DE19629171C2 - Ignition arrangement for a spark ignition internal combustion engine - Google Patents

Ignition arrangement for a spark ignition internal combustion engine

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Description

Die Erfindung betrifft eine Zündanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an ignition arrangement according to the preamble of Claim 1.

Aus der DE 36 01 299 A1 ist ein Verfahren zum Steuern der Fremdzündung in Verbrennungsmotoren bekannt. Bei diesem Verfahren wird der Zündfunke mittels einer Zündelektrode und einer am Kolben angebrachten Massenelektrode erzeugt. Hierbei wird der Elektrodenabstand in Abhängigkeit der Motorbelastung verändert. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Zündspannung insbesondere bei großen Elektrodenabständen erheblich über dem Wert bisher verwendeter Zündsysteme liegt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß mit einem solchen Motor eine Gemischabmagerung nicht bzw. nur bedingt möglich ist, da bei einer sog. Ladungsschichtung, die Gemischentflammung nicht mehr sichergestellt wäre, da der Weg des Zündfunkens fest vorgegeben ist und nicht notwendigerweise die Ladung erreicht.DE 36 01 299 A1 describes a method for controlling spark ignition known in internal combustion engines. With this procedure the ignition spark by means of an ignition electrode and one attached to the piston Ground electrode generated. The distance between the electrodes is in Dependency on engine load changed. A major disadvantage of this The method is that the ignition voltage is particularly large Electrode distances significantly higher than the value previously used Ignition systems. Another disadvantage is that with a such an engine is not or only partially possible to lean the mixture, since with a so-called charge stratification, the mixture ignition no longer would be ensured since the path of the spark is fixed and not necessarily reached the cargo.

Für die elektrostatische Aufladung des Kraftstoffnebels bei Verbrennungsmaschinen sind verschiedene Vorrichtungen bekannt. Aus der EP 0 476 084 B1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, bei dem der Kraftstoffsprühnebel mittels Hochspannungselektroden, die an der Düsenöffnung angeordnet sind, aufgeladen wird. Bei diesen Vorrichtungen dient die Aufladung lediglich zur Unterstützung der Zerstäubung des Kraftstoffs.For the electrostatic charging of the fuel spray Various devices are known in internal combustion engines. From the EP 0 476 084 B1 discloses a fuel injection valve in which the Fuel spray using high voltage electrodes attached to the Nozzle opening are arranged, is charged. With these devices the charge only serves to support the atomization of the Fuel.

Eine Möglichkeit die immer strenger werdenden Abgas- und Verbrauchsvorschriften zu erfüllen zeigt der sog. Schichtlademotor. Ein Schichtlademotor läßt sich mit extrem abgemagertem Gemisch betreiben. Ein wesentlicher Nachteil bei diesen Schichtlademotoren besteht darin, daß das brennbare Gemisch nicht homogen über den Brennraum verteilt ist, sondern sich in gewissen Bereichen konzentriert. Dadurch, daß die Lage der Zündkerze aber fest vorgegeben ist, muß bei jeder Betriebsbedingung gewährleistet werden, daß sich das brennbare Gemisch (Kraftstoffwolke) in der Nähe der Zündkerze zum Zündzeitpunkt befindet. Hierfür sind aufwendige strömungsoptimierte Verfahren, wie z. B. aus der EP 0 675 270 A1 bekannt, notwendig. Trotzdem ist nicht sichergestellt, daß jeder Zündfunke die Entflammung des Gemischs herbeiführt. Solche Zündaussetzer verschlechtern das Abgasverhalten des Motors aber erheblich.One possibility the ever stricter exhaust and The so-called stratified charging engine shows that it meets consumption requirements. On Stratified charge engine can be operated with an extremely lean mixture. A major disadvantage with these stratified charge motors is that  the combustible mixture is not homogeneously distributed over the combustion chamber, but concentrated in certain areas. Because the location of the Spark plug but fixed, must be in every operating condition be ensured that the combustible mixture (fuel cloud) in close to the spark plug at the time of ignition. For this are elaborate flow-optimized processes such. B. from EP 0 675 270 A1 known, necessary. Nevertheless, it is not guaranteed that everyone Spark causes the mixture to ignite. Such Misfires worsen the engine's exhaust behavior considerably.

Aus der DE 30 43 713 A1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Kraftstoffwolke in einem Brennraum bekannt, wobei eine Glühzündkerze in den Brennraum ragt. Diese Druckschrift befaßt sich mit einem Dieselmotor, das heißt mit einem selbstzündenden Motor. Probleme mit geschichteten Ladungen treten bei dieser Art von Motoren nicht auf.DE 30 43 713 A1 describes a device for generating a Fuel cloud known in a combustion chamber, with a glow plug in the combustion chamber protrudes. This document deals with a diesel engine, that is, with a self-igniting engine. Problems with layered Charges do not occur with this type of engine.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es aber, eine Zündanordnung zu schaffen, die auch bei einer geschichteten Ladung eine sichere Entflammung des Gemischs gewährleistet, die leicht in vorhandene Motoren integrierbar ist und die einfach und kostengünstig herstellbar ist.However, the object of the present invention is to provide an ignition arrangement create a safe ignition even with a stratified charge of the mixture, which can be easily integrated into existing engines and which is simple and inexpensive to manufacture.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Mittel. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the means specified in claim 1. Advantageous further developments of the invention are in the subclaims specified.

Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, den Leitwert des Kraftstoff- Luft-Gemischs innerhalb des Bereichs der Kraftstoffwolke zu erhöhen. Dies wird durch elektrisches aufladen der Kraftstoffwolke erreicht, so daß der Zündfunke zwischen der Zündelektrode und der geladenen Kraftstoffwolke überspringt. Hierzu wird eine Zündkerze ohne Massenelektrode eingesetzt. Der Zündfunke bildet sich dann wie ein Blitz aus, der an der Zündelektrode startete und von der geladenen Kraftstoffwolke besser geleitet wird als in der sie umgebenden nicht ionisierten Luft. Dadurch ist mit Sicherheit ge­ währleistet, daß der Zündfunke die Kraftstoffwolke erreicht und daß das Kraftstoffgemisch entflammt wird. Selbst bei extrem abgemagerten Gemischen wird der Weg des Zündfunken über die geladenen Kraftstoffwolke immer bevorzugt.The essential idea of the invention is to determine the conductivity of the fuel Air mixture increase within the range of the fuel cloud. This is achieved by electrically charging the fuel cloud, so that the Spark between the ignition electrode and the charged fuel cloud skips. A spark plug without a ground electrode is used for this. The ignition spark then forms like a lightning bolt on the ignition electrode started and is better guided by the loaded fuel cloud than in the not surrounding them  ionized air. This is certain ge ensures that the spark ignites the fuel cloud reached and that the fuel mixture is ignited. Even with extremely lean mixtures, the path of Ignition sparks always over the loaded fuel cloud prefers.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzig dargestellte Figur zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Verbrennungsmotor mit der erfindungsgemäßen Zündvorrichtung. Bei dem Ver­ brennungsmotor handelt es sich um einen Ottomotor 1 mit einem Brennraum 10 und einem Kolben 20, der sich in einem Zylinder 30 bewegt. Auf dem Zylinder 30 sitzt ein Zylin­ derkopf 40, in dem sich ein oder mehrere Einlaß- und Auslaßkanäle befinden, die mit Hilfe mehrerer Ventile geöffnet und verschlossen werden. Schematisch dargestellt sind nur ein Einlaßkanal 41 und ein Auslaßkanal 42 mit jeweils einem Ventil 43 bzw. 44. In den Zylinderkopf 40 ist eine Zündkerze 60 eingesetzt. Die Zündkerze 60 ist mit einem Steuergerät 70 verbunden und weist nur eine Zündelektrode 62 auf. Neben der Zündkerze 60 sitzt ein Einspritzventil 100, das ebenfalls mit dem Steuergerät 70 verbunden ist und das als Vorrichtung zur Erzeugung einer Kraftstoffwolke dient. Über eine Verbindungsleitung 102 sind an dem Einspritzventil 100 angeordnete Io­ nisierungselektroden 101 mit einer Hochspannungsquelle 104 verbunden. Die erfindungsgemäße Anordnung ist nicht auf Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung be­ schränkt. Das Einspritzventil kann auch in einem Einlaß­ kanal angeordnet sein. Ebenso ist eine Anwendung auch bei Vergasermotoren denkbar. Hierbei muß eine geeignete Vorrichtung zur Aufladung stromabwärts vom Vergaser oder direkt an diesem angeordnet sein. Neben den Ionisierungselektroden 101 sind auch andere Vorrichtungen zur elektrischen Aufladung der Kraftstoffwolke wie z. B. Laser denkbar. The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. The only figure shown schematically shows a section through an internal combustion engine with the ignition device according to the invention. The internal combustion engine is a gasoline engine 1 with a combustion chamber 10 and a piston 20 which moves in a cylinder 30 . On the cylinder 30 is a Zylin derkopf 40 , in which there are one or more inlet and outlet channels, which are opened and closed with the aid of several valves. Only one inlet channel 41 and one outlet channel 42 , each with a valve 43 and 44 , are shown schematically. A spark plug 60 is inserted into the cylinder head 40 . The spark plug 60 is connected to a control unit 70 and has only one ignition electrode 62 . Next to the spark plug 60 is an injection valve 100 , which is also connected to the control unit 70 and which serves as a device for generating a fuel cloud. Via a connecting line 102 , ionization electrodes 101 arranged on the injection valve 100 are connected to a high-voltage source 104 . The arrangement according to the invention is not limited to combustion engines with direct injection. The injection valve can also be arranged in an inlet channel. Application to carburetor engines is also conceivable. Here, a suitable device for charging must be arranged downstream of or directly on the carburetor. In addition to the ionization electrodes 101 , other devices for electrically charging the fuel cloud, such as, for example, B. laser conceivable.

Nachfolgend ist die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Zündanordnung näher erläutert. Vor jedem Verbrennungstakt wird mit Hilfe des Einspritzventil 100 ein Kraftstoffge­ misch in den Brennraum 10 eingeblasen. Während dieses Vorgangs wird das Kraftstoffgemisch elektrisch mit Hilfe der Ionisierungselektroden 101 aufgeladen und es entsteht im Brennraum 10 eine geladene Kraftstoffwolke 80. Insbe­ sondere im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine füllt die Kraftstoffwolke 80 nicht den ganzen Brennraum 10 aus. Mit Hilfe des Steuergeräts 70 wird aufgrund des Betriebs­ zustandes der Brennkraftmaschine über ein Kennlinienfeld der optimale Zündzeitpunkt T bestimmt. Zu diesem Zünd­ zeitpunkt T wird mit Hilfe der Zündkerze 60 ein Zündfunke 82 erzeugt, der an der Zündelektrode 62 startet. Da die Kraftstoffwolke 80 geladen ist, läuft der Zündfunke 82 über die Kraftstoffwolke 80 und führt in vorteilhafter Weise die Entflammung der Kraftstoffwolke 80 herbei. Somit ist gewährleistet, daß der Zündfunke 82 in den Bereich der höchsten Kraftstoffkonzentration gelangt, da dieser Bereich die höchste Ionisierungsdichte und damit den höchsten Leitwert aufweist. Außerdem wird der Zündfunke 82, wenn die Zündelektrode 62 positiv und die Kraftstoffwolke 80 negativ geladen ist, von der Kraftstoffwolke 80 angezogen. Da sich aufgrund der elektrischen Aufladung des Kraftstoffwolke 80 eine Viel­ zahl von Ionen im Brennraum 10 befinden wird die Zünd­ spannung in vorteilhafter Weise erheblich herabgesetzt und die Auslösung des Zündfunkens erleichtert. Dadurch vereinfacht sich das Zündsystem zusätzlich.The mode of operation of the ignition arrangement according to the invention is explained in more detail below. Before each combustion cycle, a fuel mixture is blown into the combustion chamber 10 with the aid of the injection valve 100 . During this process, the fuel mixture is electrically charged with the aid of the ionization electrodes 101 and a charged fuel cloud 80 is created in the combustion chamber 10 . Especially in part-load operation of the internal combustion engine, the fuel cloud 80 does not fill the entire combustion chamber 10 . With the help of the control unit 70 , the optimal ignition timing T is determined based on the operating state of the internal combustion engine via a characteristic field. At this ignition point in time T, an ignition spark 82 is generated with the aid of the spark plug 60 and starts at the ignition electrode 62 . Since the fuel cloud 80 is charged, the spark 82 runs over the fuel cloud 80 and advantageously brings about the ignition of the fuel cloud 80 . This ensures that the ignition spark 82 reaches the area of the highest fuel concentration, since this area has the highest ionization density and thus the highest conductance. In addition, when the ignition electrode 62 is positive and the fuel cloud 80 is charged, the spark 82 is attracted to the fuel cloud 80 . Since there are a lot of ions in the combustion chamber 10 due to the electrical charging of the fuel cloud 80 , the ignition voltage is advantageously significantly reduced and the triggering of the ignition spark is facilitated. This further simplifies the ignition system.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung liegen darin, daß insbesondere im Teillastbereich eine sichere Entflammung des Gemisch gewährleistet ist und damit aufgrund der La­ dungsschichtung eine erhebliche Verbesserung des Wir­ kungsgrades der Brennkraftmaschine erreicht wird. Mit der erfindungsgemäßen Zündanordnung kann das Kraftstoffge­ misch stärker abgemagert werden und trotzdem noch mit Si­ cherheit gezündet werden. Zusätzliche Vorrichtungen um das Kraftstoffgemisch in die Nähe der Zündkerze zu bewe­ gen sind nicht mehr notwendig. Als weiterer Vorteil ist zu nennen, daß die Klopfneigung sich erheblich vermin­ dert. Ebenfalls besteht die Möglichkeit, das Verdich­ tungsverhältnis zu erhöhen, um dadurch zusätzlich den Wirkungsgrad zu verbessern.The main advantages of the invention are that Reliable ignition, especially in the partial load range the mixture is guaranteed and therefore due to the La stratification a significant improvement of the we efficiency of the internal combustion engine is achieved. With the Ignition arrangement according to the invention can the fuel are mixed more emaciated and still with Si be ignited. Additional devices around  move the fuel mixture close to the spark plug conditions are no longer necessary. Another advantage is to mention that the tendency to knock is significantly reduced changed. There is also the possibility of compressing tion ratio to increase the Improve efficiency.

Claims (5)

1. Zündanordnung für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor mit einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Kraftstoffwolke in einem Brennraum und einer in den Brennraum ragenden Zündkerze, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung der Kraftstoffwolke (100) eine Vorrichtung zur elektrischen Aufladung der Kraftstoffwolke (80) aufweist und daß die Zündkerze (60) keine Massenelektrode aufweist.1. Ignition arrangement for a spark-ignition internal combustion engine with a device for generating a fuel cloud in a combustion chamber and a spark plug projecting into the combustion chamber, characterized in that the device for generating the fuel cloud ( 100 ) has a device for electrically charging the fuel cloud ( 80 ) and that the spark plug ( 60 ) has no ground electrode. 2. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung einer Kraftstoffwolke (100) ein Einspritzventil ist.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the device for generating a fuel cloud ( 100 ) is an injection valve. 3. Zündanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung einer Kraftstoffwolke (100) ein Vergaser ist.3. Ignition arrangement according to claim 1, characterized in that the device for generating a fuel cloud ( 100 ) is a carburetor. 4. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur elektri­ schen Aufladung der Kraftstoffwolke (80) Ionisie­ rungselektroden (101) aufweist.4. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the device for electri cal charging of the fuel cloud ( 80 ) ionization electrodes ( 101 ). 5. Zündanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur elektri­ schen Aufladung der Kraftstoffwolke einen Laser auf­ weist.5. Ignition arrangement according to one of claims 1 to 3, there characterized in that the device for electri charging the cloud of fuel with a laser has.
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