DE3150675C2 - Zündvorrichtung für eine gemischverdichtende selbstzündende Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Zündvorrichtung für Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung und Selbstzündung hat eine Zündkammer (42), welche über eine verhältnismäßig kleine Mündungsöffnung (22) ständig mit der Brennkammer (14) des Motors in Verbindung steht. Dadurch findet parallel zur Verdichtung in der Brennkammer (14) eine entsprechende Verdichtung und Temperaturerhöhung auch in der Zündkammer (42) statt. Dort kann dann noch mittels eines druckflüssigkeitsbetätigten Kolbens (26) eine weitere Verdichtung über die der Brennkammer hinaus bis zur Selbstzündung stattfinden. Die Flamme schlägt danach aus der Zündkammer (42) in die Brennkammer (14) über. Die Leitung (44, 48, 50), über welche der Zündkammer (42) die Brennstoff/Luft-Ladung zugeführt wird, enthält ein oder mehrere Rückschlagventile (52, 54), die durch den Kolben (26) abgeschirmt sind, wenn die Zündung erfolgt. Der Kolben (26) fördert selbst die Brennstoff/Luft-Ladung in die Zündkammer (42).

Description

ben noch vor dem Ausstoßen der verbrannten Gase aus dem Brennraum in die Ausgangsstellung zurückgezogen wird, in welcher die Zündkammer zum Abgasrohr hin offen steht und der Motorkolben zur Spülung der Zündkammer als Pumpenkolben wirkt Damit müssen jedoch die weiteren Nachteile in Kauf genommen werden, daß eine zusätzliche gesteuerte Einspritzvorrichtung zur Füllung der Zündkammer mit dem Brennstoffanteil der Ladung erforderlich ist und in dieser keine Vorverdichtung stattfinden kann, solange sie zum Abgasrohr hin offen steht

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zündvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, welche im Aufbau und in der Funktionsweise wesentlich einfacher und damit billiger ist

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichen des Anspruchs 1.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die angestrebte Vereinfachung dann erreicht wird, wenn man dem Zündkolben, ohne seine schlagartige Zündfunktion zu beeinträchtigen, erstmals die weitere Funktion überträgt, die Brennstoffladung aus der Versorgungsleitung unter Druck in die Zündkammer zu pumpen. Die Vereinigung der beiden Funktionen war möglich, weil für die Zündung nur der Vorwärtshub des Kolbens gebraucht wird, und diese nicht beeinträchtigt wird, wenn für die zeitlich gesteuerte Pumpbewegung des Zündkolbens dessen Rückhub ausgenutzt wird. Darüberhinaus konnte, weil der Zündkolben als Verdränger zuverlässig für die Aufladung der Zündkammer sorgt auf deren Entlüftung zum Abgasrohr verzichtet werden, was wiederum den weiteren Vorteil hat, daß über die Mündungsöffnung der Zündkammer eine Vorverdichtung der Zündladung entsprechend dem Druckanstieg in der Brennkammer während der Kompressionsphase stattfinden kann, bevor der Zündkolben die Verdichtung auf den zur Zündung erforderlichen Wert vergrößert.

In einer ersten praktisch bevorzugten Ausführungsform befinde* sich auf der der Zündkammer gegenüberliegenden Seite des Zündkolbens eine bei dessen Hub zur Mündungsöffnung hin über die Versorgungsleitung, die ein Rückschlagventil enthält mit einer Crennstoff/ 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 von der Mündungsöffnung weg gerichteten Hubes des Zündkolbens aus der Versorgungskammer über die Verbindungsleitung in die Zündkammer verdrängbar ist

Vorzugsweise ist das Gehäuse der Zündvorrichtung so gestaltet daß es in eine herkömmliche Gewindebohrung für eine Zündkerze paßt. Der Zündkolben 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, da3 sie von dem darin verschieblichen Zündkolben 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 Miindungsöffnung der Zündkammer findet auch dort eine entsprechende Verdichtung statt In der zweiten Verdichtungsstufe komprimiert der Zündkolben der Zündvorrichtung die in der Zündkarirmer enthaltene Brennstoff/Luft-Ladung weiter bis zu dem Punkt, wo 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 Zeich-ο nung näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung;

F i g. 2 eine schematische Darstellung eines hydraulischen Betätigungssystems für den Kolben der Zündvorrichtung nach F i g. 1.

F^g. 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 se^:; kann einer Bohrung für eine herkömmliche Zündkerze, ii die Bohrung 16 ist ein hohles Gehäuse 18 einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung eingeschraubt Es ist an dem auf Seiten der Brennkammer liegenden Ende 20 bis auf eine kleine ggf. steuerbare Mündungsöffnung 22 geschlossen. Letztere stellt eine Verbindung zwischen der Brennkammer 14 und einer zentralen Bohrung 24 im Gehäuse 18 der Zündvorrichtung her, so daß sich Druck und Temperatür 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 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 Ringflansches 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 hydraulische Hochdruckquelle in Betracht die in Abhängigkeit vom Arbeitszykius 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 Versergmgr-kammer 46 hinter dem Kolben 26 sowie eine von dort zur Zündkammer 42 führende, abgewinkelte Verbindungsleitung 48, 50 zugeführt wird. D'e Versorgungskammer 46 wird begrenzt durch den 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 Brennstoff/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 Abwärtsbewegung des Kolbens 26 in die Stellung gemäß F i g. I zugeführtc Brennstoff/Luft-Ladung enthält. Diese hat wegen der ständig offenen Mündiingsöffnung 22 ungefähr denselben Druck und dieselbe Temperatur wie das Brennstoff/ -> Luft-Gemisch in der Brennkammer 14 des Motors. Der aufwärts gerichtete Rückhub des Zündkolbens 26 wird bewirkt durch den zunehmenden Gasdruck in der Zündkammer während der Kompressionsphase des Motorzyklus 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 28 mit hydraulischem Druck beaufschlagt und dadurch der Zündkolben 26 nach unten gedrückt. Ein Teil des vom Kolben ι ^r> 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 die in der Zündkammer 42 verbleibende Ladung auf Druck- und Temperaturwerte verdichtet wird, die viel höher liegen als in der Brennkammer 14, so daß es in der Zündkammer 42 zur Selbstzündung der Brennstoff/Luft-Ladung kommt. In diesem Zeitpunkt befindet sich der Zündkolben 26 bereits unterhalb der Einmündungsstelle der Verbindungsleitung 50 in die Zündkammer, so daß das Einlaß-Rückschlagventil 54 niemals ei- jo ner Beanspruchung durch den Verbrennungsvorgang ausgesetzt ist.

Ein weiteres Rückschlagventil wird vorzugsweise auch in der Druckflüssigkeitsleitung 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 28 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 Rückschlagventil 52 und läßt 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 sich erhöhende 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 Verdichtungsstufc ist die Zündkammer 42 bereit für die beschriebene zweite Verdichtungsstufc welche erfolgt, wenn die Kammer 36 mit 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.

F i g. 2 zeigt schematisch ein hydraulisches Betätigungssystem, welches in Verbindung mit der Zündvorrichtung nach Fig. I Anwendung finden kann. Im Beispielsfall ist eine vom Motor angetriebene hydraulische Hochdruckpumpe vorgesehen, der 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 F i g. 2 gezeigte Druckbegrenzungsventil verbinder·, c'^ß rl<*r Druck im Hochdruckspeicher einen bestimmten oberen Grenzwert übersteigt. Ein elektromagnetisches 3-Wegeventil verbindet die Versorgungsleitung 40 nach F i g. 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 7,V 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 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 Hochdruckspeicher, 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Zündvorrichtung für eine gemischverdichtende selbstzündende Brennkraftmaschine, bestehend aus einem mit einer zentralen Bohrung versehenen Gehäuse, welches sich durch den Zylinderkopf bis in die Brennkammer der Maschine erstreckt und dessen Bohrung dort bis auf eine verhältnismäßig kleine Mündungsöffnung zur Brennkammer geschlossen ist, einem in der Bohrung verschieblich geführten Zündkolben, welcher eine sich bis zur Mündungsöffnung erstreckende Zündkammer begrenzt und durch einen steuerbaren Antrieb während seines zur Mündungsöffnung hin gerichteten Kompressionshubs eine über eine Versorgungsleitung unter dem Druck einer Pumpe in die Zündkammer geförderte Brennstoffladung sowie von einem Kolben in die Zündkammer geförderte Luft bis zur Selbstzündung komprimiert, wodurch über die Mündungsöffnung das Brennssoff/Luft-Gemisch der Brennkammer zündfaarisi, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündkolben (26) das Förderelement der Pumpe bildet und über die Versorgungsleitung durch seine von der Mündungsöffnung (22) weg gerichtete Bewegung eine Brennstoff/Lüft-Ladung in die Zündkammer (42) fördert und daß während der Kompressionsphase der Brennkraftmaschine die Ladung in der zur Versorgungsleitung hin abgesperrten Zündkammer über die Mündungsöffnung entsprechend dem in der Brennkammer (14) herrschenden Druck vorkomprimtVrbar ist.

2. Zündvorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der tier Zündkammer (42) gegenüberliegenden Seite des Zündkolbens (26) eine bei dessen Hub zur Mündungsöi.nung (22) hin über die Versorgungsleitung (44), die ein Rückschlagventil (52) enthält, mil der Brennstoff/Luft-Ladung zu füllende Versorgurigskammer (46) befindet, die über eine ein weiteres Rückschlagventil (54) enthaltende Verbindungsleitung (48, 50) mit der Zündkammer verbunden ist, wobei die Brennstoff/Luft-Ladung während des von der Mündungsöffnung weg gerichteten Hubes des Ziindkolbens aus der Versorgungskammer (46) über die Verbindungsleitung (48,50) in die Zündkammer verdrängbar ist.

3. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Her Antrieb des Zündkolbens (26) aus einem mit ihm verbundenen, mit hydraulischem Druckfluid beaufschlagten Tauchkolben (28) besteht.

4. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündkolben (26) durch eine seinem Tauchkolben-Antrieb (28) entgegenwirkende Rückholfeder vorbelastet ist.

5. Zündvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Tauchkolben (28) mit seinem hinteren Ende in eine vom Gehäuse (18) dicht umschlossene, mit Druckfluid beaufschlagbare Kammer (38) erstreckt.

6. Zündvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Druckfluid beaufschlagbare Kammer (38) durch eine den Tauchkolben (28) dicht umschließende und führende Büchse (30) von der den Ziindkolben (26) aufnehmenden Bohrung (24) getrennt ist.

Die Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind verschiedene Zündvorrichtungen bekannt, bei denen die Zündung in einer mit der Brennkammer des Motors verbundenen Zündkammer durch Selbstzündung ausgelöst und über einen Zündkanal auf die Brennkammer übertragen wird. Die Verdichtung in der Zündkammer bis zur Zündung kann durch einen Differentialkolben erfolgen, dessen größere Kolbenfläche die

ίο Brennkammer und dessen kleinere Kolbenfläi.he die Zündkammer begrenzt (CH-PS 4 37 914). Alternativ ist es bekannt, für den Zündkolben einen gesteuerten mechanischen Antrieb zu verwenden (US-PS 21 48 458). In beiden Fällen wird die Zündkammer von der Brennkamtner aus geladen, was einerseits den Vorteil hat, daß der Kolben des Motors als Pumpenkolben zur Füllung der Zündkammer benutzt werden kann, andererseits aber den Nachteil, daß bei Betrieb des Motors mit magerem Gemisch auch die Zündkammer dasselbe magere und daher schlecht zu zündende Gemisch enthält Nach der US-PS 21 48 458 wird bereits eine Vorverdichtung des Zündkamnierinhalts erreicht

Die Erfindung geht daher vom Stand der Technik gemäß US-PS 40 75 996 aus, weiche eine Zündvorrichtung der eingangs genannten Art mit gesteuert angetriebenem Zündkolben beschreibt wobei über eine Versorgungsleitung eine Brennstoffladung in die Zündkammer eingeführt wird, um ein angereichertes, besser als das in der Brennkammer zündende Gemisch zu erhalten. Erfolgt jedoch die Ladung der Zündkammer mit Brennstoff nicht unter Zuhilfenahme des Motorkolbens von der Brennkammer aus, sondern über eine eigene Versorgungsleitung, so stellt sich das Problem, auf welche Weise und mit welcher Steuerung der Brennstoff in die Zündkammer gepumpt werden soll. Die FR-PS 4 43 427 beschreibt nur eine Pumpvorrichtung mit Differentialkolben zum Einspritzen einer Brennstoff/Luft-Ladung direkt in die Brennkammer eines Motors Der Pumpenkolben wird mittels Ventilen in beiden Richtungen durch den Druck in der Brennkpmmer angetrieben. Die größere Kraft wirkt auf den Kolben während des Rückhubs, in welcher Bewegungsphase ein Brennstoff/ Luft-Gemisch durch den Kolben möglichst schnell aus einer rückwärtigen Versorgungskammer in die Brennkammer verdrängt wird, damit eine möglichst hohe Austrittsgeschwindigkeit und Zerstäubung erreicht wird. Die Luft gelangt vcn der Brennkammer her in die Versorgungskammer. Der unter Atmosphärendruck stehende Brennstoff wird durch die Bewegung des Pumpenkolbens in die Versorgungskammer gesaugt

Da im Falle einer Zündvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die Hauptfunktion des Zündkolbens die Auslösung der Zündung durch einen schlagartig schnellen Kompressionshub ist, um eine angenähert adiabatische Kompression und Erhitzung zu erreichen, kann ein reiner Pumpenkolben gemäß FR-PS 4 43 427, der durch den Druck im Brennraum hin- und hergehend angetrieben wird, kein Vorbild für einen Zündkolben sein. Umgekehrt haben die bekannten mechanischen oder elektromechanisch angetriebenen und gesteuerten Zündkolben der US-PS 21 48 458 und US-PS 40 75 996 nur eine teilweise oder gar keine Pumpfunktion, weil bei ersterer der Motorkolben die Zündkammer füllen soll, während der Zündkolben dabei nur

b5 unterstützend wirken kann und bei letzterer der Gedanke im Vordergrund steht, die Zündkammer zum Zwecke besserer Be- und Entlüftung an das Abgasrohr der Brennkammer anzuschließen, und deshalb der Zündkol-