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Verfahren zur Ladungszündung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine
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und Hubkolbenbrennkraftmaschine zur Durchführung dieses Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ladungszündung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff des An-.spruches 1 und eine Hubkolbenbrennkraftmaschine zur
Durchführung dieses Verfahrens.
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Bei Diesel-Brennkraftmaschinen ist es bekannt, im Verbrennungsraum,
insbesondere in einer Vorkammer eine Glühkerze als Starthilfe anzuordnen, die kurze
Zeit vor Anlassen der Brennkraftmaschine auf Glühtemperatur aufgeheizt wird und
bei noch kalter Brennkraftmaschine die Ladungszündung auslöst. In den meisten Fällen
wird die Glühkerze unmittelbar nach erfolgtem Anlassen der Dieselmaschine von Hand
beispielsweise durch Rückdrücken des Starterknopfes wieder abgeschaltet. Es ist
auch bekannt, die Abschaltung der Glühkerze selbsttätig vorzunehmen bei Kraftfahrzeugen,
bei denen die Maschine durch Drehen des
Zündschlüssels gestartet
wird. Auch diese Abschaltung erfolgt unmittelbar oder allenfalls mit nur geringer
Zeitverzögerung nach dem Starten der Maschine. Da bei diesen bekannten Verfahren
die Glühkerze unmittelbar oder sehr kurze Zeit nach dem Starten der Dieselmaschine
wieder abgeschaltet wird, findet der Übergang auf Selbstzündung der Ladung bei noch
praktisch kalter Dieselmaschine statt und hierdurch entsteht infolge des bei noch
relativ kalter Maschine starken Zündverzuges zunächst schlechtes Durchbrennen der
Ladung mit der Folge erheblicher Rußbildung, starkem Geräusch (Nageln) und ähnliche
unerwünschten Nebenerscheinungen, was sich erst beim weiteren Warmlaufen der Maschine
zurückbildet.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ausgehend von einem Verfahren gemäß
dem Oberbegriff des Anspruches 1 die Glühzündung von Hubkolbenbrennkraftmaschinen
zu verbessern und ihr auch nex Betriebsgebiete zu erschließen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnende Teil
des Anspruchesiangegebenen Merkmale gelöst.
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Dieses erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl bei Dieselmaschir angewendet
werden, als auch bei Otto-Motoren, wobei in letztere Falle die Glühkerze dann an
die Stelle der Zündkerze des betreffenden Verbrennungsraumes tritt. Bei Anwendung
des erfindur gemäßen Verfahrens bei Dieselmaschinen wird die Glühzündung der Ladung,
d. h. des Kraftstoff-Luft-Gemisches, zumindest für den Kaltstart und einen Teilbereich
des Warmlaufens der Dieselmaschine angewendet, so daß frühestens erst dann auf Ladungszündung
durch
Selbstzündung übergegangen wird, wenn die Dieselmaschine sich bereits soweit warm
gelaufen hat, daß die Selbstzündung nur noch geringen Zündverzug hat und so gutes
Durchbrennen der Ladung ohne das sogenannte Nageln stattfindet. Durch die Erfindung
gelingt es also, das Nageln von Dieselmaschinen beim Start und Warmlaufen und damit
störende Geräuschbildung und auch während des Warmlaufens unerwünscht hohen Ausstoß
teilverbrannter Abgasbestandteile zu vermeiden Auch kann bei Dieselmaschinen oft
zweckmäßig vorgesehen sein, auch bei betriebswarmer Maschine zeitweise auf Einleiten
der Ladungszündung durch die Glühkerze bzw.
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Glühkerzen wieder überzugehen, und zwar bei Leerlauf und/oder in niedrigen
Lastbereichen, in denen die Selbstzündung ebenfalls oft störend.grossen Zündverzug
haben kann.
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einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, die sich auf eine
Dieselmaschine bezieht, ist vorgesehen, daß das Fühlen der Temperatur der Glühkerze
dazu dient, um die Glühkerze selbsttätig abzuschalten, wenn diese Temperatur einen
vorbestimmten hohen Wert erreicht hat, beispielsweise 8000 C, wobei mit konstantem
oder variablem Heizstrom für den Heizwiderstand der Glühkerze gearbeitet werden
kann, das Ganze derart, daß der Heizstrom die Glühkerze bei einer Umgebungstemperatur
von 200 C nur auf einen erheblich, vorzugsweise mindestens 800 C unter dem Abschalttemperaturwert
der Glühkerze liegenden Wert erhitzen kann, beispielsweise auf 6000 C, und deshalb
erst während des Warmlaufens der Dieselmaschine durch die im betreffenden Verbrennungsraum
entstehenden hohen Temperaturen die Glühkerze so stark zusätzlich beheizt wird,
daß sie den ihrem Abschalten dienenden hohen Eigentemperaturwert
erreicht.
Hierdurch findet also eine Abschaltung der Glühkerze in Abhängigkeit der infolge
des Warmlaufens der Maschine ansteigenaen Glühkerzentemperatur statt. Zweckmäßig
wird die Abschalttemperatur der Glühkerze so hoch vorgesehen, daß diese Abschalttemperatur
erst erreicht wird, wenn die Dieselmaschine sich bereits so stark erwärmt hat, daß
Selbstzündung der Ladung mit nur noch geringem Zündverzug stattfinden kann.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, daß die Giühkerze nicht mit konstanter
Gleichspannung gespeist wird, sondern sie kann mit besonderem Vorteil mit verstellbarer
Speisespannung oder mit Stromimpulsfolgen verstellbaren Impuls-Pausen-Verhältnis
gespeist werden, so daß sehr variable Beheizung der Glühkerze erreicht werden kann.
Dabei kann der Heizwiderstand der Glühkerze ein temperaturunempfindlicher Widerstand
sein, der seinen Widerstandswert also nicht in Abhängigkeit seiner Eigentemperatur
nennenswert ändert.
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Es ist jedoch auch möglich, den Heizwiderstand als temperaturabhängigen
Widerstand, vorzugsweise als PCT-W.iderstand vorzusehen.
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Die Höhe der Temperatur der Glühkerze beeinflusst den Zündzeitpunkt.
Dies ist besonders ausgeprägt dann, wenn der Kraftstoff der Luft bereits ausserhalb
des Verbrennungsraumes beigemischt wird, bzw. mittels
eines Vergasers
oder durch Einspritzen in das Ansaugrohr, was allerdings nur für leichtflüchtige
Kraftstoffe zweckmäßig.ist, oder wenn mit dem Einspritzen des Kraftstoffes in den
Verbrennungsraum während des Verdichtungstaktes bereits so weit vor dem oberen Totpunkt
des Kolbens begonnen wird, daß zu diesem Zeitpunkt die Ladung noch nicht gezündet
werden kann, vorzugsweise 30 - 500 vor OT (OT = oberer Totpunkt des Kolbens). Der
Kraftstoff kann in letzterem Falle u.a. auch Leichtöl und/oder Schweröl sein. In
manchen Fällen ist es auch denkbar, den Kraftstoff während des Verdichtungstaktes
in den Verbrennungsraum erst bei so hohen Verdichtungen einzuspritzen, daß der Einspritzzeitpunkt
den Zündzeitpunkt mitbestimmt, wobei jedoch die Temperatur der Glühkerze den Zündverzug
reduzieren kann.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, daß die Temperatur der Glühkerze geregelt
und der Temperatursollwert in Abhängigkeit mindestens eines Betriebsparameters der
Brennkraftmaschine geführt wird. Solche Betriebsparameter können vorzugsweise sein:
Drehzahl der Brennkraftmaschine; Unterdruck im Ansaugrohr (insbesondere dann/ wenn
im Ansaugrohr stromaufwärts der Meßstelle eine Drosselklappe zur Leistungssteuerung
angeordnet ist); eine Wandtemperatur des Verbrennungsraumes der Brennkraftmaschine;
die
Temperatur eines.Kühlmediums, vorzugsweise einer Kühlflüssigkeit,
der Brennkraftmaschine; Schmieröltemperatur der Brennkraftmaschine; die Stellung
des Leistungssteuerorganes der Brennkraftmaschine, also bei Kraftfahrzeugen die
Stellung des Gaspedales; Abgastemperatur und dergleichen. Derartige Maßnahmen können
nicht nur bei Dieselmaschinen vorgesehen sein, sondern auch bei Hubkolbenbrennkraftmaschinen,
bei denen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Ladungszündung
im gesamten Leerlauf- und Lastbereich der Brennkraftmaschine ausschließlich durch
die Glühkerze oder bei Vorhandensein mehrerer Zylinder durch die betreffenden Glühkerzen
erfolgt. In letzterem Falle handel.tes sich praktisch um eine Otto-Maschine, die
jedoch anstelle der Zündkerze oder Zündkerzen eine Glühkerze bzw.
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Glühkerzen aufweist, die im gesamten Betrieb die Zündung der Ladungen
vornehmen, wobei die erforderliche Zündzeitpunktverstellung durch selbsttätige Verstellung
der Temperatur der Glühkerze vorgenommen wird, welche Verstellung durch Steuerung
oder durch Regelung vorgenommen werden kann, wobei in letzterem Falle der Temperatursollwert
der Glühkerze in geeigneter Weise in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter
der Maschine geführt wird.
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bevorzugen Dies sei an einem Beispiel noch näher erläutert:
Bekanntlich
muß die Zündung der Ladung um so früher erfolgen, je höher die Drehzahl der Maschine
und je niedriger die Last ist Man kann nun ein Temperaturkennfeld für die diesem
Sachverhalt Rechnung tragende, den Zündzeitpunkt bestimmende Temperatur der Glühkerze
aufstellen, das als Parameter die den Zündzeitpunkt bestimmenden Betriebsparameter
der Maschine berücksichtigt, beispielsweise die Maschine drehzahl und die beispielsweise
durch den Saugrohrunterdruck und/oder sonstige Einflußgrößen bestimmte Last. Je
früher die Zündung erfolgen soll, um so höher muß die Temperatur der Glühkerze sein
Ein solches Temperaturkennfeld gibt also den Sollwert der Temperatur der Glühkerze
in Abhängigkeit der betreffenden Betriebsparameter an und man gibt diese Betriebsparameter
in einen gemäß dem Temperaturkennfeld programmierten Mikroprozessor oder einen sonstigen
Rechner oder sonstigen Wandler ein, der dann den momentan erforderlichen Sollwert
der Glühkerzentemperatur aus den Momentanwerten der eingegebenen Betriebsparameter
ermittelt und diesen geführten Sollwert in einen Regler eingibt, dem auch der durch
den Temperaturfühler der Glühkerze gefühlten Istwert der Glühkerzentemperatur eingegeben
wird, so daß er aus dein Istwert und Sollwert die Regelabweichung bildet, die dann
in bekannter Weise durch den Regler in eine Steuergröße für den Heizstrom des Heizwiderstandes
der Glühkerze umgewanCelt wird und auftretende Regelabweichungen werden fortlaufend
ausgeregelt
Auch bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
bei Dieselmaschinen ist es besonders zweckmäßig, die Glühkerzentemperatur zu regeln.
Dies gilt auch dann, wenn die Glühkerze oder Glühkerzen die Ladungszündung nicht
nur während des Startens und während eines Teilbereiches des Warmlaufens übernimmt,
sondern auch dann, wenn, wie beschrieben, die Glühkerze auch bei warmgelaufener
Dieselmaschine Ladungszündung im Leerlauf und/oder in niedrigen Teillastbereichen
einleitet, wobei hier ebenfalls ein Temperaturkennfeld wie vorbeschrieben aufgestellt
werden kann, das jedoch nicht nur den momentanen Sollwert der Glühkerzentemperatur
bestimmt, sondern vorzugsweise auch bestlinmen kann, wenn die Glühkerze ein und
auszuschalten ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Glühkerzentemperatur
unmittelbar vor dem Kaltstart der Maschine auf einen vorbestimmten hohen konstanten
Sollwert geregelt, beispielsweise auf 800°C und dieser hohe konstante Sollwert bleibt
solange aufrecht erhalten, bis die mittlere Verbrenuncs-aumtawp2rat^= stark an der
Beheizung der Glühkerze teilnimmt, cegebenenfalls deren Temperatur bereits maßgebend
beeinflußt. Es spielt sich dann ab dem Kaltstart der Maschine folgendes im Regelkreis
der Glühkerze ab.
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Zu Startbeginn wird der Sollwert der Glühkerzentemperatur allein durch
den Heizstrom der Glühkerze eingehalten, der entsprechend hoch ist. Wenn nach dem
Starten der Maschine mit zunehmender Eigentemperatur des Verbrennungsraumes. die
Glühkerze zunehmend
mitbeheizt wird, reduziert der Temperaturregler der Glühkerze selbsttätig den Heizstrom
um so stärker, je höher der Anteil der Beheizung der Glühkerze durch die im Verbrennungsraum
herrschende mittlere Temperatur ist. Man kann nun bevorzugt vorsehen, daß, wenn
der Heizstrom der Glühkerze unter einem vorbestimmten Wert absinkt, daß dann die
Glühkerze abgeschaltet wird, d.h. ihr kein Heizstrom mehr zugeführt wird, so daß
nunmehr die Zündung der Ladung im weiteren durch Selbstzündung erfolgt. Dieser untere
Grenzwert des Heizstromes kann gegebenenfalls ein über einen kurzen Zeitbereich
gemittelter Mittelwert sein, insbesondere dann, wenn, wie bevorzugt vorgesehen,
der Heizstrom kein Gleich- oder Wechselstrom ist, sondern als Impulsfolge dem Heizwiderstand
der Zündkerze aufgedrückt wird. Unter einer Impulsfolge ist eine Folge von in zeitlichem
Abstand auftretenden Impulsen vorzugsweise konstanter Stromstärke verstanden und
der Heizstrom wird in diesem Fall durch Veränderung des Impuls-Pausen-Verhältnisses
dieser
Impulsfolge verstellt. Wenn der Heizwiderstand ein temperaturabhängiger Widerstand
ist, kann man ebenfalls zweckmäßig konstante Spannung der Stromimpulse vorsehen.
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Es ist jedoch auch möglich und in vielen Fällen auch zweckmäßig, den
Heizstrom als Gleich- oder echselstrom vorzusehen, in welchem Falle die Stromstärke
anstelle des Impuls-Pausen-Verhältnisses verstellt wird.
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Die Erfindung ist bevorzugt für 4-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine
vorgesehen, doch kann sie auch bei 2-Takt-Brennkraftmaschinen ebenfalls vorgesehen
sein, und zwar sowohl bei Dieselmaschinen als auch bei im Prinzip Otto-Maschinen
entsprechenden Maschinen, bei welch letzteren anstelle der Zündkerzen erfindungsgemäß
Glühkerzen die Zündung im gesamten Betrieb vornehmen.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine
vorgesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß in dem bzw. in jedem ihrer Verbrennungsräume
eine Glühkerze eingesetzt ist und daß mindestens eine dieser Glühkerzen einen Temperaturfühler
zum Fühlen ihrer Temperatur aufweist.
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Wenn die Maschine mehrere Zylinder aufweist1 ist es im allgemeinen
voll ausreichend, wenn nur eine einzige dieser Glühkerzen einen Temperaturfühler
zum Fühlen ihrer Eigentemperatur aufweist und daß die Heizströme der Glühkerzen
jeweils gleich groß vorgesehen werden, vorausgesetzt natürlich, daß diese Gldhkerzengleich
ausgebildet sind und durch gleiche Heizströme auf gleich große Temperaturen aufgeheizt
werden. Dabei können auch alle Glühkerzen Temperaturfühler aufweisend wobei es jedoch
nur erforderlich ist, daß der Temperaturfühler einer dieser Glühkerzen zur Steuerung
oder Regelung der Glühkerzentemperatur verwendet wird.
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Der Temperaturfühler kann an der Glühkerze vorzugsweise in der Nähe
ihres freien, die höchste Temperatur aufweisenden Endes angeordnet sein, wobei bevorzugt
vorgesehen sein kann, daß die Glühkerze einen Mantel (Glührohr) geringen Durchmessers
aufweist, dessen freies Ende abgeschlossen ist und innerhalb dieses Mantels befindet
sich der Heizwiderstand. Der Temperaturfühler kann dann zweckmäßig ebenfalls innerhalb
dieses Mantels angeordnet sein, vorzugsweise ein Thermoelement oder ein temperaturempfindlicher
Widerstand sein1 der besonders zweckmäßig im Inneren dieses Mantels an cderSeiner
Stirnwand angeordnet sein kann. Dabei kann zur weiteren baulichen Vereinfachung
der Glühkerze gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß der innerhalb
des
Mantels der Glühkerze angeordnete Heizwiderstand mit seinem
einen Ende an diesen mantel angeschlossen ist und daß die Materialien des metallischen
Heizwiderstandes und des Mantels so getroffen sind, daß ihre Kontaktstelle ein Thermoelement
bildet, welches den Temperaturfühler bildet, wobei ferner die vorbeschriebene Maßnahme
der impulsweisen Zuführung des Heizstromes vorgesehen ist und die Thermospannung
wird jeweils in den Pausen zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen gemessen.
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Damit dabei nicht die während der Stromimpulse auftretende hohe Temperatur
des Heizwiderstandes gemessen wird, ist es zweckmäßig, die Pausen zwischen aufeinanderfolgenden
Impulsen so lang vorzusehen, daß die übertemperatur des Heizwiderstandes über die
Manteltemperatur jeweils bereits wieder zu einem erheblichen Maß abgeklungen ist,
wenn die Messung der Thermospannung vorgenommen wird. Das Pausenverhältnis kann
zu diesem Zweck vorzugsweise mindestens 0,5 sec. oder mehr betragen. Die Umschaltung
von der Aufheizung des Heizwiderstandes auf Messung der Thermospannung und zurück
kann mittels einer geeigneten Umschaltvorrichtung erfolgen, die den Heizwiderstand
abwechselnd an die den Heizstrom steuernde Steuerschaltung und an eine Meßschaltung
zum Messen der Thermospannung anschaltet, vorzugsweise derart, daß die Umschaltung
auf die Meßschalschaltung
eine vorbestimmte kurze Zeitdauer nach
Beendigung eines Heizstromimpulses stattfindet und die Wiederumschaltung auf die
Heizstrom-Steuerschaltung zweckmäßig sofort nach erfolgter Meßung der Thermospannung,
die kaum Zeit beansprucht, vorgenommen wird.
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Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Glühkerze sieht vor,
daß der Heizwiderstand ein temperaturabhängiger Widerstand, vorzugsweise ein PCT-Widerstand
ist, daß ferner der Heizstrom als Impulsfolge zugeführt wird und daß der elektrische
Widerstand des Heizwiderstands in den Pausen der Heizstrom-Impulsfolge gemessen
wird, so daß dann der Heizwiderstand gleichzeitig als Temperaturfühler zum Fühlen
der Temperatur der Glühkerze dient. Auch hier kann die Messung des Widerstands des
Heizwiderstandes wie im Falle des vorbeschriebenen Thermoelementes in vorbestimmtem
Zeitabstand nach jedem Heizstromimpuls stattfinden Eine besonders einfache Einstellung
des jeweiligen Zündzeitpunktes der Ladung bei Zündung durch die Glühkerze, die alle
auf den richtigen Zündzeitpunkt sich auswirkenden Betriebsparameter selbsttätig
erfaßt, kann erfindungsgemäß dadurch vorgesehen sein, daß
die Ankunft
der Flammenfront der im Verbrennungsraum verbrennenden Ladung an einer vorbestimmten
Stelle des Verbrennungsraumes gefühlt wird, welche Stelle vorzugsweise so großen
Abstand von der Glühkerze hat, daß die Flammenfront erst an der Fühlstelle, an der
ihre Ankunft gefühlt wirdr anko.mmt, wenn der Kolben den oberen Totpunkt während
des Verbrennungstaktes bereits überschritten hat und sich also bereits wieder in
Abwärtsbewegung befindet,wobei ferner ein vorbestimmter Wert des Kurbelwellenwinkels
gefühlt wird, bei welchem die Flammenfront an ihrer Fühlstelle ankommen soll, und
daß Koinzidenz der Ankunft der Flammenfront an ihrer Fühlstelle und Erreichen des
vorbestimmten Kurbelwellenwinkels durch Verstellung der Temperatur der Glühkerze
zur Verstellung des Zündzeitpunktes geregelt wird. Hierdurch wird automatisch bei
jedem Betriebszustand der Maschine ein jeweils günstiger Zündzeitpunkt selbsttätig
eingestellt. Dabei kann der vorbestimmte Kurbelwinkel konstant sein oder zur weiteren
Optimierung des Zündzeitpunktes in Abhängigkeit mindestens eines Betriebsparameters
der Brennkraftmaschine verstellt werden. Der Temperaturfühler der Glühkerze wird
hierbei an sich nicht benötigt, doch kann er zweckmäßig zur Begrenzung einer vorbestimmten
Maximaltemperatur der Glühkerze, die nicht überschritten werden soll, auch bei dieser
Zündzeitpunktsteuerung vorgesehen sein, indem er bei Fühlen dieser Maximaltemperatur
die
Steuer- oder Regelvorrichtung für den Heizstrom so beeinflußt, daß er die Glühkerze
nicht oder nicht wesentlich über die vorgesehene Maximaltemperatur hinaus aufheizen
kann In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt Es zeigen:
Fig. 1 einen Teillängsschnitt einer 4-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine, wobei ein
Regelkreis zur Regelung der Temperatur einer Glühkerze als Blockschaltbild mit dargestellt
ist, Fig. 2 eine schematisch teilweise Untenansicht des Zylinderkopfes des in Fig.
1 dargestellten Zylinders der Brennkraftmaschine Fig. 3 bis 5 je einen Längsabschnitt
durch eine Glühkerze gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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Der in Fig. 1 im Längsschnitt ausschnittsweise dargestellte Zylinder
ist der einzige oder einer von mehrere.
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Zylindern der betreffenden Hubkolbenbrennkraftmaschine, bei der es
sich um eine Dieselmaschine oder eine nach dem Otto-Prinzip arbeitende Brennkraftmaschine
handeln kann, wobei im letzteren Falle die in den Verbrennungsraum 25 dieser Maschine
durch Einschrauben in den Zylinderkopf 17 eingesetzte Glühkerze 10 die Zündung der
jeweiligen Ladung im gesamten Betrieb der Brennkraftmaschine übernimmt. Wenn diese
Maschine dagegen eine Dieselmaschine ist, übernimmt die Glühkerze 10 die Zündung
der Ladung nur beim Starten der Maschine und einem anschließenden Teilbereich des
Warmlaufens der Maschine oder gegebenenfalls auch während des gesamten Warmlaufens
der Maschine. Gegebenenfalls kann die Glühkerze auch dann die Zündung bewirken,
wenn die Dieselmaschine nach dem Warmlaufen im Leerlaufbetrieb und/oder niedrigen
Teillastbetrieb arbeitet, bei welchem durch die Glühkerzenzündung der Zündverzug
zur Verbesserung der Verbrennung verringert werden soll.
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Die erfindungsgemäße Maschine, gleichgültig, ob sie zeitweise nach
dem Dieselprinzip arbeitet oder die Ladungszündung ausschließlich durch Glühzündung
erfolgt, kann mit üblichen Kraftstoffen betrieben werden,
wobei
sowohl flüssige als auch gasförmige Treibstoffe infrage kommen. Das Verdichtungsverhältnis
kann bei Verwendung von für Otto-Motoren bestimmten Treibstoffen, wie Benzin und
Benzol, den bei Otto-Motoren üblichen Verdichtungsverhältnissen entsprechen, wobei
vorzugsweise das Verdichtungsverhältnis an der oberen Grenze der bisher üblichen
Verdichtungsverhältnisse von 1 : 12 bis 1 : 14 liegen kann Wenn die Maschine ausschließlich
mit Dieselöl betrieben wird, kann sie Verdichtungsverhältnisse wie bei Dieselmaschinen
üblich haben, vorzugsweise relativ niedrige, ihren Gesamtwirkungsgrad erhöhende
Verdichtungsverhältnisse Die Erfindung ermöglicht auch, daß die Maschine als soyenannte
Mehrstoffmaschine eingesetzt werden kann, die wahlweise mit unterschiedlichen Kraftstoffen,
wie Benzin, Leichtöl und Schweröl betrieben werden kann, wobei ihre Umstellung auf
den jeweils vorgeschriebenen Kraftstoff in bekannter Weise erfolgen noch kann, wobei
allenfalls/der weiter unten noch näher beschriebene Sollwertgeber 64 durch Änderung
seines programmierten Temperaturkennfeldes dem jeweiligen Kraftstoff angepasst werden
kann, falls dies überhaupt notwendig sein sollte.
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Bei Dieselmaschinen ermöglicht die erfirdungsgernäße Maßnahme auch
den Start bei relativ niedrigen Verdichtungsverhältnissen von beispielsweise ebenfalls
1 : 12 bis 1 : 14, was sich günstig auf den Gesam.twirkungsgrad der Dieselmaschine
trotz des relativ niedrigen Dichtungsverhältnisses wegen Verringerung der Verlustleistung
auswirkt.
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Wenn die Glühkerze 10 nicht nur während des Startens und während der
Warmlaufphase der Dieselmaschine wirksam ist, sondern, wie erwähnt auch nach dem
rlaufen im Leerlauf und/oder, in niedrigen Teillastbereichen die Zündung bewirkt
bzw. einleitet, dann ist diese Dieselmaschine an sich keine reine Dieselmaschine
mehr, da sie nur noch zeitweise nach dem Dieselprinzip arbeitet. Auch in dem Fall,
wenn die Glühzündung während des gesamten Betriebes der Maschine stattfindet, .
arbeitet diese Maschine zwar infolge der durch die Glühzündung bewirkten Fremaz^mdwng
als Otto-Maschine, die sich jedoch von den bekannten Otto-Brennkraftmaschinen dadurch
unterscheidet, daß sie keine kostenaufwendige Zündkerzen-Zündanlage hat und ohne
aufwendige Maßnahmen auch für den Betrieb mit schwereren Kraftstoffen, wie Leichtöl
oder sogar Schweröl vorgesehen werden kann, da die Glühzündung auch Ladungen, die
aus Gemischen solcher schwerer Kraftstoffe mit Luft bestehen, noch zünden kann,
was mit den normalen Zündkerzen nicht möglich ist. Es gibt zwar auch Sonderbauformen
von Zündkerzen-
Zündanlagen, mit denen aus Luft und Leichtöl bestehen
de Ladungen gezündet werden können; doch gelingt dies nur durch eine außerordentlich
aufwendige Zündanlage, die bei jedem Zündvorgang eine Mehrzahl oder Vielzahl von
Zündfunken extrem hoher Energie in äusserst kurzer Aufeinanderfolge auslösen muß,
welche Zündanlagen sich wegen ihres großen Aufwandes z.B. nicht für normale Kraftfahrzeuge
wie PKW, Krafträder und leichtere Lastwagen eignen. Die Erfindung eignet sich dagegen
insbesondere auch für solche leichteren Kraftfahrzeuge, da die Glühkerzen Zündanlage
einfach, billig und unkompliziert ist.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Zylinder ist in der dargestellten
oberen Totpunktstellung des Kolbens 9 der Verbrennungsraum 25 zum grössten Teil
durch eine in den Kolbenboden 11 eingelassene Mulde 12 gebildet und der Kraftstoff
wird während des Verdichtungstaktes während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 9 mittels
einer Einspritzdüse 14 (Fig. 2) eingespritzt. Wenn die Zündung der Ladung durch
die Glühkerze 10 erfolgt oder erfolgen soll, dann erfolgt der Beginn des Einspritzens
des Kraftstoffes so früh während des Verdichtungstaktes, daß die Zündung durch die
Glühkerze 10 und nicht durch Selbstzündung eingeleitet wird. Zu diesem Zweck kann
vorzugsweise vorgesehen sein, daß mit dem Einspritzen des Kraftstoffes während des
Verdichtungstaktes bei 30-50° Kurbelwellenwinkel vor OT begonnen wird. Wenn die
Maschine
so betrieben wird, daß sie zeitweise auch mit Selbstzündung
der Ladung arbeitet, also die Glühkerze 10 außer Funktion ist, dann muß natürlich
der Beginn des Einspritzens auf später als vorgenannt verlegt werden, wie es bei
herkömmlichen Dieselmaschinen der Fall ist Wenn also bei einer Dieselmaschine während
ihres Betriebes von Glühzündung auf Selbstzündung umgeschaltet wird, dann wird der
Beginn des Einspritzens in der erforderlichen Weise auf kleinere Kurbelwellenwinkel
vor OT verlegt.
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Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, daß der Kraftstoff
während des Verdichtungstaktes in den Verbrennungsraum eingespritzt wird, sondern
ist auch anwendbar, wenn der Kraftstoff der Luft mittels Vergaser oder mittels Einspritzens
in das Saugrohr zugeführt wird. Dies setzt allerdings relativ leichtflüssige Kraftstoffe
voraus, damit die erforderliche Gemischaufbereitung erfolgreich möglich ist.
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Auch ist die Erfindung nicht nur bei 4-Takt-Brennkraftmaschinen anwendbar,
sondern auch bei 2-Takt-Brennkraftmaschinen. Eine solche Möglichkeit ist in Figur
1 strichpunktiert angedeutet, indem mindestens je ein Spülkanal 19 und Auslaßkanal
19'
in der Warung der Kolbenlaufbahn des Zylinderblockes 18 vorgesehen
sind. In diesem Falle entfallen dann die Ventile 16, 20 und der oberhalb des Kolbens
befindliche Bereich des Zylinserkopfes ist dann wie bei 2-Takt-Maschinen üblich
abgeschlossen. Auch andere 2-Takt-Maschinen sind möglich, beispielsweise können
im Zylinderkopf ein oder mehrere Aus laßventile vorgesehen sein.
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Nachfolgend wird die in Fig 1 und 2 dargestellte 4-Takt-Brennkraftmaschine
näher beschrieben. Die den Gaswechsel der Maschine steuernden, hängenden Ventile
16, 20 sind im Zylinderkopf 17 angeordnet.
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Der Gaseinlaßkanal ist mit 23 und der Auslaßkanal mit 24 bezeichnet
Im Zylinderkopf 17 ist ferner ein rinnenförmiger Leitkanal 22 vorgesehen. In ihn
werden aus den beim Verdichtungstakt in der Nähe der oberen Totpunktstellung des
Kolbens 9 entstehenden Quetschzonen Ladungsteile verdrängt, die durch ihn ungefähr
tangential in die Mulde 12 des Kolbens eingeleitet werden und hier eine Drallströmung
(Pfeil B) erzeugen, die den Verbrennungsablauf begünstigt und den Ausbrenngrad erhöht.
Der Rand dieser Mulde 12 ist in Fig. 2 strichpunktiert mit eingezeichnet und das
Auslaßventil 20 kann sich in diese Mulde 12 hinein öffnen.
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Die Glühkerze 10 der Fig. 1 hat eine ausbildung gemäß Fig. 5 und weist
einen Temperaturfühler 60 zum Fühlen ihrer Eigentemperatur auf, de fü.r die Ladungszündung
maßgebend ist. Diens ist die Eigentemperatur ihres in der oberen TorLunktstellung
des Kolbens 9 in die mulde 12 hineinracnden freien Endes. In dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 und 5 ist dieser Temperaturfühler 60 durch einen kleinen temperaturempfindlichen
Widerstand, beispielsweise einen NTC-Widerstand oehildet, dessen Fühlwertt wenn
gewünscht, durch ein nicht daelektronisches gestélltes/Linearisicrunysnetzwerk linearisiert
werden kann. Dieser Temperaturfühler 60 fühlt die Temperatur der unteren Stirnwand
eines Mantels (Glührohres)55 der Glühkerze 10 und ist ihrer eine zweiadrige Leitung
61 an eine sie speisende Speise-und Verstärkerschaltung 62 angeschlossen, deren
Ausgangssignal als Temperatur-Istwert dem Istwerteingang eines Reglers 63 aufgedrückt
wird. Im 55 Glührohr/ist ferner der elektrische Heizwiderstand 42 der Glühkerze
10 angeordnet, der über eine Leitung 52 an eine Steuerschaltung 51 angeschlorsen
ist. Dieser Regler 63 hat ferner einen Sollwerteingang für den von dem Sollwert-Gcber
64 gelieferten Temperatur-Sollwert für die Eigentemperatur der Glühkerze 10. Dieser
Sollwo er 64
liefert in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
einen gleitenden Sollwert, dessen Grö.Xe aus ihm eingegebenen Eingabendaten gemäß
einem vorbestimmten, programmierten Temperaturkennfeld berechnet wird, so daß sich
dieser Sollwert in .tbhängigkeit der betreffenden Parameter des Temperatur-Kennfeldes
ändert. In einfachen Fällen kann auch ein konstanter Sollwert vorgegeben werden,
wie weiter oben beschrieben ist. In diesem Fall kann der Sollwert-Geber vorzugsweise
auf einen jeweils gewünschten konstanten Sollwert eingestellt werden. Der Sollwert-Giaer
64 und der Regler 63 bilden eine Regelvorrichtung, der der Temperaturfühler 60 als
Istwert-Geber zugeordnet ist.
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In diesem Regler 63 wird die Regelabweichung zwischen Sollwert und
Istwert gebildet, d.h. ihre Differenz ermittelt und diese Regelabweichung wird in
irgendeiner geeigneten Weise im Regler verarbeitet, welcher Regler beispielsweise
ein P-Regler, PI-, PID-Regler oder in einfachen Fällen auch ein unstetiger Regler,
beispielsweise ein Zweipunkt-Regler oder ein sonstiger geeigneter Regler sein kann.
Das Regler-Ausgangssignal wird der über die Leitung 50 von einer Batterie gespeisten
Steuerschaltung 51 für den Heizstrom des Heizwiderstandes aufgedrückt und bestimmt
die Größe dieses Heizstromes, wobei bei zu geringem Istwert der Temperatur der Glühkerze
10 dieser von der genannten Batterie gelieferte Heizstrom vergrössert und bei zu
grossem Istwert dieser Heizstrom verringert wird.
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Wenn die Brennkraftmaschine mehrere derartige Zylinder mit zugeordneten
Glühkerzen 10 aufweist, genügt es, die Temperatur einer dieser Glühkerzen zu regeln
und die übrigen Glühkerzen mit gleich grossen Heizströmen wie die < geregelten
Glühkerze zu speisen.
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Nachfolgend sind einige mögliche Betriebsweisen der Glühkerze 10 beschrieben.
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Wenn die Glühkerze 10 im gesamten Betrieb der Brennkraftmaschine die
Ladungszündung in dem zugeoa r, ~n Verbrennungsraum 25 bewirkt, dann werden die
Eingabedaten des SollwertGnbers 64 so in den Sollwert umgesetzt, daß die Zündung
zum jeweils erforderlichen Zeitpunkt, d.h. bei jeweils erforderlichem Kurbelwellenwinkel
vor OT während des Verdichtungstaktes stattfindet. Zu diesem Zweck wird der Sollwert
durch den vorzugsweise als Mikroprozessor ausgebildeten Sollwert-Geber 64 aus den
Eingabedaten gemäß dem für diese Brennkraftmaschine ermittelten Temperaturkennfeld
so berechnet, daß die entsprechend diesem Sollwert geregelte Temperatur der Glühkerze~10
die vündung der Ladung jeweils zu dem bei dem momentanen Betriebszustand der Maschine
erforderlichen Zeitpunkt auslöst. Die Eingabedaten für die Berechnung des jeweils
erforderlichen Zündzeitpunktes kennen den be herkömmlichen Otto-Motoren den Zündzeitpunkt
der Zündkerze beeinflussenden Parametern entsprechen und sind beispielsweise die
Naschinendrehzahl und die Stellung
des Leistungssteuerorganes der
Maschine bzw. der mit der Last (Stellung der Drosselklappe oder des sonstigen Leistungssteuerorganes
der Maschine) und Drehzahl veränderliche Unterdruck in der Saugleitung Auch andere
Eingabedaten können alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein.
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Wenn dagegen die Brennkraftmaschine eine Dieselmaschine ist, bei welcher
die Glühkerze die Ladungszündung nur zum Start und während des anschliessenden Warmlaufens
so lange übernehmen soll, bis Selbstzündung mit geringem Zündverzug möglich ist,
dann kann beispielsweise vorgesehen sein, daß am Sollwert-Geber 64 ein konstanter
Temperatur-Sollwert für die Glühkerze 10 eingestellt ist, beispielsweise 80000,
daß ferner der vom Temperaturfühler 60 gelieferte Istwert der Glühkerzentemperatur
fortlaufend gemessen wird, und daß,senn der durch den Regler 63 und die Steuerschaltung
51 bestimmte Heizstrom des Heizwiderstandes 42 infolge der beim Warmlaufen der Maschine
zunehmenden Beheizung der Glühkerze 10 durch die im Verbrennungsraum auftretende
Wärme auf einen vorbestimmten Wert abgenommen hat, der so getroffen ist, daß nunmehr
die Temperatur der Maschine bereits soweit angestiegen ist, daß Selbstzündung der
Ladung mit
geringem Zündverzug stattfinden kann, wird die Glühkerze
10 durch Unterbrechung der Heizstromzufuhr abgeschaltet und die Maschine zündet
nunmehr im eiteren Betrieb nur mit Selbstzündung.
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Wenn die Glühkerze 10 dazu benutzt wird, die Ladungszündung so vorzunehmen,
daß die koinzidenz der Ankunft der Flammenfront der gezündeten Ladung an einem vorbestimmten
Flammenfrontfühler 15 (Fig. 2) bei einem vorbestimmten konstanten oder in Abhängigkeit
mindestens eines Be'rJ sparame*ers verstellbaren Kurbelwellenwinkel geregelt wird,
dann kann zu diesem Zweck dem Regler 63 anstelle des Istwertes der Glühkerzentemperatur
das vom 15 Flammenrrontfühler/gelieferte Signal über die Ankunft der Flammenfront
an ihm aufgedrückt und als Sollwert der betreffende Kurbelwellenwinkel eingegeben
werden und der Regler verarbeitet diese Eingabedaten dann in der Weise, daß er die
Glühkerzentemperatur erhöht, wenn die Flammenfront zu spät am Flamnenfrontfühler
ankommt und die Glühkerzentemperatur senkt, wenn die Flammenfront zu früh am Flammenfrontfühler
ankommt. Der Flammenfrontfü,n 15 kann beispielsweise zwei an Spannung liegende Elektroden
aufweisen, die die mit der Ankunft der Flammenfront an ihrer Elektrodenstrecke verbundene
starke lonisierung des Gases durc'. entstehen effln£-s entsprechenden Ionisierungsstromes
über die Elekçrodenstrecke fühlen. Da für diese Koinzidenz-Regelung
der
Temperaturfühler 60 nicht benötigt wird, kann zweckmäßig vorgesehen sein, ihn zur
Begrenzung der Temperatur der Glühkerze 10 auf einen vorbestimmten, zulässigen Maximaltemperaturwert
mittels einer den Heizstrom bei Erreichen dieses Maximal-Temperaturwertes drosselnden
Begrenzerschaltung einzusetzen.
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Außer den vorbeschriebenen Betriebsarten der Maschine sind mittels
der Erfindung auch noch andere Betriebsarten möglich, wie sich aus weiter oben gemachten
Ausführungen und den Ansprüchen ergibt.
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Gemäß Fig. 5 weist die Glühkerze 10 eine Metallhülse 41 mit einem
Gewinde 40 auf, mittels dem sie in eine Gewindebohrung des Zylinderkopfes 17 eingeschraubt
wird. In diese Hülse 41 ist koaxial ein Isolator 44 eingesetzt. Das Glührohr 55
liegt an Masse und die Zuleitung 52 zum Heizwiderstand 42 ist durch den Isolator
44 hindurchgeführt und das andere Ende des Heizwiderstandes liegt an Masse.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist ein als Heizwiderstand
dienender Glühdraht 42 freiliegend angeordnet und seine Temperatur wird mittels
eines Thermoelementes 60 gefühlt, das an diesen der Ladungszündung dienenden Glühdraht
42 angesetzt ist und dessen mit 61 bezeichneten Anschlußleitungen durch die Isolation
44 hindurchgeführt sind. Der
Glühdraht 42 ist an ein als Zuleitung
dienendes Metallrohr 47 und an die an Masse liegende Hülse 41 angeschlossen.
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Die Glühkerze nach Fig. 4 unterscheidet sich von der nach Fig. 3
nur dadurch, daß der Glühdraht 42 in zwei kreisförmigen und nicht in langgestreckten
Windungen unterhalb der Hülse 41 angeordnet ist.
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Die Erfindung ermöglicht auch weitere oder andere Beeinflussungen
der Temperatur der Glühkerze. Beispielsweise kann vorgesehen sein, daß die Brennkraftmaschine
einen Klopfsensor aufweist, der Auftreten von Klopfen oder Klopfgefahr fühlt und
im Gefolge jedes solchen Fühlens Verringerung der Temperatur der Glühkerze zur Verstellung
des Zündzeitpunktes auf später auslöst bis das Klopfen bzw. die Klopfgefahr wieder
behoben ist.
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Bei Regelung der Temperatur der Glühkerze ist es auch möglich, daß
ein Kennfeld aufgestellt wird, welches für jeden Lastpunkt der Brennkraftmaschine
die zugeordnete optimale Heizleistung der Glühkerze angibt und daß man einen Mikroprozessor
entsprechend diesem Kennfeld programmiert und <3< d , Berechn'n der jeweils
optimalen Heizleistung erforderlichen
Betriebsdaten eingibt und
daß im Betrieb der Maschine fortlaufend selbsttätig ermittelt wird, ob die von diesem
Mikroporzessor ermittelte, jeweils optimale Heizleistung mit der momentan der Glühkerze
zugeführten effektiven Heizleistung ungefähr übereinstimmt Auch kann bei den verschiedenen
moeglichen Betriebs arten noch zudem vorgesehen sein0 dass bei Uebersteigen einer
maximalen vorgegebenen Temperatur der Gluehkerze trotz auf Null reduzierter Heizleistung
die Treibstoffo zufuhr in den oder die Zylinder der Brennkraftmaschine soweit verringert
wird, sodass eine Ueberhitzung der Gluehkerze e beziehungsweise Gluehkerzen vermieden
wird