DE3313591A1 - Ionisierender selbsterregungskommutator fuer die hochspannungsimpulsenergie eines vergasermotor-zuendsystems - Google Patents

Description

Mj 5392

Ionisierender Selbsterrequnqskommutator für die Hochspannungsimpulsenergie eines Vergasermotor-Zündsystems

Die Erfindung befaßt sich mit einem ionisierenden Selbsterregungskommutator für die Hochspannungsimpulsenergie eines Vergasermotor-Zündsystems.

Ionisierende Vorzünder, die in dem Hochspannungskreis eines Vergasermotor-Zündsystems verwendet werden, sind seit Beginn unseres Jahrhunderts bekannt, z.B. aus US-PS 992 168, DE-PS 253 594 usw. Diese und spätere Lösungen hatten zum Ziel, eine hohe Zündspannung an den Zündstücken (der Zündkerzen) zu erreichen. Die Zündspannung an den Zündstücken hängt von vielen Charakteristiken der Primär-(Niederspannungs-) und Sekundär-(Hochspannungs-)

ab,
Schaltkreise wie z.B. dem Primärkreis-Trennstrom, dem Transformationskoeffizienten der Induktionsspule, der Primärwicklungsinduktanz, der Kapazität der beiden Schaltkreise und dem Nebenschlußwiderstand an den Zündkerzen.

Der Nebenschlußwiderstand ergibt sich aus Ablagerungen an den Zündkerzenisolatoren. Diese Ablagerungen bewirken aufgrund ihres elektrischen Leitwertes einen Nebenschluß am Elektrodenabstand, was wiederum einen Stromverlust mit sich bringt. Dieser Verlust kann so hoch sein, daß er den Gesamtentladungsverlust zwischen den Zündstücken bewirkt. Einige Teile der Ablagerungen an den Zündkerzen können unter normalen Motorbetriebsbedingungen nicht brennen.

Lediglich Kohlenstoff und organische Bestandteile können brennen, während Schwermetalloxide chemisch so stabil sind, daß dort keine "Selbstreinigung" erzeugt wird. Der elektrische Widerstand dieser Ablagerungen ist im kalten Zustand hoch und reicht von etwa 500 bis 10 000 MOhm; wenn sie jedoch auf Zündkerzen-Betriebstemperatur erhitzt sind, dann kann der Widerstand sogar 10 000 mal kleiner sein. Lichtbogenunterbrechungen beeinflussen die Motorabschaltkraft und den Brennstoffverbrauch. Nach den Versuchsdaten bei einem Sechszylindermotor steigt der Brennstoffverbrauch bei einem Fehlverhalten nur einer Zündkerze um 25% an. Wenn in diesem Falle gleichzeitig zwei Zündkerzen nicht ordnungsgemäß arbeiten, steigt der Brennstoffverbrauch um etwa 60% an.

Die Zündkerzen-Betriebsbedingungen im Motor haben ein weiteres nachteiliges Phänomen: Eine durch die Lichtbogenentladung bewirkte Erosion der Zündstücke führt zu einer Vergrößerung des Elektrodenabstandes.

Der Einfluß der oben erwähnten Phänomene steigt während der Betriebsdauer der Zündkerze an, und es kommt der Augenblick, daß die Spannung, die durch die Induktionsspule entwickelt und wegen des Stromverlustes reduziert ist, nicht mehr den vergrößerten Abstand zwischen den Zündstücken abbremsen kann. Dies ist der Fall, wenn Fehler bei der Zündkerze auftreten.

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Die benötigte Zündenergie hängt vom Motorbetriebszustand ab. In einem warmen Motor (unter normalen Bedingungen) besitzt die Arbeitsmischung in den Zylindern eine Temperatur nahe der Selbstentzündungstemperatur, und es ist eine sehr niedrige Funkenenergie notwendig, um sie zu entflammen. Andere Zustände benötigen eine sehr hohe Funkenenergie. Dies ist der Fall bei: kaltem Motor (beim Starten), plötzlicher Beschleunigung, Leerlauf. Sowohl fette als auch schwache Mischungen benötigen eine hohe Funken- bzw. Zündenergie.

Die oben erwähnten Probleme betonen die Notwendigkeit für die Lösung des Problems, was zu einer Verteilung der Hochspannungsimpulsenergie führen würde, um eine korrekt funktionierende Zündung bei allen Motorbedingungen mit minimaler Zündstück-Erosion zu erreichen, d.h. eine lange Betriebsdauer mit korrekt eingestelltem Elektrodenabstand.

Bekannte Vorzünder haben nicht zu einer Lösung des erwähnten Problems geführt. Dies bezieht sich insbesondere auf die Erosion der Zündstücke, wobei dieses Problem überhaupt nicht zur Diskission stand. 25

Darüber hinaus besitzen die bekannten Vorzünder andere Nachteile: das Problem der Gas- bzw. Brennstoffmischung; das Problem der Gasevakuierung; das Problem, die Zündspannung und die Zündungslösch-Spannung innerhalb zweckmäßiger Grenzen korrekt zu halten; Funktionsprobleme in hohen Frequenzen; das Problem der Kathodenmaterialdispersion; das

Problem der Betriebsdauer sowie technologische Probleme bei der Herstellung und der hohe Preis einer solchen Herstellung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei bestehenden Systemen zum Zünden der Mischung in Vergasermotoren durch Hochspannungsimpulse eine solche Verteilung der erwähnten Impulsenergie zu erreichen, daß, insbesondere bei negativen Betriebsbedingungen, ein kräftiger Funke zwischen den Zündkerzen-Zündstücken zugeführt und gleichzeitig eine Zündstück-Erosion begrenzt und verhindert wird.

Diese Aufgabe scheint widersprüchliche Ziele zu haben, nämlich kleinere Erosion der Funkenstücke bei einem stärkeren Funken zwischen ihnen. Diese Aufgabe wird jedoch durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Des weiteren ergibt sich auch aus der folgenden Be-Schreibung und Funktion der Erfindung, daß dieses Ziel erreicht wird.

In der beigefügten Zeichnung zeigen

Fig.1 einen Längsschnitt durch eine mögliche

Ausführungsform der Erfindung;

Fig.2 eine Schemadarstellung der erfindungsgemäßen Ausführung mit der Hochspannungseinrichtung des Vergasermotor-Zündsystems.

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Ein Gehäuse 1 ist aus elektrisch isolierendem Material in Rohrform hergestellt. Der Arbeitsraum des Gehäuses 1 ist durch Metallelektroden, nämlich eine Anode 3 und eine Kathode 4, abgeschlossen, die um die Länge χ voneinander getrennt sind. Innerhalb des Arbeitsraumes, d.h. mit einem Abstand m von der Anode, ist ein Metallphotonenauge 2 in Form eines dünnen Ringes mit einer Dicke η im Gehäuse 1 befestigt.

In üblichen Ausführungsformen beträgt der Abstand m 0,2 bis 1 mm, die Dicke η 0,1 bis 0,5 mm und der Abstand bzw. die Länge χ 1,5 bis 3,5 mm. Der geschlossene Raum zwischen den Elektroden ist mit atmosphärischer Luft normaler Zusammensetzung gefüllt. Der Ausgangsdruck dieser Luft liegt zwischen 1 und 5 bar. Nur in Spezialfallen ist der Raum zwischen den Elektroden mit einer speziellen Mischung gefüllt.

Auf der äußeren zylindrischen Seite des Gehäuses 1 ist eine Metallumhüllung 5 fest angebracht, deren Länge etwas größer ist als die gesamte äußere Länge der Elektroden 3, 4.

Wie Fig.2 zeigt, ist eine mit der Kathode 4 verbundene Hochspannungsableitung 7 mit einem zentralen Zündkerzen-Zündstück CE verbunden. Die Anode 3 ist mit einer Hochspannungsimpulszuführung 6 über einen zugehörigen Widerstand R verbunden.

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Die Metallumhüllung 5 ist an Erde M angeschlossen, und zwar über zwei Kondensatoren, nämlich einem Eingangskondensator C 1 und einem Ausgangskondensator C 2. Die Größe bzw. Kapazität des Eingangskondensators C 1 hängt von der Neigungslänge der Anode 3 im Gehäuse 1 und die Größe bzw. Kapazität des Ausgangskondensators C 2 von der Neigungslänge der Kathode 4 im Gehäuse 1 ab.

Die Funktionsbeschreibung "der Teile und des ganzen erfindungsgemäßen Kommutators bezieht sich auf den gesamten charakteristischen Hochspannungsimpulszyklus des Vergasermotor-Zündsystems (bzw. der Vergasermotor-Zündanlage) .

Wenn die Hochspannungsimpulse einen- Wert erreichen, der zum Unterbrechen der Abstände zwischen den Kommutatorelektroden 3 und 4 sowie zwischen den Zündstücken CE und ME erforderlich ist, beginnt die elektrische Entladung an beiden Kontaktstücken.

Zahlreiche Überprüfungen haben bestätigt, daß diese Art einer elektrischen Entladung zwei Komponenten besitzt, nämlich eine kapazitive und eine induktive.

Die kapazitive Komponente einer Funkenentladung ist tatsächlich eine Entladung der gesammelten Energie im Sekundärkreis. Erfindungsgemäß gehören der Kommutator-Eingangskondensator C 1 und -ausgangskondensator C 2 zu diesem Kreis. Die kapazitive Entladung offenbart sich durch einen brillantblauen Funken und eine Explosion. Der Startstrom der kapazitiven Ent-

ladung liegt zwischen einigen Hundert und mehr als eintausend A, und seine Temperatur beträgt etwa 10 000° K. Ihm folgen Hochfrequenz-Oszillationen, die sich im Bereich von einigen bis etwa 10 MHz bewegen und in einem Zyklus bis zu einigen Millionsten Teilen einer Sekunde anhalten.

Eine hochfrequente elektromagnetische Oszillationsdämpfung außerhalb des Entladungsraumes wird durch den Widerstand R von 6 bis 12 kOhm am Hochspannungsimpulseingang bzw. an der Hochspannungsimpulszuführung 6 und gegenüber dem umgebenden Raum durch die Metallumhüllung 5 erreicht, die an Erde M angelegt ist und die Rolle einer Abschirmung gegenüber Funkstörungen spielt.

Die Funkenentladung beginnt, bevor die Spannung der Impulse ihren maximalen Wert erreicht. Aus diesem Grunde verbraucht die kapazitive Entladung lediglieh einen Teil der magnetischen Energie, die in der Induktionsspule gesammelt ist. Der Rest der Energie wird durch die induktive Entladung freigegeben, und zwar als ein blaß-violett-gelb-farbener Funken. Dieser Teil der Entladung wird als "Schwanz" bzw. Ende des Funkens bezeichnet.

Der induktive Entladungs-Komponentenstrom bewegt sich von etwa 10 bis einigen Hundert itiA, und die Spannung liegt zwischen einigen Hundert und einigen Tausend Volt. Die Dauer dieser Entladung fällt in ein großes Zeitintervall von Mikrosekunden bis zu einigen Zehntel Millisekunden. Unter anderem erreicht die Er-

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findung zur gleichen Zeit eine Verkürzung des Funken-"Schwanzes" und eine Vergrößerung der kapazitiven Komponenten-Energie.

Eine Untersuchung des Zündprozesses hat bestätigt, daß eine Erhöhung der Geschwindigkeit der Funkenenergieabgabe die Zündfähigkeit vergrößert. Dies bedeutet, daß die kapazitive Komponente mit derselben freigegebenen Energiemenge wirksamer ist als die induktive Komponente.

Diese überprüfung wurde in folgender Weise durchgeführt:

Mit dem erfindungsgemäßen Energiekommutator im Hochspannungskreis des Zündsystems sind die Unterbrechungsparameter elastisch verändert:

- Die Spitzen-Trennströme sind bis zu viermal größer; 20

- die Spitzen-Trennkraft ist bis zu 2,3-mal größer;

- die elektrische Energie in der ersten Halbphase

in den UI-Trenncharakteristiken ist bis zu 3,3-mal größer und

- die durchschnittliche relative Lichtintensität ist bis zu 3,8-mal größer.

Weitere Untersuchungen im Sinne der Erfindung betrafen den Einfluß der besseren Funkenparameter auf die Motor-Betriebseigenschaften. Die folgenden Motor-

betriebszustände und -bedingungen, bei denen ein positiver Einfluß auf die Erfindung auftrat, wurden hergestellt:

- Niedrige Drehgeschwindigkeitszustände,

- niedrige Belastung und kleine Drosselventilöffnungen,

±0 - Betrieb mit schwacher Mischung, insbesondere Betrieb mit einer Mischung, die schwächer ist als die optimale Mischung für einen minimalen Brennstoffverbrauch, und

- Betrieb mit späterer Zündung als der optimalen für einen gegebenen Betriebszustand.

Während der Untersuchung zeigte sich: Je mehr sich die Arbeitsbedingungen vom Optimum eines gegebenen Zustandes entfernten, umso mehr wurde der Einfluß der Erfindung offenbar. In Abhängigkeit davon, wie weit sich diese Zustände vom Optimum entfernten, ergab sich eine Wirtschaftlichkeitsverbesserung bis zu 5%.

Die Teile des erfindungsgemäßen Energiekommutators haben folgende wichtige Funktionen:

Das Photonenauge 2 strahlt eine Lawine von Anfangselektronen aus, die eine vorbremsende Ionisierung in dem Raum zwischen den Elektroden 3 und 4 bewirken.

Jl-

Die Elektronenemission des Photonenauges 2 wird erregt durch die Spannung des Hochspannungsimpulses und ist abhängig von letzterem in der Zeit.

Der Spannungsänderung zwischen Anode 3 und Kathode folgt eine Änderung des elektrischen Feldes. Dieses Feld ist unhomogen und konzentriert sich auf die scharfen Kanten der Elektroden. Diese Konzentration ist besonders hoch an den scharf gerundeten Kanten

3a

des zylindrischen Vorsprunges der Anode 3 .. Das Photonenauge 2 wird mit relativ kleinem Abstand (m) von dieser Kante positioniert, wobei die Öffnung des Auges eine scharfe Kante mit gerundeter Form von etwa demselben Durchmesser besitzt wie dsr

zylindrische Vorsprung ³%_er Anode 3 .

Mit einem Ansteigen der Spannung des Hochspannungsimpulses bis nahe dem Vor-Unterbrechungswert, wird die Stärke des elektrischen Feldes an der scharfen runden Kante des Photonenauges so groß, daß als erstes eine Erregung und später eine Ionisierung der Atome des Photonenauges und am Ende eine starke auto-elektronische Emission hervorgerufen wird. In den Raum der Nähe der runden scharfen Kante des Loches im Photonenauge emittieren in diesem Augenblick hochenergetische Photonen in dem ganzen umgebenden Raum und erzeugen eine enorme Anzahl von Anfangselektronen und Ionen, die sich stürmisch (eruptiv) entwickeln und rasch zu einem ünterbrechen des Raumes zwischen den Elektroden führen.

Ein auf diese Weise vorbereiteter und durchgeführter Durchschlag hat spezifische Eigenschaften. Der

\ Durchschlagskanal ist homogen und von großem Querschnitt. Ein Bombardieren der Kathode 4 durch positive Ionen wird abgeschwächt; eine größere Anzahl positiver Ionen mit niedriger Geschwindigkeit prallt auf den größeren Bereich der Kathode. Auf diese Weise wird eine Zerstreuung des Kathodenmateriales verhindert sowie deren Erosion, was bei bekannten Vorzündern ein großes Problem darstellt. Ein weiteres Problem der bekannten Vorzün-

^O der besteht darin, daß sie mit der Zeit ihre Funktion verlieren. Dies ist verbunden mit einem "Verschwinden" des Gases, was durch eine Adsorption und eine chemische Reaktion mit dispergiertem Kathodenmaterial bewirkt wird. Da die Kathodenmaterialdispersion erfindungsgemäß auf einen Minimalwert herabgesetzt ist, wird es möglich, in dem Raum zwischen den Elektroden selbst Gase höherer chemischer Aktivität und meistens normale atmosphärische Luft zu verwenden.

Dieser Kommutator bewirkt eine vorteilhafte Neuverteilung der Energie in folgender Weise:

Der Eingangskondensator C 1 sammelt die Energie, während die Spannung des Hochspannungsimpulses ansteigt, sowie spätere Freigaben derselben Energie

in einemurzen Zeit, während der Elektrodenabstand ι

unterbrochen ist. Der Ausgangskondensator C 2 sammelt Energie, während der Funkenraum des Kommutators unterbrochen ist, und gibt die Energie frei, während die Funkenstrecke unterbrochen ist. Die durch die Metallumhüllung 5 ausgestrahlte und aufgefangene

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elektromagnetische Energie wird freigegeben, während ebenfalls die Funkenstrecke unterbrochen ist.

Da der erfindungsgemäße Kommutator den größten Teil der Energie in Kapazitive umformt, ist der Funkenprozeß zwischen den Zündstücken durch eine beträchtliche Zeitverkürzung des Funken-"Schwanzes" gekennzeichnet, weshalb die Aerosion der Zündstücke beträchtlich reduziert ist.
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Unter normalen Motorbetriebsbedingungen beträgt die Energie, die für die Anfangszündung der Mischung benötigt wird, ca. 3 mJ.

Eine durchgeführte Überprüfung hat gezeigt, daß der Wert der elektrischen Energie in der ersten Halbperiode der U-I-Charakteristik des Durchschlages bei 34 bis 86 mJ liegt.

Aus der obigen Beschreibung wird deutlich, daß die vorliegende Erfindung eine große Bedeutung für eine Verbesserung der Funktion und der Wirtschaftlichkeit von Vergasermotoren haben kann. Die einfache Konstruktion des erfindungsgemäßen Kommutators erlaubt eine billige Herstellung, und die einfache Montage gestattet eine weite Anwendung.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1.)Ionisierender Selbsterregungskommutator für die Hochspannungsimpulsenergie eines Vergasermotor-Zündsystems,
   gekennzeichnet durch

   ein aus elektrisch isolierendem Material hergestelltes, rohrförmiges Gehäuse (1), in dessen
   zylindrischem Innenraum eine Anode (3) und eine Kathode (4) mit einem Abstand (x) angeordnet
   sind, wobei in dem geschlossenen, mit Luft oder Mischungen aus anderen Gasen gefüllten Raum
   zwischen den Elektroden mit Abstand (m) von der Anode (3) ein ringförmiges, metallisches Photonenauge (2) angeordnet ist, das eine Dicke η
   und ein zentrales Loch mit einem Durchmesser besitzt, der etwa gleich dem Durchmesser eines
   zylindrischen Vorsprunges (3a) der Anode ist.

   .2. Kommutator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) auf seiner Außenseite
   von einer Metallumhüllung (5) umgeben ist, die
   langer als die ganze Überdeckungslänge von Anode (3) und Kathode (4) ist.

   3. Kommutator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (3) mit einem Hochspannungsimpulseingang (6) sowie einem zugehörigen Widerstand (R) und die Kathode (4) mit einem Hochspannungsausgang (7) verbunden ist, der an ein zentrales Zündkerzen-Zündstück (CE) angeschlossen ist, während die Metallumhüllung (5) an Erde (M) angelegt ist.