DE10243379A1

DE10243379A1 - Spark-to-Piston-Zündvorrichtung

Info

Publication number: DE10243379A1
Application number: DE10243379A
Authority: DE
Inventors: Frank Wildhagen; Jürgen Gloger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-09-18
Filing date: 2002-09-18
Publication date: 2004-04-01

Abstract

Bei einer Zündvorrichtung für Kolben-Brennkraftmaschinen mit einer im Kolbenboden angeordneten Kolbenelektrode (6) und einer im Zylinderkopf (9) angeordneten Elektrode (3) und mit einer sich zwischen diesen beiden Elektroden (6, 3) ausbildenden Funkenstrecke (7) ist die Kolbenelektrode (6) so geformt, dass sie sich zumindest abschnittsweise gekrümmt aus einer Kraftstoffmulde (8) erhebt. Dadurch kann die Länge der Funkenstrecke (7) jeweils in Abhängigkeit von der Kolbenposition den Erfordernissen des durch die Kolbenposition bestimmten Verdichtungsgrades angepasst werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündvorrichtung für Kolben-Brennkraftmaschinen mit einer im Kolben angeordneten Kolbenelektrode und einer in einem Zylinderkopf angeordneten Elektrode, und mit einer sich zwischen den beiden Elektroden ausbildenden Funkenstrecke, wie sie beispielsweise zum Zünden eines Benzin-Luftgemisches in Ottomotoren verwendet wird.

Eine derartige Zündvorrichtung ist aus der WO 96/13660 A bekannt. Es handelt sich dabei um eine sogenannte Spark-to-Piston Vorrichtung, bei der die Kolbenelektrode geringfügig aus dem Kolbenboden hervorsteht und fluchtend zu der im Zylinderkopf angeordneten Elektrode, die sich etwa im Zentrum des Brennraums befindet, angeordnet ist. Bei dieser Anordnung wächst die Länge der Funkenstrecke bis auf eine Konstante, die dem minimalen Abstand der Elektroden entspricht, linear mit dem Abstand des Kolbens vom Zylinderkopf an. Eine derartige Vorrichtung erlaubt es also nicht, die Länge der Funkenstrecke dem jeweiligen Verdichtungsgrad im Zylinder anzupassen.

Die Druckschrift DE 199 16 806 A1 schlägt vor, die Kolbenelektrode so anzubringen, dass sie seitlich zur Gegenelektrode bewegt ist. Dies ermöglicht es insbesondere, die Länge der Funkenstrecke über einen gewissen Zeitraum unabhängig von der Kolbenposition konstant zu halten, wobei die Länge der Funkenstrecke kleiner als der Abstand des Kolbens von der im Zylinderkopf angeordneten Elektrode ist. Dies erleichtert die Zündung magerer Gemische bei geringerer Verdichtung. Insbesondere ist der Zeitpunkt der Zündung weniger kritisch, da die Länge der Funkenstrecke über einen gewissen Zeitraum konstant gehalten wird. Allerdings besitzt diese Anordnung eine geringe Flexibiltät, da die beschriebene konstante Zündfunkenlänge im Allgemeinen für eine bestimmte Zusammensetzung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches bei einer bestimmten Verdichtung optimiert ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zündvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher sich die Länge der Funkenstrecke möglichst optimal durch die Form der Kolbenelektrode in Abhängigkeit vom Verdichtungsgrad des Luft-Kraftstoff-Gemisches einstellt und die Zündspannung minimiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche definieren jeweils bevorzugte oder vorteilhafte Auführungsformen der Erfindung.

Erfindungsgemäß wird durch eine spezielle, zumindest abschnittsweise gekrümmte Form der Kolbenelektrode erreicht, dass die Länge der Funkenstrecke bei einer beliebigen vorgegebenen Kolbenposition durch die Form der Kolbenelektrode bestimmt ist. Dabei ist es vorteilhaft, die Form der Elektrode so zu wählen, dass der minimale Abstand der Kolbenelektrode von der im Zylinderkopf angeordneten Elektrode bei einer vorgegebenen Kolbenposition gerade der für diese Kolbenposition gewählten Länge der Funkenstrecke entspricht. Insbesondere lässt sich durch eine Form, bei der sich die Kolbenelektrode zunächst mit einer zunehmenden Steigung und dann annähernd senkrecht aus der Kraftstoffmulde erhebt, erreichen, dass die Länge der Funkenstrecke für hohe Verdichtung, d.h. bei einer Kolbenposition nahe dem oberen Totpunkt, sehr kurz ist, indem ein Ende der Funkenstrecke im Bereich mit zunehmender Steigung der Kolbenelektrode liegt. Diese kurze Funkenstrecke ist nötig, damit sich bei hoher Verdichtung eine Funkenstrecke ausbilden kann. Bei einer Position des Kolbens, die weiter vom oberen Totpunkt entfernt ist, liegt ein Ende der Funkenstrecke am annähernd senkrechten Teil der Kolbenelektrode. Somit steigt die Länge der Funkenstrecke weniger stark an als die Entfernung des Kolbens vom Zylinderkopf, und es können durch die geringere Verdichtung längere Funkenstrecken als im vorgenannten Fall mit einer nicht zu großen Zündspannung realisiert werden. Bei Kolbenpositionen, die noch weiter als die vorgenannten vom oberen Totpunkt des Kolbens entfernt sind, liegt ein Ende der Funkenstrecke am oberen Ende der Kolbenelektrode. Damit können je nach Kolbenposition bei mageren Gemischen oder einer hohen Abgasrückführungsrate bei geringer Verdichtung lange Funkenstrecken realisiert werden, was die Verbrennung stabilisiert und eventuell eine kürzere Brenndauer der Funkenstrecke ermöglicht.

Dabei wird der Spannungsbedarf durch die Form des Kolbens bestimmt. Insbesondere bei langen Funkenstrecken ist es dabei vorteilhaft, wenn die im Zylinderkopf angeordnete Elektrode positive Polarität gegenüber der Kolbenelektrode besitzt, da dies die benötigte Spannung zur Ausbildung der Funkenstrecke verringert. Ebenso kann es vorteilhaft sein, wenn die im Zylinderkopf angeordnete Elektrode spitz zuläuft und/oder in Richtung der Kolbenelektrode gebogen ist. Je nach genauer Form der Kolbenelektrode kann dies die Ausbildung der Funkenstrecke erleichtern. Optimal für die Realisierung einer minimalen Zündspannung ist eine spitze Ausführung der im Zylinder angeordneten Elektrode (Mittelelektrode) und eine zumindest abschnittsweise möglichst ebene Ausführung der Kolbenelektrode, so dass eine „Spitze-Platte-Anordnung" gebildet wird.

Die Kolbenelektrode und der Kolben können einteilig gefertigt werden, somit wird ein Montageschritt der Kolbenelektrode auf dem Kolben eingespart.

Durch die Anpassung der Zündfunkenlänge an den jeweiligen Verdichtungsgrad kann ein optimaler thermischer Wirkungsgrad durch geringe Quenchingverluste realisiert werden. Die Zündvorrichtung ist beispielsweise sehr gut für direkteinspritzende Ottomotoren mit geschichteten Gemischen und/oder mit hohen Abgasrückführungsraten (AGR-Raten), d.h. mit mageren Gemischen, geeignet. Darüber hinaus eignet sich die Erfindung auch für den Betrieb mit einer Hochfrequenz- oder Mittelfrequenzquelle zur Realisierung einer Hochfrequenz- oder Mittelfrequenzzündung.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert.
1 zeigt einen Schnitt durch einen Zylinder einer Kolben-Brennkraftmaschine mit einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Zündvorrichtung,
2 zeigt den Schnitt von 1 mit einem demgegenüber geänderten Bewegungszustand des Kolbens, und
3 zeigt den Schnitt von 1 mit einem dritten möglichen Bewegungszustand des Kolbens.
Bei dem in den 1-3 gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich ein ein Zündkerzen-Einschraubgewinde 1 in einem Zylinderkopf 9. In dem Zündkerzen-Einschraubgewinde ist eine Zündkerze eingeschraubt, von der ein Isolator 2 und eine Elektrode 3 sichtbar sind. Zwischen der Zylinderwand 4 befindet sich ein in dem entsprechenden Zylinder bewegbar gelagerter Kolben 5 mit einer Kolbenelektrode 6, die sich aus dem Kolbenboden zwischen einer Kraftstoffmulde 8 und einer Luftmulde 10 erhebt. Zwischen der im Zylinderkopf angeordneten Elektrode 3 und der Kolbenelektrode 6 ist eine Funkenstrecke 7 dargestellt. Nicht dargestellt ist die Spannungsversorgung der Zündkerze, die z.B. induktiv durch eine Serienzündspule erfolgen kann, sowie die Bewegungsmechanik des Kolbens.
In 1 befindet sich der Kolben 5 am oberen Totpunkt seiner Bewegung. Die Verdichtung eines in der Kraftstoffmulde 8 befindlichen Luft-Kraftstoff-Gemisches ist hoch, daher wird zur Zündung Idealerweise eine sehr kurze Funkenstrecke 7, deren kolbenseitiges Ende sich in einem Bereich mit zunehmender Steigung der Kolbenelektrode 6 befindet, verwendet.
In 2 befindet sich der Kolben in einem gegenüber 1 etwas früheren oder späteren Bewegungszustand. Der Druck im Zylinder ist wegen der geringeren Verdichtung niedriger als in 1, daher kann eine längere Funkenstrecke 7 realisiert werde, deren Länge durch die Form und Position der Kolbenelektrode 6, bestimmt ist und deren kolbenseitiges Ende sich in einem annähernd senkrechten Bereich der Kolbenelektrode 6, die in diesem Abschnitt der Bewegung seitlich zu der im Zylinderkopf 9 angeordneten Elektrode 3 bewegt ist, befindet.
In 3 befindet sich der Kolben in einem gegenüber den 1 und 2 noch früheren oder späteren Bewegungszustand. Ein solcher Zündzeitpunkt wird insbesondere bei mageren Gemischen oder hohen Abgasrückführraten gewählt, hier führt die sich ausbildende lange Funkenstrecke zwischen der im Zylinderkopf 9 angeordneten Elektrode 3 und dem oberen Ende der Kolbenelektrode 6 zu einer Stabilisierung der Verbrennung. Dabei können Funkenstrecken von ca. 15 mm Länge oder mehr realisiert werden.

1: Zündkerzen-Einschraubgewinde
2: Isolator
3: im Zylinderkopf angeordnete Elektrode
4: Zylinderwand
5: Kolben
6: Kolbenelektrode
7: Funkenstrecke
8: Kraftstoffmulde
9: Zylinderkopf
10: Luftmulde

Claims

Zündvorrichtung für Kolben-Brennkraftmaschinen mit einer im Kolben angeordneten Kolbenelektrode (6) und einer im Zylinderkopf (9) angeordneten Elektrode (3), und mit einer sich zwischen diesen beiden Elektroden ausbildenden Funkenstrecke (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenelektrode (6) ausgehend von einer im Kolben ausgebildeten Kraftstoffmulde (8) zumindest abschnittsweise gekrümmt im Kolben der Kolben-Brennkraftmaschine ausgeformt ist.
Zündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenelektrode (6) ausgehend von der im Kolben ausgebildeten Kraftstoffmulde (8) gemäß einer zumindest abschnittsweise gekrümmten Kurve in dem Kolben ausgeformt ist, wobei die Kurvenform derart gewählt ist, dass für eine Vielzahl von vorgegebenen Kolbenpositionen mit jeweils unterschiedlichen gewünschten Längen der Funkenstrecke (7) der minimale Abstand der Kolbenelektrode (6) zu der im Zylinderkopf (9) angeordneten Elektrode (3) bei einer vorgegebenen Kolbenposition gerade der jeweiligen gewünschten Länge der Funkenstrecke entspricht.
Zündvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kolbenelektrode (6) ausgehend von der Kraftstoffmulde (8) unterhalb der im Zylinderkopf (9) angeordneten Elektrode (3) zunächst mit einer zunehmenden Steigung und dann annähernd senkrecht zum Kolbenboden bis zu einem oberen Ende erhebt.
Zündvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Kolbenposition nahe dem oberen Totpunkt des Kolbens (5) der Kolben-Brennkraftmaschine der minimale Abstand zwischen der im Zylinderkopf (9) angeordneten Elektrode (3) ausgehend von dem Bereich mit zunehmender Steigung vorliegt, für weiter vom oberen Totpunkt entfernte Kolbenpositionen bis zu einer bestimmten Entfernung ausgehend von dem annähernd senkrechten Bereich vorliegt und für Kolbenpositionen, die weiter als diese bestimmte Entfernung vom oberen Totpunkt entfernt sind, ausgehend vom oberen Ende der Kolbenelektrode (6) vorliegt.
Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenelektrode (6) und der Kolben (5) einteilig gefertigt sind.
Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenelektrode (6) seitlich zur der im Zylinderkopf (9) angeordneten Elektrode (3) bewegbar ist.
Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Zylinderkopf (9) angeordnete Elektrode (3) positive Polarität gegenüber der Kolbenelektrode (6) besitzt.
Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Zylinderkopf (9) angeordnete Elektrode (3) spitz zuläuft.
Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Zylinderkopf (9) angeordnete Elektrode (3) in Richtung der Kolbenelektrode (6) gebogen ist.
Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenelektrode (6), insbesondere in einem einer Spitze der im Zylinderkopf (9) angeordneten Elektrode (3) gegenüber liegenden Bereich, zumindest abschnittsweise eben ausgeführt ist.