DD210106A5

DD210106A5 - Ionisierender selbsterregender kommutator von hochspannungsimpulsenergie fuer das zuendsystem eines vergasermotors

Info

Publication number: DD210106A5
Application number: DD83252775A
Authority: DD
Inventors: Halilovic Esref; Radisic Branko
Original assignee: Halilovic Esref; Radisic Branko
Priority date: 1982-07-28
Filing date: 1983-07-05
Publication date: 1984-05-30
Also published as: RO84423B; ES8406645A1; ES524476A0; IT8367813A0; BE896923A; JPS5941652A; RO84423A; PL243215A1; NL8301177A; DE3313591A1; BR8302476A; DK89983A; GB2124426A; IT1168807B; DK89983D0; FR2531283A1; SE8304163L; YU164582A; SE8304163D0

Abstract

Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen in der Schaffung eines ionisierenden selbsterregbaren Kommutators der Hochspannungsimpulsenergie fuer das Zuendsystem eines Vergasermotors, um in den Systemen zur Zuendung des Gemisches in Vergasermotoren durch eine Hochspannungsimpuls eine solche Verteilung der Impulsenergie zu erreichen, dass ein starker Funken zwischen den Zuendkerzenspitzen erreicht und gleichzeitig die Verzunderung der Zuendkerzenspritzen begrenzt u.verhindert.Die Aufgabe wird dadurch geloest,dass der Kommutator aus einem rohrfoermigen Gehaeuse aus einem elektrisch isolierenden Material,in dessen zuelindrischem Innenraum Anode u.Katode in einer Entfernung x angeordnet sind,waehrend in dem geschlossenen Raum zwischen den Elektroden,der mit Luft oder einem Gemisch anderer Gase gefuellt ist,ein Metallphotonenauge in einer Entfernung m von der Anode angebracht ist,die ringfoermig ist,u.eine Staerke n u.ein Mittelloch mit etwa demselben Durchmesser wie der Durchmessereines zuelindrischen Vorsprungs einer zweiten Anode hat.

Description

Berlin, den 27. 10. 33 62 170 13

Ionisierender selbsterregbarer Kommutator der Hochspannungsimpulsenerqie für das Zündsystem eines Vergasermotors

Anwendungsgebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft den ionisierenden seibsterregbaren Kommutator der Hochspannungsimpulsenergie für das Zündsystem eines Vergasermotors.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Ionisierende Vorzünder, die im Hochspannungskreis von Zündsystemen von Vergasermotoren eingesetzt werden, sind seit Beginn des Jahrhunderts allgemein bekannt - US-PS 992 168 aus dem Jahre 1910, deutsche PS 253 594 aus dem Dahre 1911 usv;. Diese und spätere Lösungen hatten das Ziel, eine hohe Durchschlagsspannung an den Zündkerzenpunkten zu erreichen. Die Durchschlagsspannung an den Zündkerzenpunkten ist von vielen Eigenschaften des Primär- (Niederspannung) und des Sekundärstromkreises (Hochspannung) abhängig, beispielsweise dem Spitzenstrom des Primärstromkreises, dem Transformationskoeffizienten der Induktionsspule, der Induktanz der Primärwicklung, der Kapazitanz beider Stromkreise und dem Nebenschlußwiderstand an den Zündkerzen.

Ein Nebenschlußwiderstand wird durch Ablagerungen auf den Zündkerzenisolatoren verursacht. Diese Ablagerungen bilden auf Grund ihrer elektrischen Konduktanz einen 'Nebenschluß am Elektrodenabstand, wodurch es zu einem Stromverlust kommt. Dieser Verlust kann so hoch sein, daß die Entladung

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zwischen den Zündkerzenpunkten vollständig entfällt. Einige Komponenten der Ablagerungen auf den Zündkerzen können unter normalen Arbeitsbedingungen des Motors nicht verbrennen. Es können nur Kohlenstoff und organische Verbindungen verbrennen, während die Schwermetalloxide chemisch so stabil sind,, daß keine "Selbstreinigung" erfolgt. Der elektrische Widerstand dieser Ablagerung ist hoch, wenn der Motor kalt ist, er liegt zwischen ca. 500 und 10 000 MOhm, während der Widerstand bei Erhitzung auf die Arbeitstemperatur der Zündkerzen bis zum 10 OOOfachen kleiner sein kann. Zündaussetzungenwirken sich auf Motorunterbrechungen und den Kraftstoffverbrauch aus* Nach experimentellen Daten bewirkt bei einem Sechszylindermotor nur ein Zündkerzenausfall eine Steigerung des Kraftstoffverbrauchs um 25 %» Wenn zwei Zündkerzen nicht einwandfrei arbeiten, steigt der Kraftstoffverbrauch bereits um ca* 60 %, ^l

Die Arbeitsbedingungen für die Zündkerze im Motor zeigen eine andere schädliche Erscheinung, das Verzundern der Zündkerzenspitzen durch Sogenentladung, das eine Vergrößerung des Elektrodenabstands bewirkt»

Der Einfluß der oben genannten Erscheinungen nimmt während der Lebensdauer der Zündkerze zu, und es kommt dar Zeitpunkt, an dem die Spannung, die von der Induktionsspule entwickelt wird und auf Grund des Stromverlustes gesenkt ist, nicht mehr den größer gewordenen Abstand zwischen den Zündkerzenspitzen überschlagen kann. Es tritt dann ein Ausfall der Zündkerze ein»

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Die erforderliche Zündenergie ist vom Arbeitsschema des Motors abhängig. Im heißen Motor, unter normalen Arbeitsbedingungen hat das Arbeitsgemisch im Zylinder eine Temperatur, die der Selbstentzündungstemperatur nahekommt, und es ist zur Zündung nur sehr wenig Zündenergie erforderlich. Bei ,—-.. einem anderen Arbeitsschema ist eine sehr hohe Zündenergie notwendig. Es handelt sich dabei um den kalten Motor (Kaltstart) , plötzliche Beschleunigung, Leerlauf. Für fette wie für magere Gemische wird eine hohe Zündenergie benötigt,

Die genannten Probleme verweisen auf die Notwendigkeit einer Lösung des Problems, durch welche eine Verteilung der Hochspannungsimpulsenergie erreicht wird,, bei der unter allen Arbeitsbedingungen des Motors ein funktionell korrekter Funken bei minimaler Verzunderung der Zündkerzenspitzen erreicht wird, das einer längeren .Nutzungsdauer mit korrekt reguliertem Elektrodenabstand entspricht,

(."''.. f-iit den bekannten Vorzündern konnte das Problem nicht gelöst werden. Das bezieht sich vor allem auf das Verzundern der Zündkerzenspitzen, ein Problem, das bisher überhaupt noch nicht behandelt wurde.

Außerdem haben die bekannten Vorzünder andere Nachteile, so das Problem des Gasgemischs, das Problem der Gasevakuierung, das Problem des korrekten "Haltens" der Durchschlag- und der Funkenlöschspannung in den gegebenen Grenzen, das Funktionsproblem bei hohen Frequenzen, das Problem der Dispersion des Katodenmaterials, das Problem der Nutzungsdauer und die technischen Probleme bei der Produktion und der hohe

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Kostenaufwand für diese Produktion, Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der -\ Technik zu vermeiden,

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen ionisierenden selbsterregbaren Kommutator der Hochspannungsimpulsenergie für das Zündsystem eines Vergasermotors zu beschaffen, um in den vorhandenen Systemen zur Zündung des Genisches in Vergasermotoren durch einen Hochspannungsimpuls eins solche Verteilung der genannten Impulsenergie zu erreichen, aas, besonders unter negativen Arbeitsbedingungen, ein starker Funken zwischen den Zündkerzenspitzen erreicht und gleichzeitig die Verzunderung der Zündkerzenspitzen begrenzt und ) verhindert wird,

Dieses Ziel scheint zwei sich widersprechende Punkte aufzuweisen, und zwar die geringere Verzunderung der Zündkerzenspitzen bei einem stärkeren Zündfunken zwischen ihnen.

Der Kommutator besteht aus einem rohrförmigen Gehäuse aus einem elektrisch isolierenden Material, in dessen zylindrischem InnenrauiT, eine Anode und eine Katode in einer bestimmten Entfernung angeordnet sind, während in dem geschlossenen Raum zwischen den Elektroden, der mit Luft oder einem Gemisch anderer Gase gefüllt ist, ein Metallphotonenauge in

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einer bestimmten Entfernung von der Anode angebracht ist, die ringförmig ist und eine Stärke und ein Mittelloch mit etwa demselben Durchmesser wie der Durchmesser eines zylindrischen Vorsprungs einer zweiten Anode aufweist. Das Gehäuse hat eine Metallabdeckung auf seiner Außenfläche, wobei C'\ diese Abdeckung größer als die Länge der Gesamtlänge von Anode und Katode ist.

Die Anode ist mit einem Hochspannungsimpulseingang und dem dazugehörenden Widerstand und die Katode mit dem Hochspannungsausgang verbunden, der mit der mittleren Zündkerzenspitze verbunden ist, während der Metalldeckel mit Erde Verbindung hat,

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel an Hand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

Fig, 1: einen Längsschnitt durch eines der möglichen Ausführungsbeispiele dieser Erfindung;

Fig. 2: eine schematische Darstellung, welche die Verbindung der Erfindung mit der Hochspannungsinstallation des Zündsysteras des Vergasermotors zeigt.

Das Gehäuse 1 besteht aus elektrisch isolierendem Material und hat Rohrform, Der Arbeitsraum des Gehäuses wird durch Metallelektroden abgeschlossen, die Anode 3 und die Katode

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A₁ die um die Länge x voneinander getrennt sind. Innerhalb des Arbeitsraumes ist in einer Entfernung m von der Anode ein Metallphotonenauge 2 in Form eines dünnen Ringes mit einer Stärke η in dem Gehäuse 1 angebracht.

Bei den üblichen Ausführungsbeispielen betragen die Entfernung m 0,2 bis 1 mm, die Stärke η 0,1 bis 0,5 mra und die Entfernung χ 1,5 bis 3,5 mm. Der geschlossene Raum zwischen den Elektroden ist mit Atmosphärenluft normaler Zusammensetzung gefüllt. Der Startdruck dieser Luft liegt zwischen 1 und 5". Bar,- Der Raum zwischen den Elektroden ist nur in Sonderfällen mit einem Spezialgemisch gefüllt.

Auf der äußeren zylindrischen Seite des Gehäuses 1 ist eine Metallabdeckung 5 fest angebracht, deren Gesamtlänge etwas größer als die äußere Gesamtlänge der Elektroden ist.

Die Hochspannungsableitung 7, die mit der Katode 4 verbunden ist, ist mit der mittleren Zündkerzenspitze, CE, verbunden·

Anode 3 ist mit einer Hochspannungsimpulsquelle 6 mit einem Widerstand R verbunden.

Die Metallabdeckung 5 ist mit der Erde M verbunden, die zwei Kapazitäten bildet,, die Eingangskapazität Cl und die Ausgangskapazität C2. Der Wert der Eingangskapazität Cl ist von der Magerungslänge der Anode 3 im Gehäuse 1 abhängig, und der Wert der Ausgangskapazität C2 hängt von der Magerungslänge der Katode 4 isa Gehäuse 1 ab.

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Die Beschreibung der Arbeitsweise der Teile und des gesamten Kommutators nach dieser Erfindung bezieht sich auf den gesamten charakteristischen Zyklus des Hochspannungsimpulses des Zündsystems des Vergasermotors.

Wenn der Hochspannungsimpuls den Wert erreicht, der zum Überbrücken der Abstände zwischen den Kommutatorelektroden 3 und 4 und zwischen den Zündkerzenspitzen CE und ME gebraucht wird, beginnt die elektrische Entladung zwischen beiden Zündern«

Zahlreiche Untersuchungen haben den Beweis erbracht, daß diese Art der elektrischen Entladungen zwei Komponenten aufweist _f eine kapazitive und eine induktive.

Die kapazitive Komponente der Funkenentladung ist faktisch die Entladung der Energie, die im Sekundärkreis gesammelt wurde» Nach dieser Erfindung gehören die Kommutatoreingangskapazität Cl und die Ausgangskapazität C2 zu diesem Stromkreis.

Die kapazitive Entladung wird durch einen leuchtend blauen Funken und eine Explosion sieht- und hörbar» Der Anfangsstrom der kapazitiven Entladung liegt zwischen einigen Hundert und mehr als 1000 A, seine Temperatur beträgt ca. 10 000 K, Daran schließen sich Hochfrequenzschwingungen von einigen bis etwa 10 MHz an, die in einem Zyklus bis zu einigen Hillionstel einer Sekunde währen»

Die Dämpfung der hochfrequenten elektromagnetischen Schwin-

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gungen außerhalb des Entladeraumes wird durch einen Widerstand R von 6 bis 12 kOhm am Hochspannungsimpulseingang 6 erreicht und in bezug auf den umgebenden Raum durch die Metallabdeckung 5, die mit der Erde M verbunden ist und die Funktion einer Abschirmung gegen Funkstörung übernimmt.

Die Funkentladung beginnt, bevor die Spannung des Impulses ihren Maximalwert erreicht. Das ist der Grund dafür, daß die kapazitive Entladung nur den Teil der magnetischen Energie liefert, der in der Induktionsspule gesammelt wurde. Der Rest der Energie wird durch induktive Entladung freigesetzt, und zwar als ein blaßvioletter-gelber Funken. Dieser Teil der Entladung wird als der "Schwanz" des Funkens bezeichnet.

Die induktive Entladungskomponente des Stroms liegt zwischen etwa zehn und einigen Hundert Milliampere, und die Spannung beträgt zwischen einigen Hundert und einigen Tausend Volt. Die Dauer dieser Entladung erstreckt sich über ein größeres Zeitintervall von einigen Mikrosekunden bis zu einigen Zehnteln einer Millisekunde. Mit dieser Erfindung werden neben anderen Vorteilen auch eine Verkürzung des "Zündschwanzes" und eine Vergrößerung der Energie der kapazitiven Komponente erreicht.

Die Untersuchung des Zündprozesses hat gezeigt, daß eine Erhöhung der Geschwindigkeit der Freisetzung der Funkenenergie die Zündfähigkeit vergrößert. Das bedeutet, daß bei gleicher freigesetzter Energiemenge die kapazitive Komponente wirksamer als die induktive Komponente ist.

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Bei der Untersuchung des Ziels dieser Erfindung wurde folgendes festgestellt:

Mit dem Energiekommutator nach dieser Erfindung im Hochspannungskreis des Zündsystems sind die Durchschlagparameter drastisch verändert:

-.die Durchschlagsspitzenströme sind bis zum 4fachen größer;

- die Durchschlagsspitzenleistung ist bis zum 2 »3f acher, größer;

- die Elektroenergie in der ersten Halbphase der U-I-Durchschlagseigenschaften ist bis zum 3,3fachen größer;

- die durchschnittliche relative Lichtintensität ist bis zum 3,8fachen größer»

Weitere Untersuchungen zum Ziel dieser Erfindung beschäftigten sich mit dem' Einfluß der besseren Funkenparameter auf die Arbeitskenndaten des Motors. Es wurden folgende Arbeitsbedingungen des Motors ermittelt, bei denen ein positiver Einfluß der Erfindung festgestellt werden kann:

- Arbeit mit niedrigen Drehzahlen;

- geringe Belastung und kleine "öffnung des Drosselventils;

- bei der Arbeit mit einem mageren Gemisch, besonders bei der Arbeit mit einem mageren als dem optimalen Gemisch für einen minimalen Kraftstoffverbrauch und

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- bei der Arbeit mit verspäteter Zündung gegenüber der für bestimmte Arbeitsbedingungen optimalen Zündung.

Bei der Untersuchung wurde außerdem deutlich, daß der Einfluß der Erfindung um so offensichtlicher war, je weiter die Arbeitsbedingungen von den optimalen Bedingungen für ein gegebenes Arbeitsschema entfernt waren. In Abhängigkeit davon, wie weit die Bedingungen von den optimalen entfernt waren, betrug die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit bis zu δ %,.

Die Teile des Energiekommutators nach dieser Erfindung haben folgende Funktionen:

Das Photonenauge 2 emittiert eine Lawine von Initialelektronen _t die eine Vorionisierung des gesaraten Raumes zwischen den Elektroden 3 und 4 bewirken.

Die Elektronenemission des Photonenauges 2 wird durch die Spannung des. Hochspannungsimpulses erregt und ist von diesem in der Zeit abhängig,

Oer Änderung der Spannung zwischen der Anode 3 und der Katode 4 folgt eine Änderung des elektrischen Feldes. Dieses Feld ist inhomogen und konzentriert sich auf die scharfen Kanten der Elektroden. Besonders hoch ist diese Konzentration an der scharfen, gerundeten Kante des Vorsprungs der Anode 3a* In einer verhältnismäßig geringen Entfernung von dieser Kante m ist ein Photonenauge 2 angebracht, dessen öffnung eine rundgeformte scharfe Kante mit etwa demselben

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- 11 Durchmesser wie der zylindrische Vorsprung der Anode 3a hat.

Wenn die Spannung des Hochspannungsimpulses bis annähernd zum Vordurchschlagswert ansteigt, wird die Stärke des elekirischen Feldes an der scharfen, gerundeten Kante des Photonenauges so groß, daß zuerst eine Erregung und dann eine Ionisation der Atome des Photonenauges und am Ende eine starke elektronische Selbstemission ausgelöst werden» Zu diesem Zeitpunkt emittieren in dem Raum an der runden, scharfen Kante des Lochs im Photönenauge erregte Atome und emittierte Elektronen vom Photonenauge hochenergetische Photonen in den gesamten umgebenden Raum, wodurch eine enorme Anzahl von Initialelektronen und Ionen erzeugt, wird, die sich eruptionsartig entwickeln und schnell zum Oberbrücken des Raumes zwischen den Elektroden führen. Ein auf diese Weise vorbereiteter und erfolgter Durchschlag hat -ganz besondere Eigenschaften. Der Durchschlagkanal ist homogen und hat einen großen Querschnitt» Das Bombardement der Katode durch positive Ionen wird weicher, eine größere Zahl positiver Ionen mit geringerer Geschwindigkeit trifft auf eine größere Fläche der Katode» Auf diese Art und Weise wird eine Dispersion von Katodenmaterial und deren Verzunderung verhindert, die ein großes Problem bei den bekannten Vorzündern" darstellt. Eines der Probleme der bekannten Vorzünder ist der Funktionsverlust mit der Zeit. Er steht im Zusammenhang mit dem "Verschwinden" von Gas, das durch Adsorption und chemische Reaktion mit dispergiertem Katodenmaterial bewirkt wird. Da nach der Erfindung die Dispersion von Katodenmaterial auf ein Minimum reduziert wird, ist es möglich, in dem Raum zv'/ischen den Elektroden selbst Gase mit

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höherer chemischer Aktivität und vor allem normale Atmosphärenluft zu verwenden.

Der Kommutator nach der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine nützliche Umverteilung der Energie auf folgende Weise:

Die Eingangskapazität Cl sammelt die Energie, während die Spannung des Hochspannungsimpulses ansteigt; später setzt sie diese Energie in einer kurzen Zeitspanne frei, während welcher der Elektrodenabstand überbrückt wird* Die Ausgangskapazität C2 sammelt Energie, während der Zündraum zwischen den Elektroden durchschlagen wird, und setzt die Energie frei, während der Elektrodenabstand überbrückt wird.

Die elektromagnetische Energie, die abgestrahlt und durch die Metallabdeckung 5 aufgefangen wird, wird freigesetzt,. während ebenfalls die Zündstrecke zwischen den Elektroden durchschlagen wird*

Da der Kommutator nach dieser Erfindung den größten Teil der Energie in kapazitive Energie umwandelt, ist der Prozeß der Funkenbildung zwischen den Zündkerzenspitzen durch eine erhebliche Zeitverkürzung des "Zündfunkenschwanzes" bei gleichzeitiger Verringerung der Verzunderung der Zündkerzenspitzen gekennzeichnet.

Unter normalen Arbeitsbedingungen des Motors beträgt die zur Anfangszündung des Gemisches erforderliche Energie ca.3 md.

Eine Untersuchung des Gegenstandes dieser Erfindung zeigte,

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daß der Wert an Elektroenergie in der ersten Halbperiode der U-I-Charakteristik des Durchschlags 34 bis 36 mD beträgt.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß der Gegenstand dieser Erfindung von großer Bedeutung für die Ver~

\^- besserung der Arbeitsweise und die Wirtschaftlichkeit von Vergasermotoren ist.

Die einfache Bauweise des Gegenstandes der Erfindung ermöglicht eine billige Produktion, seine einfache Montage si-, chert breite Anwendung.

Claims

62 170 13 - 14 Erfindungsansp.ruch

1. Ionisierender selbsterregender Kommutator von Hochspannungsimpulsenergie für das Zündsystem von Vergasermotoren, gekennzeichnet dadurch,, daß er aus einem rohrförmigen Gehäuse (1) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, in dessen zylindrischem Innenraum Anode (3) und Katode (4) in einer Entfernung χ angeordnet sind, während in dem geschlossenen Raum zwischen den Elektroden, der mit Luft oder einem Gemisch anderer Gase gefüllt ist, ein Metallphotonenauge (2) in einer Entfernung m von aer Anorde (3) angebracht ist, die ringförmig ist, und eine Stärke η und ein Mittelloch mit etwa demselben Durchmesser wie der Durchmesser eines zylindrischen Vorsprungs der Anode. (3a). hat.

2* Ionisierender selbsterregender Kommutator nach Punkt I₁. gekennzeichnet dadurch,, daß das Gehäuse (1) sine Metallabdeckung (5) auf seiner Außenfläche hat, wobei diese Abdeckung (5) größer als die Länge der Gesamtlänge von Anode (3) und Katode (4) ist,.

3. Ionisierender selbsterregender Kommutator nach den Punkten 1 und 2* gekennzeichnet dadurch, daß die Anode (3) mit dem Hochspannungsimpulseingang (6) und dem dazugehörenden Widerstand (R) verbunden ist, und die Katode (4) mit dem Hochspannungsausgang (7) verbunden ist, der mit der mittleren. Zündkerzenspitze (CE) verbunden ist, während der Metalldeckel (5) mit Erde. (M) verbunden ist.

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