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Zündeinrichtung zum Erzeugen von Zündfunken in Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung zum Erzeugen von Zündfunken in Brennkraftmaschinen
mit einem als Zündenergiequelle dienenden Piezokristall, der sich mit einer Seite
gegen ein Reaktionsglied abstützt und auf dessen entgegengesetzte Seite über ein
von der Brennkraftmaschine gesteuertes Hebelsystem taktmäßig ein Druck ausgeübt
wird.
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Es ist bereits bekannt, ein Piezokristall als Energiequelle für die
Erzeugung von Zündfunken zu benutzen. Der für diese Erzeugung erforderliche Druck
auf den Piezokristall kann in bekannter Weise unmittelbar über einen taktmäßig umlaufenden
Exzenter oder einen taktmäßig gesteuerten Hebel erfolgen (französische Patentschrift
1241641).
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Bei einer anderen bekannten Konstruktion bildet der Piezokristall
einen Kniehebel eines Kniehebelsystems, dessen Kniepunkt unter der Wirkung einer
Feder steht. Der auf den Piezokristall ausgeübte Druck wird dabei durch einen Bolzen
gesteuert, der durch den hin- und herbeweglichen Kolben taktmäßig in radialer Richtung
hin- und herbewegt wird (USA.-Patentschrift 2 959159).
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Bekannt ist ferner, den Kompressionsdruck im Zylinder zum taktmäßigen
Beaufschlagen einer Druckdose zu verwenden, die ihrerseits wieder auf den Piezokristall
wirkt.
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Alle diese Systeme sind so konstruiert, daß die mechanischen Teile
einen sehr kleinen Weg zurücklegen müssen, welcher der Zusammendrückbarkeit des
Piezokristalls entspricht. Der erforderliche genaue Weg ist schon wegen der unvermeidlichen
Herstellungstoleranzen nur mit großer Schwierigkeit in die Konstruktion einzubauen.
Im laufenden Betrieb, bei dem eine Abnützung der mechanischen Teile unvermeidlich
ist, wächst dann das Spiel auf einen solchen Betrag an, daß eine ungleichmäßige
Erzeugung und eine Veränderung der erzeugten Zündenergie im Dauerbetrieb eintritt.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Zündeinrichtung
unter Verwendung eines Piezokristalls zu schaffen, bei der auch bei Abnützung der
mechanischen Druckübertragungsteile die Erzeugung der Zündenergie konstant bleibt.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs definierten Zündeinrichtung dadurch gelöst,
daß in Reihe mit dem Piezokristall in Druckrichtung zwischen dem Angriffspunkt des
Hebelsystems und dem Reaktionsglied ein Kraftspeicher vorgesehen ist, der durch
das Hebelsystem nachgiebig zusammengepreßt wird und eine entsprechende Gegenkraft
ausübt. Hierdurch wird erreicht, daß einmal ein erheblicher Weg beim Zusammendrücken
des Piezokristalls zurückgelegt wird und so das Spiel zwischen den übertragungsteilen
praktisch nicht mehr kritisch ist und daß zum anderen allein der Gegendruck der
Feder die Energieerzeugung bestimmt.
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Eine einfache und zuverlässige Konstruktion der Druckeinrichtung läßt
sich mit Hilfe eines Druckkolbens verwirklichen, der im Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine
vorgesehen und vom Kompressionsdruck beaufschlagt wird. Die Verschiebung des Druckkolbens
bzw. die Betätigung des Kniehebelsystems wird somit direkt vom betreffenden Arbeitskolben
gesteuert, so daß auf entsprechende, den Zündtakt gewährleistende Steuermittel der
Druckeinrichtung gänzlich verzichtet werden kann. Der Druckkolben kann an einer
beliebigen Stelle innerhalb des Kompressionsraumes, beispielsweise im Zylinderkopf
der Brennkraftmaschine, untergebracht werden. Eine besonders günstige Konstruktion
ergibt sich jedoch, wenn der Druckkolben radial zum Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine
bewegbar ist, und zwar derart, daß dessen Druckkammer während einer ersten Kompressionsphase
mit dem Kompressionsraum des Arbeitszylinders und während einer zweiten späteren
Kompressionsphase mit einem einen verhältnismäßig niederen Druck aufweisenden Raum,
beispielsweise dem Kurbelgehäuseraum, in Verbindung steht, wobei durch die Lage
des Druckkolbens im Zylinderblock der Brennkraftmaschine der Zündzeitpunkt genau
festgelegt werden kann.
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Bei dieser Anordnung ist dann lediglich darauf zu achten, die Höhe
des Kolbens so zu wählen, daß die Verbindung der Druckkammer des Druckkolbens, beispielsweise
mit dem Kurbelgehäuseraum, erst kurz vor der oberen Totpunktstellung des Arbeitskolbens
erfolgt, um eine wirksame Zündung zu erreichen.
Durch die Verbindung
der Druckkammer mit dem Kurbelgehäuseraum entlüftet dann die Druckkammer, und der
Druckkolben ist beim nächsten Arbeitstakt des Arbeitskolbens bereits wieder einsatzbereit.
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In diesem Fall läßt sich eine besonders einfache und präzise Steuerung
des Zeitpunktes- der Verbindung der Druckkammer mit dem Kurbelgehäuse erreichen,
wenn diese Steuerung über die obere bzw. die untere Kante des Arbeitskolbens erfolgt.
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Eine weitere vorteilhafte Steuerung dieser Verbindung kann auch noch
dadurch erzielt werden, daß während der ersten Kompressionsphase die Steuerung der
Verbindung über die obere Kolbenkante und während der zweiten Kompressionsphase
über eine im Arbeitskolben vorhandene, mit dem Raum niederen Druckes verbundene
Ausnehmung erfolgt. Dieser Raum kann hierbei ein im Arbeitskolben vorgesehener Schlitz
oder Kanal sein, der beispielsweise radial zur Kolbenachse so angeordnet sein kann,
daß die Verbindung unmittelbar nach der Zündung hergestellt wird.
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Die Verwendung von Zündeinrichtungen mit durch Druckkolben angetriebenen
Kniehebelsystemen ist nicht nur auf Otto-Motoren beschränkt, sondern kann in ebenso
vorteilhafter Weise auch bei Drehkolbenmotoren angewandt werden, und in letzterem
Fall ist eine einwandfreie Funktion der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung dann gewährleistet,
wenn der Druckkolben derart im Arbeitszylinder angeordnet ist, daß die Steuerung
der Verbindung der Druckkammer desselben mit dem Kompressionsraum während der ersten
Kompressionsphase durch eine erste Kolbenkante und deren Verbindung mit dem Raum
niederen Druckes während der zweiten Kompressionsphase über die nacheilende Kolbenkante
erfolgt.
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In Brennkraftmaschinen mit einer Vielzahl von Arbeitskolben kann beispielsweise
für jeden Arbeitskolben eine erfindungsgemäße Zündeinrichtung vorgesehen sein, -oder
es ist denkbar; durch geeignete Hebelgetriebe die Zündenergie für zwei oder mehrere
Arbeitskolben mit Hilfe eines einzigen Piezokristalls zu erzeugen. -Für solche Brennkraftmaschinen
ist es jedoch zweckmäßig, eine Zündeinrichtung gemäß der Erfindung zu schaffen,
durch welche die Zündenergie für alle Arbeitskolben erzeugt wird, und dies läßt
sich dadurch verwirklichen, daß ein einziger Piezokristall vorgesehen ist, dessen
Kniehebelsystem über mindestens eine von der Brennkraftmaschine angetriebene Kurvenvorrichtung
antreibbar ist, wobei die Kurvenvorrichtung vorzugsweise auf der Verteilerwelle
des Zündverteilers befestigt .ist.
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Durch letztere Maßnahme können somit die vom Piezokristall in einer
bestimmten Zündfolge erzeugten Zündimpulse unmittelbar dem an sich bekannten Verteilerläufer
des Verteilers zugeführt werden. Eine günstige Konstruktion einer solchen .Zündeinrichtung
läßt sich hierbei erreichen, wenn das Kniehebelsystem und der Piezokristall und
vorzugsweise die Kurvenvorrichtung innerhalb des Verteilergehäuses untergebracht
ist.
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In der Zeichnung sind .Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigt F.i g..1 eine schematische teilweise Darstellung eines Motorgehäuses einer
Brennkraftmäschine als 'Peilschnitt in Verbindung mit einer ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung, F i g. 2 eine Darstellung gemäß F i g.
1 mit einer teilweise gezeigten erfindungsgemäßen Zündeinrichtung in abgeänderter
Form, F i g. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung,
F i g. 4 eine schematische teilweise Darstellung eines Drehkolbenmotors im Schnitt
in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung, F i g. 5 ein weiteres
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung.
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In F i g. 1 ist mit 10 ein Zylinderblock eines Motorgehäuses einer
Brennkraftmaschine bezeichnet, und in einem Zylinder 12 desselben ist ein Arbeitskolben
14 mittels Kolbenringen 16 druckdicht geführt, und dieser Arbeitskolben wirkt über
eine Pleuelstange 18 und ein Pleuellager 20 auf eine Kurbelwelle 21 ein. über einen
Ansaugkanal 22, der in die Kompressionskammer 23 des Arbeitszylinders einmündet,
wird dabei taktmäßig durch die Betätigung eines entsprechenden Ansaugventils
24 ein Gas-Luft-Gemisch zur Verbrennung angesaugt. über ein weiteres, nicht
dargestelltes Auslaßventil werden in bekannter Weise die durch die Verbrennung gebildeten
Abgase aus der Kompressionskammer herausgeleitet. Wie aus der Zeichnung zu ersehen
ist, ist im Zylinderblock eine als Ganzes mit 26 bezeichnete Zündkerze bekannter
Bauart vorgesehen, deren Elektroden in das Innere einer im Zylinderblock vorgesehenen
Kompressionskammer 23 hineinragen, und mit Hilfe dieser Zündkerze wird das komprimierte
Gas-Luft-Gemisch durch die als Ganzes mit 30 bezeichnete erfindungsgemäße Zündrichtung
zum Antrieb des Motors gezündet. Im folgenden wird nun die Konstruktion der erfindungsgemäßen
Zündeinrichtung des näheren beschrieben.
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Die Zündeinrichtung weist einen mit 32 bezeichneten piezoelektrischen
Kristall auf, der an sich bekannt und deshalb nicht näher beschrieben ist. Von diesem
piezoelektrischen Kristall gehen elektrische Leitungen 34 an die Zündkerze 26 bzw.
bei- 36 an Masse ab. Der piezoelektrische Kristall ist an einem statioriären Glied
38 der Brennkraftmaschine starr befestigt und ist gegen dieses mittels einer Isolierung
40 isoliert: Die für die Zündung erforderliche hochgespannte Energiemenge wird in
bekannter Weise durch Zusammendrücken des piezoelektrischen Kristalls erreicht,
und zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß ein als Ganzes mit 42 bezeichnetes Kniehebelsystem
vorgesehen, das von einer als Ganzes mit 46 bezeichneten Druckeinrichtung angetrieben
wird.
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Das Kniehebelsystem 42 weist hierbei einen an einem .stationären Teil
48 mit Hilfe eines Lagers 50 aasgelenkten ersten Kniehebel 52 und einen an einem
Kniegelenk54 mit dem ersteren Gelenk verbundenen zweiten Kniehebel 56 auf, zier
an seinem freien Ende eine Druckrolle 58 hat, die zwischen zwei sich von der gemäß
F i g. 1 unteren Seite des Kristalls im Abstand voneinander nach unten erstreckenden
Begrenzungsstücke 60 und 62 hineingreift und an der Unterseite des piezoelektrischen
Kristalls anliegt. Die Betätigung des Kniehebels erfolgt, wie schon erwähnt, über
die als Ganzes mit 46 bezeichnete Druckeinrichtung, und zwar ist bei 54 eine Kolbenstange
64 am Kniegelenk aasgelenkt, und mit ihrem gemäß F i g. 1. linken Endstück ist die
Kolbenstange mit einem Druckkolben 66 starr verbunden, der in einer entsprechenden
Druckkammer 68 des Zylinderblokkes geführt ist. Diese Druckkammer steht hierbei
in
Verbindung mit dem Zylinderraum des Arbeitskolbens. Auf das freie
Endstück der Kolbenstange 64 wirkt hierbei noch mit ihrem einen Ende eine sich an
einem stationären Abstützteil 70 abstützende Druckfeder 72.
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Im folgenden soll nun die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung
des näheren beschrieben werden. Es sei angenommen, daß sich der Arbeitskolben in
seiner untersten Totpunktstellung im Zylinder 12 befindet, d. h., daß sich die obere
Kolbenkante 72 des Arbeitskolbens in der strichpunktiert angedeuteten Ebene befindet.
Bei seiner Aufwärts- bzw. Kompressionsbewegung in Pfeilrichtung A wird dann das
über den Ansaugkanal 22 bereits angesaugte Gas-Luft-Gemisch komprimiert, wobei der
Kompressionsdruck auf den Druckkolben 66 einwirkt, und dieser Druck reicht, sobald
sich die Kolbenoberkante 72 in der Ebene der Druckkammer 23 befindet, aus, um denselben
in Pfeilrichtung B zu bewegen und über das Kniehebelsystem den piezoelektrischen
Kristall zusammenzudrücken. Bei der weiteren Aufwärtsbewegung des Kolbens bis zu
seinem oberen Totpunkt (die in F i g. 1 gezeigte Lage) bleiben die Druckverhältnisse
in der Druckkammer so lange unverändert, bis durch die Unterkante 74 des Arbeitskolbens
die Druckkammer wieder freigegeben und dieselbe hierdurch mit dem Kurbelgehäuse
verbunden wird, d. h. entlüften kann. Die Lage der Druckkammer bzw. des Druckkolbens
im Zylinderblock ist dabei so gewählt, daß zum Zeitpunkt der Zündung sich der Arbeitskolben
kurz vor seiner oberen Totpunktstellung befindet.
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In F i g. 2 ist eine weitere Anordnung einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung
gezeigt, und gleiche Teile wie in F i g. 1 sind mit denselben Bezugszahlen versehen.
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Bei dieser Konstruktion ist der Druckkolben 66 bzw. dessen Druckkammer
68 in der Nähe der Kompressionskammer 23 in radialer Richtung zur Achse des Arbeitszylinders
12 angeordnet. In einem im Zylinder 12 angeordneten Arbeitskolben 92 ist unmittelbar
unterhalb des Kolbenbodens 94 in radialer Richtung ein Verbindungskanal 96 in demselben
vorgesehen, der die Kolbenwandung durchdringt. Befindet sich dabei dieser Arbeitskolben
in seiner obersten Totpunktstellung, wie dies beispielsweise strichpunktiert angedeutet
ist, so fällt die Achse des Verbindungskanals 96 mit der der Druckkammer 68 des
Druckkolbens 66 zusammen, d. h., es ist bereits unmittelbar nach der Zündung eine
Verbindung der Druckkammer 68 zum Kurbelgehäuse der betreffenden Brennkraftmaschine
und damit eine Entlüftung der Druckkammer geschaffen. Durch eine derartige Anordnung
der Druckkammer und des Verbindungskanals 96 im Arbeitskolben werden beim Komprimieren
Druckverhältnisse geschaffen, die zur Betätigung des Druckkolbens bzw. des Kniehebelsystems
zum Zusammenpressen des piezoelektrischen Kristalls mit Sicherheit ausreichen.
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Die zur Betätigung des Piezokristalls notwendige Bewegungsstrecke
des Druckkolbens ist außerordentlich gering, und um beispielsweise ein Lagerspiel
-der einzelnen Verbindungselemente und dadurch Zündstörungen auszuschalten, ist
gemäß F i g. 3 ein als Ganzes mit 100 bezeichneter Kraftspeicher vorgesehen, der
mit dem Piezokristall in Reihe geschaltet ist. Es wird durch diesen Kraftspeicher
erreicht, daß in jedem Falle die gewünschte Kraft auf den Kristall ausgeübt wird,
und zwar dadurch, daß die Bewegungsstrecke der. Antriebselemente auf ein Mehrfaches
vergrößert werden kann und eine Berührung der Verbindungselemente dadurch stets
gegeben ist.
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Bei dieser Anordnung sind gleiche Teile wie in den vorangegangenen
Figuren mit den gleichen Bezugszahlen versehen. Der piezoelektrische Kristall ist
bei dieser Konstruktion an der gewölbten Außenseite einer Tellerfeder 102 befestigt,
die teilweise durch eine Ausnehmung aus einem Aufnahmegebäuse 104 herausragt und
in der Nähe ihres Außenrandes an Auflageschultern 106 desselben aufliegt. Der sich
im Innern des Aufnahmegehäuses befindende Randteil liegt dabei am Randteil einer
entgegengesetzt angeordneten, innerhalb des Aufnahmegehäuses vorgesehenen Tellerfeder
108 an, die mit ihrer Außenfläche am Boden des Aufnahmegehäuses aufliegt.
Letzteres ist stationär am Aufnahmeglied 38 vorgesehen und mittels der Isolation
40 gegen dasselbe isoliert. Die beiden Tellerfedern können nun derart zueinander
abgestimmt sein, daß sie zu Beginn des Zusammendrückens des Kristalls um einen gewissen
Betrag vorgespannt werden können, und zwar derart, daß durch diese Vorspannung von
den Tellerfedern eine Gegenkraft aufgebracht wird, die mindestens der Kraft entspricht,
die zur Erzeugung der Zündenergie erforderlich ist.
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In F i g. 4 ist mit 120 das Motorengehäuse eines Drehkolbenmotors
bezeichnet, und in einer als Ganzes mit 122 bezeichneten Kammer ist der Läufer bzw.
Drehkolben 124 angeordnet, der mit einem in diesem zentral angeordneten Zahnkranz
126 mit einem auf einer Abtriebswelle 128 fest angeordneten Abtriebsritzel 130 kämmt.
Durch die Dreiecksform des Kolbens ist dabei die Ausnehmung 122 in eine Kompressionskammer
132, eine Explosionskammer 134
und eine Ausstoßkammer 136 unterteilt,
wobei in die Kompressionskammer ein Frischgaskanal138 bzw. in die Ausstoßkammer
ein Auslaßkanal 140 einmündet. Wie aus F i g. 4 zu ersehen ist, ist im Motorengehäuse
120 eine Zündkerze 142 vorgesehen, deren Zündelektroden in die Kompressionskammer
hineinragen. Die hochgespannte, zur Zündung erforderliche elektrische Energie wird
dabei durch eine erfindungsgemäße Zündeinrichtung erzeugt, und zu diesem Zweck ist
ein Druckkolben 66 in einer Druckkammer 146 verschiebbar angeordnet, und über eine
Kolbenstange 64 und ein als Ganzes mit 42 bezeichnetes Kniehebelsystem wird ein
an einem stationären Glied 152 angeordneter Piezokristall 32 entsprechend betätigt.
Bei 156 ist hierbei das Kniehebelsystem an einem stationären Gelenk angelenkt, und
eine Druckfeder 72 versucht, das Kniehebelsystem in seiner Ruhelage zu halten. Wie
aus der Zeichnung deutlich hervorgeht, ist die Druckkammer 146 derart im Motorengehäuse
angeordnet, daß kurz vor überfahren derselben durch die Kolbenkante 160 das
Maximum des Kompressionsdruckes in der Kompressionskammer erreicht und dadurch die
Betätigung des Kniehebelsystems bzw. des Piezokristalls, d. h. die Zündung, erfolgt.
Durch die hierdurch bewirkte Explosion des Gasgemisches wird nunmehr .der Drehkolben
in Pfeilrichtung C gedreht. Nach überfahren der Druckkammer 146 durch die Kolbenkante
160 wird anschließend durch die nacheilende Kolbenkante 162 und den entsprechenden
Umfangsabschnitt der Ausnehmung 122 wiederum eine Kompressionskammer gebildet, in
welche der in der Zylinderführung 146
herrschende Druck entweichen
kann, da eine Kompression in derselben erst nachüberfahren des Frischgaskanals 138
durch diese Kante erfolgt, und eine erneute Betätigung des Piezokristalls ist die
Folge davon. In F i g. 5 ist an einer Verteilerantriebswelle 172 ein mit 173 bezeichnetes
Kurvenstück drehfest angeordnet, das im gleichen Winkelabstand voneinander entsprechend
der Anzahl der in der Brennkraftmaschine vorhandenen Arbeitskolben Betätigungsnocken
174 aufweist.
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Diese Betätigungsnocken wirken einzeln auf eine Druckrolle 176 eines
als Ganzes mit 178 bezeichneten, innerhalb des Verteilergehäuses 170 vorgesehenen
Kniehebelsystems ein, das einerseits bei 180 an einem stationären Lager angelenkt
ist und andererseits über eine Druckrolle 182 auf den innerhalb des Verteilergehäuses
angeordneten Piezokristal1184 zur Erzeugung einer hochgespannten Energiemenge einwirkt.
über elektrische Leitungen 186 bzw. 188 wird die durch den Piezoeffekt erzeugte
elektrische Energie einem auf der Antriebswelle 172 drehfest angeordneten Schleifring
190 zugeführt, der mit einem auf dieser Welle angeordneten Verteilerläufer 192 in
Verbindung steht. Dieser Verteilerläufer weist an seinem äußeren Ende ein Kontaktstück
auf, das die in gleichem Winkelabstand voneinander im Verteilergehäuse angeordneten,
der Anzahl der in der Brennkraftmaschine vorgesehenen Zündkerzen entsprechenden
Kontaktstelle 196 bei Rotieren der Antriebswelle 172 überfährt, und beim Zusammenwirken
des Verteilerläufers mit diesen Kontaktstellen wird die hochgespannte Energiemenge
nacheinander durch die Leitungen 197 bis 200 den Zündkerzen 201 bis 204 eines angedeuteten
Motorblocks 206 zugeführt.