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Einspritz-Zündeinrichtung für Einspritzbrennkraftmaschinen Dem Streben
des Motorenbaus nach einer Erhöhung der Literleistung durch Drehzahlsteigerung steht,
im Gegensatz zu Mittel- und Niederdruckmotoren, bei luftverdichtenden Motoren, deren
Verdichtungs-Endtemperatur über der Selbstzündungstemperatur des Kraftstoffes liegt,
der je nach Kraftstoffart mehr oder weniger große Zündverzug entgegen, dessen ungünstiger
Einfluß auf den -Verbrennungsablauf in der Regel um so größer ist, je höher die
Drehzahl ist.
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Der ungünstige Einfluß der Zündverzugszeit auf den Verbrennungsablauf
kann praktisch ausgeschaltet werden, wenn die Verbrennung durch eine Fremdzündung
eingeleitet wird, solange sich nur ein kleiner Teil der Kraftstoff-Einspritzmenge
im Zylinderinnern befindet. Durch das Einspritzgesetz kann in diesem Falle der Druckverlauf
weitgehend gesteuert werden, so daß unabhängig von der Kraftstoffart, auch bei hoher
Drehzahl, ein sanfter Druckanstieg verwirklicht werden kann, der unter anderem hinsichtlich
der Triebwerksbeanspruchung und des Verbrennungsgeräusches günstig ist.
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Elektrische Zündanlagen, deren Zündung nicht sofort die erste eingespritzte
Teilmenge erfaßt, können in dieser Hinsicht nicht befriedigen, weil, wie bei hochverdichteten
Motoren ohne Fremdzündung, die nach obigen Überlegungen zu spät erfolgende Zündung
einen großen Teil der gesamten Einspritzmenge zu fast gleichzeitiger Entflammung
bringt. Ein steiler Druckanstieg kann auf diese Weise nicht vermieden werden, und
der Mehraufwand für die elektrische Zündanlage scheint in diesem Fall nicht gerechtfertigt
zu sein. Deshalb muß von diesen elektrischen Zündanlagen verlangt werden, daß ihre
Zündung, bezogen auf den Einspritzbeginn, genau im günstigen Augenblick erfolgt.
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Dieser Forderung sollte eine in letzter Zeit bekanntgewordene Einspritzdüse
mit als Abreißkontakt für den Zündstrom dienendem Ventil nachkommen, die iri ihrer
am meisten Erfolg versprechenden Ausführung folgendermaßen arbeitet.
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Die Düsennadel, die einen Ventilteller mit ebenem Sitz hat, hebt bei
Beginn der Einspritzung in das Zylinderinnere hinein ab. Von einer Batterie gespeist,
fließt ein Strom von beispielsweise 6 bis 8 A durch eine Induktionsspule, über einen
Verteiler, durch elektrisch isoliert befestigte Teile des Einspritzventils, durch
die Düsennadel und durch ihren Ventilsitz zur Masse. Hebt sich bei Einspritzbeginn
die Düsennadel von ihrem Ventilsitz ab, so entsteht am Rande der Ventilsitzfläche
ein kurzzeitig wirkender sogenannter Abreißbogen, welcher die den Ringspalt passierende
Kraftstofflamelle an ihrer Stirnseite entzünden soll.
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Diese Anlage hat aber mehrere Nachteile, welche die Wirksamkeit der
elektrischen Zündung und die Betriebssicherheit des Motors in Frage stellen. Die
Düsennadel muß bei diesem Verfahren weit in den Verbrennungsraum hineinragen und
setzt diesem die unvermeidlich große Oberfläche ihres Ventiltellers aus. Eine ungewöhnlich
hohe Erwärmung ist deshalb unvermeidlich. Für die Führung der Düsennadel können
nur elektrisch isolierende Werkstoffe verwendet werden, die es fraglich erscheinen
lassen, ob bei ihrer Verwendung die hohen Anforderungen hinsichtlich der Führungsgenauigkeit,
ohne die ein Abreißfunken unmöglich ist (Verkanten des Düsennadeltellers), erfüllt
werden. Die Dichtfläche zwischen dem Düsennadelventil und seinem Sitz muß sehr genau
sein, was aber nicht gewährleistet ist, da ein Abbrand durch den Abreißbogen entsteht.
Die Verwendung des Einspritzventils als elektrischerAbreißkontakt läßt außerdem
nur wenig Spielraum bei der Gestaltung des Einspritzstrahles.
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Die entscheidenden Schwierigkeiten des genannten Verfahrens sind aber
in seinem elektrischen Teil begründet. Wenn bei der Beschreibung des Verfahrens
von einem Lichtbogen oder einer Bogenentladung gesprochen wird, so entspricht das
nicht ganz den Verhältnissen bei dem angegebenen Verfahren. Während unter einem
Lichtbogen oder Abreißbogen eine Entladung von größerer Dauer verstanden wird, handelt
es sich im Falle des hier beschriebenen Verfahrens um eine kurzzeitige Entladung,
deren Dauer durch den Energieinhalt der Induktionsspule bestimmt wird und nicht
größer ist als die außerordentlich kleine Zeitdauer der Funkenentladung bei der
Hochspannungszündanlage eines Ottomotors. Weil die Induktionsspule stets mit einer
Kapazität behaftet ist und auch
die Düsennadel und ihre Sitzfläche
im geöffneten Zustand des Ventils eine Kapazität darstellen, vergeht nach dem Offnen
des Abreißkontaktes eine bestimmte Zeit, bis zwischen der Düsennadel und ihrer Sitzfläche
ein elektrisches Potential aufgebaut ist, das zur Einleitung der elektrischen Entladung
ausreicht. Falls sich bis zum Beginn der Entladung die Kraftstofflamelle zwischen
dem Düsennadelteller und seiner Sitzfläche schon so weit ausgebildet hat, daß die
Entladung nicht mehr durch die Luft um die Zunge der Kraftstofflamelle herum stattfindet,
sondern durch die Kraftstofflamelle hindurch, so ist nur mit der Verdampfung einer
kleinen O)menge, nicht aber mit der Einleitung der Verbrennung zu rechnen. Wenn
es aber bei großem elektrischem Aufwand möglich sein sollte, für eine bestimmte
Drehzahl die Zeit, die zwischen dem Offnen der Kontakte und dem Beginn der Entladung
verstreicht, auf die Zeit, welche die Kraftstofflamelle bis zum Erreichen der Entladungsstrecke
braucht, optimal abzustimmen, so muß damit gerechnet werden, daß bei bestimmten
stark abweichenden Drehzahlen die elektrische Entladung stattfindet und endet, bevor
die Kraftstofflamelle die Funkenstrecke passiert hat. Auch in diesem Falle wäre
die Abreißzündung wirkungslos. Sollte sich aber der günstige Fall verwirklichen
lassen, in dem die Entladung und die Front der Kraftstofflamelle an der Entladungsstrecke
im richtigen Zeitpunkt zusammentreffen, so ist trotzdem kaum zu erwarten, daß eine
Entzündung des Kraftstoffes eintritt, da in so unmittelbarer Nähe des Austrittsquerschnitts
noch keine Zerstäubung und folglich keine Vermischung des Kraftstoffes mit Luft
stattgefunden hat.
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Die Erfindung aber berücksichtigt die Forderung nach möglichst frühzeitiger
Entzündung der ersten eingespritzten Kraftstoffmenge in dem Maße, als es möglich
ist, die Verbrennung des Kraftstoffes mit Sicherheit einzuleiten; d. h., der Zündfunken
liegt nicht unmittelbar an der Düsenmündung, sondern angemessen, z. B. einige Millimeter,
von ihr entfernt, gerade weit genug, um bei allen Betriebszuständen den Einspritzstrahl
an einer Stelle zu erfassen, an der er bestimmt entzündet werden kann. Die Düsennadel
braucht deshalb bei dieser Lösung nicht als Elektrode verwendet zu werden. Damit
können bei der erfindungsgemäßen Ausführung auch alle bewährten Einspritzventile
unverändert verwendet werden, während bei dem obenerwähnten Zündverfahren mitAbreißzündung
z. B. die Düsennadel eine ungewöhnliche Form und vor allem elektrisch isolierende
Führungen haben muß, wodurch allein schon die Betriebssicherheit sehr in Frage gestellt
wird.
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Mit einigen anderen elektrischen Zündeinrichtungen für luftverdichtende
Motoren hat die erfindungsgemäße Zündeinrichtung gemeinsam, daß Glühkerzen nicht
mehr erforderlich sind. Der Mehraufwand für die elektrische Zündanlage wird dadurch
zu einem Teil wieder aufgewogen. Weiter wird bei Verwendung der erfindungsgemäßen
Zündanlage der Motor, verglichen mit dem Ottomotor oder dem Dieselmotor ohne Fremdzündung,
auch sehr kraftstoffunempfindlich. Die Zündeinrichtung gestattet dieVerwendung von
Leichtölen, z. B. Benzin, Benzin-Benzol-Gemisch, bis zu Schwerölen. Die Zündeinrichtung
kann auch bei Motoren mit nur mittlerer Verdichtung verwendet werden, deren Verdichtungsenddruck
unter dem Druck der Selbstzündung liegt. Von den letztgenannten Motoren abgesehen,
gilt für alle anderen luftverdichtenden Motoren, die die erfindungsgemäße Zündeinrichtung
verwenden, daß die elektrische Zündung einen sehr günstigen Einfluß auf den Verbrennungsablauf
hat, ohne je Ursache für ein Aussetzen des Motors zu sein. Die elektrische Zündanlage
ist also nicht, wie z. B. bei Ottomotoren, eine weitere Fehlerquelle, weil; falls,
sie einmal versagen sollte, der Motor immer noch,- wenn auch mit einem viel größer
gewordenen Zündverzug, arbeitet wie ein Dieselmotor ohne elektrische Zündanlage.
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Die Abbildung zeigt die Anordnung der Elektroden 1 und 2 vor dem Einspritzventil
3. Die Elektroden liegen im unmittelbaren Bereich des Einspritzstrahles und dicht
vor dem Einspritzventil, weil die Entladung nicht erst stattfinden soll, nachdem
Kraftstoff und Luft auf einer größeren Weglänge kräftig miteinander verwirbelt worden
sind. Eine so späte Zündung könnte den steilen Druckanstieg nicht verhindern, da
von ihr die fast gleichzeitige Verbrennung einer zu großen Kraftstoffmenge eingeleitet
würde.
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Die Elektrode 1 ist in dem hier skizzierten Beispiel durch den Isolationskörper
einer Zündkerze gegen die Masse elektrisch isoliert, während die Elektrode 2 an
Masse liegt.
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Die elektrische Entladung zwischen den Elektroden ist ein durch den
Einspritzvorgang gesteuerter Zündfunken.
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Im Gegensatz zur Zündung durch einen nicht gesteuerten Einzelfunken
bewirkt die hier vorgeschlagene Lösung, daß unabhängig von der Drehzahl und der
Laststufe des Motors der eingespritzte Kraftstoffstrahl schon an seiner Spitze entzündet
wird.
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Die günstig gewählte räumliche Anordnung der Elektroden und der bei
der erfindungsgemäßen Zündanlage verwirklichbare optimale Zündzeitpunkt haben gemeinsam
zur Folge, daß erstens die elektrische Zündung stets mit Sicherheit die Verbrennung
einleitet und daß dies zweitens immer im günstigsten, nämlich im frühestmöglichen
Zeitpunkt geschieht.
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Der Zündfunken wird erfindungsgemäß folgendermaßen durch den Einspritzvorgang
gesteuert. An den Elektroden liegt ständig oder jeweils während eines geeignet festgelegten
Zeitintervalls eine elektrische Spannung, die gerade nicht ausreicht, die von Luft
erfüllte Funkenstrecke zu durchschlagen. Sobald aber die Spitze des eingespritzten
Kraftstoffstrahles in den Raum zwischen den Elektroden eindringt (und die elektrische
Zündung damit wünschenswert ist), bewirken die einzelnen Kraftstofftröpfchen, deren
Dielektrizitätskonstante ja sehr von derjenigen der Luft abweicht, eine starke Änderung
des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden derart, daß es zu einer Funkenentladung
kommt und damit zu einer Entzündung der Strahlspitze im günstigsten Augenblick.
Bei dieser elektrischen Zündeinrichtung, die sich auch auf anderen Gebieten der
Technik verwenden läßt, steuert der Einspritzstrahl also die elektrische Zündung.