DE3588073T2 - Vorrichtung zum Initiieren von Verbrennung in einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zum Zünden der Verbrennung von Brennstoff-Luft-Gemischen in einer Verbrennungsmaschine.
• Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der US-A-4 333 125 bekannt. Es wird ferner auf Combustion and Flame 27, veröffentlicht 1976, R. Knystautas und J.H. Lee, On the Effective Energy for Direct Initiation of Gaseous Detonations, Seiten 221 bis 228, hingewiesen. Die bekannte Vorrichtung enthält einen kapazitiven Teil zum Speichern einer großen Menge elektrischer Energie aus einer Stromversorgung und einen mit dem kapazitiven Teil integralen Elektrodenteil, der ein Paar konzentrischer, stabförmiger Elektroden enthält, welche eine hochenergetische, schirmförmige Plasmaentladung unter Anwendung der inversen Pinch-Technik erzeugen. Durch die Nähe zwischen dem kapazitiven und dem Elektrodenteil der Zündvorrichtung erzeugt die schnelle Energieübertragung von dem ersteren zum letzteren Teil hohe magnetische Drücke, die die Entladung in einen hochenergetischen Plasmastrahl umwandeln kann, der gut in den Verbrennungsbereich abgegeben wird.
• Nach diesem Prinzip ist, abgesehen von der möglichen Zündverbesserung, der Kopplungswirkungsgrad von einem Quellenstromkreis relativ hoher Impedanz zu der sehr geringen Impedanz eines bestehenden Entladungskanals ziemlich klein, was dazu führt, daß ein größerer Anteil der verfügbaren Energie durch Verlustleistung im Widerstand des Stromkreises verloren geht und nicht im Entladungskanal selbst verfügbar ist. Eine etwas größere Leistungsabgabe im Entladungskanal kann durch Erhöhen der Stromstärke erreicht werden. Für eine vorgegebene Entladungsdauer wird dies aber nur unter größerer Energiezufuhr und bei stärkerer Elektrodenabnutzung erreicht.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Einleiten der Verbrennung von Brennstoff-Luft-Gemischen anzugeben, die eine sehr schnelle und intensive elektrische Entladung hoher Leistung erzeugt.
• Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterbildungen dieser Vorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Die Zündvorrichtung nach der Erfindung verwendet eine Hartentladungszündung (HDI, hard-discharge-ignition), die mit einem sehr schnellen, intensiven und leistungsstarken elektrischen Durchbruch erreicht wird, welcher als "harte" Funkenentladung bezeichnet wird. Die HDI-Einleitung der Verbrennung verwendet sehr effektive Energiekopplungsmechanismen, mit denen hohe Intensitätswerte erreicht werden. Die Bezeichnung "Hartentladung" betrifft einen Operationsbereich, in dem die Induktivität und der Widerstand des Entladungsstromkreises so klein sind, daß die Stromstärke und die Energieübertragung in den Entladungskanal während der Durchbruchphase im wesentlichen durch den Widerstand der Funkenstrecke selbst bestimmt werden.
• Dieser extreme Operationsbereich ist gekennzeichnet durch eine sehr effiziente Kopplung (80 bis 95 %) der anfangs gespeicherten elektrischen Energie während etwa der ersten Halbperiode des Entladungsstromzyklus in die verschiedenen Einschwingprozesse, die mit der Gasentladungserzeugung und -expansion einhergehen. Als Ergebnis überträgt die Hartentladung den größten Teil der verfügbaren Impulsenergie innerhalb der Durchbruchphase der Entladung (normalerweise einige erste 10 Nanosekunden der Entladung), wodurch eine maximale Leistungskopplung von dem Treiberstromkreis zu der schnell abfallenden effektiven Lastimpedanz des Entladungskanals erreicht wird. Die Anwendung typischer Entladungsenergiewerte zwischen 0,05 und 2 Joule bei Durchbruchstromanstiegen in der Größenordnung von 10¹&sup0; bis 10¹² Ampere pro Sekunde kann zu einer Leistungsabgabe in der Größenordnung von einigen 10 Megawatt innerhalb weniger 10 Nanosekunden führen.
• Außerdem verringert die wesentlich verbesserte Geschwindigkeit der Gesamtverbrennung den Betrag der für ein maximales Bremsmoment erforderlichen Frühzündung mit einem gegebenen Brennstoff-Luft-Gemisch beachtlich. Abhängig von dem Mischverhältnis, den Maschinenbedingungen und dem HDI-Energie- und Leistungswert kann eine Frühzündung völlig entbehrlich sein. Daher ergibt sich ein sehr effizienter Maschinenbetrieb bei wesentlich verringerter Frühzündung.
• In den Zeichnungen, die einen integralen Bestandteil der Beschreibung darstellen und in Zusammenhang damit zu interpretieren sind, wobei gleichartige Bezugszeichen zur Bezeichnung identischer Komponenten verwendet sind, zeigen:
• Fig. 1a einen Teilschnitt einer Zündspitzengeometrie als Teil eines Hartentladungssystems nach der Erfindung,
• Fig. 1b eine Seitenansicht der Zündspitze nach Fig. 1a,
• Fig. 1C bis J Darstellungen ähnlich Fig. 1A, jedoch für andere Arten der Geometrie der Zündspitze, und
• Fig. 2 einen Längsschnitt einer Zündvorrichtung mit einem Impulserzeugungsnetzwerk aus einer integralen, diskreten Einzelkapazität.
• In Fig. 1 sind verschiedene Formen von Entladungsspitzen dargestellt. Die Funkenstrecke zwischen den Elektroden muß bei der Entladung gewisse Bedingungen erfüllen, um eine HDI-Funktion zu erreichen. Die diese Funktion beeinflussenden Hauptfaktoren sind der Wert der Induktivität der Gesamtvorrichtung und eine solche Länge der Funkenstrecke, daß die an die Elektroden angelegte Spannung gehalten wird. Diese Kriterien können durch verschiedene Entladungsspitzen- und Funkenstreckengeometrien erfüllt werden, vorausgesetzt, daß die Induktivität und die Impedanz unter einem vorgeschriebenen Wert liegen. Es ist jedoch eine Geometrie und Konfiguration wünschenswert, die den Wirkungsgrad maximiert, mit dem die verfügbare Stromkreisenergie in die Entladung und von der Entladung in das brennbare Gemisch über die Erzeugung von Licht, Wärme, Stoßwirkung und Ionen geliefert wird. Die Entladungsspitzengeometrie beeinflußt auch die Lebensdauer der Zündvorrichtung hinsichtlich Abnutzung des Isolators und der Leiter durch ein extrem heißes Plasma und eine starke Stoßwellenerzeugung.
• Im folgenden werden zwei vorzugsweise Ausführungsbeispiele von Entladungsspitzen beschrieben, die sich für die HDI-Funktion sehr gut eignen. Eine der Spitzenausführungen ist in Fig. 1A und 1B dargestellt und besteht aus einer inneren und einer äußeren koaxialen Elektrode 80, 76, die gegeneinander durch einen zylindrischen Isolator 82 isoliert sind. Die äußere zylindrische Wand der Außenelektrode 76 hat ein Gewinde 78, das in einen Maschinenblock o.ä. eingeschraubt werden kann, um die Zündvorrichtung so zu montieren, daß die Entladungsspitze mit der Brennkammer in Verbindung steht. Die Außenenden der Elektroden 76 und 80 sowie der Isolator 82 liegen in einer gemeinsamen ebenen Fläche 84. Die mit der Zündspitze 74 gebildete Entladungsstrecke ist radial und verläuft in Umfangsrichtung um die gesamte Fläche 84. Daher entsteht das elektrische Feld 85 am Außenende der Elektrode 80 und ist zu allen Stellen der Außenelektrode 76 längs ihrer Stirnfläche 84 radial nach außen gerichtet.
• Die Zündspitze 74 hat eine minimale Induktivität und Impedanz, was auf die koaxiale Geometrie der Elektroden 76, 80 und die radiale Form der Entladungsstrecke zurückzuführen ist. Die physikalische Streckenlänge der Zündspitze 74 ergibt sich durch die Differenz b-a der Leiterradien, die in Fig. 1B gezeigt sind. Die Entladungsstreckenlänge wird entsprechend den Spannungsdruckbedingungen des jeweiligen Anwendungsfalls und den vorausgesetzten Betriebsbedingungen gewählt. Die Wanddicke und die Art des Isolators 82 müssen so gewählt sein, daß der Durchbruch zwischen den Elektroden 76, 80 nicht auf ihrem Längsteil stattfindet. Es sei bemerkt, daß für eine koaxiale Geometrie die Induktivität und die Impedanz zum großen Teil durch den natürlichen Logarithmus des Verhältnisses b/a der Leiterradien bestimmt sind, und daß die Induktivität und die Impedanz minimiert werden können, wenn die Differenz der Leiterradien gleich der zur internen Spannungsfestigkeit erforderlichen Dicke des Isolators 82 ist.
• Das mit der an den Elektroden 76, 80 anliegenden Spannung erzeugte elektrische Feld ist bei 85 gezeigt, wobei die Bewegungsrichtung einer positiven Testladung in dem Feld (von positiver zu negativer Polarität) durch Pfeile gezeigt ist. Das Feld 85 ist ungleichförmig und bewegt sich von der Fläche 84 nach außen, und es ist anzunehmen, daß diese Ungleichförmigkeit zusätzlich zur Krümmung der Feldlinien die resultierende Entladung verbessert. Die scharfe Krümmung des Feldes 85 ändert das charakteristische Durchbruchpotential der Funkenstrecke, beschleunigt die Ladungsbewegung im Feld und drückt den Lichtbogenkanal durch magnetische Kräfte von der Spitze nach außen, insbesondere wo in der Entladung große Stromdichten existieren. Ferner erzeugt der lineare Stromfluß durch den zentralen Leiter 80 ein Magnetfeld, das mit den durch die Entladung erzeugten Feldern in Wechselwirkung steht und die Entladung weiter verbessert.
• Die flache, radiale Ausführung der Zündspitze 74 erzeugt eine Entladung mit einer räumlichen Symmetrie und Gleichmäßigkeit, welche das Volumen des Kraftstoffgemischs maximiert, welches durch die Entladung kontaktiert wird. Die glatte und nicht behinderte Fläche 84 schließt jede Beeinträchtigung durch Strömungsbedingungen innerhalb der Brennkammer aus und stellt eine größere Elektrodenfläche zur Teilnahme an der Entladung zur Verfügung, wodurch die Lebensdauer der Elektrode verlängert wird.
• Die Zündspitze 74 kann in verschiedener Weise abgeändert sein, um ihre Funktion weiter zu verbessern. Beispielsweise können, wie in Fig. 1C gezeigt, eines oder beide Außenenden der Elektroden 76, 80 zugespitzt sein, wie es bei 86, 88 gezeigt ist, um das Feld 85 weiter "zuzuspitzen". Das Feld tritt dann an den Spitzen 86, 88 aus.
• Um ein mögliches Erodieren des Isolators 82 an der Fläche 84 zu vermeiden, kann die Stirnfläche des Isolators 82 etwas vertieft sein, wie es in Fig. 1D bei 90 gezeigt ist.
• Wie Fig. 1e zeigt, kann die Entladungsstrecke ohne Vergrößern der Wanddicke verlängert werden, indem der Isolator 82 nach außen über die Außenfläche der Elektroden 76 und 80 hinaus verlängert wird. Diese Ausführung ist besonders effektiv bei Verbrennungsräumen niedrigen Drucks oder bei höheren erforderlichen Durchbruchspannungen.
• Andererseits kann, wie Fig. 1f zeigt, die äußere, geerdete Elektrode 76 bei 96 versetzt sein, ohne die interne Spannungsfestigkeit zu haben, in solchen Fällen, wo eine niedrigere Spannung oder ein Betrieb mit höherer Kompression gewünscht ist.
• Eine andere Möglichkeit zum Verlängern der Entladungsstrecke besteht in einer Vertiefung der mittleren Elektrode 80 gegenüber dem Ende des Isolators 82 und der Außenelektrode 76, wie es in Fig. 1G gezeigt ist. Eine ausgeprägte "Strahl"-Wirkung durch die dadurch resultierende Kammer über der mittleren Elektrode 80 ist bei Zündvorrichtungen dieser Art zu beobachten. Dieser Strahl ist weniger auf ein Herausschießen von Plasma aus der Kammer, sondern mehr auf reflektierte Stoßwellen zurückzuführen, die anfangs während der Kanalexpansion festgehalten wurden, und/oder möglicherweise auf einen Strom schwerer Ionen, die zunächst längs elektrischer Feldlinien wandern, später jedoch einer Bahn folgen, die durch ihre Trägheit bestimmt ist, wenn das Feld sich abschwächt.
• Um übermäßige Abnutzung des Isolators 82 zu vermeiden, kann dieser die in Fig. 1H gezeigte Kontur 83 haben, wodurch eine schräge Fläche gebildet ist, die von dem Ende der mittleren Elektrode 80 radial nach außen zur Außenelektrode 76 ansteigt. Die in Fig. 1H gezeigte Geometrie bietet den Vorteil einer Vertiefung, die eine Abnutzung des Isolators verringert, jedoch den Strahl- oder Schußlinieneffekt der Entladung beibehält.
• Eine Verlängerung der mittleren Elektrode 80 über das Ende der Außenelektrode 76 hinaus, wie es Fig. 11 zeigt, dient auch der Verlängerung der Entladungsstreckenlänge. Die schräge Außenfläche 85 des Isolators 82 verringert wiederum dessen Abnutzung. Eine solche Verlängerung der mittleren Elektrode 80 in die Brennkammer hinein unterstützt die Kopplung und Übertragung der Entladungsenergie auf ein Brennstoffgemisch und ist relativ unbehindert.
• Wie zuvor bereits erwähnt, können verschiedene Formen der Entladungsspitze und der Entladungsstrecke erfolgreich angewendet werden, um eine HDI-Funktion zu erzielen, und in einigen Fällen kann es günstig sein, einen linearen oder in Längsrichtung verlaufenden Spitzenspalt vorzusehen. Eine geeignete Spitzenform mit einem linearen Spalt ist in Fig. 1J gezeigt. Diese Zündvorrichtung ist grob gesehen ähnlich der konventionellen Zündkerzenkonstruktion, wobei die Außenelektrode 76 einen L-förmigen Vorsprung 76A hat, der eine Elektrodenfläche bildet, welche axial auf die mittlere Elektrode 80 ausgerichtet ist. Obwohl die in Fig. 1J gezeigte Konfiguration mit ähnlichen Ergebnissen bei der vorliegenden Erfindung einsetzbar ist, stellt sie nicht die vorzugsweise Geometrie dar, und in jedem Falle ist es erforderlich, die Induktivität und die Impedanz bei solchen Komponenten der Zündvorrichtung zu minimieren, die direkt der Funkenstrecke benachbart sind, während gleichzeitig eine ausreichende Entladungsstreckenlänge zum Durchbruch bei Spitzenspannungen realisiert wird.
• In Verbindung mit der linearen Geometrie der Entladungsstrecke tritt eine Entladung praktisch ohne Abnutzung des Isolators auf, denn es wird ein Entladungsbogen mit einer erwünschten zylindrischen Schockwelle erzeugt, der nur in Richtung der verlängerten geerdeten Elektrode behindert wird. Dieses Freiliegen des gesamten Entladungsweges führt für sich zu einer starken Kopplung und einem effizienten Energieaustausch. Es können auch mehrzackige Konstruktionen angewendet werden, um die Lebensdauer der Zündvorrichtung zu verlängern, da dann zusätzliche Flächen vorgesehen sind, zwischen denen eine Entladung auftreten kann. Es ist wichtig, diese zusätzlichen Elektroden so zu orientieren, daß die Entladung bei ihrer Zunahme nicht behindert oder von dem Brennstoff-Luft- Gemisch abgeschirmt wird und dadurch hinderliche oder ein Löschen der Verbrennung begünstigende Reaktionen erzeugt werden.
• Fig. 2 zeigt eine koaxial aufgebaute Zündvorrichtung 98. Diese einstückige PFN-Zündvorrichtung 98 (PFN = Impulsformungsnetzwerk) erreicht die geringstmögliche Induktivität und ermöglicht daher die maximale Kopplung zum Entladungskanal. Zusätzlich muß ein noch zu beschreibender kapazitiver Teil der Zündvorrichtung 98 nicht im Sinne verlängerter Nutzungszeit ausgeführt sein, da er periodisch entfernt und ersetzt werden kann, wenn die Zündspitze abgenutzt ist und einen Ersatz erfordert.
• Die Zündvorrichtung 98 enthält eine zylindrische Außenelektrode 100 aus Metall o.ä. mit einem Teil 104 kleineren Durchmessers an einem Ende, der in einen Teil größeren Durchmessers über eine radiale Schulter 105 übergeht. Der Teil 104 kleineren Durchmessers hat ein Gewinde 107, mit dem er in einen Maschinenblock o.ä. eingeschraubt werden kann. Das äußere Ende des Teils größeren Durchmessers der Elektrode 100 hat ein Gewinde 102, an dem er mit einem Verteilerkabel verbunden werden kann.
• Eine zentrale, metallene Elektrode 108 hat Zylinderform und ist koaxial in der Außenelektrode 100 angeordnet. Ein Ende der zentralen Elektrode 108 hat einen Vorsprung 120 verringerten Durchmessers, der in einem Kanal 118 liegt, und eine Isolatorhülse 114 ist in dem Teil 104 kleineren Durchmessers der Außenelektrode 100 befestigt. Ein Ende der zentralen Elektrode 108 ist über den gesamten Umfang 109 abgeschrägt, und ein geeignetes dielektrisches Vergußmittel 116 befindet sich zwischen dem Ende des Isolators 114 und der abgeschrägten Fläche 109 des zentralen Leiters 108.
• Das Außenende der zentralen Elektrode 108 ist durch einen Teil oder eine Spitze 111 verringerten Durchmessers gebildet, der an seinem Außenende eine halbkugelige Fläche 112 hat. Der Körper der zentralen Elektrode 108, der die Spitze 111 umgibt, hat eine ringförmige radiale Kante 110. Das Außenende der Elektrode 100 hat in Längsrichtung etwa dieselbe Länge wie die Spitze 111 der zentralen Elektrode 108.
• Ein ringförmiger Körper 113 aus einem keramischen Kondensatormaterial ist zwischen der Außenelektrode 100 und der zentralen Elektrode 108 angeordnet. Der Körper 113 verläuft über die gesamte Länge der Außenelektrode 100 ausgehend von der Schulter 105. Das äußere Ende 106 des Körpers 113 ragt über das äußere Längsende der Spitze 111 oder der Elektrode 100 hinaus. Die zentrale Elektrode 108, die Außenelektrode 100 und das Kondensatormaterial 113 bilden den kapazitiven Teil des Impuls formungsnetzwerks.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Zünden der Verbrennung eines Brennstoff- Luft-Gemisches in einer Verbrennungsmaschine, bestehend aus einem Kondensator (100,108,113) und einer Entladevorrichtung (104,120,114), die jeweils einen von einem äußeren Leiter (100,104) umschlossenen zentralen Leiter (108,120) und ein Isoliermaterial (113,114) zwischen den beiden Leitern (100,108;104,120) umfassen, wobei der Kondensator und die Entladevorrichtung koaxial angeordnet sind, derart, daß die beiden zentralen Leiter (108,120) einstückig entlang einer gemeinsamen Achse gebildet sind und dadurch einen einzigen zentralen Leiter bilden, und derart, daß die beiden äußeren Leiter (100,104) einstückig ausgebildet sind, wobei die freien Enden des zentralen und des äußeren Leiters (120,104) der Entladevorrichtung die Elektroden einer Funkenstrecke (118) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial (114) der Entladevorrichtung den Raum zwischen den Leitern (104,120) der Entladevorrichtung füllt und sich axial von dem Kondensator zu einer Position nahe den freien Enden der Leiter (104,120) der Entladevorrichtung erstreckt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (100,108,113) und das Isoliermaterial (114) der Entladevorrichtung (104,120,114) einander entlang ihrer gemeinsamen Achse überlappen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der einzige zentrale Leiter (108,120) einen Teil (108) mit größerem Durchmesser in dem Kondensator und einen Teil (120) mit kleinerem Durchmesser in der Entladevorrichtung hat und daß ein dielektrisches Material (116) um den zentralen Leiter (108,120) in einer axialen Position zwischen dem Teil (108) mit größerem Durchmesser und dem Isoliermaterial (114) der Entladevorrichtung angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (108) mit größerem Durchmesser eine dem dielektrischen Material (116) zugewandte abgeschrägte Endfläche (109) hat.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladevorrichtung einen gegenüber dem Außendurchmesser des Kondensators reduzierten Durchmesser hat.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des zentralen und des äußeren Leiters (80,76) und des Isoliermaterials (82) der Entladevorrichtung in einer gemeinsamen Ebene (84) liegen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß entweder eines oder beide Enden (86,88) der Leiter (80,76) spitz zulaufen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Ende (90) des Isoliermaterials (82) der Entladevorrichtung gegenüber den äußeren Enden ihrer Leiter (76,80) reduziert ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Enden (92,94) der Leiter (76,80) der Entladevorrichtung gegenüber den äußeren Enden ihres Isoliermaterials (82) zurückgesetzt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Ende des Isoliermaterials (82) der Entladevorrichtung eine von einer dem äußeren Leiter (76) benachbarten Position zu einer dem äußeren Ende des zentralen Leiters (80) benachbarten Position abgeschrägte Oberfläche (83,85) hat.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Leiter (76) der Entladevorrichtung an seinem äußeren Ende in einer Richtung radial nach innen versetzt ist und daß die Umfangskante am äußeren Ende des Isoliermaterials entsprechend abgeschrägt ist.