-
-
Hochspannungs-Zündvorrichtung
-
Die Erfindung betrifft eine Hochspannungs-Zündvorrichtung für Verbrennungsmotoren,
mit mindestens einer in den Brennraum ragenden Zündelektrode.
-
Es ist bekannt, für Otto-Motoren die Zündung durch einen elektrischen
Funken einzuleiten, bei dem ein hochgespannter Zündstrom in den Verbrennungsraum
des Motors isoliert eingeführt wird und zwischen ihren Elektroden der zur Entzündung
des verdichteten Kraftstorf-Luftgemischs benötigte Funke überspringt. Die Zündkerze
wird von einem zylinderähnlichen Isolatorteil umfaßt. Die Elektrodenenden bilden
zueinander einen kleinen Spalt, eine der Elektroden ist regelmäßig senkrecht zur
Längsachse des Zylinders, d.h.
-
horizontal, angeordnet. Bei Verwendung von Hakenelektroden weisen
die Elektrodenenden nach schräg einwärts , d.h.
-
zum Zylinderkopf hin. Ferner sind Ringelektroden und vertiefte stumpfe
Elektroden bekannt, bei denen allen das Elektrodenende ein stumpfes flächiges Ende
bildet. Die bei Dieselmotoren verwendeten Glühkerzen weisen eine geschlossene in
den Brennraum eingeführte aus einem Metalldraht bestehende Glühspirale auf.
-
Die Energie zur Bewegung des Motors bzw. seiner Kolben gewinnt man
durch den Verbrennungsvorgang im Brennraum, der der Zündung folgt. Besonders bei
Motoren hoher Drehzahl muß die Einleitung des Brennvorganges, d.h. die Zündung erfolgen,
bevor der Kolben die höchste Verdichtung des brennbaren Luft-Gasgemisches im oberen
Totpunkt (oT) erzeugt hatte. Trotzdem breitet sich die Verbrennungs-
front
so langsam aus, daß der Kolben schon einen recht weiten Weg zurückgelegt hat, bevor
der Verbrennungsvorgang beendet ist. Hierdurch wird die effektive Leistung des Motors
verringert.
-
Auch ist nachteilig, daß nicht das gesamte Gemisch im Brennraum verbrennt,
insbesondere nicht an den relativ kühlen Brennraumwänden, die durch einen Wassermantel
im Zylinderblock gekühlt werden; die Motorleistung wird auch dadurch herabgesetzt,
daß Schadstoffe entstehen, die von unverbrannten oder nur halbverbrannten Brennstoffanteilen
herrühren.
-
Eine ideale Verbrennung würde vorliegen, wenn am oberen Totpunkt des
Kolbens das Treibstoffgemisch im Brennraum des Zylinders schnell und vollständig
verbrennen würde.
-
Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Hochspannungs-Zündvorrichtung
anzugeben, bei der eine schnellere und vollständigere Verbrennung des Treibstoffgemisches
im oberen Totpunkt des Zylinders, besonders bei bleifreien Treibstoffen und mageren
Mischungsverhältnissen, erfolgt.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches
1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
-
über die flächig verteilten Elektrodenspitzen geht jeweils ein Funkenfeld
bzw. je einzelne Spitze je ein Funken, in Richtung der Gegenelektrode im Bereich
des oT aus, wenn an den Elektrodenspitzen eine Hochspannung anliegt und der Abstand
zu der Gegenelektrode, vorzugsweise der Kolbenstirnfläche relativ klein ist, wie
eben im oT auch
der Fall. Es erfolgt, in Gegensatz zu einer oder
zwei Zündkerzen, eine flächig über den ganzen Querschnitt des Brennraums beginnende
Zündung, die vorteilhaft auch sehr gleichmäßig ist. Der übliche, m äußeren Motorraum
angeordnete Zündepannungsverteiler kann entfallen, gemäß einer Abwandlung der Erfindung
ist an der Kolbenstirnfläche ein Bauelement, z.B. mindestens eine muldenartige Vertiefung
als Kontaktstelle vorhanden, an der im Bereich von oT eine bzw. die vorstehende
Elektrodenspitze kontaktierend anliegt Ferner ist es vorteilhaft, die kühe Zündspannung
durch einen Tesla-Transformator zu erzeugen, dessen für die Zündspannung verwendete
Sekundärspule hochfrequente Schwingungen abgibt und dessen Primärkreis ein oder
zwei zur Funkenstrecke parallel geschaltete Kondensatoren aufweist; der Tesla-Primärkreis
ist seinerseits an einen Hochspannungstransformator verbunden der mit Wechselstrom
gespeist wird; Primär- und Sekundärkreis sind auf Resonanz miteinander abgestimmt.
Der Transformator lädt die Kapazität des Schwingungskreises auf bis Durchschlag
der Funkenstrecke(en) erfolgt.
-
Die bekannte Tesla-Funkenstrecke wird im Sinne der Erfindung zum Funkenübergang
zwischen Elektrodenspitzen und der Gegenelektrode ausgenutzt. Die im Sekundärkreis
des Tesla-Transrormators vorliegenden sehr hohen Spannungen und hochfrequenten Ströme
sind für den menschlichen Körper aber unschädlich.
-
Eine weitere Variante der Erfindung sieht vor, daß die Kolbenstirnfläche
selbst ein spitzen-bzw. netzartig verteiltes Elektrodenfeld bekommt, wobei dann
eine im Zylinderkopf vorhandene zentrale Mittelelektrode in eine Mulde der Zylinderstirnfläche
kontaktgebend im Bereiche oT einführbar ist. Ein solches, eine Vielzahl von in Richtung
des Zylinderkopfes aufweisende
Elektrodenspitzen besitzendes Elektrodenaggregat
kann so ausgebildet sein, daß die Basisteile der Elektrodenspitzen in einen elektrisch
isolierenden wärmefesten überzug bzw. Schicht der gesamten Kolbenstirnfläche eingebettet
sind. Den Elektrodenspitzen bleibt durch diese Maßnahme die notwendige, hinreichend
große Hochspannung zur Funkenbildung und Ionisierung des Kammerinhalts erhalten.
Der Überzug kann aus feuerfester Keramik bestehen, die Form der Elektrodenspitzen
kann nagelförmig, nadelförmig oder pinselartig sein; die Spitzen können siebartig
verteilt werden. Die Spitzen können aufgesetzt, eingebacken oder eingebettet werden.
-
Die Spitzen haben aber eine elektrisch leitende Verbindung miteinander.
Das Elektrodenaggregat Enn mit Hilfe von Sprengringen im oberen Bereich des Kolbens
befestigt oder mit BaåoneCtverschluß eingesetzt sein.
-
Es kann auch wahlweise eingegossen oder durch Grob gewinde auf die
Kolbenstirnseite aufgeschraubt werden. Im Einzelfall ist es möglich, das Elektrodenaggregat
und/oder den nicht leitenden wärmefesten Überzug bzw. Keramiküberzug aufzukleben.
-
Zur Erzeugung der Hochspannung kann auch eine ans ich bekannte Zündspule
statt des Tesla-Generators bzw.
-
einer HF-Sprühentladung verwendet werden; ebenfalls ein Fernsehhochspannungsgenerator,
allerdings nit einer Spannung weniger als 15.ooo Volt, oder ein Kaskadengenerator
bzw. ein Transistorgenerator mit einer Zündspule.
-
Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 in Seitenansicht, teilweise
im Schnitt, einen Kolben, einen Kolbenbrennraum und einen Teil des Zylinderkopfes
mit den Ventilen, wobei der Kolben den
Bereich oT noch nicht erreicht
hat und das Elektrodenaggregat aus einer Vielzahl von an der Stirnfläche des Kolbens
angeordneten Elektrödenspitzen besteht Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht,
jedoch mit der Abwandlung, daß das Elektrodenaggregat in Form eines Spitzenfeldes
an der Oberfläche des Zylinderkopfes angeordnet ist, der dem Brennraum zugewandt
ist Fig. 3, teilweise im Schnitt.und abgebrochen einen Kolben, mit einem Elektrodenaggregat
und Befestigungs-bzw. Spannteilen zwischen letzterem und der Kolbenwand Fig. 4 eine
der Fig. 3 ähnlici Anslcht, bei dem die Befestigung des Elektrodenaggregates an
dem Kolben durch in der Stirnfläche des letzteren liegende Befestigungselemente
erfolgt.
-
Im Zylinderblock io sind entsprechende Zylinder ggf.
-
unter Einsatz von Zylinderbüchsen 11 vorhanden, die über mit Wasser
gefüllte Kühlräume 12 von der Lüfterpumpe her durch Wasserzirkulation gekühlt werden.
Im Zylinder sitzt ein über Pleuel 13 bewegbarer Kolben 14 mit Kolbenringen 15. Auf
der Kolbenstirnfläche 16 sitzt das Elektrodenaggregat 17, welches durch eine Isolierstoffechicht
18 von dem Metallwerkstoff des Kolbens getrennt ist. Die Elektrodenspitzen 20 sind
durch eine Leiterschicht 19 miteinander elektrisch verbunden. Etwa in der Mitte
befindet sich eine Elektrodenmulde 21, in die eine Mittelelektrode 22 formschlüssig
eingreifen kann: Wenn der Kolben 15 aus der in Fig. 1 gezeigten Position soweit
nach oben gefahren ist, daß er sich im Bereich oT befindet, dann kontaktiert die
Spitze 22a der Mittelelektrode die elektrisch leitende Oberfläche der Mulde 21,
so daß alle Elektrodenspitzen 20 dann an die Spannung der Mittelelektrode 22 angeschlossen
sind. Bauteil 23 ist ein Tesla-Transformator
oder eine vorstehend
genannte Hochspannungszündvorrichtung.
-
Im Zylinderkopf 24 befindet sich das Einlass- bzw. Auslassvenil 25,
26, die nur beispielhaft hier beide in Schließstellung dargestellt sind; bei geöffnetem
Einlassventil 25 strömt ein brennbares Gemisch über den Einlasskanal 27 in den Brennraum
28 und wird im Auspuffhub, nunmehr bei geschlossenem Einlassventil 25, aber geöffnetem
Auslassventil 26 zum Auslasskanal 29 und von hier zu dem nicht dargestellten Auspuffkrümmer
ausgestoßen. Die Mittelelektrode 22 ist ansich bekannter Weise über eine Schraubverbindung
zusammen mit seinem Isolatorteil 30 in den Zylinderkopf 24 eingeschraubt.
-
Bei der Bewegung des Kolbens 14 in axialer Richtung (in Zeichnungsebene
aufwärts/abwärts) nähert er sich entsprechend der Hub folgte im Zündtakt mit seiner
Stirnfläche 16 und dem Elektrodenaggregat 17 der ihm zugewandten Obefläche 24a des
Zylinderkopfes 24; die Elektrodenspitzen 20 kommen, über die ganze Fläche, d.h.
den ganzen Querschnitt der Verbrennungskammer 28 hin in einen relativ kleinen Abstand
gegenüber dieser Fläche (bzw. Teilflächen) 24a zu liegen, so daß zwischen diesen
Bauteilen nur noch ein vorbestimmter spaltartiger Raum gebildet ist. In der Position
bzw. dann, wenn der Kolben 14 noch geringfügig höher gefahren wird, kommt ein elektrisch
leitender Kontaktschluß zwischen Spitze 22a und der Elektrodenmulde 21 in der Kolbenoberfläche
zustande: Die Hochspannung des Tesla-Transformators 23 überträgt sich über die Mittelelektrode
22, Spitze 22a und die Leiterschicht 19 schnellstens auf alle Elektrodenspitzen
20; das komprimierte Treibgasgemisch wird stark ionisiert und es bilden sich im
kleinsten Zeitintervall von den Spitzen 20 zur Gegenelektrode bzw. zu den Flächen
24a verlaufende und das Treibgasgemisch zündende Funken aus. Hierbei wird eine über
die ganze Fläche gleichzeitig entstehende Zünd- und
Flammenfront
ausgebildet, die vorteilhaft auch ein mageres Gemisch einwandfrei zündet.
-
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 kann die Anordnung so getroffen
werden, daß eine durch z.B. eine Keramikschicht isolierte Mulde 21a im Kolben 14
vorhanden ist, aber das Elektrodenaggregat 17 mit seinen Spitzen 20a im Zylinderkopf
selbst und zwar im Bereich der zugehörigen, dem Brennraum zugewandten Oberfläche
24a vorhanden ist.
-
Es ist eine entsprechende, diese Spitzen verbindende Leiterschicht
l9a und eine zugehörige Isolierschicht 18a vorhanden. Die Hochspannung eines Tesla-Transformators
odgl.
-
23a steht hier über die Mittelelektrode 22a dem Elektrodenaggregat
17 voll zur Verfügung, sodaß durch die Elektrodenspitzen 20a die Ionisierung in
dem spaltartigen Verbrennungsraum 28a eingeleitet wird, das Verbrennungsgemisch
zündet und der Kolben 14 im Explosionshub nach unten gestoßen wird.
-
Wenn die Variante gemäß Fig. 1 mit am Kolben 14 angeordneten Elektrodenaggregat
17 verwendet wird, kann man dieses vorteilhaft plattenförmig ausbilden, sowie mit
einem Ringrand 17b in Form eines Flansches versehen. Der letztere übergreift einen
Segmentring 31, der L-förmig ausgeführt und an einer Stufe 15a eines Kolbens 14
abgestützt sein kann. Ein zweiter Ring 32 übergreift den Ringrand 17b.
-
Bauteile 31, 32 bestehen aus Isolierwerkstoff. Durch einen Sprengring
odgl. nach Art eines inneren Kolbenringes 33 wird Ring 32 nach oben abgesichert.
Diese Bauteile müssen aus feuerfestem Material bzw. Metall bestehen.
-
Nach einer anderen Aus führunge form wird der obere als Halteelement
dienende Ring 32 nicht von einem Sprengring 33, sondern von einem L-förmigen Ende
der Kolben-
wand des Kolbens 14 selbst übergriffen und hierdurch
die Bauteile 32, 17b und 31 axial verspannt.
-
Gemäß der in Fig. 4 gezeigten Abwandlung wird das Elektrodenaggregat
17 mit z.B. knopfarigen Halteelementen 35 versehen, die in Ankerlöcher 36 im Bereich
der Stirnfläche des Kolbens 14 fest eingesetzt sind, wobei diese Basisplatte die
Isolierschicht 18 der Spitzen 20 sein kann.
-
Die Erfindung ist auf diese Ausführungsformen nicht eingeschränkt.
Anstelle von Keramik kann die Isolierschicht 18, 18a aus Glas, Porzellan oder ihren
Mischungen bestehen. Man kann einen Kolben 14 verwenden, der keinen Kolbenboden
(Stirnwand) aufweist: Dieser Kolbenboden wird dann durch ein Elektrodenaggregat
17 im Sinne der Figuren 3 bzw. 4 dargestellt.
-
Die elektrische Spannung kann sowohl als Gleichspannung oder auch
als nieder- oder hochfrequente Wechselspannung eingesetzt werden. Im Falle der Ausführungsform
gemäß Fig. 2 ist die elektrische Spannung ständig am Elekrodenaggregat 17, 19a vorhanden.
Hier kann die Anordnung so getroffen sein, daß die Ionisierung bzw.
-
Zündung auch dann eingeleitet ist, wenn zwischen Spitze 22b und Mulde
21a noch ein kleiner Abstand vorhanden ist. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1
wird die Spannung aber nur wirksam, wenn Mulde 21 und Spitze 22a der Mittelelektrode
sich berhrt hahen. Die elektrische Spannung ist hinreichend hoch einzustellen, damit
von allen Elektrodenspitzen 20, 20a der Funke überspringen kann.
-
- Leerseite -