DE3150675A1

DE3150675A1 - Zuendvorrichtung fuer verbrennungsmotoren mit innerer verbrennung und selbstzuendung

Info

Publication number: DE3150675A1
Application number: DE19813150675
Authority: DE
Inventors: Michael M. 27686 Sutherland Mich. Schechter
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1980-12-22
Filing date: 1981-12-21
Publication date: 1982-08-12
Also published as: JPH0223687B2; GB2089889B; CA1185853A; GB2089889A; DE3150675C2; US4384553A; JPS57110716A

Description

.: Ford / US-1182 / 18.12.1981

Zündvorrichtung für Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung und Selbstzündung

Die Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung für Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung und Selbstzündung, bestehend aus einem hohlen zylindrischen Gehäuse, welches sich durch den Zylinderkopf hindurch bis in die Brennkammer des Motors erstreckt und dort am inneren Ende bis auf eine verhältnismäßig kleine MündungsÖffnung geschlossen ist, durch welche sich Druck und Temperatur der Brennkammer der zentralen Bohrung im Gehäuse mitteilen, einem in der Bohrung verschieblich geführten Kolben, welcher eine sich bis zur Mündungsöffnung erstreckende Zündkammer begrenzt und während eines zur Mündungsöffnung hin gerichteten Kompressionshubs eine in die Zündkammer eingeführte Brennstoff/Luft-Ladung bis zur Selbstζündund komprimiert, wodurch über die Mündungsöffnung das Brennstoff/Luft-Gemisch in der Brennkammer zündbar ist.

Eine derartige Zündvorrichtung ist z.B. aus der US-PS 4075996 bekannt. Diese leidet jedoch unter dem Mangel, daß zur Steuerung des Kolbens ein kompliziertes und teures elektronisches Steuersystem erforderlich ist. Außerdem bedarf die bekannte Ausführung einer elektromagnetisch arbeitenden Treibstoff-Einspritzvorrichtung. Schließlich findet bei ihr auch nicht eine Verdichtung in zwei Stufen statt, da eine Verbindung zum Abgasrohr ständig geöffnet ist mit Ausnahme nur derjenigen Phase, in welcher der Kolben der Zündvorrichtung die Brennstoff/ Luft-Ladung bis auf den zur Selbstzündung erforderlichen Druck komprimiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zündvorrichtung der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, welche im Aufbau und in der Funktionsweise wesentlich einfacher und billiger ist, und zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß· vorgeschlagen, daß der Kolben durch den Druck in der Brennkammer während der

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dort stattfindenden Kompressionsphase von der Mündungsöffnung fort und durch einen steuerbaren Antrieb zu dieser hin bewegbar ist.

In einer ersten praktisch bevorzugten Ausführungsform befindet sich auf der der Zündkammer gegenüberliegenden Seite des Kolbens eine bei dessen Vorschub zur Mündungsöffnung hin über eine Versorgungsleitung, die ein Rückschlagventil enthält, mit einer Brennstoff/Luft-Ladung zu füllende Versorgungskammer, die über eine ein weiteres Rückschlagventil enthaltende Verbindungsleitung mit der Zündkammer verbunden ist, wobei die Brennstoff/Luft-Ladung während des Rückhubs des Kolbens aus der Versorgungskammer über die Verbindungsleitung in die Zündkammer verdrängbar ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Brennstoff/Luft-Versorgungsleitung an dem der Mündungsöffnung gegenüberliegenden Ende an die Zündkammer angeschlossen,und der Zylinderraum auf der der Zündkammer gegenüberliegenden Seite des Kolbens ist an eine Entlüftungsleitung angeschlossen.

Vorzugsweise ist das Gehäuse der Zündvorrichtung so gestaltet, daß es in eine herkömmliche Gewindebohrung für eine Zündkerze paßt. Der Kolben der Zündvorrichtung wird zur Durchführung des Kompressionshubs auf seiner Rückseite mit einem hydraulischen Druckfluid beaufschlagt. Die vorstehend genannte Verbindungsleitung, über welche die Zündkammer die zu zündende Brennstoff/ Luft-Ladung erhält, mündet an einer solchen Stelle der Zündkammer, daß sie von dem darin verschieblichen Kolben abgedeckt ist, wenn die Zündung erfolgt, so daß die erwähnten Rückschlagventile vor der Beanspruchung durch die Zündung geschützt sind.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung findet somit eine Verdichtung in zwei Stufen statt. In der ersten Verdichtungsstufe wird das Brennstoff/Luft-Gemisch in der Brennkammer des Motors verdichtet, und wegen der Verbindung über die Mündungsöffnung der Zündkammer findet auch dort eine entsprechende Verdichtung statt. In der zweiten Verdichtungsstufe komprimiert der Kolben

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der Zündvorrichtung die in der Zündkaininer enthaltene Brennstoff/Luft-Ladung weiter bis zu dem Punkt, v/o Selbstzündung erfolgt. Dieser Kompressionsvorgang im begrenzten Raum der Zündkammer wird dadurch ermöglicht, daß die Mündungsöffnung verhältnismäßig klein ist und als Drosselöffnung wirkt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündvor-■ richtung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines hydraulischen Betätigungssystems für den Kolben der Zündvorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt einen Teil 10 eines Verbrennungsmotors mit innerer Verbrennung, wobei ein Zylinderkopf 12 auf einem herkömmlichen Motorblock liegt, der wenigstens eine Zylinderbohrung hat, die eine Brennkammer 14 bildet. Der Zylinderkopf 12 ist mit einer Bohrung 16 versehen, die gleich oder ähnlich sein kann einer Bohrung für eine herkömmliche Zündkerze. In die Bohrung 16 ist ein hohles Gehäuse 18 einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung eingeschraubt. Es ist an dem aufseiten der Brennkammer liegenden Ende 20 bis auf eine kleine oder steuerbare Mündungsöffnung 22 geschlossen. Letztere stellt eine Verbindung zwischen der Brennkammer 14 und einer zentralen, stufenförmig abgesetzten Bohrung 24 im Gehäuse 18 der Zündvorrichtung her, so daß sich Druck und Temperatur der Brennkammer jederzeit auf die Bohrung 24 der Zündvorrichtung übertragen. In der Bohrung 24 ist ein als Zündkolben wirkender Kolben 26 axial verschieblich geführt. Er ist auf der Rückseite mit einem

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Tauchkolben 28 verbunden, der sich axial und dicht durch eine Führungsbüchse 30 und Dichtungsringe 32 erstreckt. In das obere Ende des Gehäuses 18 ist ein Gehäusedeckel 34 eingeschraubt, der mit einer Ausnehmung 36 zur Aufnahme des äußeren Endes des Tauchkolbens 28 ausgebildet ist. Die Führungsbüchse 30 ist mittels eines Ringflanschs zwischen dem Gehäuse 18 und dem Deckel 34 fest eingespannt. Der Raum zwischen dem Tauchkolben 28 und dem Gehäusedeckel 34 bildet eine hydraulische Druckkammer 38, welche über eine Leitung 40 mit einem hydraulischen Fluid hohen Drucks beaufschlagbar ist. Hierfür kommt jede geeignete hydraulische Hochdruckquelle in Betracht, die in Abhängigkeit vom Arbeitszyklus des Motors zu den erforderlichen Zeiten an die Leitung 40 anschließbar und unter Entlastung dieser Leitung vom Druck wieder trennbar ist.

Zwischen dem Kolben 26 und der Mündungsöffnung 22 bildet die Bohrung 24 eine Zündkammer 42, der jeweils eine Brennstoff/ Luft-Ladung über eine Versorgungsleitung 44 im Gehäuse 18, eine ringförmige Versorgungskammer 46 hinter dem Kolben 26 sowie eine von dort zur Zündkammer 42 führende, abgewinkelte Verbindungsleitung 48, 50 zugeführt wird. Die Versorgungskammer 46 wird begrenzt durch den verjüngten hinteren Bereich des Kolbens 26, die Wand der Bohrung 24, die innere Stirnseite der Führungsbüchse 30 sowie den Tauchkolben 28. Sowohl die Versorgungsleitung 44 als auch die Verbindungsleitung 48, 50 enthalten je ein Rückschlagventil 52 bzw. 54, bestehend jeweils in herkömmlicher Weise aus einer durch eine Feder 56 gegen einen Ventilsitz gedrückten Kugel. Die Rückschlagventile lassen nur eine Strömung des Brennstoffs/Luft-Gemischs von der Versorgungsleitung 44 in Richtung zur Zündkammer 42 zu.

Es sei angenommen, daß die Zündkammer 42 vor der Zündung eine zuvor während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 26 in die Stellung gemäß Fig. 1 zugeführte Brennstoff/Luft-Ladung enthält. Diese hat wegen der ständig offenen MündungsÖffnung 22 ungefähr denselben Druck und dieselbe Temperatur wie das Brennstoff/Luft-Gemisch in der Brennkammer 14 des Motors. Der

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aufwärts gorichLete Rückhub dos Zündkolbons 26 wird bewirkt durch den zunehmenden Gasdruck in der Zündkammer während der Kompressionsphase des Arbeltszyklus in der Brennkammer 14. In dieser Zeit wirkt auf den Tauchkolben 28 kein hydraulischer Druck in der Kammer 38. Zu einem vorbestimmten Zeitpunkt jedoch wird die obere Stirnfläche des Tauchkolbens mit hydraulischem Druck beaufschlagt und dadurch der Zündkolben 26 nach unten gedrückt. Ein Teil des vom Kolben bei diesem Kompressionshub verdrängten Gases entweicht durch die Mündungsöffnung 22 in die Brennkammer 14. Die Menge des auf diesem Wege entweichenden Gases ist jedoch durch die geringe Größe der Mündungsöffnung und die Schallgeschwindigkeit begrenzt und bleibt jedenfalls wesentlich kleiner als die vom Zündkolben 26 insgesamt verdrängte Menge. Daraus folgt, daß das in der Zündkammer 42 verbleibende Gas auf Druck- und Temperaturwerte verdichtet wird, die viel höher

es liegen als in der Brennkammer 14, so daß van der Zündkammer 42 zur Selbstzündung der Brennstoff/Luft-Ladung kommt. In diesem Zeitpunkt befindet sich der Zündkolben 26 bereits unterhalb des Einlaß-Rückschlagventils 54, so daß dieses niemals einer Beanspruchung durch den Verbrennungsvorgang ausgesetzt ist.

Ein weiteres Rückschlagventil wird vorzugsweise auch in der Druckflüssigkeitsversorgungsleitung 40 angeordnet, um während der Verbrennung eine Rückwärtsbewegung des Zündkolbens 26 selbst dann zu verhindern, wenn die durch den Gasdruck auf den Kolben 26 wirkende Kraft diejenige des auf den Tauchkolben 28 wirkenden hydraulischen Drucks übersteigt. Schließlich wird die auf den Tauchkolben 28 wirkende hydraulische Kraft den·Zündkolben 26 in seine unterste Stellung am unteren Ende der Brennkammer 42 vorschieben, wo er dann bleibt, bis der Tauchkolben 23 vom hydraulischen Druck entlastet wird, wenn der nächste Kompressionshub in der Brennkammer 14 stattfindet.

Während der Abwärtsbewegung des Zündkolbens 26 öffnet der durch die Bewegung des Kolbens erzeugte Unterdruck das Rück-

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schlagventil 52 und läßt ein Brennstoff/Luft-Gemisch in die Versorgungskammer 46 auf der Rückseite des Kolbens 26 einströmen. Das Volumen dieser Ladung ist gleich dem vom Kolben verdrängten Volumen abzüglich der Verdrängung des Tauchkolbens 28. Wie oben erwähnt, bleibt der Kolben 26 in seiner Unteren Stellung, bis der Kompressionshub des Motors beginnt, woraufhin die Rückseite des Tauchkolbens 28 von dem bis dahin anliegenden hydraulischen Druck entlastet wird. Anschließend drückt der zunehmende Gasdruck in der Brennkammer 14 des Motors während des dort stattfindenden Kompressionshubs den Kolben 26 nach oben. Während dieser Bewegung läßt der erhöhte Druck in der Versorgungskammer 46 das Rückschlagventil 52 schließen und drückt die in der Versorgungskammer 26 enthaltene Brennstoff/Luft-Ladung durch die abgewinkelte Verbindungsleitung 48, 50 und das darin angeordnete Rückschlagventil 54 in die Zündkammer 42. Auf diese Weise erhält die letztere eine Brennstoff/Luft-Ladung, deren Druck und Temperatur durch die Mündungsöffnung 22 auf das Niveau der Brennkammer 14 des Motors angehoben werden. Nach dieser ersten Verdichtungsstufe ist die Zündkammer 42 bereit für die beschriebene zweite Verdichtungsstufe, welche erfolgt, wenn die Kammer 36 mit hydraulischer Druckflüssigkeit beaufschlagt wird.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß der Kolben 26 selbst durch seine Bewegung die Brennstoff/Luft-Ladung in die Zündkammer 42 fördert.

Fig. 2 zeigt schematisch ein hydraulisches Betätigungssystem welches in Verbindung mit der Zündvorrichtung nach Fig. 1 Anwendung finden kann. Im Beispielsfall ist eine vom Motor angetriebene hydraulische Hochdruckpumpe vorgesehen, der hydraulische Flüssigkeit von einem Pumpensumpf zugeführt wird. Die Pumpe drückt das hydraulische Fluid über ein Rückschlagventil in einen Hochdruckspeicher, der ein verhältnismäßig großes Volumen der unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit enthält. Das in Fig. 2 gezeigte Druckbegrenzungsventil verhindert, daß der Druck im Hochdruckspexcher einen bestimmten

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oberen Grenzwert übersteigt. Ein elektromagnetisches 3-Wege- · ventil vorbindet die Versorgungsleitung 40 nach Fig. 1 entweder mit dem Hochdruckspeicher oder mit einer Rückleitung zum Pumpensumpf. Jedesmal wenn dieses Ventil eine Verbindung zwischen der Zündvorrichtung und dem Hochdruckspeicher herstellt, strömt unter hohem Druck stehendes hydraulisches Fluid aus dem Speicher über die Versorgungsleitung 40 zur Zündvorrichtung und treibt dort den Tauchkolben 28 und den Zündkolben 26 nach unten, wobei es zur Selbstzündung des Gemischs in der Zündkammer 42 kommt. Da das Volumen des Hochdruckspeichers im Vergleich mit dem verdrängten Volumen des Tauchkolbens 28 groß ist, findet bei dem vorstehend beschriebenen Vorgang in der hydraulischen Flüssigkeit nur ein sehr geringer Druckabfall statt, so daß für die Praxis davon ausgegangen werden kann, daß die den Tauchkolben 28 antreibende hydraulische Kraft während des gesamten Kolbenhubs im wesentlichen konstant ist. Das gezeigte, zwischen dem Hochdruckspeicher und dem elektromagnetischen 3-Wegeventil angeordnete Rückschlagventil verhindert einen Rückfluß des hydraulischen Fluids von der Zündvorrichtung zum Hochdruck-Speicher, so daß nur dann, wenn das 3-Wegeventil die Zündvorrichtung mit der Rückleitung zum Pumpensumpf verbindet, der Tauchkolben 28 und der Zündkolben 26 ihren Rückhub nach oben ausführen können. Somit kann durch die zeitliche Steuerung der Umschaltungen des elektromagnetischen 3-Wegeventils der Zündzeitpunkt im Motor gesteuert werden.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Während gemäß Fig. 1 eine Treibstoff/Luft-Ladung während der Abwärtsbewegung des Zündkolbens 26 in die Versorgungskammer eingeführt wurde, ist nach Fig. 3 eine Versorgungsleitung 60 für Brennstoff/Luft-Gemisch vorgesehen, die durch das Gehäuse 18' hindurch unmittelbar in die Zündkammer 42' führt und dort an einer Stelle an der Vorderseite des Zündkolbens 26 mündet, wenn dieser seine oberste Stellung während der ersten Kompressionsstufe einnimmt. Geeignete Entlüftungskanäle 62 sind hinter dem-Kolben 26 an die Zylinderbohrung im Gehäuse 18' angeschlossen, um einen Druckaufbau hinter dem Kolben zu verhindern.

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In diesem Fall wird eine Brennstoff/Luft-Ladung dadurch in die Zündkammer 42' eingesaugt, daß der Zündkolben 26 durch einen schnellen aufwärts gerichteten Rückhub, der durch eine Rückstellfeder 64, welche in der Druckfluid-Betätigungskammer 38' den Tauchkolben 28" umgibt, gefördert wird, einen Unterdruck in der Zündkammer 42" erzeugt. Im übrigen funktioniert die Ausführung nach Fig. 3 im wesentlichen ebenso wie die gemäß Fig. 1.

it

Leerseite

Claims

Fprd /US-1182 / 18.12.1981

Ford-Werke Aktiengesellschaft
Ottoplatz 2

KÖLN 21

Patentansprüche

Zündvorrichtung für Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung und Selbstzündung, bestehend aus einem hohlen zylindrischen Gehäuse, welches sich durch den Zylinderkopf hindurch bis in die Brennkammer des Motors erstreckt und dort am inneren Ende bis auf eine verhältnismäßig kleine Mündungsöffnung geschlossen ist, durch welche sich Druck und Temperatur der Brennkammer der zentralen Bohrung im Gehäuse mitteilen, einem in der Bohrung verschieblich geführten Kolben, welcher eine sich bis zur Mündungsöffnung erstreckende Zündkammer begrenzt und während eines zur Mündungsöffnung hin gerichteten Kompressionshubs eine in die Zündkammer eingeführte Brennstoff/Luft-Ladung bis zur Selbstzündung komprimiert, wodurch über die Mündungsöffnung das Brennstoff/Luft-Gemisch in der Brennkammer zündbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (26) durch den Druck in der Brennkammer (14) während der dort stattfindenden Kompressionsphase von der MündungsÖffnung (22) fort und durch einen steuerbaren Antrieb (28, 36) zu dieser hin bewegbar ist.
2. Zündvorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der der Zündkammer (42) gegenüberliegenden Seite des Kolbens (26) eine bei dessen Vorschub zur Mündungsöffnung (22) hin über eine Versorgungsleitung (44), die ein Rückschlag-

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ventil (52) enthält, mit einer Brennstoff/Luft-Ladung zu füllende Versorgungskammer (46) befindet, die über eine ein weiteres Rückschlagventil (54) enthaltende Verbindungsleitung (48, 50) mit der Zündkammer (42) verbunden ist, wobei die Brennstoff/Luft-Ladung während des Rückhubs des Kolbens (26) aus der Versorgungskammer (46) über die Verbindunsleitung (48, 50) in die Zündkammer (42) verdrängbar ist.
3. Zündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Brennstoff/Luft-Versorgungsleitung (60) an dem der Mündungsöffnung (22) gegenüberliegenden Ende an die Zündkammer (42*) angeschlossen ist und der Zylinderraum auf der der Zündkammer (42¹) gegenüberliegenden Seite des Kolbens (26) an eine Entlüftungsleitung (62) angeschlossen ist.
4. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des Kolbens (26) aus einem mit ihm verbundenen, mit hydraulischem Druckfluid beaufschlagbaren Tauchkolben (28, 28') besteht.
5. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (26) durch eine seinem Antrieb (28¹, 38') entgegenwirkende Rückholfeder (64) vorbelastet ist.
6. Zündvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Tauchkolben (28, 28') mit seinem hinteren Ende in eine vom Gehäuse (18, 18') dicht umschlossene, mit Druckflüssigkeit beaufschlagbare Kammer (38, 38') erstreckt.
7. Zündvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Druckflüssigkeit beaufschlagbare Kammer (38, 38') durch eine den Tauch-

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kolben (28, 28') dicht umschließende und führende Büchse (30) vom Zylinderraum (24, 42, 42') auf der Rückseite des Kolbens (26) getrennt ist.