wie vorstehend unter Bezug auf 2 beschrieben.
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In 13a und 13b wird eine alternative Auslegung eines Tellerventils gezeigt, das als direkter Ersatz für das in 2 gezeigte Tellerventil gedacht ist. Das Tellerventil 230 umfasst einen Ventilschaft 231 zum gleitenden Lagern des Tellerventils 230 in einem Zylinderkopf eines Motors sowie einen Ventilkopf 232 zum gezielten Schließen eines Einlass- oder Auslasskanals.
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Das Tellerventil 230 ist ein hohles, elektrisch leitendes Bauteil, das einen Innenhohlraum ausbildet, der zum Aufnehmen eines aus einem isolierenden Material wie Keramik bestehenden Innenelements 267 verwendet wird. Das Innenelement 267 weist einen elektrisch leitenden Einsatz 266 auf, der die primäre Elektrode bildet.
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Mittels einer Hülse 265, die gleitend mit einem ringförmigen Kontakt greift, der hin zu einem oberen Ende des Ventilschafts 231 angeordnet ist, wird dem Tellerventil 230 Hochspannung gezielt zugeführt. Der Hochspannungssteckverbinder 18a ist mit der Hülse 265 verbunden, um von einer (nicht dargestellten) Hochspannungsleitung der Hülse 265 Hochspannung zuzuführen. Die Hülse 265 wirkt mit dem ringförmigen Kontakt zusammen, der mit dem elektrisch leitenden Einsatz 266 elektrisch verbunden ist, ist aber von dem Ventilschaft 231 mittels eines Keramikeinsatzes 222 elektrisch isoliert.
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Das untere Ende des elektrisch leitenden Einsatzes weist einen Kopf 269a auf, der vom Ventilkopf 232 durch eine isolierende Zwischenlegscheibe 268, die bei Bedarf als integraler Teil des Innenelements 267 ausgebildet sein kann, getrennt ist. Alternativ könnte die Stirnseite des Ventilkopfs 232 mit einem isolierenden Material beschichtet sein, so dass die isolierende Zwischenlegscheibe bzw. der isolierende Abstandshalter als integraler Teil des Tellerventils 230 ausgebildet ist.
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Bei Gebrauch wird ein mittels der Hülse 265 empfangener Hochspannungsimpuls zu dem Kopf 269a übertragen, der nahe an einer oder mehreren sekundären Elektroden angeordnet ist, die als Teil des Zylinderkopfs ausgebildet oder an diesem angebracht sind. Dadurch werden ein oder mehrere Elektrodenpaare erzeugt, die zum Auslösen von Verbrennung im Brennraum genutzt werden, in dem sich der Ventilkopf 232 befindet.
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Einer der Vorteile dieser Ausführung ist, dass der Ventilkopf 232 und der Ventilschaft 231 aus einem herkömmlichen Tellerventilmaterial bestehen können und der elektrisch leitende Kern 266 aus einem funkenerosionsbeständigen Material wie Wolfram bestehen kann.
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14 zeigt eine alternative Form des Kopfs 269b zu der in 13b gezeigten. Der Kopf 269b weist vier radial abstehende Vorsprünge auf, um sicherzustellen, dass mehrere Elektrodenpaare erzeugt werden.
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In 15a und 15b wird eine alternative Auslegung des Tellerventils 330 gezeigt, die als direkter Ersatz für das in 2 gezeigte Tellerventil gedacht ist. Dass Tellerventil 330 umfasst einen Ventilschaft 331 zum gleitenden Lagern des Tellerventils 330 in einem Zylinderkopf eines Motors und einen Ventilkopf 332 zum gezielten Schließen eines Einlass- oder Auslasskanals.
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Das Tellerventil 230 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material wie Keramik und weist einen Innenhohlraum auf, der zum Unterbringen eines elektrisch leitenden Einsatzes 366 dient, der die primäre Elektrode bildet.
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Mittels einer Hülse 365, die gleitend mit einem ringförmigen Kontakt greift, der hin zu einem oberen Ende des Ventilschafts 331 angeordnet ist, wird dem Tellerventil 330 Hochspannung gezielt zugeführt. Der Hochspannungssteckverbinder 18a ist mit der Hülse 265 verbunden, um von einer (nicht dargestellten) Hochspannungsleitung der Hülse 265 Hochspannung zuzuführen. Die Hülse 265 wirkt mit dem ringförmigen Kontakt zusammen, der mit dem elektrisch leitenden Einsatz 266 elektrisch verbunden ist.
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Das untere Ende des elektrisch leitenden Einsatzes weist einen Kopf 369a auf.
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Bei Gebrauch wird ein von der Hülse 365 empfangener Hochspannungsimpuls zu dem Kopf 369a übertragen, der nahe an einer oder mehreren sekundären Elektroden 380 angeordnet ist, die in einer Ventiltasche 381 des Zylinderkopfs ausgebildet sind. Dadurch werden ein oder mehrere Elektrodenpaare erzeugt, die zum Auslösen von Verbrennung im Brennraum genutzt werden, in dem sich der Ventilkopf 332 befindet.
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Einer der Vorteile dieser Ausführung ist, dass der elektrisch leitende Einsatz 369a aus einem funkenerosionsbeständigen Material wie Wolfram bestehen kann.
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16 zeigt eine alternative Form von Kopf 369b zu der in 15b gezeigten. Der Kopf 369b weist vier sich radial erstreckende Vorsprünge auf, um sicherzustellen, dass mehrere Elektrodenpaare zusammen mit den sekundären Elektroden 380 erzeugt werden.
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Daher gibt die Erfindung zusammenfassend eine verbesserte Vorrichtung zum Auslösen von Verbrennung in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors durch Nutzen eines oder mehrerer der Tellerventile, die zum Steuern des Strömens von Gas in und aus dem Zylinder verwendet werden, als eine Elektrode eines Elektrodenpaars an die Hand.
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Auch wenn eine Reihe von Tellerventilanordnungen gezeigt wurden, versteht sich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungen beschränkt ist und dass jede Tellerventilanordnung, die das Übertragen einer oder mehrerer elektrischer Entladungen zu einem zweiten Bauteil erlaubt, der nahe dem Tellerventil angeordnet ist, aber nicht als Teil des Tellerventils ausgebildet ist, in einem erfindungsgemäß gefertigten Motor verwendet werden könnte.
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Es versteht sich auch, dass andere Anordnungen einer sekundären Elektrode verwendet werden könnten, um vom Schutzumfang dieser Erfindung abzuweichen. Die sekundäre Elektrode könnte zum Beispiel durch eine Einspritzdüse gebildet sein oder könnte eine an dem Kolben ausgebildete Noppe sein oder der Zylinderkopf könnte aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen und darin eingebettete sekundäre Elektroden aufweisen.
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Es versteht sich ferner, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung mit einem Dreizylindermotor einer Reihenauslegung beschränkt ist, sondern auf andere Motorkonfigurationen mit mehr oder weniger Zylinder übertragen werden könnte.
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Es versteht sich auch, dass die Erfindung auf Motoren mit Zündfunkenunterstützung angewendet werden könnte, bei denen eine elektrische Entladung zum Starten des Motors verwendet wird, oder auf andere Arten von Verbrennungsmotoren mit Tellerventilen, die während bestimmter Betriebsbedingungen Fremdzündung benötigen.
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Es versteht sich daher für den Fachmann, dass die Erfindung zwar beispielhaft unter Bezug auf eine oder mehrere Ausführungen beschrieben wurde, sie aber nicht auf die offenbarten Ausführungen beschränkt ist und dass eine oder mehrere Abwandlungen zu den offenbarten Ausführungen oder alternative Ausführungen ausgearbeitet werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
