DE3407951C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochspannungs-Zündvorrichtung für Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1.

Es ist bekannt, für Otto-Motoren die Zündung durch einen elektrischen Funken einzuleiten, bei dem ein hochgespannter Zündstrom in den Verbrennungsraum des Motors isoliert ein­ geführt wird und zwischen ihren Elektroden der zur Ent­ zündung des verdichteten Kraftstoff-Luftgemisches benötigte Funke überspringt. Die Zündkerze wird von einem zylinder­ ähnlichen 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 ver­ tiefte stumpfe Elektroden bekannt, bei denen allen das Elektrodenende ein stumpfes flächiges Ende bildet. Die bei Dieselmotoren verwendeten Glühkerzen weisen eine ge­ schlossene in den Brennraum eingeführte aus einem Metall­ draht 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 Dreh­ zahl 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 relativ weiten Weg zurückgelegt hat, bevor der Verbrennungsvor­ gang 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 Brenn­ stoffanteilen herrühren. Eine ideale Verbrennung würde vorliegen, wenn am oberen Totpunkt des Kolbens das Treibstoffgemisch im Brennraum des Zylinders schnell und vollständig verbrennen würde.

Nun treten aber besondere Verhältnisse bei der Verbrennung von bleifreien Treibstoffen und mageren Mischungsverhält­ nissen auf.

Zwar ist bereits bekannt, in einer Hochspannungs-Zünd­ vorrichtung für Brennkraftmaschinen eine Mehrzahl von in den Brennraum ragenden Zündelektroden zu verwenden, es sind z. B. fünf Elektroden nebeneinander und in einer linearen Anordnung an der Stirnseite des Kolbens befestigt. Sie bilden ein Elektrodenaggregat, dessen einzelnen Elek­ troden unter Bildung eines jeweiligen Spaltes einander gegenüberliegen und ihre zugehörigen scharfen Kanten einander zugekehrt sind. Die Elektroden sind einzeln für sich isoliert. Die Hochspannung wird von außen zu einer im Zylinderkopf sitzenden Hochspannungselektrode zugeführt, die dezentral zu den einzelnen Elektroden des Elektroden­ aggregates positioniert ist.

Allerdings bilden sich hier zunächst die Funkenstrecken, die ja die Zündquellen für das Gas im Brennraum darstellen, zunächst nur in den Spalten zwischen den Einzelelektroden des Zündaggregates. Zwar sind statt einer Zündquelle mehrere vorhanden, aber doch nur in beschränkter Vielzahl und in einem geometrisch beschränkten, streifenförmigen Raum. Es wird deshalb nur eine relativ kleine Fläche des gesamten Brennraumes für den Zündvorgang erfaßt, und weiter wird der Zündvorgang dadurch verzögert, daß sich zunächst die Funken­ bildung nur im unmittelbaren Bereich der einzigen Hoch­ spannungs-Gegenelektrode ausbildet und zwangsläufig nur mit einer Zeitverzögerung in Richtung der Elektrodenreihe fort­ setzt. Diese Nachteile sind besonders gravierend, wenn eben mit schlecht zündbaren bzw. mageren Vergasergemischen bzw. bleifreiem Benzin gearbeitet wird (US-PS 22 53 204).

Es ist ferner ein Elektrodenaggregat als Zündsystem für Brennkraftmaschinen in Form einer Platte bekannt, bei der z. B. zwei Reihen von T-förmigen Elektroden vorhanden sind. Jede T-Elektrode wird von einem rohrförmigen Isolator um­ faßt. Zwischen den benachbarten Einzelelektroden werden somit Zündspalte gebildet, indem an die Elektrode eine Hochspannung angelegt wird. Die Elektrode kann auch L-för­ mig ausgebildet sein oder eine Spitze aufweisen, die aber zur Bildung von Zündspalten in Richtung der benachbarten Einzelelektroden weisen. Hier bleibt die Bildung von Zündquellen auf zwei linear-streifenförmige oder einen kreisförmig umlaufenden streifenförmigen Bereich beschränkt. Auch bei mageren Luftkraftstoffgemischen ist die Zünd­ vorrichtung stark verbesserungsbedürfig (DE-OS 32 30 462).

Zwar ist noch ein Elektrodenaggregat in Form einer Platte mit zugehörigen Elektrodenspitzen in Form von Nadeln, die in Isolierwerkstoff eingebettet sind. Allerdings handelt es sich um eine einzige Spezialelektrode, die in besonderer beweglicher Weise in den Kolben eingebaut ist. Dies ist kostenaufwendig und erhöht die Montage. Es werden unter­ schiedliche Abstände zu einer Gegenzündelektrode beabsich­ tigt. Es wird nicht das Zündproblem magerer Gemische angesprochen (US-PS 22 98 219).

Es ist auch bekannt, im Bereich des Zylinderkopfes eine Elektrodenmulde auszubilden, der eine kontaktierende Elek­ trodenspitze zugeordnet wird. Es handelt sich um eine konische Einzelelektrode am Kolben. Somit wird im wesent­ lichen nur eine einzige Zündstelle für die Flammenfront gebildet, so daß die Zündung wenig effektiv ist (FR-OS 24 22 045).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochspannungs- Zündvorrichtung anzugeben, bei der eine schnellere und vollständigere Verbrennung des Treibstoffgemisches im oberen Totpunkt des Zylinders, bei bleifreien Treibstoffen und mageren Mischungsverhältnissen, erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kenn­ zeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteran­ sprüchen dargestellt.

Über die nunmehr 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, im äußeren Motor­ raum angeordnete Zündspannungsverteiler kann entfallen, gemäß einer Abwandlung der Erfindung ist der Kolbenstirnfläche ein Bauelement, z. B. min­ destens eine muldenartige Vertiefung als Kontaktstelle vorhanden, an der im Bereich von oT eine bzw. die vorstehende Elektrodenspitze kontaktierend anliegt.

Ferner ist es vorteilhaft, die hohe 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 Konden­ satoren aufweist; der Tesla-Primärkreis ist seinerseits an einen Hochspannungstransformator verbunden der mit Wechselstrom gespeist wird; Primär- und Sekundärkreis sind auf Resonanz miteinander abgestimmt. Der Trans­ formator 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-Transformators 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. netz­ artig verteiles Elektrodenfeld bekommt, wobei dann eine im Zylinderkopf vorhandene zentrale Mittelelektrode in eine Mulde der Zylinderstirnfläche kontaktgebend im Bereich oT einführbar ist. Ein solches, eine Viel­ zahl von in Richtung des Zylinderkopfes aufweisende Elektrodenspitzen besitzendes Elektrodenaggregat kann so ausgebildet sein, daß die Basisteile der Elektroden­ spitzen in einen elektrisch isolierenden wärmefesten Überzug bzw. Schicht der gesamten Kolbenstirnfläche eingebettet sind. Den Elektrodenspitzen bleibt durch diese Maßnahme die notwendige, hinreichend große Hoch­ spannung zur Funkenbildung und Ionisierung des Kammer­ inhalts 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 Ver­ bindung miteinander. Das Elektrodenaggregat kann mit Hilfe von Sprengringen im oberen Bereich des Kolbens befestigt oder mit Bajonettverschluß eingesetzt sein. Es kann auch wahlweise eingegossen oder durch Grobgewinde auf die Kolbenstirnseite aufgeschraubt werden. Im Ein­ zelfall ist es möglich, das Elektrodenaggregat und/oder den nicht leitenden wärmefesten Überzug bzw. Keramik­ überzug aufzukleben.

Zur Erzeugung der Hochspannung kann auch eine an sich bekannte Zündspule statt des Tesla-Generators bzw. einer HF-Sprühentladung verwendet werden; ebenfalls ein Fernsehhochspannungsgenerator, allerdings mit einer Spannung weniger als 15 000 Volt, oder ein Kaskaden­ generator bzw. ein Transistorgenerator mit einer Zünd­ spule.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

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 Elektroden­ aggregat aus einer Vielzahl von an der Stirnfläche des Kolbens angeordneten Elektrodenspitzen besteht,

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht, jedoch mit der Abwandlung, daß das Elektrodenaggregat in Form eines Spitzenfeldes an der Oberfläche des Zylinder­ kopfes 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 ähnliche Ansicht, bei dem die Befestigung des Elektrodenaggregates an dem Kolben durch in der Stirnfläche des letzteren liegende Be­ festigungselemente erfolgt.

Im Zylinderblock 10 sind entsprechende Zylinder ggf. unter Einsatz von Zylinderbüchsen 11 vorhanden, die über mit Wasser gefüllte Kühlräume 12 von der Lüfter­ pumpe 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 einen schichtförmigen Isolator 18 von dem metallischen Kolben getrennt ist. Die Elektrodenspitzen 20 sind durch einen schichtartigen Leiter 19 miteinander elektrisch verbunden. Etwa in der Mitte befindet sich eine Elektroden­ mulde 21, in die eine Mittelelektrode 22 formschlüssig eingreifen kann: Wenn der Kolben 14 aus der in Fig. 1 gezeigten Position soweit nach oben gefahren ist, daß er sich im Bereich oT befindet, dann kontaktiert die Spitze 22 a der Mittelelektrode die elektrisch leitende Oberfläche der Elektrodenmulde 21, so daß alle Elektrodenspitzen 20 des Kolbens dann an die Spannung der Mittelelektrode 22 ange­ schlossen sind. Der Bauteil 23 ist ein Teslatransformator oder eine Hochspannungszündvorrichtung.

Im Zylinderkopf 24 befindet sich das Einlaß- bzw. Aus­ laßventil 25, 26, die hier nur beispielhaft beide in Schließstellung dargestellt sind; bei geöffnetem Ein­ laßventil 25 strömt ein brennbares Gemisch über den Einlaßkanal 27 in den Brennraum 28 und wird im Aus­ puffhub, 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 über eine Schraubverbindung zusammen mit seinem Isolator 30 in den Zylinderkopf 24 eingeschraubt.

Bei der Bewegung des Kolbens 14 in axialer Richtung (in Zeichnungsebene aufwärts/abwärts) nähert er sich entsprechend der Hubfolge im Zündtakt mit seiner Stirnfläche 16 und dem Elektrodenaggregat 17 der ihm zugewandten Oberfläche 24 a 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 Ober­ fläche (bzw. Teilflächen) 24 a zu liegen, so daß zwischen diesen Bauteilen nur noch ein vorbestimmter spaltartiger Raum gebildet ist. In dieser Position bzw. dann, wenn der Kolben 14 noch geringfügig höher gefahren wird, kommt ein elektrisch leitender Kontaktschluß zwischen der Spitze 22 a und der Elektrodenmulde 21 in der Kolben­ oberfläche zustande: Die Hochspannung des Teslatrans­ formators 23 überträgt sich über die Mittelelektrode 22, Spitze 22 a und den Leiter 19 schnellstens auf alle Elektrodenspitzen 20; das komprimierte Treib­ gasgemisch wird stark ionisiert und es bilden sich im kleinsten Zeitintervall von den Elektrodenspitzen 20 des Kolbens zur Gegen­ elektrode bzw. zu den Oberflächen 24 a verlaufende und das Treibgasgemisch zündende Funken aus. Hierbei wird eine über die ganze Oberfläche 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 Keramik­ schicht isolierte Mulde 21 a im Kolben 14 vorhanden ist, aber das Elektrodenaggregat 17 mit seinen Elektrodenspitzen 20 a im Zylinderkopf selbst und zwar im Bereich der zugehörigen, dem Brennraum zugewandten Oberfläche 24 a vorhanden ist. Es ist ein entsprechender, diese Spitzen verbindender schichtförmiger Leiter 19 a und ein zugehöriger schichtförmiger Isolator 18 a vor­ handen. Die Hochspannung eines Teslatransformators o. dgl. 23 a steht hier über die Mittelelektrode 22 a dem Elektroden­ aggregat 17 voll zur Verfügung, so daß durch die Elektroden­ spitzen 20 a die Ionisierung in dem spaltartigen Verbrennungs­ raum 28 a 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 17 b in Form eines Flansches versehen. Der letztere übergreift einen Segmentring 31, der L-förmig ausgeführt und an einer Stufe 15 a eines Kolbens 14 abgestützt sein kann. Ein zweiter Ring 32 übergreift den Ringrand 17 b. Die Bauteile 31, 32 bestehen aus Isolierwerkstoff. Durch einen Sprengring o. dgl. nach Art eines inneren Kolbenringes 33 wird der zweite Ring 32 nach oben abgesichert. Diese Bauteile müssen aus feuerfestem Material bzw. Metall bestehen.

Nach einer anderen Ausführungsform wird der obere als Halteelement dienende Ring 32 nicht von einem Spreng­ ring 33, sondern von einem L-förmigen Ende der Kolben­ wand des Kolbens 14 selbst übergriffen und hierdurch die Bauteile 32, 17 b und 31 axial verspannt.

Gemäß der in Fig. 4 gezeigten Abwandlung wird das Elektrodenaggregat 17 mit z. B. knopfartigen Halte­ elementen 35 versehen, die in Ankerlöcher 36 im Be­ reich der Stirnfläche des Kolbens 14 fest eingesetzt sind, wobei diese Basisplatte den Isolator 18 der Elektrodenspitzen sein kann.

Die Erfindung ist auf diese Ausführungsformen nicht eingeschränkt. Anstelle von Keramik kann der Isolator 18, 18 a aus Glas, Porzellan oder ihren Mischungen bestehen. Man kann einen Kolben 14 verwenden, der keinen Kolbenboden (Stirnwand) aufweist: Dieser Kolben­ boden wird dann durch ein Elektrodenaggregat 17 im Sinne der Fig. 3 bzw. 4 dargestellt.

Die elektrische Spannung kann sowohl als Gleichspannung oder auch als nieder- und hochfrequente Wechsel­ spannung eingesetzt werden. Im Falle der Ausführungs­ form gemäß Fig. 2 ist die elektrische Spannung ständig am Elektrodenaggregat 17 (bzw. 19 a) vorhanden. Hier kann die Anordnung so getroffen sein, daß die Ionisierung bzw. Zündung auch dann eingeleitet ist, wenn zwischen Elektrodenspitzen 22 b und der Mulde 21 a noch ein kleiner Abstand vorhanden ist. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird die Spannung aber nur wirksam, wenn die Mulde 21 und die Elektrodenspitze 22 a der Mittelelektrode sich berührt haben. Die elektrische Spannung ist hinreichend hoch einzustellen, damit von allen Elektrodenspitzen 20, 20 a der Funke überspringen kann.

Claims (5)

1. Hochspannungs-Zündvorrichtung für Verbrennungsmotoren, mit mindestens einer in den Brennraum ragenden Zündelektrode und einem als weitere Elektrode dienenden Elektrodenaggre­ gat, das eine Vielzahl von flächig verteilten Elektroden­ spitzen aufweist, und das Elektrodenaggregat durch einen schichtförmigen Hochspannungsisolator zu seinem tragenden Bauteil abisoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die flächig verteilten Elektrodenspitzen (20, 20 a) jeweils zur Zylinderkopf-Oberfläche (24 a) oder zur Kolben­ stirnfläche (16) ausgerichtet und zumindest gruppenweise elektrisch leitend verbunden sind und ferner die Elektroden­ spitzen der Kontur der Brennraumoberfläche folgend verteilt angeordnet sind.

2. Hochspannungs-Zündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Hochspannungsquelle ein im Se­ kundärkreis Hochfrequenzströme führender Transformator ist.

3. Hochspannungs-Zündvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenspitzen die Form von Nadeln aufweisen, die in den Isolierwerkstoff einge­ bettet sind.

4. Hochspannungs-Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß ein plattenförmiges Elektrodenaggregat (17) über eine aus Keramik-, Glas- oder Porzellanmasse bestehende Isolierschicht (24 a) zum Zylinderkopf (24) abisoliert ist.

5. Hochspannungs-Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß ein plattenförmiges Elektrodenaggregat (17) einen mindestens teilweise um­ laufenden Ringrand (17 b) aufweist, der über ring- bzw. ringsegmentartige flache Bauteile (31, 32) aus isolieren­ dem Werkstoff an der Wandung des Kolbens (15) eingesetzt bzw. festgeklemmt ist.