NL1021606C1 - De SMSI of Gesynchroniseerde méérvonksgasmengsel ontsteker. - Google Patents

Description

De SMSI of Gesynchroniseerde méérvonksgasmengsel ontsteker.

Historie / Inleiding SMSI staat voluit geschreven voor Synchronised Multiple Spark Igniter en is bedoeld als opvolger van het reeds 100 jaar bestaand oude principe van éénvonks-5 bougie zoals deze algemeen bekend staat. Alleen een gezamenlijke assembly van functies geeft bestaansrecht aan de SMSI ontsteekinrichting. Het éénvonksbougie-principe om gasmengsels in cilinders van zuigermotoren te ontsteken is vanaf zijn inventie tot op heden met succes en in praktisch alle gasmotorontwerpen gebruikt. Met vernuft en kennis van zaken is de éénvonksbougie tot op zijn huidige, hoge 10 stand van ontwikkeling gebracht. De éénvonksbougie biedt vanuit Zijn functie de mogelijkheid om gasmengsels d.m.v. een elektrische vonk te ontsteken. Het is een typische elektrische “impact” bougie. Bougies worden elektrisch gedreven door mechanische - of door elektrische ontsteekinrichtingen. Deze geven een korte elektrische puls af aan een transformerende spoel welke op zijn beurt de laagspannings-15 puls (primair) in een hoogspanningspuls (secundair) omzet. Deze hoogspannings-puls laat één vonk per motorcyclus voor ontbrandingsinleiding overspringen tussen twee bougie-elektroden. Het ontbrandende mengsel expandeert vervolgens en oefent met krachtprbeid uit op een cilinderzuiger welke een krukas beweegt voor externe arbeid. In tekening 1 is een spanning/tijd diagram getoond en de plaats bij een bou-20 gie waar vonkoverslag plaats vindt. Schematisch zijn werkingsschema’s van een spoel- en condensator ontsteking weergegeven. Er was geen overwegend ontste-kingsprobleem te melden zolang stochiometrische of lambda 1 mengsels ingezet werden. (Mengsels met zoveel lucht waarbij volledige gasverbranding plaatsvindt.) Hoge Nox, Co en Co2 waarden zijn lange tijd geaccepteerd in gasmotor uitlaatgas-25 sen. Toen de eisen sterker werden om tot een schoner milieu te komen had dit ook betrekking op gasmotor uitlaatgassen. Parallel moest ook het gas/brandstofverbruik verminderen uit economisch oogpunt. Dit alles heeft tot gasmotoren op “mager mengsel” geleid. Meer lucht in gasmengsels betekent echter dat hogere ontsteek-spanningen gevraagd zijn. Lucht werkt isolerend en voor vonkvorming is dus een 30 hogere ontsteekpanning nodig. Bougies en totale ontstekingssystemen worden tegenwoordig elektrisch zwaarder belast wat een toename aan storingen blijkt te veroorzaken. Ontsteking d.m.v. éénvonksbougies en gasmengselregelingen zijn gecompliceerder en storingsgevoeliger geworden. Vaak worden problemen met bougies en/of ontsteekinrichtingen verkeerd geïnterpreteerd en vindt onnodig uitwisseling 35 van onderdelen plaats. Constructief is van alles geprobeerd om gasmengsels in motoren met hun ontstekingssysteem blijvend, naar behoren te laten functioneren in “mager bedrijf”. Goede ontstekingsomstandigheden in gasmengsels zijn immers van levensbelang in gasmotoren. Dit heeft geleid tot intensieve ontwikkelingen op het gebied van éénvonksbougies en ontstekingssystemen. Ondanks deze inzet bleef gebruik van ontstekingssystemen echter storingsgevoelig en vol onvolkomenheden.

5 Daarom werd naar alternatieven gezocht om tot een goede- schone- en betrouwbare mengselontsteking te komen. Genoemd mogen hier worden: 1) (Dure, vaak nog niet storingsvrije) systemen voor gasdrukinspuiting (400bar) om het dieselprincipe in gasmotoren na te bootsen, 2) Inzet van zelfvullende- en/of met “rijk mengsel” geïnjecteerde voorkamers, voor vlam front vergroting, 3) montage van meerdere één-10 vonksbougies in gasmotorcilinders, 4) gebruik van dual-fiiel ontsteking, 5) Inzet van ingewikkelde en duurdere elektronische ontstekingen met toegevoegde functies zoals: — energie regeling voor bougies - ontstekingspunt regelingen met begrenzingen - detonatie beveiliging - 4-2OmA ontstekingspunt regeling - ontstekingspunt vs toerental regeling etc. etc. Ook zijn spoelen ontwikkeld om hogere secundaire span-15 ningen te kunnen genereren of om elektrisch tot andere ontstekingskarakteristieken te komen. Ook werden spoelen ontwikkeld met signaal uitgang om het spannings-verloop na bougieverslechtering visueel te maken op een scherm om vervolgens te kunnen ingrijpen. Dit alles is gedaan om ondanks technische en functionele begrenzing van éénvonksbougies, ontstane wetseisen betreffende uitstoot na te komen 20 en/of vóór te zijn. Verhoogde ontsteekspanning garandeert echter geen betere ontsteking.

Als 2e generatie van mengselontsteking is de SMSI gedachte ontwikkeld om tot verbetering van het éénvonksprincipe te komen. Bij de SMSI ontstaan meerdere synchrone vonken tegelijk maar OP DIVERSE DIEPTE in een te ontbranden mengsel. 25 De vonken ontstaan in cascadevorm. Om dit te bereiken is een afwijkende bouw nodig van de SMSI t.o.v. de algemeen bekende samenbouw van éénvonksbougies. Door het SMSI principe wordt een schoner en véél sneller ontbrandingspatroon verkregen van gasmengsels. Deze specifieke snelle en volledige mengselverbranding met de SMSI biedt een veelvoud aan voordelen boven het éénvonksbougie patroon. 30 Te noemen zijn o.a.: 1) Winst in mechanisch motorvermogen, 2) minder brandstofverbruik, 3) kleinere motorafmetingen bij gelijk vermogen, 4) stillere motor, 5) detonatie eliminatie tenminste bij motoren met één toerental, 6) schonere motoruit-stoot betekent een lagere belasting van het milieu (dit komt o.a. tot uiting bij file rijden!) 7) een rustiger motorronddraaien door vollediger verbranding,gelijkmatige 35 cilinderbelasting, 8) SMSI is een “koude” ontsteker welke “koude” en “warme” éénvonksbougies kan vervangen. Hierdoor kan een leveringsassortiment kleiner rail ίΐ'5 t 3 worden, 9) na afstelling of verloop van SMSI elektroden afstellingen zijn minder kritische samenstellingafwijkingen van uitstootwaarden te verwachten.

Het méérvonksprincipe dat in de SMSI is gebruikt, is op zich niet nieuw en werd diverse keren eerder in weinig praktisch uitvoerbare patentschriften beschreven. Het S is de reden waarom (nog) geen enkele méérvonksuitvoering verkrijgbaar is in deze vorm. Naast andere zaken is nieuw in het SMSI principe dat SMSI vonken op verschillende diepte in een gasmengsel ontstaan. Hierdoor ontstaat een totaal ander efficiënter, sneller en schoner ontsteekpatroon van een te ontsteken mengsel.

Een uitstekende warmteafvoer is noodzakelijk om de in door de elektroden opgeno-10 men warmte via de SMSI constructie af te voeren.

DE SMSI OPBOUW (zie tekening 2).

De verbinding tussen de hoogspanningsingang (1) en de SMSI elektroden kan bij voorkeur bestaan uit een reeds beschikbaar keramisch element uit een bestaande 15 éénvonksbougie (AA). Het is echter niet absoluut noodzakelijk. Ook andere verbindingen zijn denkbaar maar een bestaand keramisch element verdiend als beschikbaar en beproefd bougieonderdeel de voorkeur. Het keramische element hoeft geen on-derdrukkihgsweerstand van 5K te bevatten. De SMSI functie vraag hier niet om. Vooral niet als een H.F. ontsteking aangekoppeld is. Het midden elektrodemateriaal 20 (1) hoeft niet speciaal te zijn van samenstelling, het vertoeft niet in de verbran- dingskamer hitte. De Tip 2 moet buiten het keramisch omhulsel steken en mogelijkheid bieden om een paar draadgangen toegevoegd te krijgen voor latere hoogspan-ningsverbinding naar onderliggende SMSI elektroden.

Het SMSI huis (BB) heeft een aangepaste vorm om alle benodigde SMSI onderdelen 25 en functies in te huisvesten. De schroefaansluiting (3) in een cilinderkop is gelijk aan de maat, draadsoort en lengte van een te vervangen éénvonksbougie voor standaardisatie doeleinden. Er zit ook een niet verliesbare dichtingsring (4) tussen SMSI en motorhuis gemonteerd. SMSI ontstekers moeten met een passende pijpsleutel gemonteerd worden, nodig voor centrerende inbouw doeleinden.

25 Het onderste SMSI deel bestaat voornamelijk uit twee voorgevormde keramische elementen E1+E2 met ingebouwde, speciale, SMSI elektroden.

Deze elementen worden in het SMSI huis gemonteerd en daarna aangedrukt d.m.v. een holle schijf (Hl) waarin aangepaste uitsparingen voor de elektroden paren zijn gestanst, (alleen de eerste SMSI elektrode is getoond). De uitsparingen zijn zo wijd 30 bemeten dat contact tussen elektroden en massa niet mogelijk is.

De constructie van het SMSI huis (BB) kent twee zittingen voor metalieke afdich- ut 0216 06 -Γ tingsringen. Zitting R1 bevestigd een bestaand bougie-element met behulp van de getekende felsnaad (Fl). Dit kan ook d.m.v. een passende wartel met schroefdraad welke het element op zitting en ring R1 aandrukt. Het verdient aanbeveling om een verbinding naar atmosferische druk te scheppen zowel via de zitting van het huis bij 5 R1 als via de felsverbinding of wartelverbinding bij Fl bij wijze van drukontlasting. Het bovenste element El heeft een hierna te beschrijven vormgeving. De SMSI dicht in tegenstelling tot éénvonksbougies een verbrandingskamer af met behulp van de actuele kamerdruk op ring R2! 10 Het onderste element E2 met getoonde hoogspanningsaansluiting en SMSI elektroden heeft een specifieke vorm zoals beschreven. Belangrijk is te weten dat El en E2 passend op elkaar aangedrukt worden door Hl. Bij assemblage worden El - E2 d.m.v. een stift met veerdruk en met voordruk tegen elkaar gedrukt op R2. (Zie schets 6). Eerst daarna wordt Hl d.m.v. een laserlas in huis (BB) vastgelast. In kou-15 de toestand is er dus een voorspanning op R2 en tijdens motorbedrijf drukt de ver-brandingskamerdruk via de constructie op R2. De identieke holle vorm van Hl aan de E2 onderzijde biedt de mogelijkheid om bij oplopen van de cilinderhitte en uitzetten van de holle vorm van Hl de afdichtingdruk aan R2 door te geven. Het holle plaatje Hl dient tevens als “Hitteschild”. Het pakket van keramische SMSI elemen-20 ten is omgeven door een metalen omhulsel dat de warmte uit de verbrandingsruimte snel kan afvoeren. Tussen assembly E1/E2 en huis (BB) is een kleine ruimte waarin een dun geribbeld metallieken plaatje mee gemonteerd kan zijn voor versnelde contact warmteafvoer tussen de keramische SMSI delen en het metalen SMSI huis in de cilinderkop. De tapse elektroden zijn taps gevormd en in element E2 gelaten ter be-25 veiliging tegen vallen in de cilinderkamerruimte.

HET BOVENSTE ELEMENT, El. (Schets 3)

Als referentie is tekening 2 genomen. Het bovenste SMSI element heeft aan de binnen - bovenzijde een tapse pasvorm dat over de onderste keramische punt schuift 30 van een éénvonksbougie element voor hoogspanningsaansluiting. Aan de buitenzijde past dit deel in huis (BB). De zitting voor de metallieke dichtring van het SMSI element loopt parallel aan de zitting in huis (BB). In het midden is ruimte gelaten waardoor de hoogspanningsaansluiting met schroefaansluiting van het onderste element E2 steekt.

35 De onderzijde van element El is vlak of er kunnen ringen op het keramiek zijn aangebracht die een mes en vork verbinding maken met groeven van het onderste ele- p1 0216 06 5 ment E2 voor centrering en voor verbeterde elektrische isolatie doeleinden. Bevestiging van boven en onder element gebeurt d.m.v. keramisch cement.

HET ONDERSTE ELEMENT, E2. (Schets 4) 5 Ook hier is tekening 2 als referentie genomen. Aan de bovenzijde is het element vlak of er kunnen groeven in zijn aangebracht voor een mes en vork verbinding tussen de elementen E1/E2.

De buitendiameter van E2 heeft een kleine ruimte tot huis (BB). Voor extra warmte afvoer kan hier in een dunne geribbelde metalen huls gemonteerd zijn. Aan de bin-10 nenzijde van het element is een uitsparing om de hoogspanningsverbinding met schroefdraad in vast te gieten met behulp van keramisch cement. De elektroden zijn cilindrisch gevormd met een tapse uitloop (zie schets 8). Het tapse deel is bedoeld om vallen van elektroden in de cilinderkamer te voorkomen. Alle elektroden constructies zijn verzonken in element E2 gebouwd en het geheel is met keramisch ce-15 ment opgevuld. De midden hoogspanningsaansluiting is concentrisch geplaatst en de eerste SM SI elektrode steekt excentrisch door een voorbestemd gat in het keramiek van E2. Dit is gedaan om optimale isolatie tussen elektroden te verkrijgen. Als een 18 mm SMSI ontsteker als voorbeeld is genomen dan kunnen hier 5 vonken tegelijk op verschillende diepte ontstaan. Elektroden zijn gegroepeerd als in schets 4 20 is aangegeven. Er zijn drie constructies bestaande uit twee elektroden met een verbinding uit metaalstrips. Zie ook schets 8. Dit is bedoeld als elektrische verbinding en als warmteafvoer van de elektroden naar het keramiek. De onderzijde van E2 heeft dezelfde holle vorm als het afdichtplaatje Hl in schets 5.

Een “noodvonk” “N” zie schets 5 kan ontstaan door montage van een elektrode 25 dicht bij de eerste hoogspanningselektrode. De afstand is groter dan normaal nodig voor de SMSI vonken.

DE AFDICHTINGSPLAAT Hl. (zie schets 5)

Het plaatje heeft een holle vorm. Er zijn 3 uitsparingen welke elektrodenparen door-30 laten. De laatste massa elektrode is op Hl gemonteerd als doorgang naar massa. De uitsparingen zijn zo ruim bemeten dat geen elektroden naar massa contact kan ontstaan.

MONTAGE VAN PLAATJE Hl OP HUIS (BB), (zie schets 6) 35 Bij assemblage wordt het plaatje met uitsparingen over de elektroden geschoven. Een met veerkracht (P) voorgespannen stift drukt via het plaatje en het keramisch j 0216 06 o pakket E1+E2 op ring R2. Hiermee is de zaak voorgespannen. Nadat dit is gedaan wordt het plaatje met een laserlas vastgezet. In koude toestand van de motor is de druk op de ring een voorspanning, in warm bedrijf drukken de expansiedruk en de vervormingsdruk door temperatuur van Hl op ring R2.

5 DE ELEKTRODENAFSTAND INSTELLING, (zie schets 7)

De elektroden paren worden als staken door de Hl uitsparingen geleid. Deze zijn op gedefinieerde lengten gesneden.

Aan het einde van de staken worden losse elektroden met een laserlas vastgezet, of, 10 de uiteinden worden warm en op maat gebogen zoals wenselijk is. Elektroden staan nooit parallel maar altijd boven elkaar!! SMSI ELEKTRODENBOUW. (zie schets 8)

De voorgevormde, tapse elektroden kunnen samengebouwd zijn als in schets 8 is 15 weergegeven. Er is een stripverbinding 1 voor warmteafvoer naar element E2 welke tevens als elektrische verbinding tussen twee elektroden dienst doet.

20 25 30 35 1021606 7 ALTERNATIEVE SMSI SAMENBOUW.

De hoogspanningsverbinding kan hier bijvoorbeeld bestaan uit een bestaand, keramisch, éénvonkselement zoals op bladzijde 3 is beschreven of anders.

SMSI elementen El en E2 kunnen uit één geheel zijn gegoten en ingesloten elektro-5 den constructies bevatten.

Zo’n keramisch blok kan in een voorgevormd huis (BB schets 2) gemonteerd zijn en d.m.v. een plaatje (Hl, schets 2) op beschreven wijze worden vastgezet in huis BB. Bij verwezenlijking wordt een samenbouwprocédé sterk vereenvoudigd, terwijl alle gewenste SMSI functies gewaarborgd blijven.

10 15 20 25 30 35 • pi ö-21 6 06 8

SMSI EIGENSCHAPPEN

1. Betere elektroden koeling.

2. Gasafdichting naar atmosfeer beter.

3. Betere elektrische isolatie.

5 4. Geen inwendige bougieweerstand nodig.

5. Gesynchroniseerde, daadwerkelijke méérvonksfunctie.

6. Daadwerkelijke méérvonken ontstaan op verschillende diepte.

7. Méérvoudige vonken ontstaan gelijktijdig.

8. Méérvoudige vonken ontstaan in een “Open kamer”.

10 9. Een “noodvonk” als zekerheid is mogelijk.

10. Elektroden afstanden zijn na-stelbaar.

11. Vonken ontstaan dicht tegen het BDP aan.

12. Mengselontbranding gebeurt tegen BDP of erna! 13. Het mechanische motorvermogen wordt verhoogd.

15 14. Door punt 13 is een kleinere motor bij gelijk vermogen mogelijk.

15. Emissie wordt sterk verbeterd en ontziet het milieu.

16. Koude- en warme bougies zijn niet langer nodig.

17. Een fabrieksassortiment kan verkleind worden.

18. De SMSI hoeft geen warmtekreukelzone te hebben.

20 19. Alle keramiek wordt veel beter gekoeld.

20. De keramische isolator kan hoogspanning beter weerstaan.

21. Het SMSI principe is in alle gestandaardiseerde diameters te bouwen.

22. Door zijn bouw en functie is een detonatieregeling niet langer nodig. Zeker bij stationaire motoren.

25 2 3. Verouderde motoren kunnen met SMSI de uitstootwaarden inhouden en hoeven dus niet te worden uitgewisseld.

24. Het SMSI principe biedt de mogelijkheid om slechtere gassoorten tot ontbranding te brengen.

25. De SMSI ontsteker is met elk bestaand ontstekingssysteem te gebruiken.

30 26. De SMSI is in iedere bestaande cilinder te monteren.

27. Met SMSI zijn emissies, brandstofverbruik en motorkoppel te verbeteren.

28. SMSI samen met een H.F. ontsteking geven een factor 2-3 verbetering.

1021606

Claims (5)

1. De SMSI gesynchroniseerde méérvonksontsteker biedt vanuit zijn functie een verbeterde, snellere en betrouwbaardere vorm voor gasmengsel ontsteking in gasmotoren boven het reeds 100 jaar bestaande en langdurig succesvol ingezette prin-5 cipe van éénvonksbougie zoals dit algemeen bekend is. Gesteld mag worden dat het éénvonksbougie principe tegen beperkingen aangelopen is nadat motoren met een “mager mengsel” moesten worden bedreven, om milieu redenen. Met “mager mengsel” draaien is ook economisch gewenst vanwege gesté-gen fossiele brandstofprijzen. 10

2.De opbouw van het vonkende SMSI deel verschilt van de conventionele en nu al gemeen bekend staande bougiebouw. Hier te vermelden zijn o.a.: de elektroden positionering, en de SMSI behuizing, de wijze van drukkamer afdichting, de warmteafvoer van de elektroden, de vorm van elektroden of elektrodenparen en ook de aangepaste keramische SMSI elementen.

3. De SMSI wordt als “open kamer” ontsteker in een motorcilinder gemonteerd net als éénvonksbougies. Er is echter een meervoud aan functionele méérfuncties toe te voegen na inzet van SMSI ontstekers.

4.SMSI is aan alle soorten ontstekingssystemen te koppelen maar zal nog met een factor 2-3 in werkingsgraad verbeteren na samengaan met een hoogfrequente ont-20 steking.

5. De SMSI kan op een alternatieve en vereenvoudigde wijze worden gebouwd, zoals op pagina 7 is beschreven. 25 30 35 021 0 08 4.