DE3837901A1 - Verfahren und vorrichtung zum zuenden eines gas-kraftstoff-gemisches in einem verbrennungsraum einer verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zünden eines Gas-Kraftstoff-Gemisches in mindestens einem Verbrennungsraum einer Verbrennungskraftmaschine, dem Kraftstoff und Gas zugeführt werden.

Verfahren und Vorrichtungen zur Zündung eines Gas- Kraftstoff-Gemisches sind allgemein bekannt, wobei das Gas-Kraftstoff-Gemisch im richtigen Zeitpunkt entflammt und so seine Verbrennung eingeleitet werden soll. Beim Otto-Motor erfolgt die Zündung durch einen elektrischen Funken an den Elektroden einer Zündkerze, während beim Diesel-Motor das Gas-Kraftstoff-Gemisch durch Verdichtung auf eine für die Einleitung der Zündung ausreichend hohe Temperatur gebracht wird. Dabei sind für den Start verschiedene Anlaßhilfsmittel, zum Bei­ spiel Glühkerzen, vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zündung eines Gas-Kraftstoff-Gemisches im Verbrennungsraum einer Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, die gegen­ über den bekannten Verfahren und Vorrichtungen einen besseren Wirkungsgrad bei einem magereren Gemisch ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs und die des nebengeordneten Vorrichtungsanspruchs gelöst.

Dadurch, daß im Verbrennungsraum eine sich aus­ breitende, impulsförmige Druckwelle großer Energie­ dichte erzeugt wird, treten innerhalb des Bereichs, der gerade von der Druckwelle überstrichen wird große Temperaturerhöhungen auf, so daß sich das in dem Bereich vorhandene brennbare Gemisch selbst entzündet und schadstoffarm bei hohen Temperaturen verbrennt. Obwohl die Energiedichte in Abhängig­ keit von der Entfernung der Quelle der Druckwelle abnimmt, addiert sich zum Energiegehalt der Druck­ welle die durch die Verbrennung erzeugte Energie hinzu, so daß die zur Selbstzündung notwendige Energiedichte erhalten bleibt. Abhängig von der Form des Verbrennungsraums wird die Druckwelle von den Wänden bzw. dem Kolbenboden reflektiert, so daß eine gute Durchmischung des Gas-Kraftstoff- Gemisches erfolgt, die zu einer besseren Ver­ brennung beiträgt.

Da die Anregungsfrequenz der Druckwelle im Ultraschall­ bereich, d.h. die Dauer des Druckimpulses, im Mikrosekundenbereich liegt, wird die Energie in einem eng begrenzten Raum konzentriert.

Vorteilhafterweise wird die Druckwelle durch Bogen­ oder Funkenentladung einer ionisierten, durch Elektroden begrenzten Gasentladungsstrecke erzeugt, wodurch extrem starke Druckwellen und eine gute Ankopplung an das gasförmige Medium möglich werden. Darüber hinaus sind die die Gasentladungsstrecke begrenzenden Elektroden für hohe Temperaturen und Drücke geeignet, wobei zur Vermeidung eines hohen Verschleißes Wolfram oder dergleichen als Elektrodenmaterial gewählt werden kann.

Durch Vorsehen eines im aperiodischen Grenzfall betriebenen Schwingkreises als Ansteuerschaltung für die Gasentladungsstrecke, kann durch Entladen des Kondensators kurzzeitig ein sehr hoher Strom geliefert werden, wodurch aufgrund der hervor­ gerufenen Bogen- oder Funkenentladung eine impuls­ förmige Druckwelle großer Energie und kleiner Impulsdauer und Wellenlänge entsteht.

Durch die in den weiteren Unteransprüchen ange­ gebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nach­ folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch einen Zylinder mit Kolben gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 einen Teilschnitt durch einen Zylinder mit Kolben gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 3 die schaltungsgemäße Ausge­ staltung der Ansteuervorrichtung der Gasentladungsstrecke.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 soll am Beispiel einer Hubkolbenmaschine das erfindungsgemäße Verfahren erläutert werden. In dem dargestellten Zylinder 1 der Hubkolbenmaschine bewegt sich ein Mit der Pleuelstange 2 verbundener Kolben 3 hin und her. Vom Kolben 3 und Zylinderkopf 4 bzw. Zylinderband 5 wird ein Verbrennungsraum 6 begrenzt, dem ein Einlaßventil 7 und ein Auslaß­ ventil 8 zugeordnet ist. In den Verbrennungs­ raum 6 ragt - ähnlich einer konventionellen Zündkerze - ein Ultraschallwandler 9 hinein, über den elektrische Energie in Schallenergie im Ultraschallbereich umgewandelt wird. Der Wandler 9 weist zwei Elektroden 10, 11 mit guter Wärmeableitfähigkeit, vorzugsweise bestehend aus Wolfram auf, die zwischen sich eine Gasentladungs­ strecke 12 bilden. Der Abstand der Elektroden 10, 11 hängt zur besseren Ankopplung von der Wellenlänge der zu erzeugenden Druckwelle ab. Der Wandler 9 bildet eine quasi punktförmige Quelle für die zu erzeugende Druckwelle.

Mittels der in Fig. 3 dargestellten und später beschriebenen Ansteuerschaltung der Gasentladungs­ strecke 12 wird eine impulsförmige Bogen- oder Funkenentladung zwischen den Elektroden 10, 11 ausgelöst, wodurch eine starke impulsförmige Druckwelle entsteht. Die Anregungsfrequenz der Druckwelle liegt im Ultraschallbereich, beispiels­ weise zwischen 10 und 100 kHz, d.h. der anregende Impuls hat eine Dauer von wenigen Mikrosekunden.

Da die Gasentladungsstrecke 12 des Wandlers 9 als quasi punktförmige Quelle anzusehen ist, entsteht eine Kugelwelle, die sich nacheinander durch den gesamten Verbrennungsraum 6 fort­ pflanzt. Die Kugelwelle ist in der Fig. 1 durch die teilkreisförmigen Linien 13 zu unter­ schiedlichen Zeiten dargestellt.

In dem Verbrennungsraum befindet sich ein Luft- Kraftstoff-Gemisch, das beispielsweise vorher durch eine nicht dargestellte Einspritzvor­ richtung eingespritzt wurde. Die mit der phasengeschwindigkeit des Schalls sich kugel­ förmig ausbreitende Druckwelle bewirkt in dem jeweiligen überstrichenen, relativ kleinen kugel­ schalenförmigen Raum eine sehr große Drucker­ höhung und Temperaturerhöhung der Gaselemente und Kraftstoffteilchen, so daß das Luft- Kraftstoff-Gemisch zur Selbstzündung gebracht wird. Die Energiedichte der Druckwelle nimmt zwar - abhängig von der Entfernung zur Quelle - ab, durch die Verbrennung aufgrund der Selbst­ zündung des Gemisches wird die Energie aber wieder verstärkt. Die Druckwelle wird an den Begrenzungswänden des Verbrennungsraums 6 re­ flektiert und dadurch gestreut. Durch die Reflexionen wird der Verbrennungsraum mehrmals von der Druckwelle überstrichen, wodurch eine gute Durchmischung des Luft-Kraftstoff-Gemisches bewirkt wird. Zur Verringerung der Streuverluste kann der Verbrennungsraum in besonderer Weise ausgelegt sein, wie beispielsweise in Fig. 2 gezeigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kolbenboden des Kolbens kugelförmig ausgebildet bzw. mit einer besonderen Krümmung versehen.

Die Ansteuerschaltung für die Zündung und die Bogen- oder Funkenentladung der Gasentladungs­ strecke 12 ist in Fig. 3 gezeigt. Um eine Bogen­ oder Funkenentladung - im folgenden wird nur noch von Bogenentladung gesprochen - zu erzielen, wird die Gasentladungsstrecke vorher ionisiert, beispielsweise wird eine Glimmentladung hervor­ gerufen. Ein wesentlicher Bestandteil der An­ steuerschaltung nach Fig. 3 ist ein Schwingkreis 15 mit dem Kondensator 16 und der Induktivität 17. Der reelle Ersatzwiderstand 18 der Gasentladungs­ strecke 12 ist gestrichelt gezeichnet und liegt im gezündeten Zustand im Bereich von ungefähr 100 bzw. einigen 100 mΩ . Mit 19 sind die Zuleitungswiderstände bezeichnet und mit dem Kondensator 16 liegt der Verlustwiderstand 20 des Kondensators 16 in Reihe. In den Entladekreis des Kondensators 16 ist eine Diodenkette geschaltet, die durch die einzelne Diode 21 dargestellt ist. parallel zu jeder Diode liegt ein Widerstand 22. Im Regelfall sind mehrere Dioden 21 nötig, da sie die an die Gasentladungsstrecke 12 gelieferte Zündspannung sperren müssen. Damit sich die Einzel­ spannungen an der Diodenkette gleichmäßig ver­ teilen, sind die zu jeder Diode parallelliegenden Widerstände (im Megaohm-Bereich) vorgesehen. Zur Ionisierung, d. h. zur Zündung der Gasent­ ladungsstrecke 12, ist eine Zündeinheit 23 vor­ gesehen, die die notwendige Zündspannung liefert. Die Zündeinheit 23 ist mit einem Steuergerät verbunden, das beispielsweise ein Mikrocomputer sein kann, der den Zeitpunkt der Zündung der Gas­ entladungsstrecke 12 steuert. An das Steuergerät sind Sensoren 25 angeschlossen, die beispielsweise die Information über die momentane Motorstellung liefern. Der Kondensator 16 wird über eine Ladeeinheit 26 geladen, die beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug aus der Lichtmaschine mit nachgeschalteten Gleichrichtern bestehen kann.

Für die benötigte Bodenentladung muß während der vorgegebenen Zeit von einigen Mikrosekunden ein Stromfluß von mehreren hundert Ampere bis einigen tausend Ampere aufrechterhalten werden. Die dabei abfallende Spannung liegt im 100 V-Bereich. Dabei entstehen in der stromdurchflossenen Gas­ strecke Temperaturen von einigen 1000°K und Drücken im 100 bar-Bereich. Die angegebenen Werte sollen nur die Größenordnungen erläutern.

Der Schwingkreis 15 ist unter Berücksichtigung der Zuleitungswiderstände 19 und des reellen Ersatzwiderstandes 18 der Gasentladungsstrecke 12 bei vorgegebener Anregungsfrequenz so auf­ einander abgestimmt, daß die gesamte Ladung des Kondensators bei Bedingungen des aperiodischen Grenzfalls in etwa einer Schwingungsperiode, d.h. in einer sehr kurzen Zeit, in der Gas­ entladungsstrecke 12 in Wärme umgeformt wird. Die Energiemenge hängt dabei im wesentlichen von der Größe der Kapazität des Kondensators 16 und seiner Ladespannung ab. Da die Entladung des Kondensators 16 innerhalb weniger Mikro­ sekunden erfolgt, müssen stoßentladungsfeste Kondensatoren (beispielsweise Metallpapierkonden­ satoren) verwendet werden. Die Induktivität 17 liegt im Bereich der Zuleitungsinduktivität, so daß die Länge der Leitungen für die Abstimmung des Schwingkreises 15 im aperiodischen Grenzfall wesentlich ist. Wie gestrichelt dargestellt, können mehrere Kondensatoren 16 zur Strom­ verteilung parallelgeschaltet werden.

Zur Ionisierung der Gasentladungsstrecke 12, d.h. zu ihrer Zündung, liefert die Zündeinheit 23 eine Hochspannung, wobei die Höhe der Zündspannung von dem im Verbrennungsraum 6 herrschenden Druck zum Zeitpunkt des Zündens abhängt. Nach Zündung fällt die Brennspannung an der Gasentladungs­ strecke ab und wenn sie geringer ist als die Summe der Kondensatorspannung und der Spannungen der Sperrschichtkapazitäten der Dioden 21, entlädt sich der Kondensator 16 schnell über die Gasentladungsstrecke 12, entsprechend dem aperiodischen Entladevorgang, und es wird die Bogen- oder Funkenentladung mit einem sehr hohen Strom geliefert. Dabei sind selbstverständ­ lich die Dioden 21 derart dimensioniert, daß sie die Stromstöße aushalten. Nach Entladen des Kondensators 16 reißt die Bogenentladung ab und die Ladeeinheit 26 lädt den Kondensator 16 wieder auf. Die Ladeeinheit 26 muß derart dimensioniert sein, daß auch bei der höchsten Motordrehzahl eine vollständige Ladung des Kondensators erreicht wird. Die notwendige Ladespannung des Kondensators, die im Ausführungs­ beispiel zum Beispiel 500 bis 1000 V betragen kann, ist außerdem abhängig von dem Luft-Kraftstoff- Verhältnis, d.h. je magerer das Gemisch ist, um so größer muß die Ladespannung sein.

Statt der Dioden 21 können zur Steuerung der Länge des Stromimpulses, d.h. zur Steuerung der Anregungsfrequenz, abschaltbare Thyristoren oder Transistoren für eine Anpassung an unterschiedliche Motordrehzahlen verwendet werden. Durch Änderung der Länge der Strom­ impulse werden unterschiedliche Energie­ wandelzeiten, d.h. die Zeiten, die zur Umwandlung der akustischen Energie in Wärmeenergie be­ nötigt werden, erzielt.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt die Zündung der Gasentladungsstrecke 12 durch Anlegen der Spannung der Zündeinheit 23 an die zwei Wandlerelektroden 10, 11 selbst. Es kann aber auch eine getrennte Zündelektrode als dritte Elektrode vorgesehen werden, wobei dann getrennte Zünd- und Entladungskreise vorhanden sind und die Diodenkette entfallen kann.

Die Erfindung wurde an einem Hubkolbenmotor erläutert. Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf dieses Ausführungs­ beispiel, sondern ist auch bei anderen Ver­ brennungskraftmaschinen anwendbar.

Claims (13)

1. Verfahren zum Zünden eines Gas-Kraftstoff- Gemisches in mindestens einem Verbrennungs­ raum einer Verbrennungskraftmaschine, dem Kraftstoff und Gas zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Verbrennungsraum eine sich aus­ breitende impulsförmige Druckwelle großer Energiedichte erzeugt wird, die durch lokale Temperaturerhöhung im Verbrennungsraum eine Selbstzündung des Gemisches auslöst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Druckwelle mit einer im Ultra­ schallbereich liegenden Frequenz erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckwelle als Kugel­ welle ausgebildet ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckwelle durch Bogen- oder Funkenentladung einer Gasentladungsstrecke erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gasentladungsstrecke von der die Druckwelle erzeugende Bogen- oder Funkenentladung ionisiert.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Bogen- oder Funkenentladung benötigte Strom durch schnelle Entladung eines Kondensators eines Schwingkreises erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der die Druckwelle auslösende Impuls eine Dauer zwischen 1 und 100 Mikrosekunden aufweist.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Verbrennungsraum einer Verbrennungskraftmaschine ein Druckwandler eingesetzt ist, der eine sich ausbreitende impulsförmige Druckwelle großer Energiedichte erzeugt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Druckwandler als elektro­ akustischer Wandler ausgebildet ist, der eine durch mindestens zwei Elektroden begrenzte Entladungsstrecke aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mit einem Schwingkreis verbunden oder Bestandteil des Schwingkreises sind, der derart dimensioniert ist, daß der Kondensator sich schnell entlädt, wobei die Frequenz im Ultraschallbereich liegt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an die die Gas­ entladungsstrecke grenzenden Elektroden eine Zündeinheit zur Ionisierung der Gasentladungs­ strecke vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den die Gasentladungsstrecke bildenden Elektroden eine Zündelektrode vorgesehen ist, die mit einem getrennten Zündkreis ver­ bunden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwingkreis derart dimensioniert ist, daß er bei Bedingungen des aperiodischen Grenzfalls arbeitet.