DE1053247B - Einspritz-Zuendeinrichtung fuer Einspritzbrennkraftmaschinen - Google Patents

Einspritz-Zuendeinrichtung fuer Einspritzbrennkraftmaschinen

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DE1053247B
DE1053247B DEE13436A DEE0013436A DE1053247B DE 1053247 B DE1053247 B DE 1053247B DE E13436 A DEE13436 A DE E13436A DE E0013436 A DEE0013436 A DE E0013436A DE 1053247 B DE1053247 B DE 1053247B
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DE
Germany
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ignition
fuel
injection
electrical
spark
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DEE13436A
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English (en)
Inventor
Dipl-Ing Ulf Essers
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ERNST ESSERS DR ING
Original Assignee
ERNST ESSERS DR ING
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01TSPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00Sparking plugs
    • H01T13/02Details
    • H01T13/08Mounting, fixing or sealing of sparking plugs, e.g. in combustion chamber

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die elektrische Entladung zwischen den Elektroden ist ein durch den Einspritzvorgang gesteuerter Zündfunken.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH: Einrichtung zum Zünden des Kraftstoffes in luftverdichtenden Einspritz-Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung, bei denen der Einspritzstrahl in der Nähe des Einspritzventils mittels einer elektrischen Hochspannungs-Zündkerze gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Düsenmündung des Einspritzventils (3) in dem Bereich, in dem der Kraftstoffstrahl schon zündfähig ist, die Elektroden (1 und 2) der Zündkerze so angeordnet sind, daß der Kraftstoffstrahlkegel zwischen ihren Spitzen hindurchtreten kann, und daß ständig oder nur während bestimmter Zeitabschnitte eine Hochspanneng an den Elektroden liegt, die so bemessen ist, daB sie die Funkenstrecke durchschlägt, sobald die Spitze des Kraftstoffstrahles die Durchschlagfestigkeit der Funkenstrecke verringert. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 653 525, 907 003, 809 273, 928 499, 905 907, 904 363, 895 078, 889 532, 809 272, 624 529; österreichische Patentschrift Nr. 179 442; britische Patentschrift Nr. 580 477; USA.-Patentschriften Nr. 2 724 371, 2 441277, 2 255 203, 2 008 803; deutsche Patentanmeldung K 154822Ia/46c3.
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