SE513360C2 - Tändelektrodarrangemang och sätt att arrangera tändelektroder för en förbränningsmotor - Google Patents

Description

10 15 20 25 513 360 2 Genom GB A 2 322 672 är förut känd en med direktinsprutning av bränslet in i för- bränningsrummet arbetande förbränningsmotor där bränsle-luft-blandningen antänds med hjälp av en tändgnista som slår över gnistgapet mellan å ena sidan mittelektro- den hos ett i cylinderhuvudet infäst enelektrodtändsfift och, å andra sidan, en på kolvtoppen fast anbragt jordelektrod. Eftersom gnistgapets storlek ändras vid kol- vens rörelse i cylindem erbjuder sig möjligheten att välja lämpligast möjliga tänd- tidpunkter och följaktligen motsvarande gnistlängder, vilket gör det möjligt att minska graden av ofullständig förbränning, t ex misständning, och detta då speciellt i delbelastningsornrådet. Härigenom kan förbättrade antändnings- och förbrännings- förhållanden uppnås.

Unnfinningens ändamål Tändelektrodairangemang med en fast och en rörlig elektrod i varje cylinder i en förbränningsmotor är alltså, såsom redovisats ovan, förut kända. Genom att den fasta elektroden då lämpligen kan utgöras av centrumelektroden hos ett konstruktivt enkelt, enpoligt tändstift (= enelektrodtändsfift) kan tändstiftet tillverkas till lägre kostnad än ett konventionellt tvåpoligt tändstift som har både en mittelektrod och en med tändstiftets gängade infäsmingsparti fast förenad sidoelektrod.

En nackdel med ett sådant elektrodarrangernang med varierande storlek på gnistga- pet är emellertid att man inte alltid kan åstadkomma säker tändning (fullgod tänd- gnista), speciellt gäller detta vid stort gnistgap. Av olika skäl är det nämligen inte praktiskt möjligt att arbeta med tändspänningar över en viss nivå, säg 30 - 40 kV.

Exempelvis vid förtändning (då tändningen skall ske ett visst antal vevaxelgrader före den övre dödpunkten) kan det bli problem att åstadkomma säker tändning där- för att gnistgapet (avståndet mellan den kolvfasta elektroden och den i cylinderhu- vudet infästa tändstiftselektroden) är alltför stort med hänsyn till den tillgängliga tändspärmingen. Risk föreligger då att gnistan väljer ”fel väg” och slår mellan tänd- stiftselektzroden och det närmast omgivande ytområdet av cylinderhuvudet, d v s 10 15 20 25 513 360 3 ytområdet som angränsar till tändsfiftet, istället för till kolvelektroden. Detta kan medföra att gnistan blir otillräcklig för säker tändning, samt att den skadar isolatom (kerarn) som omger tändstiftselektroden.

Föreliggande uppfinning har bl a till ändamål att undanröja ovannämnda problem som vidlåder ett elektrodarrangemang med ett gnistgap som varierar med kolvens läge i cylindem. Uppfinningen har vidare helt allmänt till ändamål att åstadkomma ett tändelektrodarrangemang med sådana egenskaper att: förbättrade törbränningsfórutsättriingar kan uppnås; god antändningskvalitet erhålles; gränserna utvidgas för det område inom vilket acceptabla tändnings- och förbrän- ningsbetingelser kan uppnås också när det är fråga om motordrift med användande av en gasblandning där det förgasade bränslet utgör en ringa del av den i kompres- sionsrummet intagna gasmassan som skall antändas; förbättrad bränsleekonomi uppnås; tändstiftets livslängd/hållbarhet ökas; mängdema skadliga emissionsprodukter som alstras vid förbränningen reduceras; antändning av bränsle-luft-blandningen kan ske även när det kolvlägesberoende gnistgapet är alltför stort för att möjliggöra säker tändning med gnista till den kolv- buma elektroden.

Redogörelse för uppfinningen Ovannämnda uppnås enligt föreliggande uppfinning därigenom att det in- ledningsvis angivna elektrodarr-aiigëriaiilget uppvisar de i patentl nande del angivna särdragen, och genom att fórfaringssättet utmärkes av de i lcravets _ 9 kännetecknande del angivna åtgärderna.

Primärt utmärkande for elektrodarrangemanget enligt uppfinningen är således att detsamma omfattar åtminstone två skilda jordelektroder, av vilka den första är fast 10 15 20 25 513 360 4 anbragt på kolvtoppen, medan den andra jordelektroden är infást i den kompres- sionsrummet begränsande väggen hos cylinderhuvudet eller är fäst vid tändstiftet eller utgör separat mellandel mellan tändstiftet och väggen.

Den grundläggande principen för uppfinmngen är alltså att gnisttändsystemet ut- nyttjar en elektrodkonfiguration som innebär en kombination av den fasta tändstifts- elektroden med dels en rörlig jordelektrod på kolvtoppen, dels en i cylinderhuvudet fast monterad, andra jordelektrod. Gnistgapet för denna andra jordelektrod, d v s av- ståndet mellan densamma och det enpoliga tändstiftets mittelektrod, kan exempelvis vara 4,5 mm, d v s väsentligt större än gnistgapet vid ett konventionellt tvåpoligt tändstift där gnistgapets storlek vanligen inte överstiger 1,0 - 1,5 mm.

Genom tillkomsten av den extra, fast monterade, andra jordelektroden erbjuder sig väsentligt större möjlighet att ändra tändinställningen för motorn, speciellt vid låga belastningar, eftersom tändningen kan höjas (= förtändníng) utan risk för gnistspår- bildning (”tracking”) i isolatom omkring tändstiftselektroden till följd av det alltför stora avståndet mellan sistnämnda elektrod och jordelektroden på kolvtoppen.

Om man exempelvis antar att gnistgapet mellan tändstiftselektroden och den såsom separat, fast monterad, andra jordelektrod utförda sidoelektroden lämpligen kan uppgå till säg 4,5 mm, borde man kunna förvänta sig att tändgriistan typiskt övergår till att slå till den nya sidoelektroden (istället för till jordelektroden på kolvtoppen) vid förtändningsinställningar i intervallet 20 - 30 vevaxelgrader före den övre död- punkten.

När tändgnistan slår mellan tändstiftselelctroden och den särskilda, andra jordelek- troden erhålles en krafiig ”volymgnista” som ger god antändningskvalitet också vid _ driftsförhållanden med låg belastning.

Ett relativt stort elektrodavstånd är önskvärt vid låg belasming (lättläst), där an- tändningsproblem ofta föreligger. Detta åstadkommes då medelst den andra jord- 10 15 20 25 30 513 360 5 elektroden som är anbringad vid cylinderhuvudet på relativt stort avstånd från tänd- stifiselektroden. Denna elektrodplacering ger dock alltför stort tändspänningsbehov vid höga laster (stor belastning), varför elektrodarrangemanget också omfattar den på kolvtoppen anbragta första jordelektroden som vid höga laster, d v s sena för- tändningar, befinner sig relativt nära tändstifiselektroden i antändningsögonblicket.

Härigenom uppnås att tändspänningsbehovet minskas till rimlig nivå.

Olika praktiska utföringsfonner av elektrodarrangemanget enligt föreliggande upp- finning kan vidare uppvisa de i patentlaaven 2 - 8 angivna särdragen.

Den andra jordelektroden kan vara antingen en i cylinderhuvudet infäst, från tänd- stíftet åtskild, separat elektrod, eller en med tändstiftet samordnad elektrod. I det förstnänmda fallet (= separat elektrod) kan elektroden vara antingen icke demonter- bart infást i cylinderhuvudet eller vara utförd såsom demonterbar/utbytbar kompo- nent. I det senare fallet (= samordnad elektrod) kan elektroden antingen utgöra en fast/integrerad del av tändstiftet eller vara fast anbragt på en särskild infismingsdel monterad vid/på eller omkring tändstiftet. J ordelektroden kan då exempelvis utgöras av en elektrod på en särskild hylsa eller ring, som monteras på och omkring tänd- stiftets fiämre del. När den andra j ordelelctroden utgör fast/integrerad del av tänd- stiftet kommer detsamma alltså att utgöra ett tvåpoligt tändstift.

Av utrymmesskäl (packningstekriiska skäl) torde det i praktiken ofta vara att föredra att tändstiftet är ett enpoligt tändstift (= enelektrodtändstift) som är så placerat i cy- linderhuvudet, att tändstiftets elektrod är belägen på kompressionsrummets sym- metriaxel. Detta utförande torde vara speciellt lämpligt vid användande av s k fyr- ventilstelcnik. Ofta torde det vara att föredra att den på kolven monterade jordelek- troden är placerad mitt på kolvtoppen. I de fall när den kolvmonterade jordelektro- den skall kunna gå ”omlott” med fändstiftselektroden, placeras den kolvburna jord- elektroden på kolvtoppen på ett ställe vid sidan av kolvtoppens mitt. Vid en sådan utforingsforrn gäller lämpligen att den kolvbuma jordelektroden har sådan utsträck- 10 15 25 513 360 6 ning i kolvens axiella riktning, att elektroden med sitt ändparti går omlott med tänd- stiftets enda elektrod när kolven befmner sig i sitt övre dödpunktsläge.

Oavsett om tändstiftselektroden är centralt placerad i cylindern, eller ej, gäller ändå att den i cylinderhuvudet infasta, särskilda sidoelektroden är placerad på ett ställe vid sidan av tändstiftet. För erhållande av en väldefinierad volymgnista kan det vara lärnpligt att den särskilda sidoelektroden har en avvinklad eller krökt ytterdel riktad in mot kompressionsrummets symmetxiaxel.

Den med kolven fast förbundna, första jordelektroden är lämpligen utförd i ett stycke med kolvtoppen, och kan exempelvis vara utförd såsom en avsmalnande, från bottenytan av en fördjupning i kolvtoppen utstående vårta. Även om den i cylinderhuvudet fast monterade, andra jordelektroden vid de ovan diskuterade utföringsformema har utgjorts av en från tändstifiet helt åtskild, speciell sidoelektrod, kan man dock också tänka sig att istället använda ett slags tvåpoligt tändstift, där den andra jordelektroden är förbunden med tändstiftets intästningsdel eller är monterad vid tändstiftets främre parti, och därigenom bildar en till tändstiftet ansluten sidoelektrod.

Kort beskrivning av ritninnarna Uppfinningen kommer nu' att ytterligare belysas och förklaras med hänvisning till några på de härmed bifogade titningarna visade uttöringsexempel.

För ritningsfiglirerna gäller att: Fig. 1 visar ett axiellt längdsnitt genom en motorcylínder med en uttöringsform av ett elektrodairangemang enligt uppfinningen; Fig. 2a-2e visar i samma snitt som, men större skala m fig. 1 det inbördes läget av tändsfiftselektrod och kolvelektrod för olika konfigurationer, dock för enkelhets skull med utelänmand sidoelektrod; 10 15 20 25 30 513 360 7 Pig. 3 visar i samma snitt som i fig. 1 ett parti av cylinderhuvudet med däri infást enpoltändstift och särskild sidoelektrod; Fig. 4 visar i axiellt längdsnitt ett parti av ett cylinderhuvud och en tillhörande cy- linder med anordnad kolv, vid en altemativ utföringsforrn med ett eleklrodar- rangemang enligt uppfinningen.

Beskrivning av utforingsexembel _ i ' I fig. 1 visas ett parti av ett cylinderhuvud 2 med en tillhörande cylinder 4 vid en förbränningsmotor, speciellt Ottomotor. I cylindern 4 är en kolv 6 rörligt anordnad. I kolvens övre del firms på utsidan av kolven ett antal kolvringspår 8 för upptagning av här icke visade kolvringar avsedda att täta mot insidan 10 av cylinderväggen 12.

Kolven är försedd med ett kolvtappsnav 14 för en här icke visad kolvtapp. Kolven visas i fig. 1 i sitt övre dödpunktsläge.

Mellan ovansidan av kolvtoppsväggen 16 och en väggyta 18 på undersidan av cylin- derhuvudet 2 avgränsas kompressionsrummet 20 for den i cylindern befintliga bränsle-luft-blandningen. Innan kolven 6 har uppnått det i fig. 1 visade övre död- punktsläget begränsas kompressionsrummet 20 givetvis också av den del av cylin- derväggens 12 insida 10 vilken är belägen ovanför kolvtoppsväggen 16.

Ett enpoligt tändstift 22 är på sedvanligt sätt tätande infást i en genomgående tänd- stiftsöppning 24 i cylinderhuvudet 2. I det visade fallet är tändstiftet 22 så placerat i cylinderhuvudet, att tändstiftets enda elektrod (mittelektrod) 26 är belägen på komp- ressionsrummets 20 symrneniaxel A.

På sin mot kompressionsrummet 20 vända sida är kolvtoppsväggen 16 försedd med en fórbränningsrumsbildande, ringforrnad fördjupning 28 omkring en mitt på kolv- toppen fast anbragt första jordelektrod 30 (se fig. 1 och fig. 2a) 10 15 20 25 30 513 360 8 För att möjliggöra säker tändning (fullgod gnista) också i de fall när gnistgapet mellan enpoltändstiftets 22 mittelektrod 26 och den kolvburna och därmed rörliga jordelektroden 30 ännu är alltför stort (såsom exempelvis vid viss förtändning) - och gnistan därför riskerar att istället slå till närmast belägna område av cylinderhuvu- dets 2 väggyta 18 - är det i kompressionsrurnmet 20 anordnat en extra, andra jord- elektrod 32 som är infást i cylinderhuvudets 2 väggparfi 34. Den inåt kompressions- rummets 20 symmetriaxel A krökta eller avvinklade jordelektroden 32 är i detta fall infäst i väggpartiet 34 på radiellt avstånd från tändstiftets elektrod 26 och är belägen i ett symmetriaxeln A innehållande diametralplan till cylindern 4.

Speciellt när det gäller förbränningsmotorer där det finfördelade bränslet sprutas di- rekt in i cylindramas kompressionsrum förekommer ofta väsentligt mer sofistikerat utformade kolvtoppar än den i fig. 1 visade. Det kan då bli nödvändigt att välja en annan placering av den kolvburna jordelektroden 30 på kolvtoppen än den i fig. 1 och fig. 2a visade, centrala placeringen. I fig. 2b-2e och fig. 4 visas exempel på någ- ra sådana placeringar där jordelektroden 30 på kolvtoppen är placerad på ett ställe vid sidan av kolvtoppens mitt, d v s på ett radiellt avstånd e från tändstiftselektroden 26.

I fig. Ze, 2d och 2c visas kolvtoppar där jordelektroden 30 är så placerad och dimen- sionerad att den (när kolven 6 befinner sig i det visade, övre dödpunktsläget) går mer eller mindre mycket omlott (se måtten t3, tz, t,) med tändstiftets mittelektrod 26.

Hänvisning sker nu till fig. 3 som visar ett något annorlunda utförande av den i cy- linderhuvudet 2 monterade jordelektroden 32, än deti fig. l visade. J ordelektroden 32 är i detta fall vinkelböjd inåt symmetriaxeln A, och sträcker sig ner ett stycke un- der cylinderhuvudets plana undersida 36. Den i den tillhörande cylindern rörliga motorkolven måste då i kolvtoppen ha en förbränningsrumsgrop som ger utrymme för jordelektrodens nedstickande ändparti 38. Tändstiftets 22 mitteleknod 26 är in- nesluten i en isolatorkropp vars i kompressionsrummet 20 belägna, fiärnre del är betecknad 40. 10 15 513 360 9 I fig. 4 visas ytterligare en utiöringsfonn av ett elektrodarrangemang enligt förelig- gande uppfinning. I detta fall är motorkolven 6 försedd med en förbränningsrums- grop 42 med icke-centralt placerad jordelektrod 30. Den i cylinderhuvudet 2 infästa, andra jordelektroden 44 är här monterad i samma genomgångsöppning i cylinderhu- vudet 2 som tändstiftet 22. Elektroden 44 kan då antingen utgöra en integrerad del av tändstiftet eller utgöra dell av (en på tändstiftets främre parti monterad tillsatskom- ponent.

När det är fråga om en särskild tillsatskomponent kan densamma exempelvis vara utförd såsom en hylsdel från vars 'mot kompressionsrummet vända kant elektroden 44 då skjuter ut parallellt med det enpoliga tändstiftet. Hylsdelen omger då tänd- stiftets fiämre parti och kan lämpligen vara försedd med ett vridningsförhindrande sidoutsprång, som fillfórsältrar hylsdelen ett bestämt läge i genomgångsöppningen, och därmed ger hylsdelens såsom psidoelektrod fungerande jordelektrod ett bestämt inställningsläge i fórbränningsnnnmet. Härigenom blir det möjligt att använda en kolv med icke-centralt placerad jordelektrod (kolvelektrod), utan risk for ”jord- elektrodkollision”. En med tändstiftet ”integrerad del” som sidoelektrod erbjuder inte denna möjlighet eftersom den kan hamna i vilket vridläge som helst i förbrän- ningsrummet.

Claims (9)

10 15 20 25 513 360 10 PATENTKRAV

1. Elektrodarrangemang för antändning av bränsle-luft-blandning i kompressions- rummet (20) i en cylinder (4) i en förbrämiingsmotor, speciellt Ottomotor, där kompressionsrummet begränsas, förutom av cylindetväggen (12), av en i cylindem rörlig kolv (6) och en vägg (3 4) hos ett cylinderhuvud (2), i vilket cylinderhuvud är infåst ett åtminstone en elektrod (26) omfattande tändstift (22) som eventuellt kan utgöras av en såsom tändstift fimgerande del av ett fluidinsprutningsdon, känne tecknat av åtminstone två skilda jordelektroder (30,3 2), av vilka den forsta (30) är fast anbragt på kolvtoppen, medan den andra jordelektroden (32) är infäst i den kompressionsnnnmet (20) begränsade väggen (34) hos cylinderhuvudet (2) eller är fast vid tändstiftet eller utgör separat mellandel mellan tändstiftet och väggen (34).

2. Elektrodairangemang enligt krav l, kännetecknat av att tändstiftet är ett enpoligt tändstift (22) som är så placerat i cylinderhuvudet (2), att tändstiftets elektrod (26) är belägen på kompressionsrutnmets (20) syinmetniaxel (A).

3. Eleknodarrangemang enligt krav 2, kännetecknat av att den första jordelektro- den (30) är placerad mitt på kolvtoppen.

4. Elektrodarrangemang enligt lcrav 2, kännetecknat av att den första jordelekuo- den (30) är placerad på kolvtoppen på ett ställe vid sidan av kolvtoppens mitt.

5. Elektrodarrangemang enligt lcrav 4, kännetecknat av att i kolvens (6) axiella riktning har den första jordelektroden (30) en sådan utsträckning att elektroden med sitt ändpani går omlott (th tg; tg) med tändstiftets elektrod (26) när kolven (6) befin- ner sig i sitt övre dödpunktsläge.

6. Elektrodarrangemang enligt något av föregående lcrav, kännetecknat av att den andra jordelektroden (32) är infast i nämnda vägg (34) på ett ställe vid sidan av 10 15 20 513 360 11 tändstiftet (22), och har en ytterdel riktad in mot kompressionsrummets (20) sym- metriaxel (A).

7. Elektrodarrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att den första jordelektroden (30) skjuter ut från bottenytan av en förbränningsrumsbildande fördjupning (28) i kolvtoppen.

8. Elektrodarrangemang enligt krav 1, kännetecknat av att tändstiftet är ett tvåpo- ligt tändstift, där den andra jordelektroden (44) är förbunden med tändstiftets infast- ningsdel, eller monterad på tändstiftets främre parti, och bildar därigenom tändstif- tets andra pol.

9. Sätt att uppnå optimala tändförutsättriingar och en hög antändningskvalitet vid antändning av en bränsle-luft-blandning i en förbränningsmotorcylinder (4) där kompressionsrummet begränsas av cylindems vägg, en kolv (6) i cylindem och ett cylinderhuvud (2) med däri infást tändstift (22), kännetecknat av att cylindem för- ses med ett elektrodarrangemang omfattande en elektrod (26) hos tändstiftet och åt- minstone två skilda jordelektroden varav en första (30) placeras på kolvtoppen och en andra (32;44) direkt eller indirekt infästes i cylinderhuvudet (2), varvid den i cy- linderhuvudet infasta jordelektroden placeras så i förhållande till tändstiftselektro- den att vid en vald första förtändningsinställning så bringas tändgnistan att slå till den andra jordelektroden (32;44)i,frnedan vid en vald andra, lägre förtändningsin- ställning bringas tändgnistan att slå till kolvtoppselektroden (30).