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Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Zündeinrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine.
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Zündvorrichtungen werden eingesetzt, um bei ottomotorisch und damit fremd gezündet betriebenen Verbrennungskraftmaschinen eine Zündquelle, beispielsweise in Form eines Zündfunkens, bereitzustellen um dadurch eine Zündung eines Gemisches aus Kraftstoff und Luft zu bewirken. Besonders weit verbreitet sind als Zündkerzen ausgebildete Zündvorrichtungen, jedoch wurden auch andere Zündvorrichtungen, wie beispielsweise die sogenannte Laserzündung zur Entflammung des Gemisches aus Kraftstoff und Luft eingesetzt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Zündeinrichtung der eingangs genannten Art, welche einen besonders zuverlässigen Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine ermöglicht und einer aufwandsarmen Wartung unterzogen werden kann, eine Verbrennungskraftmaschine mit einer derartigen Zündeinrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Verbrennungskraftmaschine, bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Zündeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens zwei Zündvorrichtungen, welche zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine ausgebildet sind, sowie mit einer Haltevorrichtung, an welcher die wenigstens zwei Zündvorrichtungen fixiert sind und welche zumindest ein Verbindungselement zur reversibel lösbaren Verbindung der Haltevorrichtung mit einem den Brennraum zumindest bereichsweise begrenzenden Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine aufweist. Ein wesentlicher Vorteil der Zündeinrichtung besteht darin, dass die mindestens zwei Zündvorrichtungen, von welchen jede einzelne zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ausgebildet ist, an der Haltevorrichtung fixiert sind und damit bei einer etwaigen Wartung der Verbrennungskraftmaschine gemeinsam durch Lösen der Haltevorrichtung von dem Zylinderkopf ausgebaut werden können. Da jede einzelne der Zündvorrichtungen zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ausgebildet ist, kann eine besonders zuverlässige Entflammung dieses Gemisches und damit ein zuverlässiger Betrieb der Verbrennungskraftmaschine sichergestellt werden, zumal die Gefahr von etwaigen Zündaussetzern, bei welchen die Zündung (Entflammung) des Kraftstoff-Luft-Gemisches (in unerwünschter Weise) unterbleibt, durch den Einsatz zumindest zweier Zündvorrichtungen erheblich verringert werden kann.
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Zudem liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Zündeinrichtung und deren Haltevorrichtung auch bei geringem Platzangebot am Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine mehrere Zündvorrichtungen angeordnet werden können, was durch eine getrennte Fixierung von beispielsweise als Zündkerzen ausgebildeten und jeweils einzeln mit dem Zylinderkopf verschraubten Zündvorrichtungen Schwierigkeiten bereiten kann.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist zumindest eine erste Zündvorrichtung der wenigstens zwei Zündvorrichtungen wenigstens ein erstes Zündvorrichtungsende zur Abgabe von Zündenergie zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches auf und die Zündeinrichtung umfasst zumindest eine Vorkammer mit einem Vorkammerinnenraum, in welchen das wenigstens eine erste Zündvorrichtungsende eingeführt ist. Dies ist von Vorteil, da hierdurch eine sogenannte Vorkammerzündung, also eine Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches innerhalb des Vorkammerinnenraums ermöglicht ist, wodurch eine besonders effiziente Verbrennung dieses Gemisches erzielt werden kann.
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Das Kraftstoff-Luft-Gemisch kann aus dem Brennraum durch jeweilige Durchgangsöffnungen an der Vorkammer in den Vorkammerinnenraum gelangen und anhand der ersten Zündvorrichtung gezündet werden. Dadurch kann ein passiver Vorkammer-Betrieb erfolgen. Mit anderen Worten kann also die Vorkammer passiv betrieben werden.
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Denkbar ist auch, dass die Zündeinrichtung eine Einspritzvorrichtung aufweist, über welche Kraftstoff unmittelbar in den Vorkammerinnenraum einbringbar ist. Dadurch kann die Zündeinrichtung besonders flexibel betrieben werden, zumal je nach Bedarf ein Betrieb der Zündeinrichtung mit aktiver Vorkammer oder passiver Vorkammer ermöglicht ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eine zweite Zündvorrichtung der wenigstens zwei Zündvorrichtungen außerhalb der Vorkammer angeordnet und mittels der Haltevorrichtung gehalten. Dies ist von Vorteil, da somit anhand der Zündeinrichtung sowohl die Vorkammerzündung, also die Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisches innerhalb des Vorkammerinnenraums anhand der ersten Zündvorrichtung, als auch die Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisches anhand der zweiten Zündvorrichtung unmittelbar im Brennraum möglich ist, wodurch die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in verschiedenen Lastzuständen der Verbrennungskraftmaschine, also sowohl im Niedriglastbetrieb, als auch im Teillast- und Volllastbetrieb besonders zuverlässig erfolgen kann. Insbesondere ermöglicht die Zündeinrichtung einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei hoher λ1-Leistung und einer Lage eines Verbrennungsschwerpunkts, bei welcher ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine möglich ist. Unter dem Ausdruck „λ1-Leistung“ ist vorliegend die (indizierte) Leistung der Verbrennungskraftmaschine bei deren stöchiometrischen Betrieb, also bei deren Betrieb mit einem Verbrennungsluftverhältnis (I) mit dem Wert „1“ zu verstehen. Zudem ermöglicht die Zündeinrichtung auch einen effektiven Katalysator-Heizbetrieb, kurz Kat-Heizbetrieb genannt, wodurch eine Betriebstemperatur (Light-Off-Temperatur) eines zur Abgasnachbehandlung von durch die Verbrennungskraftmaschine emittierten Abgasen eingesetzten Katalysators besonders zügig erreicht werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das zumindest eine Verbindungselement als Gewinde ausgebildet, über welches die Haltevorrichtung zur reversibel lösbaren Verbindung mit dem Zylinderkopf verschraubbar ist. Dies ist von Vorteil, da hierdurch die Haltevorrichtung und damit die gesamte Zündeinrichtung aufwandsarm reversibel lösbar mit dem Zylinderkopf verbunden werden kann. Durch die Fixierung der Zündvorrichtungen an der Haltevorrichtung können die Zündvorrichtungen vor einer Montage der Haltevorrichtung (und damit der Zündeinrichtung) am Zylinderkopf vorpositioniert und insbesondere relativ zueinander ausgerichtet werden, wodurch ein aufwändiges Nachjustieren der anschließend über die Haltevorrichtung am Zylinderkopf fixierten Zündvorrichtungen entfallen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eine der wenigstens zwei Zündvorrichtungen als Zündkerze ausgebildet. Dies ist von Vorteil da eine Zündkerze wenig Bauraum beansprucht und eine zuverlässige Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ermöglicht. In vorteilhafter Weise können die wenigstens zwei Zündvorrichtungen, insbesondere sämtliche Zündvorrichtungen, der Zündeinrichtung als jeweilige Zündkerzen ausgestaltet sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die wenigstens zwei Zündvorrichtungen an einem gemeinsamen Zündvorrichtungsadapter, welcher zur reversibel lösbaren Koppelung mit der Haltevorrichtung ausgebildet ist, aufgenommen. Dies ist von Vorteil, da die Zündvorrichtungen dadurch über den gemeinsamen Zündvorrichtungsadapter und damit unter geringer Bauraumbeanspruchung jeweils mit elektrischer Energie versorgt werden können. Der Zündvorrichtungsadapter kann wenigstens einen elektrischen Anschluss, beispielsweise eine Anschlussmutter, zur Koppelung einer elektrischen Energiequelle mit der Zündeinrichtung, insbesondere zur elektrischen Versorgung der Zündvorrichtungen, umfassen. Der Zündvorrichtungsadapter kann zudem wenigstens eine Kriechstrombarriere und wenigstens einen elektrischen Isolator umfassen.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Zündeinrichtung zumindest ein Schraubelement zur reversibel lösbaren Koppelung des Zündvorrichtungsadapters mit der Haltevorrichtung. Dies ist von Vorteil, da hierdurch eine besonders aufwandsarme und haltbare reversible Koppelung des Zündvorrichtungsadapters mit der Haltevorrichtung ermöglicht ist. Von Vorteil kann beispielsweise eine Ausgestaltung des Schraubelements als Überwurfmutter, welche mit einem haltevorrichtungsseitigen, also mit anderen Worten der Haltevorrichtung zugeordneten, Außengewinde verschraubbar sein kann. Eine derartige Überwurfmutter ermöglicht es, den Zündvorrichtungsadapter mit den Zündvorrichtungen durch eine rein translatorische Bewegung in die Haltevorrichtung einzuführen, wodurch die Ausrichtung der jeweiligen Zündvorrichtungen vereinfacht werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Zündeinrichtung zumindest ein Rastelement zur reversibel lösbaren Koppelung des Zündvorrichtungsadapters mit der Haltevorrichtung. Dies ist von Vorteil, da hierdurch eine besonders aufwandsarme, reversibel lösbare Koppelung des Zündvorrichtungsadapters mit der Haltevorrichtung ermöglicht ist. So kann beispielsweise in vorteilhafter Weise eine Rastverbindung zwischen dem Zündvorrichtungsadapter und der Haltevorrichtung als reversibel lösbare Kopplung ausgebildet werden, indem der Zündvorrichtungsadapter wenigstens ein erstes Rastelement und die Haltevorrichtung wenigstens ein mit dem ersten Rastelement verrastbares, zweites Rastelement, beispielsweise in Form einer Rastkontur, umfasst. Die Rastverbindung kann bevorzugt durch eine relative, rein translatorische Bewegung zwischen dem Zündvorrichtungsadapter und der Haltevorrichtung hergestellt und - sofern nötig - reversibel gelöst werden.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend eine Zündeinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Die Haltevorrichtung der Zündeinrichtung ist reversibel lösbar mit dem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine verbunden. Dies ermöglicht einen besonders zuverlässigen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine. Zudem kann die Verbrennungskraftmaschine einer aufwandsarmen Wartung unterzogen werden.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Dies ermöglicht einen besonders zuverlässigen Betrieb des Kraftfahrzeugs. Zudem kann das Kraftfahrzeug einer aufwandsarmen Wartung unterzogen werden.
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Die in Bezug auf einen der Aspekte vorgestellten, bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die jeweils anderen Aspekte der Erfindung und umgekehrt.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
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Im Folgenden ist die Erfindung noch einmal anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierzu zeigt die einzige Fig. eine schematische Schnittdarstellung einer Zündeinrichtung, welche einer stark abstrahiert dargestellten Verbrennungskraftmaschine eines ebenfalls stark abstrahiert dargestellten Kraftfahrzeugs zugeordnet ist und welche zwei als Zündkerzen ausgebildete Zündvorrichtungen umfasst, von denen eine erste Zündvorrichtung bereichsweise in eine Vorkammer eingeführt ist und eine zweite Zündvorrichtung unmittelbar einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zugewandt ist.
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Die einzige Fig. zeigt ein abstrahiert dargestelltes Kraftfahrzeug K mit einer ebenfalls abstrahiert dargestellten Verbrennungskraftmaschine 100. Die Verbrennungskraftmaschine 100 umfasst eine Zündeinrichtung 10, welche in der Fig. in schematischer Schnittdarstellung gezeigt ist.
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Die Zündeinrichtung 10, umfasst vorliegend zwei vorliegend als jeweilige Zündkerzen ausgebildete Zündvorrichtungen 50, 60, welche jeweils zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Brennraum 102 der Verbrennungskraftmaschine 100 ausgebildet sind.
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Darüber hinaus umfasst die Zündeinrichtung 10 eine Haltevorrichtung 30, an welcher die Zündvorrichtungen 50, 60 fixiert sind. Ein Verbindungselement 32 der Zündeinrichtung 10 dient zur reversibel lösbaren Verbindung der Haltevorrichtung 30 mit einem, den Brennraum 102 zumindest bereichsweise begrenzenden Zylinderkopf 110 der Verbrennungskraftmaschine 100.
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Das Verbindungselement 32 ist vorliegend als Gewinde, nämlich als Außengewinde ausgebildet, über welches die Haltevorrichtung 30 zur reversibel lösbaren Verbindung mit einem Innengewinde 112 des Zylinderkopfes 110 verschraubbar ist.
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Die Haltevorrichtung 30 der Zündeinrichtung 10 ist reversibel lösbar mit dem Zylinderkopf 110 der Verbrennungskraftmaschine 100 verbunden.
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Eine erste Zündvorrichtung 50 der beiden Zündvorrichtungen 50, 60 weist ein erstes Zündvorrichtungsende 52 zur Abgabe von Zündenergie zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches auf. Eine zweite Zündvorrichtung 60 der beiden Zündvorrichtungen 50, 60 weist ein zweites Zündvorrichtungsende 62 zur Abgabe von Zündenergie zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches auf. Die Zündvorrichtungsenden 52, 62 sind vorliegend als jeweilige Mittelelektroden ausgebildet. Die Zündenergie kann in Form eines jeweiligen Zündfunkens bereitgestellt werden.
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Die Zündeinrichtung 10 umfasst darüber hinaus eine Vorkammer 70 mit einem Vorkammerinnenraum 72. In den Vorkammerinnenraum 72 ist das erste Zündvorrichtungsende 52 eingeführt. Die Vorkammer 70 umfasst wenigstens eine Durchgangsöffnung 74, bevorzugt eine Mehrzahl an Durchgangsöffnungen 74, über welche das anhand der ersten Zündvorrichtung 50 innerhalb des Vorkammerinnenraum 72 entzündete Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Vorkammerinnenraum 72 austreten und in den Brennraum 102 eintreten kann, um im Brennraum 102 befindliches Kraftstoff-Luft-Gemisch zu entflammen, also mit anderen Worten zu zünden.
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Im Gegensatz dazu ist das zweite Zündvorrichtungsende 62 unmittelbar dem Brennraum 102 ausgesetzt. Die zweite Zündvorrichtung 60 ist also außerhalb der Vorkammer 70 angeordnet und mittels der Haltevorrichtung 30 gehalten.
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Insgesamt ist also das erste Zündvorrichtungsende 52 unmittelbar dem Vorkammerinnenraum 72 und das zweite Zündvorrichtungsende 62 unmittelbar dem Brennraum 102 zugewandt. Mit anderen Worten ist das erste Zündvorrichtungsende 52 in den Vorkammerinnenraum 72 und das zweite Zündvorrichtungsende 62 in den Brennraum 102 eingeführt.
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Die beiden Zündvorrichtungen 50, 60 sind an einem gemeinsamen Zündvorrichtungsadapter 80, welcher zur reversibel lösbaren Koppelung mit der Haltevorrichtung 30 ausgebildet ist, aufgenommen.
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Die Zündeinrichtung 10 umfasst außerdem ein Schraubelement 12 zur reversibel lösbaren Koppelung des Zündvorrichtungsadapters 80 mit der Haltevorrichtung 30. Das Schraubelement 12 kann beispielsweise als Überwurfmutter ausgebildet sein und mit der Haltevorrichtung 30 verschraubt sein. Die Haltevorrichtung 30 kann hierzu ein der Haltevorrichtung 30 zugeordnetes, also mit anderen Worten haltevorrichtungsseitiges Gewinde, insbesondere Außengewinde, umfassen, mit welchem das Schraubelement 12 verschraubbar und dadurch der Zündvorrichtungsadapter 80 an der Haltevorrichtung 30 fixierbar ist.
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Zusätzlich oder alternativ zu dem Schraubelement 12 kann die Zündeinrichtung 10 zumindest ein (vorliegend nicht gezeigtes) Rastelement zur reversibel lösbaren Koppelung des Zündvorrichtungsadapters 80 mit der Haltevorrichtung 30 umfasst. Das zumindest eine Rastelement kann beispielsweise als Rastnase ausgebildet sein und beispielsweise mit einer haltevorrichtungsseitigen Rastkontur reversibel lösbar verrastet werden.
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Anhand der Zündeinrichtung 10 kann eine Vorkammer-Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgen und damit mögliche Schwerpunktlagen der Verbrennung (jeweilige Lage des Verbrennungsschwerpunktes) des Kraftstoff-Luft-Gemisches nach früh, also hin zu einem früheren Kurbelwinkelbetrag, idealerweise in Richtung eines oberen Totpunktes bis 5-8 Grad Kurbelwinkel nach Zünd-OT (oberer Totpunkt, in dessen Bereich die Zündung erfolgt), eines dem Brennraum 102 zugeordneten (nicht gezeigten) Kolbens der Verbrennungskraftmaschine 100 verlagert werden. Hierdurch kann die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches beschleunigt werden, sodass eine hohe Leistung bei einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, also bei einem Verbrennungsluftverhältnis von λ=1, erzielt werden kann. Die Leistung bei dem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis kann auch als λ1-Leistung bezeichnet werden.
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Die Zündeinrichtung 10 ermöglicht sowohl die hohe λ1-Leistung bei guter Verbrennungsschwerpunktlage als auch einen effizienten Niedriglastbetrieb sowie einen effizienten Kat-Heizbetrieb. Durch die Zündeinrichtung 10 können die Zündvorrichtungen 50, 60 sowie die Vorkammer 70 gemeinsam auch bei geringem verfügbarem Bauraum reversibel lösbar mit dem Zylinderkopf 110 verbunden werden.
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Durch die Zündeinrichtung 10 ist eine kombinierte Nutzung der ersten Zündvorrichtung 50 zusammen mit der Vorkammer 70 als sogenannte Vorkammerzündkerze sowie der zweiten Zündvorrichtung 60 als unmittelbar dem Brennraum 102 zugewandte Zündkerze ermöglicht, wobei die Zündvorrichtungen 50, 60 und die Vorkammer 70 anhand der Haltevorrichtung 30 gemeinsam reversibel lösbar mit dem Zylinderkopf 110 verbunden werden können und dabei besonders wenig Bauraum beanspruchen.
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Neben der beschriebenen Verschraubung der Haltevorrichtung 30 über das Verbindungselement 32, welches vorliegend als Außengewinde ausgebildet ist, ist auch eine Steckverbindung zwischen der Haltevorrichtung 30 und dem Zylinderkopf 110 denkbar.
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Durch die Haltevorrichtung 30 kann sichergestellt werden, dass die erste Zündvorrichtung 50, die zweite Zündvorrichtung 60 sowie die Vorkammer 70 gemeinsam und damit gleichzeitig in einer jeweils korrekten Position und damit Ausrichtung relativ zueinander beim Verbinden der Zündeinrichtung 10 über die Haltevorrichtung 30 reversibel lösbar an dem Zylinderkopf 110 fixiert werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zündeinrichtung
- 12
- Schraubelement
- 30
- Haltevorrichtung
- 32
- Verbindungselement
- 50
- erste Zündvorrichtung
- 52
- erstes Zündvorrichtungsende
- 60
- zweite Zündvorrichtung
- 62
- zweites Zündvorrichtungsende
- 70
- Vorkammer
- 72
- Vorkammerinnenraum
- 74
- Durchgangsöffnung
- 80
- Zündvorrichtungsadapter
- 100
- Verbrennungskraftmaschine
- 102
- Brennraum
- 110
- Zylinderkopf
- 112
- Innengewinde
- K
- Kraftfahrzeug
