DE3530997C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einer zwischen Motorblock und Zylinderkopf angeordneten plattenförmigen Einlage, welche eine Isolationsplatte sowie für jeden Zylinder eine ringförmige Elektrodenhalterung für eine Anzahl von Elektroden aufweist, wobei erste Elektroden mit einem Zündverteiler, einer Zündelektronik oder dergleichen verbunden und zweite Elektroden insbesondere über den Motorblock, Bestandteile des Zündstromkreises sind.

Für Zündvorrichtungen ist es üblich, das Elektrodenpaar in einer Zündkerze vorzusehen, die über entsprechende Gewinde in den Zylinderkopf des Verbrennungsmotors eingeschraubt und bei Bedarf auch wieder gewechselt werden kann. Die Zündelektroden befinden sich im oberen Bereich des Verbrennungsraumes, so daß die beim Zünden des Gemisches entstehende Druckwelle im wesentlichen in axialer Richtung der Zylinderbohrung verläuft. Erfolgt durch fehlerhafte Einstellung des Zündzeitpunktes oder durch sonstige Veränderungen in der Zündvorrichtung eine Frühzündung, so kann die Druckwelle zu dem sehr nachteiligen "Klopfen" des Motors mit erheblichen Überbeanspruchungen insbesondere der Lager führen. Ferner erfolgt die Zündung nur an einem einzigen Punkt, und es kann in der Praxis nicht ausgeschlossen werden, daß in bestimmten Bereichen des Brennraumes nur eine unvollständige Verbrennung stattfindet. Es sei insbesondere auf die Tatsache verwiesen, daß die Flammenfront bei der Verbrennung mangels ausreichendem Sauerstoffnind zu niedriger Temperatur vor den Wandungen des Brennraumes erlischt (sogen. "wall quenching") und somit Kohleablagerungen verursacht, die bei Belastung und hoher Verdichtung durch Nachglühen zur Fremdzündung führen (Klopfen). Die hierdurch bedingten unverbrannten Kohlenwasserstoffe und ggf. auch Stickoxide usw. führen zu einer starken Umweltbelastung.

Aus der DE-OS 30 22 520 ist eine Zündanordnung bekanntgeworden, bei der im Bereich der Stirnfläche des Kolbens eine Reihenschaltung von Zündfunkenstrecken vorgesehen ist. Einerseits ist eine solche Anordnung einer relativ starken Druckbelastung ausgesetzt und andererseits summieren sich aufgrund der Reihenschaltung die Funkenstrecken als Widerstände, und es bestehen große Zweifel, ob selbst mit Hochspannungskondensator-Zündkerzen derart große Strecken ohne zusätzliche Aufladung beherrscht werden können.

Eine Zündvorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE-PS 32 30 462 bekanntgeworden. Diese bekanne Zündvorrichtung enthält eine plattenförmige Einlage, die zwischen dem Motorblock und dem Zylinderkopf angeordnet ist, wobei zusätzliche Dichtungen zur Abdichtung der Zylinderräume notwendig sind. Die plattenförmige Einlage besteht aus einer äußeren Isolationsplatte, in deren kreisförmige Löcher pro Zylinder jeweils eine Metallplatte als Elektrodenhalterung eingesetzt ist. Diese weist eine Anzahl von Bohrungen auf, in welche die einzelnen Elektroden mittels rohrförmiger Isolationselemente aus Keramik eingesetzt sind. Abgesehen von der sehr aufwendigen und eine Vielzahl von Einzelteilen erfordernden Bauweise muß die Metallplatte eine vergleichsweise große Materialdicke in Richtung der Zylinderachse aufweisen, was recht ungünstig im Hinblick auf die Kompression eines derartigen Motors ist. Die beiden erforderlichen Dichtungen bedingen eine zusätzliche Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Motorblock und dem Zylinderkopf und darüber hinaus ragen die Elektroden recht weit in der Zylinderwand nach innen in den Verbrennungsraum hinein. Die Zündung erfolgt wie bei konventionellen Zündkerzen relativ weit in der Mitte des Zylinders, damit hohe Kippmomente auf den Kolben vermieden werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zündvorrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiter zu bilden, daß eine verbesserte Verbrennung erreicht und eine geringere Materialbeanspruchung sichergestellt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß pro Zylinder wenigstens zwei Paare mit je einer der ersten Elektroden sowie einer der zweiten Elektroden in der Nähe der Seitenwand des Zylinders angeordnet sind, daß die ersten Elektroden der Elektrodenpaare parallel geschaltet sind, daß die ringförmige Elektrodenhalterung und die Isolationsplatte aus einem Material hoher Dielektrizität bestehen und daß die Isolationsplatte als Dichtung zwischen Zylinderkopf und Motorkopf ausgebildet ist.

Mit der erfindungsgemäßen Zündvorrichtung wird zum einen der Fertigungsaufwand verringert und die Montage wird gerade im Hinblick auf die Großserienfertigung von Kraftfahrzeugmotoren kostengünstig durchführbar. Darüber hinaus kann die Zündvorrichtung ohne wesentliche Änderungen bestehender Motorkonzepte realisiert werden, und außerdem kann die erfindungsgemäße Zündvorrichtung auch bei modernen Motorkonzepten aus Oxidkeramik oder vergleichbaren Werkstoffen zum Einsatz gelangen. Die Zündvorrichtung besitzt einen geringen Platzbedarf und eröffnet der Gestaltung des Verbrennungsmotors dem Konstrukteur neue Möglichkeiten.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird eine wesentlich verbesserte Verbrennung erzielt, wodurch nicht nur die Umweltbelastung durch den Motor reduziert, sondern auch eine verbesserte Nutzung des eingesetzten Kraftstoffes erzielt werden. Die Zündung des zündfähigen Gemisches erfolgt erfindungsgemäß an zwei oder mehreren örtlich getrennten Bereichen an der Seite des Brennraumes. Anstelle der im wesentlichen in Richtung der Zylinderachse auf die Kolbenoberfläche wirkenden Druckwelle wird erfindungsgemäß eine im wesentlichen tangential oder mit einer wesentlichen tangentialen Komponente auf die Oberfläche des Zylinderkopfes wirkende Druckwelle erreicht. Es wird eine weichere Verbrennung bei geringerer Materialbeanspruchung erreicht. Die Auswirkungen des wall quenching werden reduziert, da die Verbrennung aufgrund der Anordnung der wenigstens zwei Elektrodenpaare im Bereich der Zylinderwand dort das Gasgemisch weniger stark abkühlt und mithin auf einem höheren Temperaturniveau liegt als bei bisher bekannten Zündsystemen. Die Zündvorrichtung kann darüber hinaus im Rahmen der Erfindung auch unmittelbar in den Motor und insbesondere den Zylinderkopf integriert sein, sofern der Motor und/oder der Zylinderkopf aus einem Material gefertigt ist, das eine gute elektrische Isolation gewährleistet, wie insbesondere Oxidkeramik oder ein vergleichbarer Werkstoff. Ferner kann die Zündvorrichtung als eine im Vergleich zur Gesamthöhe des Motors relativ schmale Platte ausgebildet sein, die im Bereich des Brennraumes zwischen Zylinderkopf und Motorblock eingespannt wird. Schließlich kann die erfindungsgemäße Zündvorrichtung auch wie eine bisher übliche Zylinderkopfdichtung zur Abdichtung dienen. Die Zündvorrichtung ist insgesamt als eine flache Platte ausgebildet, die eine hinreichende Flexibilität aufweist, um eine einfache Handhabung beim Einbau und der Montage zu gewährleisten.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung kann dahin gehen, daß bei Verwendung zweier Elektrodenpaaren diese an der zylindrischen Seitenwand einander diametral gegenüberliegen; wenn drei Elektrodenpaare eingesetzt werden, sind diese Elektrodenpaare gleichmäßig über den Umfang des Brennraumes verteilt.

Die Elektrodenhalterung, die wie oben erwähnt, ringförmig ausgebildet ist und den Zylinderabschluß bildet, besteht zweckmäßig aus Oxidkeramik (AL 2 0 3) oder einem vergleichbarem Werkstoff hoher Hitzebeständigkeit und/oder Temperaturschockbeständigkeit. Im Rahmen der Erfindung besteht die Halterung aus den auch für den Keramikkörper von üblichen Zündkerzen verwendeten Werkstoffen. Die Elektrodenhalterung dient dabei zur Fixierung der Elektroden und zur Aufnahme der Druckschwingungen zwischen Zylinderkopf und Motorblock.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann dahin gehen, daß die Elektrodenhalterung radial außen von einem Elektrodenbett umgeben ist, welches insbesondere als Dichtung zwischen Zylinderkopf und Motorblock dient. Anstelle der heute üblichen Zylinderkopfdichtung kann die erfindungsgemäße Zündvorrichtung zwischen dem Zylinderkopf und dem Zylinderblock angeordnet werden, weswegen besondere Halterungen, Gewindebohrungen oder sonstiges, die bisher bei Zündkerzen notwendig waren, entfallen können. Die Zündvorrichtung wird dabei mittels der gleichen Schrauben befestigt, die auch zur Verbindung des Zylinderkopfes mit dem Zylinderblock dienen.

In bevorzugter Ausführung der Erfindung besteht das Elektrodenbett aus einem Material hoher Temperaturbeständigkeit und einer hohen Dielektrizität und insbesondere aus synthetischem Glimmer (Mikanit FlM) oder einem vergleichbarem Werkstoff. Dadurch ist die Isolation der unter Hochspannung stehenden Elektroden zum Motorblock hin sichergestellt.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines tangentialen Zündsystems,

Fig. 2 vergrößert einen Schnitt quer zur Zylinder­ achse durch die Elektroden,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Schnittlinie A durch den Gegenstand der Fig. 2, und

Fig. 4 einen axialen Schnitt durch den Kolben und Zylinder eines Otto-Motors.

In Fig. 1 ist schematisch das erfindungsgemäß vorgeschlagene tangentiale Zündsystem mit jeweils drei Elektrodenpaaren 2 pro Zylinder 4 dargestellt. Die Elektrodenpaare 2 sind jeweils über den Zylinderumfang gleichmäßig verteilt angeordnet. Jedes Elektrodenpaar 2 enthält eine erste Elektrode 6 und eine zweite Elektrode 8. Pro Zylinder 4 sind die ersten Elektroden 6 gemeinsam aus der Zündvorrichtung auf einen Stecker 10 geführt, von welchem in bekanner Weise über eine elektrische Leitung 12 die Verbindung zu einem Zündverteiler 14 hergestellt wird. Die Verbrennung des Zündgemisches erfolgt somit von mehreren Stellen im Brennraum gleichzeitig ausgehend, und zwar entsprechend der Anzahl der Elektrodenpaare 2 pro Zylinder 4. Die Verbrennung des zündfähigen Gemisches kann nicht unwesentlich schneller erfolgen als bisher. Der Abbrand der Elektrodenpaare wird erheblich reduziert, und die Lebensdauer der Zündanordnung wird insgesamt beträchtlich erhöht. Im Rahmen der Erfindung ist es darüber hinaus von besonderer Bedeutung, daß die Elektroden­ paare 2 pro Zylinder sich selbständig auf den gleichen Elektro­ denabstand einstellen. Hat beispielsweise eine Elektrode infolge von Fertigungstoleranzen zunächst einen zu geringen Abstand, so wird im Vergleich mit den anderen Elektrodenpaaren dieses erste Elektrodenpaar stärker abbrennen, bis praktisch der gleiche Abstand wie bei den anderen Elektrodenpaaren erreicht wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die Elektrodenpaare parallel geschaltet sind. Ferner können darüber hinaus im Rahmen der Erfindung auch weitere Elektrodenpaare vorhanden sein, die in Fig. 1 durch die strichpunktierten Linien 15 dargestellt sind. Derartige zusätz­ liche Elektrodenpaare können erfindungsgemäß zum Ersatz vorgese­ hen sein, um dann mit dem Zündverteiler 14 verbunden zu werden, wenn die Elektrodenpaare 2 infolge Abbrandes einen zu hohen Abstand aufweisen. Der Austausch der Zündvorrichtung muß somit erst nach entsprechend verlängerter Zeit durchgeführt werden. Sind in der besagten Weise mehrere Elektroden­ paare vorgesehen, die jeweils wahlweise in Gruppen zugeschaltet werden, so werden die Leitungen nach außen zweckmäßig separat geführt, und die Verschaltung erfolgt außerhalb der Zündvorrich­ tung. Obgleich drei Elek­ trodenpaare einen besonders günstigen Kompromiß darstellen, kann bei Bedarf die Anzahl der Elektrodenpaare, insbesondere im Hinblick auf eine längere Lebensdauer der gesamten Anordnung, erhöht werden.

In dem Schnitt gemäß Fig. 2 ist radial innenliegend eine ring­ förmige Elektrodenhalterung 16 zu sehen, in welcher die einzel­ nen Elektroden 6, 8 zuverlässig verankert und befestigt sind. Radial außenliegend ist die Elektrodenhalterung 16 von einer Isolationsplatte 18 umgeben, die gleich­ zeitig auch die Zylinderkopfdichtung bildet. Die Isolationsplatte 18 besteht aus einem Material von hoher Temperaturbeständigkeit und einer hohen Dielektrizität und ist ferner flexibel ausgebildet. Innerhalb der Isolationsplatte 18 befinden sich elektrische Leiter 20, die gemeinsam auf den oben bereits erwähnten Stecker 10 geführt sind und die Verbindung der einzelnen Elektroden 6 des jeweiligen Elektrodenpaares 2 übernehmen. Die elektrischen Leiter 20 weisen senkrecht zur Zeichenebene, also in Richtung der Zylinderachse, eine geringere Stärke auf als die Isolationsplatte 18. Mittels der Halterung 16 werden auch die zweiten Elek­ troden 8 gehaltert, deren Leiterenden 22 in der Isolationsplatte 18 enden und nicht nach außen geführt sind. Vielmehr weist die Isolationsplatte 18 für die Enden 22 Durchbrechungen 24 auf, um somit eine direkte metallische Verbindung zum Motorblock bzw. zum Zylinderkopf zu erhalten. Die Enden 22 sind im Bereich der Durchbrechungen 24 gewellt ausge­ bildet, bzw. sie weisen aufgrund ihrer Formgebung eine gewisse Nachgiebigkeit senkrecht zur Zeichenebene bzw. in Richtung der Zylinderachse auf.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Zündvorrichtung entlang Schnittlinie A gemäß Fig. 2. Die Elektrodenhalterung 16 weist in axialer Richtung eine Materialstärke 26 auf, die kleiner ist als die Materialstärke 28 der Isolationsplatte 18. Damit ist gewähr­ leistet, daß beim Festschrauben des Zylinderkopfes die Elektro­ denhalterung 16 nicht beschädigt wird. Aufgrund der größeren Materialstärke 28 kann demgegenüber beim Einspannen zwischen Zylinderkopf und Motorblock die Stärke der Isolationsplatte 18 verringert werden. Die elektrischen Leiter 20 befinden sich im Inneren der Isolationsplatte 18 und weisen eine wesentlich ge­ ringere Materialstärke als diese auf. Damit ist eine zuverläs­ sige Isolation bezüglich des Motorblocks gewährleistet.

An Hand von Fig. 4 ist die zwischen dem Zylinder 30 und dem Motor­ block 32 eingebaute Zündvorrichtung dargestellt. Es ist er­ sichtlich, daß aufgrund der Zündvorrichtung die Geometrie des Zylinderkopfes, die Anordnung der Ventile und insgesamt die Gestaltung des Verbrennungsraumes praktisch nicht beeinträchtigt werden. Dies ist sehr wesentlich, da nunmehr bei der Gestaltung des Brennraumes nicht mehr auf eine Zündkerze Rücksicht genommen werden muß, wodurch eine weitere nicht unwesentliche Verbesse­ rung des Verbrennungsvorganges gewährleistet wird. Es sind hier zwei Elektrodenpaare 2 zu erkennen, die im Bereich der zylindri­ schen Seitenwand 38 des Verbrennungsraumes liegen. Durch die Anordnung der Elektrodenpaare 2 in der Nähe der Seitenwand wird beim Zünden des Zündgemisches die Druckwelle den Zylinderkopf 30 nicht in Richtung der Zylinderachse 42, sondern von der Seite weitgehend tangential erreichen; es sei angemerkt, daß beim Zünden der Kolben 40 eine noch weiter nach oben verschiebbare Position einnimmt. Die Klopfgefahr wird erheblich reduziert. Die Verbrennung erfolgt von der Seite bzw. der Seitenwand 38 her radial nach innen in Richtung auf die Zylinderachse 42.

Claims (8)

1. Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einer zwischen Motorblock und Zylinderkopf angeordneten plattenförmigen Einlage, welche eine Isolationsplatte sowie für jeden Zylinder eine ringförmige Elektrodenhalterung für eine Anzahl von Elektroden aufweist, wobei erste Elektroden mit einem Zündverteiler einer Zündelektronik oder dergleichen verbunden und zweite Elektroden, insbesondere über den Motorblock, Bestandteil des Zündstromkreises sind, dadurch gekennzeichnet, daß pro Zylinder wenigstens zwei Paare (2) mit je einer der ersten Elektroden (6) sowie einer der zweiten Elektroden (8) in der Nähe der Seitenwand (38) des Zylinders angeordnet sind, daß die ersten Elektroden (6) der Elektrodenpaare (2) parallel geschaltet sind, daß die ringförmige Elektrodenhalterung (16) und die Isolationsplatte (18) aus einem Material hoher Dielektrizität bestehen und daß die Isolationsplatte (18) als Dichtung zwischen Zylinderkopf (30) und Motorblock (32) ausgebildet ist.

2. Zündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei Elektrodenpaaren (2) diese an der zylindrischen Seitenwand (38) einander diametral gegenüberliegen.

3. Zündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens drei Elektrodenpaaren (2) diese gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind.

4. Zündvorrichtung nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenhalterung (16) radial außen von der Isolationsplatte (18) umgeben ist, welche insbesondere als Dichtung zwischen Zylinderkopf (30) und Motorblock (32) dient.

5. Zündvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialstärke (28) der Isolationsplatte (18) größer ist als die Materialstärke (26) der Elektrodenhalterung (16).

6. Zündvorrichtung nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Elektroden (6) über elektrische Leiter (20) miteinander verbunden und bevorzugt auf einen Stecker (10) geführt sind.

7. Zündvorrichtung nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsplatte (18) Durchbrechungen (24) für die Enden (22) der zweiten Elektroden (8) aufweist, wobei die Enden (22) in axialer Richtung elastisch nachgiebig sind.

8. Zündvorrichtung nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsplatte (18) aus einem Material hoher Temperaturbeständigkeit und einer hohen Dielektrizität und insbesondere aus synthetischem Glimmer (Mikanit FlM) oder einem vergleichbaren Werkstoff besteht.