DE102019117154A1

DE102019117154A1 - Zündvorrichtung für Maschine mit interner Verbrennung

Info

Publication number: DE102019117154A1
Application number: DE102019117154.7A
Authority: DE
Inventors: Akimitsu Sugiura; Kaori DOI
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-07-04
Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2020-01-09
Also published as: US10844827B2; JP7124496B2; JP2020007922A; US20200011284A1

Abstract

Es ist eine Zündvorrichtung für eine Maschine mit interner Verbrennung vorgesehen, welche eine Zündkerze und einen Controller beinhaltet. Die Zündkerze weist ein Gehäuse auf, wobei ein Kopf in eine Brennkammer der Maschine hervorsteht. Der Kopf weist zumindest einen Abschnitt auf, der sich stromabwärts einer Funkenstrecke der Zündkerze in einer Luft-Kraftstoff-Gemischströmung innerhalb der Brennkammer befindet. Der Controller dient dazu, in jedem Zyklus eines Betriebs der Maschine eine Mehrzahl von Entladungsvorgängen in der Zündkerze durchzuführen. Dies verbessert die Fähigkeit der Zündkerze, das Gemisch zu entzünden, ohne dass eine Notwendigkeit besteht, eine Zündenergie zu erhöhen.

Description

Hintergrund
Technisches Gebiet
Diese Offenbarung betrifft allgemein eine Zündvorrichtung für Maschinen mit interner Verbrennung.
Stand der Technik
Typische Zündvorrichtungen für Maschinen mit interner Verbrennung dienen dazu, unter Verwendung von Funken, die durch eine Zündkerze entwickelt werden, eine Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs innerhalb einer Brennkammer zu erzeugen. Eine Initialflamme, die aus der Verbrennung des Gemischs entsteht, dehnt sich aus, um eine normale Verbrennung des Gemischs zu erzielen.
Um beim Erzielen der vorstehenden normalen Verbrennung Stabilität sicherzustellen, ist eine Mehrzahl von Zündsystemen bekannt, welche derart ausgestaltet sind, dass diese in jedem Zyklus eines Betriebs der Maschine mit interner Verbrennung, das heißt pro Kompressionshub in der Maschine mit interner Verbrennung, eine Mehrzahl von Zündvorgängen hervorrufen. Zum Beispiel lehrt das japanische Patent mit der Nr. 4239607 , dass ein Controller eine Mehrzahl von Zündungen als eine Funktion einer Wachstumsrate eines Flammenkerns steuert.
Wenn eine Strömung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs innerhalb einer Brennkammer mit einer hohen Geschwindigkeit bzw. Hochgeschwindigkeitsströmung erzeugt wird, stört dies normalerweise ein Wachstum eines Flammenkerns, was somit in einer Schwierigkeit beim Verbessern der Zündfähigkeit des Gemischs resultiert. Genauer gesagt werden eine Mehrzahl von Flammen, die durch eine Mehrzahl von Zündungen hervorgerufen werden, innerhalb einer kurzen Zeitdauer durch die Strömung des Gemischs weg von der Funkenstrecke der Zündkerze bewegt werden, wenn eine Strömung des Gemischs mit hoher Geschwindigkeit bzw. Hochgeschwindigkeitsströmung erzeugt wird. Dies stört einen Wärmeaustausch zwischen der Mehrzahl von Flammen, welche sich normalerweise bündeln und zusammen wachsen. Es ist somit schwierig, die Zündfähigkeit des Gemischs zu steigern.
Eine Erhöhung hinsichtlich einer Zündenergie, um die Zündfähigkeit des Gemischs zu steigern, wird allerdings in einer beschleunigten mechanischen Abnutzung von Elektroden der Zündkerze resultieren, was zu einer Verringerung hinsichtlich einer Lebensdauer der Zündkerze führt, oder erfordern, dass eine Zündspule der Zündkerze eine erhöhte bzw. vergrößerte Größe aufweist. Die Erhöhung hinsichtlich einer Zündenergie ist daher nicht wünschenswert.
Kurzfassung
Es ist eine Aufgabe dieser Offenbarung, eine Zündvorrichtung vorzusehen, welche derart ausgestaltet ist, dass diese die Zündfähigkeit eines Gemischs in einer Maschine mit interner Verbrennung verbessert, ohne dass die Zündenergie erhöht wird.
Gemäß einem Aspekt bzw. einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Zündvorrichtung für eine Maschine mit interner Verbrennung vorgesehen, welche das Folgende aufweist: (a) eine Zündkerze, die mit einem Gehäuse ausgestattet ist, eine Mittelelektrode, die innerhalb des Gehäuses gehalten wird, und eine Masseelektrode, welche eine Funkenstrecke zwischen sich und der Mittelelektrode definiert; und (b) einen Controller, welcher einen Betrieb der Zündkerze steuert. Die Zündkerze ist in einer Maschine mit interner Verbrennung montiert, wobei ein Kopf des Gehäuses ausgehend von einer Innenoberfläche einer Brennkammer in die Brennkammer hervorsteht. Der Kopf des Gehäuses, der in die Brennkammer hervorsteht, weist zumindest einen Abschnitt auf, der sich stromabwärts der Funkenstrecke in einer Gemischströmung innerhalb der Brennkammer befindet. Der Controller dient dazu, in jedem Zyklus eines Betriebs der Maschine mit interner Verbrennung eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Vorgängen von Entladungen in der Zündkerze durchzuführen.
Die Zündkerze 10 der Zündvorrichtung ist, wie vorstehend beschrieben, in der Maschine mit interner Verbrennung montiert, wobei der Kopf des Gehäuses ausgehend von der Innenoberfläche in die Brennkammer hervorsteht. Der hervorstehende Kopf des Gehäuses weist zumindest einen Abschnitt auf, der sich stromabwärts der Funkenstrecke in der Gemischströmung innerhalb der Brennkammer befindet. Dies erzeugt eine stagnierende Region, welche sich benachbart zu und stromabwärts des hervorstehenden Abschnitts befindet, und bei welcher die Gemischströmung eine niedrigere Strömungsgeschwindigkeit aufweist. In der stagnierenden Region zirkuliert die Gemischströmung in einer Strudel- oder Wirbelform. Das Gemisch, welches nahe der Funkenstrecke geströmt ist und den hervorstehenden Kopf passiert hat, wird in die stagnierende Region bzw. den stagnierenden Bereich eingesaugt.
Der Controller ist dazu konfiguriert, die Zündkerze zu aktivieren, um in jedem Betriebszyklus der Maschine mit interner Verbrennung eine Mehrzahl von Zündungen zu erzielen. Dies entwickelt aufeinanderfolgend in jedem Betriebszyklus der Maschine mit interner Verbrennung Flammen nahe der Funkenstrecke. Jede der Flammen wird durch die Gemischströmung, die in die stagnierende Region gezogen wird, bewegt oder getrieben, sodass diese nahe der stagnierenden Region innerhalb der Brennkammer bleibt. Dies bewirkt, dass die erste Flamme mit der zweiten Flamme kollidiert, welche auf die erste Flamme folgend aufgetreten ist, sodass diese gebündelt oder vermischt werden. Dies erleichtert ein Wachstum einer Flamme innerhalb der Brennkammer und steigert die Zündung des Gemischs.
Auf die vorstehende Weise werden die Flammen vermischt, um eine gewachsene Flamme zu erzeugen, wodurch die Zündung des Gemischs erleichtert wird, ohne dass eine Notwendigkeit besteht, die Zündenergie innerhalb der ganzen Brennkammer zu erhöhen.
Die vorstehende Struktur der Zündvorrichtung ist dazu in der Lage, die Fähigkeit der Zündkerze, das Gemisch zu entzünden, zu verbessern, ohne dass eine Notwendigkeit besteht, die Zündenergie zu erhöhen.
In dieser Offenbarung stellen in Klammern stehende Zeichen eine Entsprechungsbeziehung zwischen Begriffen in den Ansprüchen und Begriffen, die bei Ausführungsformen beschrieben werden, welche später erörtert werden, dar, sind aber nicht nur auf Teile beschränkt, auf die in der Offenbarung Bezug genommen wird.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung, die nachfolgend angegeben wird, und aus den beiliegenden Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, welche allerdings nicht dazu herangezogen werden sollten, um die Erfindung auf die spezifischen Ausführungsformen zu beschränken, sondern nur der Erläuterung und dem besseren Verständnis dienen sollten, vollständiger verstanden werden.
Es zeigt/es zeigen:

1 eine Teillängsschnittansicht, welche eine Zündvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
2 einen Graphen, welcher eine Wellenform eines Sekundärstroms, der einer Zündkerze zugeführt wird, bei der ersten Ausführungsform aufzeigt.
3 eine Teilseitenansicht, welche einen Kopf einer Zündkerze bei der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
4 eine Teilschnittansicht, wobei der Schnitt entlang der Linie IV-IV in 3 vorgenommen worden ist.
5 eine Teilschnittansicht zum Beschreiben von günstigen Effekten, die bei der ersten Ausführungsform geboten werden.
6 einen Graphen, welcher Wellenformen eines Zündsignals, eines Primärstroms und eines Sekundärstroms bei der zweiten Ausführungsform aufzeigt.
7 eine Teillängsschnittansicht, welche eine Zündvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht.
8 eine Querschnittsansicht, welche eine Zündvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform veranschaulicht.
9 eine Teilschnitt-Draufsicht, welche einen Fluidversuchsstand für experimentelle Versuche veranschaulicht.
10 veranschaulicht Schlieren-Bilder, die bei Versuchen bei einem Entladungsmuster Nr. 1 erlangt werden.
11 veranschaulicht Schlieren-Bilder, die bei Versuchen bei einem Entladungsmuster Nr. 2 erlangt werden.
12 veranschaulicht Schlieren-Bilder, die bei Versuchen bei einem Entladungsmuster Nr. 3 erlangt werden.
13 veranschaulicht Schlieren-Bilder, die bei Versuchen bei einem Entladungsmuster Nr. 6 erlangt werden.
14 veranschaulicht Schlieren-Bilder, die bei Versuchen bei einem Entladungsmuster Nr. 8 erlangt werden; und
15 einen Graphen, welcher Ergebnisse einer Auswertung bei Versuchen darstellt und eine Beziehung zwischen einem Entladungsintervall und einer Verbrennungsgeschwindigkeit zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Erste Ausführungsform
Die 1 bis 5 veranschaulichen die Zündvorrichtung 1 für eine Maschine mit interner Verbrennung gemäß einer Ausführungsform.
Die Zündvorrichtung 1 beinhaltet die Zündkerze 10 und den Controller 100, welcher dazu dient, einen Zündbetrieb der Zündkerze 10 zu steuern.
Die Zündkerze 10 beinhaltet das Gehäuse 2 (das auch als eine Metallschale bezeichnet wird), die Mittelelektrode 3, die innerhalb des Gehäuses 2 gehalten wird, und die Masseelektrode 4, welche die Funkenstrecke 11 zwischen sich und der Mittelelektrode 3 definiert.
Bei einer Verwendung der Zündkerze 10 ist das Gehäuse 2 in der Maschine 250 mit interner Verbrennung montiert, wobei deren Kopf zu der Brennkammer 72 freigelegt ist, wie in 1 veranschaulicht wird. Mit anderen Worten steht der Kopf des Gehäuses 2 ausgehend von der Innenoberfläche 721 auf der Basisseite der Maschine 250 mit interner Verbrennung in die Brennkammer 72 hervor. Bei der folgenden Erörterung wird eine Richtung in einer Längsrichtung (d. h. einer axialen Richtung bzw. Achsenrichtung) der Zündkerze 10 weg von der Zündkerze 10 innerhalb der Brennkammer 72 auch als eine obere Seite Z1 bezeichnet werden, während eine entgegengesetzte Richtung in der axialen Richtung der Zündkerze 10 weg von der Brennkammer 72 auch als eine Basisseite Z2 bezeichnet werden wird.
Das Gehäuse 2 weist den hervorstehenden Kopf 21 auf, der sich ausgehend von der Innenoberfläche 721 auf der Basisseite zu der oberen Seite Z1 erstreckt. Der hervorstehende Kopf 21 ist zumindest derart arrangiert, dass dieser einen Abschnitt aufweist, der sich stromabwärts der Funkenstrecke 11 in einer Strömung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs (die auch als eine Gemischströmung F bezeichnet werden wird) innerhalb der Brennkammer 72 befindet.
Der Controller 100 dient dazu, um einen Betrieb der Zündkerze 10 zu steuern, um in jedem Zyklus eines Betriebs der Maschine 250 mit interner Verbrennung, das heißt, pro Kompressionshub eines Kolbens in der Maschine 250 mit interner Verbrennung, eine Mehrzahl von Zündungen zu erzielen, wie in 2 aufgezeigt wird.
Die Zündkerze 10 weist die Mittelelektrode 3 auf, die durch den zylindrischen Porzellanisolator 5 innerhalb des hohlen zylindrischen Gehäuses 2 angeordnet ist. Die Mittelelektrode 3 weist einen Kopf, der ausgehend von dem Gehäuse 2 hervorsteht, sowie den Porzellanisolator 5 auf der oberen Seite Z1 auf.
Die Masseelektrode 4 weist den aufrechten Abschnitt 41 auf, der sich ausgehend von dem Kopf des Gehäuses 2 zu der oberen Seite Z1 erstreckt, wie in 3 deutlich veranschaulicht wird. Die Funkenstrecke 11 und der aufrechte Abschnitt 41, so wie diese in der axialen Richtung der Zündkerze 10 in 4 betrachtet werden, sind in einer Richtung X zueinander ausgerichtet. Die Richtung X unterscheidet sich von einer Richtung der Gemischströmung F innerhalb der Brennkammer 72, mit anderen Worten ist erstere nicht parallel zur letzteren orientiert bzw. ausgerichtet. In dem veranschaulichten Beispiel verläuft die Richtung X, in welcher die Funkenstrecke 11 und der aufrechte Abschnitt 41 zueinander ausgerichtet sind, in einer Richtung, die senkrecht zu der Länge der Zündkerze 10 verläuft, im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung der Gemischströmung F innerhalb der Brennkammer 72.
Die Masseelektrode 4 weist den horizontalen Abschnitt 42 auf, welcher gebogen ist oder sich ausgehend von einem oberen Ende des aufrechten Abschnitts 41 hin zu der Mittelachse der Zündkerze 10 erstreckt, wie in 4 deutlich veranschaulicht wird. Der horizontale Abschnitt 42 weist einen Endabschnitt auf, der dem Ende der Mittelelektrode 3 in der axialen Richtung Z zugewandt ist, und definiert die Funkenstrecke 11 zwischen sich und dem Ende der Mittelelektrode 3.
Der hervorstehende Kopf 21 erstreckt sich kontinuierlich entlang des ganzen Umfangs der Zündkerze 10. Mit anderen Worten nimmt der hervorstehende Kopf 21 den gesamten Umfang des Gehäuses 2 ein und ist ausgehend von der Innenoberfläche 721 auf der Basisseite zu der Brennkammer 72 (d. h. hin zu der oberen Seite Z1) freigelegt. Bei dieser Ausführungsform wird ein Abschnitt der Zündkerze 10, welche in der axialen Richtung der Zündkerze 10 in die Brennkammer 72 eingesetzt wird, auch als eine obere Seite Z1 bezeichnet, während die gegenüberliegende Seite auch als die Basisseite Z2 bezeichnet wird.
Die Innenoberfläche 721 auf der Basisseite der Brennkammer 72 ist ausgehend von nahe dem Umfang der Zündkerze 10 schräg nach außen hin zu der Innenseite der Brennkammer 72 geneigt, wie in 1 deutlich veranschaulicht wird. Der hervorstehende Kopf 21 der Zündkerze 10 steht ausgehend von der Innenoberfläche 721 auf der Basisseite, die sich benachbart zu dem äußeren Umfang bzw. Außenumfang der Zündkerze 10 befindet, hin zu der oberen Seite Z1 hervor. Mit anderen Worten ist der hervorstehende Kopf 21 ausgehend von der Innenoberfläche 721 auf der Basisseite der Maschine 250, welche die Brennkammer 72 definiert, zu der Innenseite der Brennkammer 72 freigelegt. Der hervorstehende Kopf 21 steht vorzugsweise ausgehend von der Innenoberfläche 721 auf der Basisseite um 1,5 mm oder mehr hin zu der oberen Seite Z1 hervor. Mit anderen Worten beträgt ein Abstand a zwischen einem Umfangsabschnitt des Gehäuses 2 (d. h. dem hervorstehenden Abschnitt 21), welcher sich benachbart oder am nächsten zu einem innenseitigen Rand bzw. Innenrand der Innenoberfläche 721 auf der Basisseite befindet, und einer Endoberfläche des hervorstehenden Kopfes 21, der zu der Brennkammer 72 freigelegt ist, in der axialen Richtung der Zündkerze 10 vorzugsweise 1,5 mm oder mehr.
Die Zündvorrichtung 1 bei dieser Ausführungsform kann als ein Zünder für Maschinen mit interner Verbrennung, die in Fahrzeugen wie beispielsweise Automobilen montiert sind, verwendet werden.
Die Zündvorrichtung 1 ist derart ausgestaltet, dass diese eine nicht näher dargestellte Zündspule aufweist, die in dieser montiert ist, und eine Hochspannung, wie diese an der Zündspule entwickelt wird, an die Zündkerze 10 anlegt, um in der Funkenstrecke 11 elektrische Funken zu erzeugen. Eine derartige Funkenerzeugungs-Zeit, mit anderen Worten eine Zeit, zu welcher die Hochspannung an die Zündkerze 10 angelegt wird, wird durch den Controller 100 gesteuert.
Die Zündspule ist mit der Primärspule und einer Sekundärspule ausgestattet, welche magnetisch miteinander verbunden sind. Der Controller 100 dient dazu, einen Primärstrom, der in der Primärspule fließt, zu steuern, wodurch ein Sekundärstrom, der in der Sekundärspule fließt, gesteuert wird. Genauer gesagt wird das Kappen des Primärstroms, der zu der Primärspule fließt, in einer Induktion einer Sekundärspannung in der Sekundärspule resultieren, welche wiederum als die Hochspannung an die Zündkerze 10 angelegt wird, wodurch bewirkt wird, dass Funken in der Funkenstrecke 11 erzeugt werden, sodass der Sekundärstrom in der Funkenstrecke 11 fließt.
Wie vorstehend beschrieben dient der Controller 100 dazu, in jedem Zyklus des Betriebs der Maschine 250 mit interner Verbrennung eine Mehrzahl von Zündungen in der Zündkerze 10 durchzuführen. Genauer gesagt ruft der Controller 100 Sekundärströme P1 und P2 hervor, welche zu aufeinanderfolgenden Zeiten ausgehend von der Zündspule zu der Zündkerze 10 geliefert werden, wie in 2 aufgezeigt wird. In 2 stellt eine Wellenform, die durch „P1“ angegeben wird, einen Sekundärstrom dar, der durch einen ersten Vorgang einer elektrischen Entladung in der Zündkerze 10 erzeugt wird. „P2“ stellt einen Sekundärstrom dar, der durch einen zweiten Vorgang einer elektrischen Entladung in der Zündkerze 10 erzeugt wird.
Mit anderen Worten wird zu einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Zeiten in jedem Zyklus des Betriebs der Maschine 250 mit interner Verbrennung ausgehend von der Zündspule eine Zündenergie (d. h. elektrische Energie) zu der Zündkerze 10 geliefert. Ein Entladungsintervall Δt, das ein Zeitintervall zwischen benachbarten Vorgängen der Zündungen in der Zündkerze 10 ist, wird derart ausgewählt, dass dieses 2 ms oder weniger beträgt. Bei dieser Ausführungsform werden in jedem Zyklus des Betriebs der Maschine 250 mit interner Verbrennung zwei Zündungen durchgeführt.
Die Mengen der Zündenergie, die durch die zwei Zündungen verbraucht werden, werden derart ausgewählt, dass diese im Wesentlichen identisch zueinander sind.
Die Ausführungsform bietet die folgenden günstigen Vorteile.
Die Zündkerze 10 der Zündvorrichtung 1 ist, wie vorstehend beschrieben, in der Maschine 250 mit interner Verbrennung montiert, wobei der Kopf des Gehäuses 2 ausgehend von der Innenoberfläche 721 auf der Basisseite zu der oberen Seite Z1 innerhalb der Brennkammer 72 hervorsteht. Der hervorstehende Kopf 21 des Gehäuses 2 weist zumindest einen Abschnitt auf, der sich stromabwärts der Funkenstrecke 11 in der Gemischströmung F innerhalb der Brennkammer 72 befindet. Dies erzeugt die stagnierende Region S, welche sich benachbart und stromabwärts des hervorstehenden Abschnitts 21 befindet, und bei welcher die Gemischströmung F aufhört, wie in 5 veranschaulicht wird. In der stagnierenden Region S zirkuliert die Gemischströmung F in einer Strudel- oder Wirbelform. Das Gemisch, welches nahe der Funkenstrecke 11 geströmt ist und den hervorstehenden Kopf 21 passiert hat, wird in die stagnierende Region S eingesaugt.
Der Controller 100 ist dazu konfiguriert, die Zündkerze 10 zu aktivieren, um in jedem Betriebszyklus der Maschine 250 mit interner Verbrennung eine Mehrzahl von Zündungen zu erzielen, wie bereits unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurde. Dies entwickelt aufeinanderfolgend in jedem Betriebszyklus der Maschine 250 mit interner Verbrennung Flammen B1 und B2 nahe der Funkenstrecke 11, wie in 5 aufgezeigt wird. Jede der Flammen B1 und B2 wird durch die Gemischströmung F, die in die stagnierende Region S gezogen wird, bewegt oder getrieben, sodass diese nahe der stagnierenden Region S innerhalb der Brennkammer 72 bleibt. Dies bewirkt, dass die erste Flamme B1 mit der Flamme B2 kollidiert, welche auf die Flamme B1 folgend aufgetreten ist, sodass diese gebündelt oder vermischt werden. Dies erleichtert ein Wachstum einer Flamme innerhalb der Brennkammer 72 und steigert die Zündung des Gemischs.
Auf die vorstehende Weise werden die Flammen B1 und B2 vermischt, um eine größere Flamme zu erzeugen, wodurch die Zündung des Gemischs erleichtert wird, ohne dass eine Notwendigkeit besteht, die Zündenergie innerhalb der ganzen Brennkammer 72 zu erhöhen.
Die Funkenstrecke 11 und der aufrechte Abschnitt 41, so wie diese in der axialen Richtung der Zündkerze 10 in 4 betrachtet werden, sind in der Richtung X zueinander ausgerichtet. Die Richtung X ist nicht parallel zu einer Richtung der Gemischströmung F innerhalb der Brennkammer 72 orientiert bzw. ausgerichtet. Dies erleichtert eine Verlängerung eines Funkens durch die Gemischströmung F, wodurch die Fähigkeit der Zündkerze 10, das Gemisch zu entzünden, gesteigert wird. Bei dieser Ausführungsform verläuft die Richtung X im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung der Gemischströmung F, wodurch die Fähigkeit der Zündkerze 10, das Gemisch zu entzünden, weiter gesteigert wird.
Der hervorstehende Kopf 21 erstreckt sich kontinuierlich entlang des ganzen Umfangs der Zündkerze 10. Dies erleichtert eine Anordnung von zumindest einem Abschnitt des hervorstehenden Kopfes 12 stromabwärts der Funkenstrecke 11 in der Richtung der Gemischströmung F, ungeachtet einer Ausrichtung der Zündkerze 10, die in der Maschine 250 mit interner Verbrennung montiert ist, und ermöglicht ebenfalls, dass das Gehäuse 2 in einer einfachen Form ausgebildet ist, was dadurch in einer Verringerung hinsichtlich von Herstellungskosten der Zündkerze 10 resultiert.
Die Struktur der Zündkerze 10 ist bei dieser Ausführungsform dazu in der Lage, die Fähigkeit der Zündkerze 10, das Gemisch zu entzünden, ohne die Zündenergie zu erhöhen, zu steigern, wie vorstehend beschrieben wird.
Zweite Ausführungsform
6 veranschaulicht eine Modifikation dessen, wie die Entladung in der Zündkerze 10 gesteuert wird.
Genauer gesagt dient der Controller 100 dazu, den ersten auftretenden Sekundärstrom P1, der ein früherer von zwei aufeinanderfolgenden Sekundärströmen bei der Hälfte des Vorgangs, bevor der erste auftretende Sekundärstrom P1 vollständig abgeschlossen ist, zu beenden.
6 veranschaulicht Veränderungen hinsichtlich des Zündsignals IGt und der Primär- und Sekundärströme in der Zündspule mit der Zeit. Die Sekundärströme P1 und P2 werden zu der Zündkerze 10 geliefert, um eine erste und eine zweite elektrische Entladung oder Funken zu erzeugen. Jeder der Sekundärströme P1 und P2 weist eine Spitze auf, unmittelbar nachdem ein entsprechender ausgewählt aus den ersten und zweiten Funken hervorgerufen wird, und verringert sich bzw. nimmt anschließend allmählich ab.
Der zweite Sekundärstrom P2 wird mit einer angegebenen Rate allmählich auf null verringert, wie bei der ersten Ausführungsform, die in 2 veranschaulicht wird, während der erste Sekundärstrom PI, anders als bei der ersten Ausführungsform, zunächst mit einer angegebenen Rate allmählich verringert wird und anschließend absichtlich plötzlich unterbrochen wird, bevor dieser mit der angegebenen Rate null erreicht.
Genauer gesagt schaltet der Controller 10 das Zündsignal IGt zuerst an, das heißt verändert dieses auf ein hohes Niveau, um den Primärstrom zu der Zündspule zu liefern, sodass elektrische Energie in der Zündspule gespeichert wird, wie in 6 veranschaulicht wird. Nachfolgend schaltet der Controller 100 das Zündsignal IGt zu einer angegebenen Zeit aus, um die Lieferung des Primärstroms zu blockieren, sodass der Zündkerze 10 der Sekundärstrom zugeführt wird. Die elektrische Energie, so wie diese in der Zündspule gespeichert ist, wird zu der Zündkerze 10 geliefert. Das Zündsignal IGt wird wieder angeschaltet, bevor die gespeicherte elektrische Energie vollständig der Zündkerze 10 zugeführt wird.
Das vorstehende Anschalten des Zündsignals IGt wird bewirken bzw. verursachen, dass das primäre Öl wieder in der Zündspule fließt, wodurch der Sekundärstrom zu der Zündkerze 10 unterbrochen wird. Daher wird die elektrische Energie wieder in der Zündspule gespeichert. Genauer gesagt wird die elektrische Energie zu der addiert, die in der Zündspule verbleibt, ohne dass diese durch die erste Entladung vollständig verbraucht wird. Dies ermöglicht, dass die elektrische Energie, so wie diese erforderlich ist, um den Sekundärstrom P2 (d. h. den zweiten Funken) hervorzurufen, innerhalb einer verringerten Zeitdauer in der Zündspule gespeichert wird.
Danach schaltet der Controller 100 das Zündsignal IGt aus, um den Primärstrom zu unterbrechen, sodass der Sekundärstrom P2 wieder zu der Zündkerze 10 geliefert wird. Dies erzeugt den zweiten Funken in der Zündkerze 10.
Andere Anordnungen sind identisch mit denen bei der ersten Ausführungsform, und deren detaillierte Erläuterung wird hier weggelassen. Bei der zweiten und folgenden Ausführungsformen werden die gleichen oder ähnliche Bezugszeichen, wie diese bereits eingesetzt werden, die gleichen oder ähnliche Teile bezeichnen.
Der Controller 100 ist bei der zweiten Ausführungsform, wie aus der vorstehenden Erörterung ersichtlich ist, derart ausgestaltet, dass dieser ein Zeitintervall (d. h. das Entladungsintervall Δt) zwischen dem Ende der ersten Entladung (d. h. dem Ende des ersten Sekundärstroms PI) und dem Start der zweiten Entladung (d. h. dem Start des zweiten Sekundärstroms P2) verringert. Mit anderen Worten unterbricht oder stoppt der Controller 100 absichtlich die erste Entladung, bevor diese vollständig abgeschlossen ist, um die elektrische Energie in der Zündspule zu sparen. Dies resultiert in einer Verringerung der Zeit, die es dauert, in der Zündspule nach dem Ende der ersten Entladung (d. h. einem Auftreten des ersten Funkens in der Funkenstrecke 11) eine Menge einer elektrischen Energie, welche erforderlich ist, um die zweite Entladung (d. h. den zweiten Funken in der Funkenstrecke 11) zu entwickeln, zu laden.
Die zweite Entladung (d. h. der zweite Funken) wird daher nach dem Verstreichen einer kurzen Zeitspanne (d. h. dem Entladungsintervall Δt) gestartet, die auf die Beendigung der ersten Entladung folgt. Dies bewirkt, dass die Mehrzahl von Flammen B1 und B2, die aus den aufeinanderfolgenden Vorgängen von Funken entstehen, nahe aneinander hervorgerufen werden, wodurch das Vermischen der Flammen B1 und B2 erleichtert wird. Dies verbessert die Fähigkeit der Zündkerze 10, das Gemisch zu entzünden, weiter.
Die zweite Ausführungsform bietet im Wesentlichen ebenfalls die gleichen anderen günstigen Vorteile wie bei der ersten Ausführungsform.
Dritte Ausführungsform
Die 7 und 8 veranschaulichen die Zündkerze 10 gemäß der dritten Ausfiihrungsform, welche das Gehäuse 2 aufweist, das mit der Schutzwand 211 ausgestattet ist.
Genauer gesagt erstreckt sich die Schutzwand 211 ausgehend von einem Ende eines Hauptkörpers des Gehäuses 2 in die Brennkammer 72. Die Schutzwand 211 befindet sich weiter stromabwärts, als die Funkenstrecke 11 in der Richtung der Gemischströmung F innerhalb der Brennkammer 72 angeordnet ist. Die Schutzwand 211 bildet den hervorstehenden Kopf 21. Die Schutzwand 211 steht ausgehend von der Innenoberfläche 721 auf der Basisseite hin zu der oberen Seite Z1 innerhalb der Brennkammer 72 hervor.
Die Schutzwand 211 ist in der Umfangsrichtung des Gehäuses 2 gekrümmt und nimmt einen Abschnitt eines gesamten Umfangs des Endes des Hauptkörpers des Gehäuses 2 ein. Mit anderen Worten erstreckt sich die Schutzwand 211 ausgehend von dem Abschnitt des gesamten Umfangs des Gehäuses 2 nach innen in die Brennkammer 72, das heißt in ein Basisende der Zündkerze 10, welches sich außerhalb der Brennkammer 72 befindet. Die Schutzwand 211 nimmt vorzugsweise im Wesentlichen die Hälfte des Umfangs des Endes des Gehäuses 2 ein, wie in 8 veranschaulicht wird. In dem veranschaulichten Fall erstreckt sich die Schutzwand 211 ausgehend von einem stromabwärtigen Ende des aufrechten Abschnitts 41 der Masseelektrode 4 in der Richtung der Gemischströmung F ringsum um die Mittelachse der Zündkerze 10 (d. h. den Mittelpunkt der Mittelelektrode 3) zu einer Stelle, die diametral entgegengesetzt zu dem Längsmittelpunkt des aufrechten Abschnitts 41 angeordnet ist.
Bei einer Verwendung ist die Zündkerze 10 in der Maschine 250 mit interner Verbrennung mit der Schutzwand 211, die sich stromabwärts der Funkenstrecke 11 in der Gemischströmung F innerhalb der Brennkammer 72 befindet, montiert, so wie diese in der axialen Richtung Z betrachtet wird.
Die Schutzwand 211 weist ein oberes Ende auf, welches der Brennkammer 72 zugewandt ist oder zu dieser freigelegt ist, und dieses befindet sich näher an der Basisseite Z2 (d. h. dem Basisende der Zündkerze 10), als die Funkenstrecke 11 zu diesem angeordnet ist, wie in 7 deutlich veranschaulicht wird.
Andere Anordnungen sind identisch mit denen bei der ersten Ausführungsform.
Die Verwendung der Schutzwand 211 ermöglicht, dass ein Grad, bis zu welchem der Kopf der Zündkerze 10 in die Brennkammer 72 hervorsteht oder zu dieser freigelegt ist, insbesondere auf einer stromaufwärtigen Seite der Funkenstrecke 11 in der Gemischströmung F verringert wird. Dies erleichtert bzw. verbessert die Leichtigkeit, mit welcher die Gemischströmung F die Funkenstrecke 11 erreicht, welche einen Funken verlängert. Die Schutzwand 211 nimmt nur einen Abschnitt des Umfangs des Gehäuses 2 ein, was dadurch in einer Verringerung einer gesamten Größe des Gehäuses 2 resultiert. Dies resultiert in einer Verringerung hinsichtlich eines Verlusts einer Initialflamme, der dadurch verursacht wird, dass diese durch das Gehäuse 2 gekühlt wird, das die Schutzwand 211 beinhaltet, wodurch ein Risiko einer Fehlzündung in der Brennkammer 72 minimiert wird.
Die dritte Ausführungsform bietet im Wesentlichen ebenfalls die gleichen anderen günstigen Vorteile wie bei der ersten Ausführungsform.
Versuchsdurchführung
Wir führten experimentelle Versuche mit der Zündvorrichtung 1 bei der ersten Ausführungsform durch. Die 10 bis 15 zeigen Ergebnisse der Versuche, um die günstigen Effekte der Zündvorrichtung 1 zu bestätigen.
Genauer gesagt montierten wir die Zündkerze 10 auf dem Fluidversuchsstand 8, wie in 9 aufgezeigt wird, und analysierten eine Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs innerhalb der simulierenden Brennkammer 82. Der Fluidversuchsstand 8 definiert die kreisförmige simulierende Brennkammer 82 innerhalb des Versuchsstandgehäuses 81. Der Rotor 83 ist innerhalb der simulierenden Brennkammer 82 angeordnet. Der Rotor 83 dreht sich in der Richtung R, um die Gemischströmung F innerhalb der simulierenden Brennkammer 82 zu erzeugen. Das Versuchsstandgehäuse 81 weist das Monitorfenster 84 auf, das in diesem ausgebildet ist, durch welchen ein Abschnitt der simulierenden Brennkammer 82 ausgehend von außerhalb des Versuchsstandgehäuses 81 visuell überwacht wird.
Bei den Versuchen wurde ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, dessen Luft-KraftstoffVerhältnis 26 beträgt, in die simulierende Brennkammer 82 eingespritzt, um die Gemischströmung F, die sich mit einer Geschwindigkeit von 5 m/s bewegt, zu erzeugen. Die Zündkerze 10 war in dem Fluidversuchsstand 8 mit der gleichen Ausrichtung relativ zu der Gemischströmung F montiert wie die bei der ersten Ausführungsform. Der hervorstehende Kopf 21 des Gehäuses 2 wurde um ungefähr 5 mm zu der simulierenden Brennkammer 82 freigelegt. Mit anderen Worten stand der hervorstehende Kopf 21 um den Abstand a von ungefähr 5 mm (vergleiche 1) ausgehend von der Innenwand der simulierenden Brennkammer 82 hervor. Wir aktivierten die Zündkerze 10 bei verschiedenen Entladungsmustern, wie untenstehend erörtert wird.
Bei dem Entladungsmuster Nr. 1 wurde die Zündkerze 10 derart aktiviert, dass diese in jedem Zyklus einen einzelnen Vorgang einer Entladung durchführt.

Bei den Entladungsmustern Nr. 2 bis Nr. 8 wurde die Zündkerze 10 derart aktiviert, dass diese in jedem Zyklus zwei aufeinanderfolgende Entladungsvorgänge durchführt. Die Entladungsintervalle Δt bei den Entladungsmustern Nr. 1 bis Nr. 8 werden untenstehend in Tabelle 1 aufgelistet. Tabelle 1

	Anzahl von Entladungen	Entladungsintervall	Index -Verbrennungsgeschwindigkeit
Muster Nr. 1	1	-	4-4
Muster Nr. 2	2	0,7	5-5
Muster Nr. 3	2	1,2	5-5
Muster Nr. 4	2	1,7	4
Muster Nr. 5	2	2,6	4-5
Muster Nr. 6	2	3,1	3
Muster Nr. 7	2	4,1	4
Muster Nr. 8	2	5,1	4
Muster Nr. 9	2	6,2	4

Bei jedem Entladungsmuster betrug eine Menge einer elektrischen Energie, die zu der Zündkerze 10 geliefert wird, in jedem Zyklus ungefähr 80 mJ.
Wir beobachteten Zustände einer Verbrennung des Gemischs bei den Entladungsmustern Nr. 1 bis Nr. 9. Genauer gesagt nahmen wir unter Verwendung von Schlieren-Techniken Bilder der Zustände einer Verbrennung durch das Monitorfenster 84 des Fluidversuchsstands 8 mit einer Hochgeschwindigkeitskamera auf. Die Bilder, die unter Verwendung der Schlieren-Techniken erlangt werden (welche untenstehend auch als Schlieren-Bilder bezeichnet werden), stimmen nicht immer mit Umrissen von Flammen überein, aber ein Abschnitt des Schlieren-Bilds, an welchem die Verbrennungsreaktion aktiver ist, erscheint normalerweise dunkler und tiefer. Dunkle Abschnitte der Schlieren-Bilder stimmen mit verbrannten Abschnitten des Gemischs oder von Flammen überein. In der folgenden Erörterung werden die dunklen Abschnitte der Schlieren-Bilder der Einfachheit halber auch als Flammen bezeichnet werden.
Die Schlieren-Bilder wurden drei Mal aufgenommen: 10 ms, 15 ms und 40 ms nach dem Start der Entladung in der Zündkerze 10. Bei den Entladungsmustern Nr. 2 bis 9, bei welchen zwei aufeinanderfolgende Vorgänge einer Entladung durchgeführt wurden, basieren die vorstehenden Zeiten auf dem Start des ersten Vorgangs der Entladung.
Die Schlieren-Bilder bei den Entladungsmustern bei bestimmten der Entladungsmuster Nr. 1 bis Nr. 9 werden in den 10 bis 14 veranschaulicht. In jeder der 10 bis 14 stellt ein linkes Bild das Schlieren-Bild dar, das 10 ms nach dem Start der Entladung aufgenommen wurde. Das mittlere Bild stellt das Schlieren-Bild dar, das 15 ms nach dem Start der Entladung aufgenommen wurde. Das rechte Bild stellt das Schlieren-Bild dar, das 40 ms nach dem Start der Entladung aufgenommen wurde.
10 zeigt die Schlieren-Bilder bei dem Entladungsmuster Nr. 1. 11 zeigt die Schlieren-Bilder bei dem Entladungsmuster Nr. 2. 12 zeigt die Schlieren-Bilder bei dem Entladungsmuster Nr. 3. 13 zeigt die Schlieren-Bilder bei dem Entladungsmuster Nr. 6. 14 zeigt die Schlieren-Bilder bei dem Entladungsmuster Nr. 8. Die Schlieren-Bilder bei dem anderen Entladungsmuster werden weggelassen.
Die Schlieren-Bilder zeigen, dass die Flamme zuerst durch die Gemischströmung F stromabwärts (d. h. zu der rechten Seite in den Bildern) weg von der Zündkerze 10 bewegt wird und sich anschließend ausdehnt, um eine Strömung der Flamme zurück zu der Zündkerze 10 zu erzeugen. Insbesondere dehnt sich die Flamme bei den Entladungsmustern Nr. 2 und Nr. 3 stark aus. Dies zeigt, dass zwei aufeinanderfolgende Vorgänge der Entladung, die mit dem verringerten Entladungsintervall Δt durchgeführt werden, die Ausdehnung einer Flamme erleichtern.
Wir werteten auch die Schlieren-Bilder bei den Entladungsmustern gemäß Index-Verbrennungsgeschwindigkeiten objektiver bzw. sachlicher aus. Wir klassifizierten Stellen von führenden Abschnitten der Flammen, die sich in 40 ms nach dem Start der Entladung zurück zu der Zündkerze 10 bewegen, in fünf Arten. Genauer gesagt sind die führenden Abschnitte der Flammen, die sich zurück zu der Zündkerze 10 bewegen, welche zwischen dem Mittelpunkt des Monitorfensters 84 und der Zündkerze 10 liegen, als das Niveau 3 gekennzeichnet. Die führenden Abschnitte der Flammen, welche über der Zündkerze 10 liegen, sind als das Niveau 4 gekennzeichnet. Die führenden Abschnitte der Flammen, welche stromaufwärts (d. h. in den Zeichnungen auf der linken Seite) der Zündkerze 10 liegen, sind als das Niveau 5 gekennzeichnet. Es liegen keine Schlieren-Bilder vor, auf welche die Niveaus 1 und 2 angewendet werden können. In dieser Offenbarung wird daher nicht auf die Niveaus 1 und 2 Bezug genommen werden.
Ergebnisse der Auswertung unter Verwendung der Index-Verbrennungsgeschwindigkeiten werden durch die vorstehende Tabelle 1 und 15 dargestellt. „4 - 4“, „5 - 5“ oder „4 - 5“ unter der Überschrift „Index-Verbrennungsgeschwindigkeit“ in Tabelle 1 zeigen Sachverhalte an, dass Ergebnisse von zwei wiederholten Versuchen jeweils das Niveau 4 oder das Niveau 5 ausdrücken oder das Niveau 4 und das Niveau 5 ausdrücken. Bei jedem der Entladungsmuster Nr. 4 und Nr. 6 bis Nr. 9 wurde nur ein Versuch durchgeführt. In 15 stellen weiße Datenpunkte Sachverhalte dar, dass die gleichen Index-Verbrennungsgeschwindigkeiten bei zwei Versuchen erlangt wurden.
Tabelle 1 und der Graph in 15 zeigen, dass die Verbrennungsgeschwindigkeiten bei den Entladungsmustern Nr. 2 und Nr. 3 hoch sind und dass die Zündvorrichtung 1 bei der ersten Ausführungsform, die derart ausgestaltet ist, dass diese zwei aufeinanderfolgende Vorgänge der Entladung in der Zündkerze 10 durchführt, die Verbrennungsgeschwindigkeit steigert und die Fähigkeit der Zündkerze 1 verbessert, das Gemisch zu entzünden. Es wurde auch herausgefunden, dass eine Verringerung hinsichtlich des Entladungsintervalls Δt in einer Erhöhung hinsichtlich der Verbrennungsgeschwindigkeit resultieren wird. Es ist vorzuziehen, dass das Entladungsintervall Δt derart ausgewählt wird, dass dieses 1,5 ms oder weniger beträgt.
Die Regelung des Entladungsintervalls Δt kann auf die folgende Weise erzielt werden. Der Controller 100 kann das Entladungsintervall Δt als eine Funktion einer Geschwindigkeit bzw. Drehzahl von oder einer Last auf der Maschine 250 mit interner Verbrennung verändern. Wenn die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl der Maschine 250 mit interner Verbrennung erhöht wird, wird dies normalerweise in einer Erhöhung hinsichtlich einer Geschwindigkeit des Gemischs in der Brennkammer resultieren. Das Entladungsintervall Δt wird daher vorzugsweise mit einer Erhöhung hinsichtlich einer Geschwindigkeit bzw. Drehzahl der Maschine 250 verkürzt. Wenn die Last der Maschine 250 verringert wird, wird dies in einer Verringerung hinsichtlich einer Temperatur in der Brennkammer resultieren. Das Entladungsintervall Δt wird daher vorzugsweise mit einer Verringerung hinsichtlich einer Last auf der Maschine 250 verkürzt. Der Controller 100 kann das Entladungsintervall Δt unter Verwendung eines Sensors, der die Geschwindigkeit des Gemischs in der Brennkammer oder eine Temperatur in der Brennkammer misst, auf die vorstehende Weise regulieren.
Der Controller 100 kann das Entladungsintervall Δt mit einer Verringerung hinsichtlich einer Menge einer elektrischen Energie für die Entladung in der Zündkerze 10 alternativ verkürzen.
Während die vorliegende Erfindung in Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen offenbart worden ist, um deren besseres Verständnis zu erleichtern, sollte festgehalten werden, dass die Erfindung auf verschiedene Weisen ausgeführt werden kann, ohne sich von dem Prinzip der Erfindung zu entfernen. Daher sollte die Erfindung so verstanden werden, dass diese alle möglichen Ausführungsformen und Modifikationen an den gezeigten Ausführungsformen beinhaltet, welche ausgeführt werden können, ohne sich von dem Prinzip der Erfindung zu entfernen, wie in den anliegenden Ansprüchen dargelegt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 4239607 [0003]

Claims

Zündvorrichtung für eine Maschine mit interner Verbrennung, aufweisend: eine Zündkerze (10), die mit einem Gehäuse (2) ausgestattet ist, eine Mittelelektrode (3), die innerhalb des Gehäuses gehalten wird, und eine Masseelektrode (4), welche eine Funkenstrecke (11) zwischen sich und der Mittelelektrode definiert; und einen Controller (100), welcher einen Betrieb der Zündkerze steuert, wobei die Zündkerze in einer Maschine (250) mit interner Verbrennung montiert ist, wobei ein Kopf (21) des Gehäuses ausgehend von einer Innenoberfläche (721) einer Brennkammer (72) in die Brennkammer hervorsteht, wobei der Kopf des Gehäuses, der in die Brennkammer hervorsteht, zumindest einen Abschnitt aufweist, der sich stromabwärts der Funkenstrecke in einer Gemischströmung (F) innerhalb der Brennkammer befindet, und wobei der Controller 100 dazu dient, in jedem Zyklus eines Betriebs der Maschine mit interner Verbrennung eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Entladungsvorgängen in der Zündkerze durchzuführen.
Zündvorrichtung für eine Maschine mit interner Verbrennung nach Anspruch 1, wobei der Controller dazu dient, einen ersten Entladungsvorgang (PI), das ein früheres der zwei aufeinanderfolgenden Entladungsvorgänge ist, vor einem Abschluss des ersten Entladungsvorgangs absichtlich zu unterbrechen.
Zündvorrichtung für eine Maschine mit interner Verbrennung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Masseelektrode einen aufrechten Abschnitt (41) aufweist, der sich ausgehend von einem oberen Ende eines Hauptkörpers des Gehäuses weg erstreckt, und wobei der aufrechte Abschnitt und die Funkenstrecke, so wie diese in einer axialen Richtung der Zündkerze betrachtet werden, in einer Richtung (X), welche nicht parallel zu einer Richtung der Gemischströmung innerhalb der Brennkammer verläuft, zueinander ausgerichtet sind.
Zündvorrichtung für eine Maschine mit interner Verbrennung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kopf des Gehäuses in einer Umfangsrichtung der Zündkerze einen gesamten Umfang des Gehäuses einnimmt.
Zündvorrichtung für eine Maschine mit interner Verbrennung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kopf des Gehäuses eine Schutzwand (211) beinhaltet, welche sich ausgehend von einem Ende eines Hauptkörpers des Gehäuses erstreckt und sich stromabwärts der Funkenstrecke in der Gemischströmung innerhalb der Brennkammer befindet.