DE2035877C - Anordnung und Ausbildung einer Zündkerze bei einer Diesel-Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

eier ho eingespritzte Kraftstoff sich auf der Brenn-'iriiumwand 'als tlünnor Film über eine große Oberfläche ausbreitet und die Brennraumwand auf einer ^Temperatur gehalten ist, die unterhalb der Zerfalltemperatur des. Kraftstoffes, jedoch in dessen Siedebereich liegt, Dabei verdampft der an der Wand "haftende Kraftstoff bis zur Zündung schwach, worauf nach Ausbildung der Flammenfront eine immer schneller werdende Verdampfung erfolgt, Die Lage der Ztindcjudle muß bei dieser Brennkraftmaschine xweckmäßigerweise dort liegen, wo zunächst eine Abdampfung de·? Kraftstoffes erfolgt und die für die Zündung erforderliche Mischung mit der Verbrennungsluft eintritt. Die Abdampfung des Kraftstoffes ferfolgt zunächst am Rande des Kraftstoffilms nach ^kurzer Verweilzeit im Brennraum. Dadurch bedingt, muß die Zündquelle einen beträchtlichen Abstand von der Einspritzdüse haben. Da die Verdampfungs- ' zeit von der Art des Kraftstoffes abhängt, müssen , leichtverdampfliche Kraftstoffe später eingespritzt »o werden als schwerverdampfliche. Der Einspritzzeitpunkt muß daher beim Wechsel der Kraftstoffarten geändert werden. Ferner ändert sich der Ort an dem die erste Verdampfung eintritt ebenfalls in Abhängigkeit von der Verdampfungsgeschwindigkeit und damit as von der Art des Kraftstoffes bzw. des Kraftstoff-. gemisches, so daß bei der Wahl der Lage der Zündhilfe ein Kompromiß zwischen den zur Verbrennung gelangenden Kraftstoffarten gewählt werden muß. Für die erste Verdampfung des Kraftstoffes ist ferner die Temperatur der Brennraumwand von ausschlaggebender Bedeutung. Diese muß daher, um eine einwandfreie Zündung zu erhalten, in engen Grenzen gehalten werden.

Es ist ferner eine Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt (französische Patentschrift 1534 228), bei der die Verbreanungsluft gegen Ende des Verdichtungshubes in einem im Kolben angeordneten, in der Grundform rotationssymmetrischen Brennraum kreist, der Kraftstoff nahe der Brennraumwand feinzerstäubt quer zur kreisenden Verbrennungsluft eingespritzt wind und eine Zündhilfe so angeordnet ist, daß ihr Heißpunkt bzw. ihre Funkenstrecke kurz hinter der Düse des Einspritzventils in Einspritzrichtung gerade am oder im Strahlmantel des Kraft-Stoffstrahles liegt. Dadurch soll die Zündwilligkeit der Brenrikraftmaschine erhöht werden. Die Zündkerze wird durch den austretenden Kraftstoffstrahl oder im Strahlmantel befindliche Tröpfchen unmittelbar getroffen. Es hat sich gezagt, daß bei einer solchen Anordnung der Zündkerze die Funkenstrecke durch größere Kraftstofftröpfchen blockiert werden kann, was zu Zündaussetzern führt. Ferner ändert sich die Ausbildung des Strahlmantels in Abhängigkeit vom verwendeten Kraftstoff und von der Belastung der Maschine, so daß der Zündfunke unter gewiesen Umständen kein zündfähiges Gemisch vorfindet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die aufgezeigten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine Diesel-Hubkolbenbrennkraftmasdiine zu entwickeln, mit der sowohl hochoktanige als auch niederoktanige Kraftstoffe klopffrei verbrannt werden können und Zündaussetzer vermieden werden. Sie wird erfindungsgemäß bei einer Diesel-Hubkolbenbrennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß die Zündhilfe eine Zündkerze ist, die, in Richtung der gegen Ende des Verdichtungshubcs in den Brennraum einsiromenilen Verbrennungsluft gesehen/, nahe hinter einem Kraftstoffstrahl, jedoch außerhalb des unmittelbaren Einflußbereiches de? Kraftstoffstrahles, angeordnet ist, und deren Funkenstrecke im Bereich des zum Zeitpunkt des Krafietoffcinspritzbeginns bestehenden Koi'benspaltes liegt, wobei die Funkenstrecke in an sich bekannter Weise gegenüber der Luftströmung durch ein Gehäuse geschützt ist, das bis zu vier Durcbbrüchß aufweist, die zusammen mindestens ein Viertel und höchstens die Hälfte des Gehäuseumfanges ausmachen,

Ί Durch die erfindungsgemäße Anordnung und Ausbildung der Zündkerze ist. es möglich, mit der für "den Dieselbetrieb bewährten Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß der französischen Patentschrift 1534228 auch hochoktanige Kraftstoffe zu verbrennen. Durch die aus dem Kolbenspalt infolge der der Drallströmung überlagerten radialen Bewegung spiralförmig in den Brennraum einströmende Luft wenden zuerst die feinsten Tröpfchen des im Querstrom eingespritzten Kraftstoffstrahles verweht und nach kurzer Flugstrecke verdampft. Die Zündkerze, die nicht unmittelbar vom Kraftstoffstrahl getroffen werden soll, ist so weit von diesem entfernt und ragt nur so weit in den Brennraum, daß nur Kraftstoildampf-Luft-Gemisch mit λ ~ 1 sie erreicht. Da die Zündkerze in heftigen Luftwirbeln steht, müssen Vorkehrungen gegen ein Ausblasen des Funkens und der beginnenden Flamme getroffen werden. Zu diesem Zweck ist die Funkenstrecke gegenüber der Luftströmung durch ein Gehäuse geschützt, das bis zu vier Durchbrüche aufweist, die zusammen mindestens ein Viertel und höchstens die Hälfte seines Umfanges ausmachen. Bei einer solchen Ausbildung hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, daß die Zündkerze eine zylindrische Mittelelektrode und eine diese stirnseitig überdeckende Masseelektrode aufweist und ihre Achse innerhalb eines gedachten Kegels mit 40° Kegelwinkel liegt, dessen Achse parallel zur Kolbenlängsachse verläuft. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Abstand üer Funkenstrecke vom Zylinderkopfboden im Bereich von 2,5 bis 5 mm liegt. Mit diesen Werten sind bei Üblichen Drallzahlen für die Luftbewegung und feinstzerstäubenden Einspritzdüsen gute Verbrermungswerte zu erreichen.

Um zu verhindern, daß bei Montagefehlern und Fertigungsungenauigkeiten der Einspritzdüse größere Kraitstofftröpfchen zur Funkenstrecke gelangen, wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß das laternenförmig ausgebildete Gehäuse der Zündkerze zwei Durchbrüche aufweist, die sich jeweils über 90° des Umfanges erstrecken und ein verbleibender Gehäuseteil zur Kraftstoffeinspritzdüse hinweist. Man erreicht dadurch, daß allenfalls entstandene größere, noch nicht verdampfte Kraftstofftröpfchen auf den verbleibenden Gehäuseteil auftreffen und dort tnfo'ge der hohen Temperatur verdampfen. Bei dieser Auisführungsform ist auch das Verhältnis der wärmeaufnehmenden Fläche zu den wärmeableitenden Querschnitten sehr günstig, was zur Verlängerung der Lebensdauer der Zündkerze beiträgt.

Zur Erreichung einer langen Lebensdauer der Zündkerze ist der zulässige minimale Elektrodenabstand von bedeutendem Einfluß. Dieser hängt unter anderem von der Elektrodentemperatur ab. Je höher

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diese ist, desto kleiner darf der Elektrodenabstand Verbrennungsluft. Quer zur kreisenden Verbrensein, ohne zu verzögerter Verbrennung oder gar zu nungsluft wird kurz vor dem Erreichen j.des oberen Aussetzern zu führen. Da aber hohe .-Elektroden- Totpunktes der Kraftstoff nahe der Brerinraumwand 3 temperatur rascheren Abbrand verursacht, kann der durch eine Einspritzvorrichtung 5 feinzerstäubt ein-Elektrodenabsfand nicht beliebig klein gewählt wer- '5 gespritzt und mittels einer Zündkerze 4 gezündet. den. Dehnungsunterschiede zwischen Mittel- und Dabei erfolgt die Einspritzung. des "Kraftstoffes an Masseelektrode können sonst bei bestimmten Be- der Seite des Brennraumes mit der längsten geraden triebszuständen zu Fehlzündungen führen. Zur.iEr- Mantellinie. Durch die feine Zerstäubung des; im reichung eines Optimums wird gemäß einer Ausge- Querstroni in die Randzone.des Brennraumes 2 einstaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß die Mittel- to gespritzten Kraftstoffes wird ein reaktionsträger elektrode der Zündkerze stirnseitig mit einer kleinen Kraftstoff-Luft-Gemischring gebildet. Dabei werden kegeligen Einbuchtung versehen ist. Der elektrische die aus der Einspritzvorrichtung 5 austretenden Kraft-Überschlag findet dadurch erst nur im engsten Spalt stoffstrahlen 6 vor der rotierenden Verbrennungsluft am Elektrodenumfang etatt, von wo aus die Flamme mitgenommen und deren Randzone verweht. Obersich gut ausbreiten kann. Erst bei wachsendem Ab- 15 halb des Brennraumes 2 bildet sich im Bereich des brand des Randes dringt der Funke mehr zur Elek- Kolbenspaltes 7 eine spiralförmig verlaufende Strötrodenmitte vor. Der sich erweiternde Spalt bietet mung der Verbrennungsluft aus, die sich aus der für die Flammen, die von der Elektrodenmitte aus- Verlagerung der Rotationsbewegung mit einer radial gehen, gute Ausbreitungsbedhrgungen. gerichteten Quetschströmung ergibt. Die Strömungs-

Die Lebensdauer der Zündkerze und ihre Funk- 2° richtung der Verbrennungsluft im Kolbenspalt 7 ist

tionssicherheit hängen im hohen Maße von den ge- durch Pfeile 8 angezeigt.

wählten Werkstoffen ab. Es hat sich gezeigt, daß Die Zündkerze 4 ist, in Strömungsrichtung der in gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung den Brennraum 2 auf Spiralbahnen einströmenden Zündkerzen besonders vorteilhaft sind, bei denen die Verbrennungsluft gesehen, nahe hinter einem der Masseelektrode aus niedriglegiertem Stahl besteht, 25 Kraftstoffstrahlen 6, jedoch außerhalb seines under durch Alitieren, Silizieren oder Inchromieren mitte!baren Einflußbereiches angeordnet, und ihre geschützt ist und zur Funkenstrecke hin ein im Va- Funkenstrecke 9 liegt im Bereich des bei Einspritzkuum (z. B. gold) eingelötetes, dünnes Plättchen aus beginn bestehenden Kolbenspaltes 7. Die Zündung Platin—Iridium in einem Verhältnis von· ungefähr wird etwa zugleich mit der Kraftstoffeinspritzung ein-90: 10 aufweist. Eine weitere Verbesserung erreicht 3° geleitet. Zur feineren Zerstäubung des Kraftstoffes ist man, wenn die Mittelelektrode ebenfalls ein im Va- es zweckmäßig, eine Einspritzvorrichtung 5 mit mehkuum gcldeingelötetes dünnes Plättchen aus Platin— reren Düsenbohrungen zu verwenden, deren Längsiridium im Verhältnis von 90:10 aufweist. achsen innerhalb eines 30°-Kegels liegen (Abb. 3).

Die 3 mm starke Abschlußplatte die die Masse- Es ist jedoch auch möglich, Einspritzvorrichtungen

elektrode bildet, ist im Bereich der Durchbrüche 35 mit einer einzigen Düsenbohrung zu verwenden. Die

kreisbogenförmig ausgebildet, womit in vorteilhafter Zündkerze 4 weist eine zylindrische Mittelelektrode

Weise der Gemischstrom zur Zündstrecke geleitet auf, die einen Kern 13 aus gut wärmeleitendem

wird. Die für den Elektrodenabbrand wichtige Elek- Werkstoff besitzt, der von einer Hülse 14 aus einem

trodentemperatur kann bei der Mittelelektrode durch Werkstoff höherer Festigkeit umgeben ist. Stirnseitig

eine Zweistoffeleicirode mit Kupfer oder Silberkern 4° ist der Kern 13 zur Funkenstrecke 9 mit einem Plätt-

und Stab!mantel gesenkt werden. eher. 15 aus einer Legierung von Platin—iridium im

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel Verhältnis von 90 : 10 verbunden. Die Hülse 14 und

der Erfindung schematisch dargestellt. das Plättchen 15 sind im Vakuum an die Mittel-

A b b. 1 zeigt teilweise einen Querschnitt durch elektrode 12 angelötet. Das äußere Gehäuse 17 der

einen Brennraum einer Diesel-Hubkolbenbrennkraft- 45 Zündkerze ist von der Mittelelektrode durch einen

maschine mit Verwirklichung der erfindungsgemäßen Isolierkörper 16 getrennt. Im Bereich des Endes der

Zündkcrzenanordnii-ig und -ausbildung; Mittelelektrode ist das Gehäuse 17 laternenförmig

Abb. 2 zeigt eiiv Draufsicht auf den Brennraum, ausgebildet. Seine beiden Durchbrüche 18 nehmen

entsprechend dem Pfeil II in Abb. 1; jeweils 90° des Umfanges ein und sind so gestaltet,

A b b, 3 zeigt eine Ansicht der Einspritzvorrichtung 5° daß ihre Kontur 21, im Gehäuse-Längsschnitt ge-

und der Zündkerze entsprechend dem Pfeil III in sehen, einem Kreisbogen entspricht. In die stirnseitige

Λ b b. 2; etwa 3 mm starke Abschlußplatte des lafernenförmi-

A b b. 4 zeigt einen teilweisen Längsschnitt durch . gen Gehäuses 17, die die Masseelektrode 19 bildet

die Zündkerze; ist ein Plättchen 20 aus einer Platin-Iridium-Legie-

A b b. 5 zeigt einen Querschnitt durch die Zünd- 55 1 ung so eingelassen und mit der Masseelektrode verkürze gemäß der Linie V-V in Abb. 4. lötet, daß im Bereich der Durchbrüche der Umfang

Mit 1 ist der Kolben einer Hubkolbenbrennkraft- des Plättchen!: 20 von einem etwa 0,5 mm breiten

maschine bezeichnet, in dem ein in der Grundform Rand 22 eingefaßt ist. Der Abstand zwischen Mittel-

rolationssymmctrischer Brennraum 2 angeordnet ist. und Masseelcktrode liegt vorzugsweise in einem Be-

Dcr Brennraum 2 besitzt gemäß dem Ausführung- 60 reich zwischen 0,15 und 0,6 mm. Alle hier getroffe-

bcispicl eine zylindrische Grundform, und seine ncn Maßnahmen werden zweckmäßig kombiniert an-

l.üngsachsc 10 ist zur Kolbcnlängsachsc Ii geneigt; gewendet und erhöhen so die Funküonssichcrheit

gegen linde des Verdichtungshubes kreist in ihm die der Brennkraftmaschine.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. l· 2 035 877 · "J

   1 2

   nes Plättchen (15) aus Platin—Iridium im Ver-

   Patentansprüchc: hältnis von 90; 10 aufweist,

   „ . 9. Zündkerze nach Anspruch 8j dadurch ge-

   i. Ausbildung und Anordnung einer Zündhilfe kennzeichnet, daß das Plättchen US) mn einem in der Nähe des Brennraumrandes einer Diesel- 5 inneren Kern (13) der Mittelelektrode (12) aus Hubkolbenbrennkraftmaschine, letztere mit einem gut wärmeleitendem Werkstoff verbünde« stin einem Kolben angeordneten, in der Grundform 10. Zündkerze nach einem der Ansprucne ι rotationssymmetrischen Brennraum, in dem gegen bis 9, dadurch gekennzeichnet, dall der βίβκ-Ende des Verdichtungshubes die Verbrennung*- ' trodenabstand in einem Bereich zwischen u,ia ', , luft kreist, und mit einer Kraftstoffeinsprltzdüse, ίο und 0,6 mm liegt, rhi deren Bohrung bzw. Bohrungen quer zur kreisen- 11. Zündkerze nach einem der Ansprüche l den Verbrennungsluft im Abstand von der bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse-Brennraumwand gerichtet sind, dadurch ge- elektrode (19) von einer das zylindrische Oe-„ ■ kennzeichnet, daß die Zündhilfe eine Zünd- häuse (17) stirnseitig abschließenden AbscnluU-kerze (4) ist, die, in Richtung (8) der gegen Ende 15 platte gebildet wird, die eine Stärke von z. B, ' des Verdichtungshubes in den Brennraum (2) ein- 3 mm aufweist, ,.
   Γ strömenden Verbrennungsluft gesehen, nahe 12. Zündkerze nach einem der Ansprucne 1 hinter einem Kraftstoffstrahl (6), jedoch außer- bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchhalb des unmittelbaren Einflußbereiches des brüche (18) des Gehäuses (17) in einem Längs-,· Kraftstoffstrahles (6), angeordnet ist, und deren ao schnitt die Kontur (21) eines Kreisbogens haben. fy Funkenstrecke (9) im Bereich des zum Zeitpunkt

   des Kraftstoffeinspritzbeginns bestehenden KoI- —

   i, benspaltes (7) liegt, wobei die Funkenstrecke (9)

   ^, in an sich bekannter Weise gegenüber der Luft- Die Erfindung befaßt sich mit einer Diesel-Hub-

   s strömung durch ein Gehäuse (17) geschützt ist, as kolbenbrennkraftmaschine mit einem in einem

   ζ das bis zu vier Durchbrüche (18) aufweist, die Kolben angeordneten, in der Grundform rotations-

   \, zusammen mindestens ein Viertel und höchstens symmetrischen Brennraum, in dem gegen Ende des

   f" die Hälfte des Gehäuseumfanges ausmachen. Verdichtungshubes die Verbrennungsluft kreist, und

   2. Zündkerze bzw. Zündkerzenanordnung nach mit einer in der Nähe des Brennraumrandes vorge-

   f Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die 30 sehenen Zündhilfe und einer Kraftstoff einspritzdüse,

   \\ Zündkerze (4) eine zylindrische Mittelelektrode deren Bohrung bzw. Bohrungen quer zur kreisenden

   P (12) und eine diese stirnseitig überdeckende Verbrennungsluft im Abstand von der Brennraum-

   t Masseelektrode (19) aufweist und ihre Achse wand gerichtet sind.

   'p innerhalb eines gedachten Kegels mit 40° Kegel- Man ist seit langem bemüht, Hubkolbenbrenn-

   fe winkel liegt, dessen Achse parallel zur Kolben- 35 kraftmaschinen zu entwickeln, die mit Kraftstoffen

   ρ längsachse (11) verläuft. sehr unterschiedlicher Oktanzahl optimal betrieben

   ζ 3. Zündker?nanordnung nach Anspruch 1 werden können.

   I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand Die Hauptschwierigfceit liegt in der Verkürzung ' der Funkenstrecke (9) vom Zylinderkopfboden der langen Zündverzugszeiten der hochoktanigen im Bereich von 2,5 bis 5 mm Hegt. 40 Kraftstoffe, die eine Entzündung und Verbrennung 4. Zündkerze bzw. Zündkerzenanordnung nach In der zur Verfügung stehenden kurzen Zeit bei noreinem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekenn- malen die-elmotorischen Verhältnissen unmöglich zeichnet, daß das Gehäuse (17) der Zündkerze macht. Das einzige Mittel zur Überwindung dieser (4) zwei Durchbrüche (18) aufweist, die sich Schwierigkeiten ist eine ausreichend hohe Tempejeweils über 90° des Umfanges erstrecken, und 45 ratur im Brennraum, und zwar bei allen Betriebsein verbleibender Gehäuseteil zur Kraftstoff- zuständen. Ein Weg zu diesem Ziel ist die Erhöhung einspritzdüse (5) hinweist. der Verdichtung in Verbindung mit lastabhängiger

   5. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 Vorwärmung der Ansaugluft. Damit ist jedoch erbis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel- höhte Bauteilbeanspruchußg und vermehrte Schwärzelektrode (12) stirnseitig mit einer kleinen kege- 50 rauchbildung im Gasölbetrieb verbunden.

   !igen Einbuchtung versehen ist. Eine weitere Möglichkedt bietet die Schaffung eines

   6. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 ldkalen Heißpunktes im Brennraum. Dies kann erbjs 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse- reicht werden durch eine Glühkerze oder eine Zündelektrode (19) aus niedriglegierion Stahl besteht, kerze. Die Glühkerze erfordert zur Erzeugung der der lurch Alitieren, Silizieren oder Inchroriieren 55 notwendigen Oberflächentemperatur eine hohe elekgescnützt ist und zur Funkenstrecke hin ein im trische Leistung. Außerdem ist die Haltbarkeit wegen Vakuum eingelötetes, dünnes Plättchen (20) aus der Dauertemperaturbelastung gering und stark Platin—Iridium in einem Verhältnis von un- streuend. Die Zündkerze bietet bei kleinem elekgefähr 90 .· 10 aufweist. . taschen Energieaufwand und ausreichender Lebens-

   7. Zündkerze nach Anspruch 6, dadurch ge- 60 dauer eine sichere Zündmögüchkeit auch hochoktakennzeichnet, daß zwischen dem eingelöteten rtiger Kraftstoffe. Voraussetzung für das Funktionieren Plättchen (20) und der äußeren Begrenzung der einer Zündkerzenzündung ist unter anderem die Masseelektrode (19) im Bereich der Durchbrüche richtige Lage der Zündkerze, im Brennraum.

   (18) ein schmaler" Rand (22), z. B, 0,5 mm breit, Es ist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt

   vorgesehen ist. 65 (deutsche Patentschrift 1019125), bei der ein Kraft-

   8; Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 stoffstrahi in geschlossener Strahlform bei jeweils

   bis 7, dadwok gekennzeichnet, daß die Mittel- kurzer freier Sirahlwegläiige derart unter einem

   elektrode (12) ein im Vakuum eingelötetes, dün- spitzen Winkel auf die Brennraumwand auftrifft, daß