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Die Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung für einen fremdzündenden Kolbenverbrennungsmotor sowie einen Kolbenverbrennungsmotor mit einer solchen Zündvorrichtung.
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Bei gängigen fremdzündenden Kolbenverbrennungsmotoren wie insbesondere den im Kraftfahrzeugbau verwendeten Ottomotoren geht die Verbrennung des Benzin-Luft-Gemisches normalerweise im Wesentlichen von einem Punkt aus, beispielsweise vom Zündpunkt einer Zündkerze aus. Die Zündstrecken derartiger Zündkerzen sind sehr klein bemessen, insbesondere um die notwendige Zündspannung gering zu halten. Jedoch bedingen derartige Baukonzepte, dass die Verbrennung des Benzin-Luft-Gemisches sich im Wesentlichen von einem Punkt eines deutlich größeren Zündraums des Zylinders ausbreitet und eventuell – insbesondere bei hohen Drehzahlen – der Verbrennungsvorgang noch nicht abgeschlossen ist, wenn das Gemisch aus dem Zylinder ausgeblasen wird.
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Aufgrund der damit verbundenen unvollständigen Verbrennung des Gemisches im Zylinder kann nicht der gesamte Brennwert des Gemisches im Drehmoment umgesetzt werden, was den Wirkungsgrad des Motors negativ beeinflusst. Zudem wird der Abgasstrang durch Nachbrennvorgänge thermisch hoch belastet, wodurch dieser bauraum- und/oder kostenintensiver ausgelegt werden muss, insbesondere bezüglich seiner Kühlung und/oder separater Hitzeschutzmaßnahmen.
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Um diesem Problem abzuhelfen, sind in der Vergangenheit „spark-to-piston” Konzepte (dt. „Funke-zum-Kolben”) für Ottomotoren vorgeschlagen worden, bei welchen die Zündstrecke durch eine Elektrode am Zylinderkopf und eine Elektrode am Kolben ausgebildet wird. Die damit verbundene längere Zündstrecke erfordert allerdings, bezogen auf eine handelsübliche Zündkerze, eine deutlich höhere Zündspannung, welche dann auch an der Elektrode am Kolben anliegen muss. Dadurch ist jedoch eine aufwendige elektrische Isolierung des Kolbens erforderlich, welche aufgrund der zueinander hochdynamisch bewegten Bauteile der Kolbenführung schwer zu erreichen ist. Auf jeden Fall ist eine solche Isolierung mit hohen Kosten und gegebenenfalls Kompromissen hinsichtlich anderer Leistungsparameter verbunden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Zündvorrichtung für einen solchen Motor bereit zu stellen, die ein effizientes Verbrennen des Benzin-Luft-Gemisches im Zündraum mit einer effizienten elektrischen Isolierung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Zündvorrichtung für einen fremdzündenden Kolbenverbrennungsmotor mit einem sich zwischen einem Zylinderkopf und einem Kolben befindenden Zündraum gelöst, bei der der Zylinderkopf eine Stirnfläche aufweist, welche den Zündraum begrenzt und welche wenigstens teilweise als eine Zylinderkopfelektrode ausgebildet ist, und bei der innerhalb des Zündraums eine Zündraumelektrode angeordnet ist, die mit der Zylinderkopfelektrode eine Zündstrecke ausbildet.
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Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, den zwischen dem Zylinderkopf und dem Kolben gebildeten Zündraum zu einem größeren Teil für die Ausbildung einer Zündstrecke zu nutzen, als dies bei herkömmlichen Zündkerzen der Fall ist. Dies bedingt insbesondere, eine der Elektroden verhältnismäßig weit entfernt vom Zylinderkopf in Richtung des Kolbens im Zündraum zu platzieren. Der Zündraum ist dabei der Totraum, der zwischen dem Zylinderkopf und der Kolbenstirnfläche verbleibt, wenn sich der Kolben in seinem oberen Umkehrpunkt (oder in der Nähe des oberen Umkehrpunkts) befindet. Vorteilhafterweise ist eine solche Zündraumelektrode möglichst nahe am oberen Umkehrpunkt des Kolbens angeordnet, um eine möglichst weite Zündstrecke zu ermöglichen. Durch eine solche Zündvorrichtung kann eine lange Zündstrecke bereitgestellt werden, ohne bewegte Teile des Kolbens oder der Kolbenzuführung in einer Isolierung der erfindungsgemäß verhältnismäßig hohen, erforderlichen Zündspannung einbeziehen zu müssen. Dadurch kann die entstehende Verlustleistung eines Motors geringer sein als bei herkömlicher Bauweise was die erforderliche Kühlung reduzieren sowie einen geringeren zu erwartenden Benzinverbrauch bei gleicher Leistung nach sich ziehen kann
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Eine Stirnfläche des Zylinderkopfes kann im Sinne der Erfindung radial (bezüglich der Bewegungsmittelachse des Kolbens) innerhalb von Ausnehmungen für ein Einlassventil und/oder ein Auslassventil angeordnet sein, kann aber auch außerhalb und/oder diese(es) umgebend angeordnet sein.
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Um den zylinderkopfseitigen Ausgangspunkt der Zündstrecke räumliche genauer einzugrenzen oder festzulegen, weist gemäß einer Weiterbildung die Stirnfläche des Zylinderkopfs im Bereich der Zylinderkopfelektrode eine Ausformung in den Zündraum hinein aus. Die Ausformung kann dabei in Anpassung an sonstige geometrische Gegebenheiten verschiedene Formen aufweisen, beispielsweise im Wesentlichen kegelförmig, zylinderförmig, quaderförmig und/oder rohrförmig. Dieser Weiterbildung liegt der Gedanke zugrunde, dass sich die Zündstrecke zwischen den Punkten minimalen Abstandes der beiden Elektroden ausbildet.
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Die Zündstrecke macht gemäß einer Weiterbildung wenigstens ein Viertel der Erstreckung des Zündraums entlang einer Bewegungsachse des Kolbens aus, um eine große Zündstrecke und damit ein schnell startendes und schnelles Verbrennen des Benzin-Gas-Gemisches zu ermöglichen.
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Dieser Effekt kann gemäß einer Weiterbildung noch verstärkt werden, indem die Zündraumelektrode näher an dem oberen Umkehrpunkt des Kolbens angeordnet ist als an der Zylinderkopfelektrode.
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Um die im Zündraum theoretisch bereitstehende Zündstrecke zu maximieren, ist gemäß einer Weiterbildung die Zündraumelektrode an einer durch den oberen Umkehrpunkt des Kolbens definierten Begrenzungsfläche des Zündraums angeordnet.
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Die Zündstrecke kann gemäß einer Weiterbildung an die Gegebenheiten im Zylinder angepasst werden, indem die Zündraumelektrode einer oberen Kolbenstirnfläche nachgeformt ist. Ist beispielsweise eine dem Zündraum zugewandte Kolbenstirnfläche kegelförmig ausgebildet, ist gemäß dieser Weiterbildung eine kegelförmige Zündraumelektrode vorgesehen, die vorzugsweise an die durch den oberen Umkehrpunkt des Kolbens definierte Begrenzungsfläche anliegend ausgebildet ist.
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Um das Einspritzen und das Abbrennen des Benzin-Gas-Gemisches möglichst wenig zu behindern, ist gemäß einer Weiterbildung die Zündraumelektrode als Gitter ausgebildet. Vorzugsweise weist das Gitter verschränkte Streben aus einem leitenden Material auf, deren Durchmesser um ein Vielfaches kleiner ist als die zwischen den verschränkten Streben ausgebildeten Freiräume.
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Im Sinne der Erfindung sind unter dem Begriff Gitter insbesondere solche Anordnungen zu verstehen, bei welchen, bezogen auf die Gesamtfläche der Zündraumelektrode, der Anteil an von leitendem Material eingenommener Fläche um ein Vielfaches geringer ausgebildet ist als der Flächenanteil der Freiräume. Als leitendes Material für die Elektroden kommen insbesondere dem Fachmann an sich geläufige Elektrodenmaterialien infrage.
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In modernen Kraftfahrzeugen ist – bezogen auf die Bewegungsachse des Kolbens – der verbleibende Zündraum zwischen dem oberen Umkehrpunkt des Kolbens und der Stirnfläche des Zylinderkopfes aus Effizienzgründen verhältnismäßig klein ausgebildet. Um eine Zündvorrichtung auch in solchen Fällen bereitstellen zu können, weist gemäß einer Weiterbildung die Zündraumelektrode wenigstens eine Aussparung für ein Einlass- und/oder ein Auslassventil des Verbrennungsmotors auf. Dadurch ist sichergestellt, dass der Hub des Einlass- und/oder Auslassventils nicht an die Geometrie der Zündraumelektrode angepasst werden muss.
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Um eine variable und an die Gegebenheiten im Zylinder angepasste Ausbildung der Zündstrecke zu erreichen, ist gemäß einer Weiterbildung die Zündraumelektrode der Zylinderkopfelektrode nachgeformt, insbesondere derart, dass jeder zur Zündstrecke gerichtete Punkt der Zündraumelektrode im Wesentlichen den gleichen Abstand zu einem korrespondierenden Punkt der Zylinderkopfelektrode aufweist. Bei einer derartigen Ausbildung der Zündvorrichtung können beispielsweise kleinste Fertigungstoleranzen und/oder eine variable, zufällige Verteilung eines höheren Benzinanteils im eingespritzten Benzin-Luft-Gemisch den Ausschlag geben, zwischen welchem Punkt der Zylinderkopfelektrode einerseits und der Zündraumelektrode andererseits, die Zündstrecke ausgebildet wird.
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Bei der Anordnung einer Zündraumelektrode im Zündraum, welche insbesondere nicht elektrisch mit dem Kolben verbunden ist, muss die Zündraumelektrode durch eine Zylinderwand oder eine Zylinderkopfwand oder durch eine Verbindungsstelle des Zylinderkopfes und des Zylinders hindurch mittels einer Zuleitung mit einer Hochspannungsquelle verbunden werden. Zudem muss diese Zuleitung gegenüber den genannten Komponenten elektrisch isoliert ausgeführt sein.
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Um dies sicherzustellen, ist gemäß einer Weiterbildung die Zündraumelektrode mittels einer am Zylinderkopf angeordneten, diesem gegenüber elektrisch isolierten Zuleitung mit einer Hochspannungsquelle verbunden. Vorzugsweise verläuft die Zuleitung der Zündraumelektrode dabei durch die Zylinderkopfelektrode. Die Zuleitung kann aber auch an anderen Stellen des Zylinderkopfes verlaufen.
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Gemäß einer dazu alternativen Weiterbildung ist die Zuleitung der Zündraumelektrode an einer Verbindungsstelle von Zylinderkopf und Zylinderkörper angeordnet, wodurch eine zuverlässige Isolierung erreicht wird, die keine wesentlichen Anpassungen der Gestalt des Zylinderkopfs und/oder Zylinderkörpers erfordert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kolbenverbrennungsmotor geschaffen, der eine Zündvorrichtung im Sinne der Erfindung aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, beispielhafte Ausführungen aus den nachfolgenden Beschreibungen im Zusammenhang mit den Figuren. Diese zeigen im Einzelnen:
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1 eine Zündvorrichtung mit einer der oberen Kolbenstirnfläche nachgeformten Zündraumelektrode gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung in einer schematisierten Schnittansicht; und
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2 eine Zündvorrichtung mit einer an der Zylinderkopfelektrode verlaufenden Zuleitung zur Zündraumelektrode gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung in einer schematisierten Schnittansicht.
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In den 1 und 2 sind unterschiedliche Ausführungsbeispiele einer Zündvorrichtung 1 für einen fremdzündenden Kolbenverbrennungsmotor 2 dargestellt. In beiden Ausführungsbeispielen ist der Kolben 4 im oberen Umkehrpunkt 6 seiner Hin- und Herbewegung entlang einer Bewegungsachse L des Kolbens 4 dargestellt. Ein jenseits des Bewegungsbereichs des Kolbens 4 verbleibender Totraum (entlang der Achse L bis zu einer Stirnseite 8 eines Zylinderkopfs 10) wird hier als Zündraum 12 bezeichnet. Die Begrenzung des Zündraums 12 ist in beiden Ausführungsbeispielen durch eine doppelt gepunktete Strichpunktlinie dargestellt. In beiden Ausführungsbeispielen wird der Kolben 4 mit seiner Mantelfläche ausschließlich an einem Zylinderkörper 14 geführt, nicht am Zylinderkopf 10.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Zündvorrichtung 1, bei welchem die Zündraumelektrode 16 einer oberen Kolbenstirnfläche 18 nachgeformt und in der Nähe einer durch den oberen Umkehrpunkt 6 des Kolbens 4 definierten Begrenzungsfläche 19 angeordnet ist.
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Aus der Schnittdarstellung A-A ist ersichtlich, dass die Zündraumelektrode 16 als Gitter 20 ausgebildet ist und an zwei gegenüberliegenden Seiten an jeweils einem Isolierarm 22 bzw. 24 im Zündraum festgelegt ist. Die Isolierarme 22 und 24 sind als Fortsätze eines umlaufenden Isolierrings 26 ausgebildet, der an einer Verbindungsstelle 27 von Zylinderkopf 10 und Zylinderkörper 14 eingelegt ist. Durch den Isolierarm 22 und die entsprechende Seite des Isolierrings 26 verläuft die elektrische Zuleitung 28 von einer Spannungsquelle 30 zu der Zündraumelektrode 16. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Zündraumelektrode als Kathode vorgesehen, was durch das eingezeichnete „+” an der Spannungsfläche 30 dargestellt ist.
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Die Anode der Zündvorrichtung 1 wird durch eine Zylinderkopfelektrode 32 ausgebildet, welche als ein Teil der Stirnfläche 8 des Zylinderkopfes 10 ausgebildet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der als Zylinderkopfelektrode 32 ausgebildete Teil sowohl dem korrespondierenden Teil der Kolbenstirnfläche 18 als auch der Zündraumelektrode 16 nachgeformt. Der aus einem leitenden Material gefertigte Zylinderkopf 10 ist mittels einer elektrischen Zuleitung 34 mit dem Negativpol der Spannungsquelle 30 verbunden.
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In 1 ist exemplarisch für die Vielzahl möglicher Zündstrecken (mit im Wesentlichen gleichem Abstand x) zwischen der Zylinderkopfelektrode 32 und der Zündraumelektrode 16 der Pfeil 36 eingezeichnet.
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Ein Einlassventil 38 und ein Auslassventil 40 des Kolbenverbrennungsmotors 20 ist gegenüber dem Zylinderkopf 10 durch Ventilisolierringe 42 bzw. 44 elektrisch entkoppelt.
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Durch Aufbringen einer ausreichenden Zündspannung mittels der Spannungsquelle 30 bildet sich zwischen dem als Zylinderkopfelektrode 32 ausgebildeten Teil der Stirnfläche 8 des Zylinderkopfes 10 und dem Gitter 20 der Zündraumelektrode 16 entlang der Zündstrecke 36 ein Zündfunken, der in seiner Länge wenigstens dem Abstand der Elektroden bezogen auf die Achse L entspricht und der damit eine gleichzeitige Initiierung der Zündung in einem deutlich größeren Teil des Zündraums 12 ermöglicht, als dies beispielsweise bei einer herkömmlichen Zündkerze der Fall wäre. Trotzdem ist in der gezeigten Ausführungsform eine elektrische Isolierung lediglich mit nicht bewegten Isolierungskomponenten (22, 24, 26, 42 und 44) möglich. Der Einfachheit halber sind Isolierungen der Zuleitungen 28 und 34 außerhalb des Zylinders nicht eingezeichnet.
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Bei der dargestellten Ausführung hat jeder zur Zündstrecke 36 gerichtete Punkt der Zündraumelektrode 16 im Wesentlichen den gleichen Abstand x zu einem korrespondierenden Punkt der Zylinderkopfelektrode 32. Dadurch kann der wirkliche Verlauf der Zündstrecke 36 (der durch Pfeil 36 beispielhaft dargestellt ist) durch zufällige Faktoren bestimmt sein, wie beispielsweise einen lokal höheren Benzinanteil im Benzin-Luft-Gemisch und/oder Toleranzen einer Materialformung an einer oder beiden Elektroden.
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In 1 ist strichlinien eine alternative Anordnung der Zündraumelektrode 16B eingezeichnet. Die Zündraumelektrode 16B unterscheidet sich von der Zündraumelektrode 16 im Wesentlichen dadurch, dass sie näher an der Zylinderkopfelektrode 32 angeordnet ist, was beispielsweise in modernen Kraftfahrzeugmotoren notwendig sein kann, um eine effiziente Bauraumgestaltung des Motors zu erreichen. Um auch in einem solchen Fall zu vermeiden, dass der Hub der Ventile 42 und 44 mit der analog der Elektrode 16 ausgebildeten Elektrode 16B kollidiert, sind an den entsprechenden Stellen Ausnehmungen 46.1 bzw. 46.2 vorgesehen, wobei die Darstellung in Ausschnitt B-B nicht maßstäblich zu verstehen ist.
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Die in 2 dargestellte Ausführungsform der Zündvorrichtung 1 unterscheidet sich von der in 1 gezeigten im Wesentlichen dadurch, dass die Zuleitung 128 der Zündraumelektrode 116 durch die Zylinderkopfelektrode 132 verläuft und dadurch, dass die Zündraumelektrode 116 weder der Kolbenstirnfläche 118 noch der Stirnfläche 108 des Zylinderkopfs 10 nachgeformt ist. Ein weiterer Unterschied ist die Ausführung der Stirnfläche 108 mit einer Ausformung 150, welche sich in den Zündraum 12 hinein erstreckt. Weitere Merkmale sind analog dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 vorgesehen und daher mit dem gleichen Bezugszeichen wie dort versehen.
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Durch eine Ausnehmung 152 im Zylinderkopf 10 ist bündig ein Isolierarm 154 geführt, welcher sich zu ca. 2/3 der Erstreckung des Zündraums 12 entlang der Achse L in den Zündraum 12 hinein erstreckt. An einem zündraumseitigen Ende des Isolierarms 154 ragt die Zündraumelektrode 116 aus diesem heraus und bildet gemeinsam mit der Ausformung 150 der Zylinderkopfelektrode 132 eindeutig definierte Zündstrecke, die durch den Pfeil 136 dargestellt ist. Anders als im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist hier die Zündstrecke 136 durch den minimalen Abstand der Ausformung 150 und der Spitze der Zündraumelektrode 116 vorgegeben.
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Durch die Führung beider elektrischer Zuleitungen 128 und 34 an der Oberseite des Zylinderkopfs 10 ist eine verhältnismäßig einfache und bauraumarme Isolierung der Zuleitungen 128 und 34 gegenüber der Umgebung erreichbar. Der Zylinderkörper 14 ist vom Zylinderkopf 10 durch einen einfachen Isolierring 26 elektrisch entkoppelt.
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Als Material für die elektrischen Isolationselemente 22, 24, 26, 42, 44 und 128 wird in den beschriebenen Ausführungsbeispielen ein geeigneter Keramikwerkstoff oder ein anderes, dem Fachmann an sich bekanntes Material verwendet.
