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Zündvorrichtung für Brennkraftmascbinen.
Die natürliche Entwicklung der Brennkraftmaschine zielt auf eine Steigerung der Leistung bei gleichzeitiger Herabsetzung des spezifischen Brennstoffverbrauches ab. Man sucht dieses Ziel z. B. durch eine Steigerung des Verdichtungsdruckes zu erreichen. Dabei muss im Falle der Verwendung von Hochspannung zwangsläufig die Zündspannung erhöht werden, wodurch die Schwierigkeiten einer einwandfreien Isolierung des Hochspannungspoles auch infolge der entsprechend höheren Temperaturen ausserordentlich steigen. Die Zuverlässigkeit der Hoehspannungszündung ist bei weiterer Steigerung der Hochspannung in Frage gestellt.
Die Ausbildung der Hochspannungszündkerze wird von zwei einander entgegenstehenden Forderungen beeinflusst, nämlich der Forderung nach hohem Glühwert, um Glühzündungen zu vermeiden, und der Forderung nach Ölunempfindlichkeit, um Zündversager auszuschliessen. Je höher der Glühwert einer Zündkerze ist, um so niedriger ist im allgemeinen die Ölunempfindlichkeit und umgekehrt.
Der Ausgleich der beiden Forderungen führt vielfach für verschiedene Arten der Brennkraftmaschine und für verschiedene Brennstoffe zu besonderen Kerzen, so dass die Anzahl der zur Verwendung gelangenden Kerzentypen ausserordentlich gross ist.
Die'Erfindung bezweckt, diese Schwierigkeiten im Zündkerzenbau zu beseitigen, u. zw. durch eine grundsätzliche Abkehr von der bisherigen Entwicklungsrichtung. Sie betrifft eine Zündvorrichtung mit direkter Entladung eines Kondensators über eine Zündstelle, deren kennzeichnendes Merkmal darin besteht, dass der Kondensator mit niedriger Spannung (1000 Volt und darunter) aufgeladen und ausschliesslich über die Zündstelle entladen wird. Die Verwendung von niedrigen Spannungen und die Entladung eines Kondensators ausschliesslich über eine Zündstelle ist im Bereich der physikalischen Forschung an sich bekannt.
Die Anwendung dieser allgemeinen wissenschaftlichen Versuchsergebnisse auf die Zündanlagen der Verbrennungskraftmaschinen war aber erst möglich, nachdem die gleichzeitige Verwendung besonderer, im Anspruch 2 gekennzeichneter Zündkerzen das erfindungsgemässe Zündverfahren in der Praxis verwirklichen liess.
Die Entladung des Kondensators unmittelbar und ausschliesslich über die Zündstelle führt zu einem sehr schnellen und ungehinderten'Übergang der Energie an der Zündstelle mit dem Ergebnis sehr kräftiger Zünderscheinungen auch bei sehr niedrigen Spannungen. Bei nicht ausschliesslicher Entladung über die Zündstelle erstreckt sich dagegen die Energieübertragung über eine grössere Zeitspanne, und die Zünderscheinungen sind erheblich schwächer.
Die Anwendung einer solchen Entladung ist von mehreren wichtigen Vorteilen begleitet, deren wesentlichster in der Vereinfachung der Zündkerzenbauart liegt. Es ist nunmehr die Anwendung einer Zündkerze möglich, bei der sowohlinfolge ihrer Gestalt als auch ihrer kleinen Abmessungen die Wärmezufuhr aus dem Verbrennungsraum gering und gleichzeitig die Wärmeabfuhr ausserordentlich gut ist.
Das Gleichgewicht der Wärmeaufnahme und-abgabe kann daher bei verhältnismässig niedriger Temperatur der Kerze erreicht werden. Glühzündungen sind ausgeschlossen. Gleichfalls'sind Zündversager durch Verölung und Verrussung nicht zu befürchten, da eine solche Kerze dagegen völlig unempfindlich ist. Die Folge davon ist die Möglichkeit der Verwendung nur einer Kerzenbauart für alle Betriebsverhältnisse, d. h. also der Einheitskerze.
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Die unmittelbare Entladung des Kondensators ausschliesslich über die Zündstelle erfolgt in einem flammenbogenartigen Zündfunken. Dieser grossräumige Zündfunke ist geeignet, ausserordentlich' viel zündfähige Gasanteile im Verbrennungsraum zu erfassen im Gegensatz zu den mehr röhrenförmigen Hochspannungszündfunken, der trotz grösserer Länge einen verhältnismässig geringen Baum zwischen den Elektroden bestreicht. Die Verwendung gasarmer Gemische macht bekanntlich bei der Hochspannungszündung die Vergrösserung der Zündstrecke nötig, die ihrerseits wieder zu einer weiteren Erhöhung der Spannung führt. Die Zündvorrichtung nach der Erfindung kann für alle Arten von Gemischen benutzt werden.
Bei dieser Zündvorrichtung ist ferner mit der gleichen Kerze eine Anpassung an unterschiedliche, auch rasch wechselnde Betriebsverhältnisse in einfacher Weise durch Kapizitätsänderung oder Spannungsänderung innerhalb des Niederspannungsbereiches ohne Änderungen an der Zündkerze möglich. Diese gute Anpassungsmöglichkeit ist insbesondere auch beim schnellen Anfahren aus dem kalten Zustand, z. B. bei Flugzeugen, von Bedeutung.
Die unmittelbare Verbindung einer aus ortsfesten Elektroden bestehenden Zündstelle mit einem Kondensator ist bekannt, jedoch nicht in der Form, dass die Entladung des Kondensators ausschliess- lich über die Zündstelle erfolgt. Ausserdem handelt es sich bei den bekannten Zündvorrichtungen um Hochspannungszündvorrichtungen. Die mit dem Erfindungsgegenstand erzielbaren Vorteile werden bei ihnen also nicht erreicht.
Die Isolierung zwischen den Polen der Zündkerze gemäss der Erfindung wird vorteilhaft so ausgebildet, dass sie sich bis zu den Wirkenden der Pole erstreckt. Diese Ausbildung begünstigt das Entstehen eines Gleitfunkens, der die vorbeschriebenen kräftigen Zünderscheinungen einleitet.
Die Zündvorrichtung gemäss der Erfindung kann so ausgebildet werden, dass der Kondensator zunächst mit einer Stromquelle in Verbindung gebracht und geladen, sodann von der Stromquelle abgeschaltet und mit der Zündstelle verbunden wird. Er entlädt sich dann ausschliesslich über diese.
Für die Steuerung des Lade-und Entladevorganges des Kondensators können Vorrichtungen Verwendung finden, die in ihrer grundsätzlichen Bauart bekannt sind. Z. B. kann ein nockengesteuerter Wechselschalter benutzt werden, dessen bewegliche Kontaktstücke zwischen den zugehörigen ortsfesten Kontaktstücken des Lade-und Entladestromkreises hin-und hergeschwenkt werden. Um die Abnutzung der Schaltteile kleinzuhalten, kann die Anordnung auch so getroffen werden, dass der Kondensator über die Zündstelle sowohl geladen als auch entladen wird. Während jedes Teilvorganges entsteht ein Zündfunke.
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsformen der Zündvorrichtung gemäss der-Erfindung sowie der in einer solchen Vorrichtung zu verwendenden Zündkerze dargestellt. Es zeigt Fig. 1 eine Schaltung, bei welcher der Kondensator nur zur Entladung mit der Zündstelle verbunden wird ; Fig. 2 eine Schaltung, bei der der Kondensator über die Zündstelle sowohl geladen als auch entladen wird ; Fig. 3 Ansicht und Schnitt durch eine Zündkerze gemäss der Erfindung ; Fig. 3a eine Draufsicht auf die Zündkerze nach Fig. 3 ; Fig. 4 im Bruchstück einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform der Zündkerze ; Fig. 4a eine Draufsicht auf die Zündkerze nach Fig. 4 und Fig. 5 fünf Draufsichten auf verschieden geformte Zündkerzen.
In den Fig. 1 und 2 bedeutet A eine Gleichstrom-oder Wechselstromquelle. Im Falle der Verwendung einer Weehselstromquelle ist durch Kommutierung für Gleichrichtung des Stromes zu sorgen.
B ist ein Wechselschalter, 0 der Kondensator, D die Zündkerze und E die Zündstelle an den Polen der Kerze. Wird der Arm des Schalters B auf den linken Kontakt gelegt, so ist der Kondensator 0 mit der Stromquelle verbunden und wird aufgeladen. Beim Umlegen des Schaltarms nach rechts wird die Verbindung mit der Stromquelle unterbrochen und eine neue Verbindung mit der Zündkerze hergestellt. Da keine weiteren Schaltelemente vorhanden sind, entlädt der Kondensator sich ausschliesslich über die Zündstelle E. Die Spannung der Stromquelle beträgt etwa 1000 Volt oder weniger.
Bei der Schaltung nach der Fig. 2 wird der Kondensator 0 mit der Stromquelle A verbunden, wenn der Arm des Schalters B nach rechts auf das dort befindliche Kontaktstück gelegt ist. In dem Stromkreis befindet sich dann ausser der Stromquelle und dem Kondensator auch die Zündkerze D. Die Aufladung erfolgt also über die Zündstelle E, u. zw. in Form eines Funkens. Zwecks Entladung des Kondensators wird der Arm des Schalters B nach links herübergelegt. Dadurch wird ein Stromkreis hergestellt, der lediglich den Kondensator und die Zündstelle enthält. Bei der Entladung tritt, ähnlich wie bei der Schaltung nach der Fig. 1, an der Zündstelle E ein Funke auf.
Während also bei der Schaltung nach der Fig. 1 ein Zündfunke auf die Gesamtheit eines Hin-und Herganges des Schalterarmes B kommt, ist bei der Schaltung nach der Fig. 2 sowohl der Hingang als auch der Hergang des Schalterarmes mit dem Auftreten eines Zündfunkens verknüpft.
Der niedrigen Ladespannung des Kondensators 0 entspricht ein kleiner Elektrodenabstand.
Dieser ist in der praktischen Ausführung kleiner als 0'3 mm.
Die Fig. 3-5 veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen von Zündkerzen, wie sie in der Zündvorrichtung gemäss der Erfindung angewandt werden können. In den Sehnittfiguren 3 und 4 ist der innere unschraffierte Teil der wie üblich gegen die Gehäusemasse unter Spannung zu setzende Pol. Er ist durch eine dünne Isolierschicht gegen die in das Gehäuse, z. B. den Deckel der Brennkraft-
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maschine einzusetzende Fassung isoliert. Vorteilhaft wird die Isolierschicht bis zu den Polenden durch. geführt, wie es in der Fig. 3 zu erkennen ist und wie es auch bei den Zündkerzenformen nach der Fig. 5 anzunehmen ist. Bei dieser Ausbildung sind günstige Voraussetzungen für die Entstehung eines Gleit. funkens geschaffen, der sich im weiteren Verlaufe zu den flammenbogenartigen Zündgebilde ausweitet.
Während Hochspannungszündkerzen bekanntlich gegen den Auffall und das Absetzen von Russ. und Ölteilchen sehr empfindlich sind, ist das bei den Zündkerzen in der Vorrichtung gemäss derErfindung nicht der Fall. Es hat sich im Gegenteil in der Praxis erwiesen, dass die Ablagerung von 01-und Kohleteilchen bzw. von Russ an den Polenden die Funktionsfähigkeit der Zündkerze noch erhöht und zu kräftigeren Zünderscheinungen führt. Nuten oder Rillen an den Polenden, wie sie die Fig. 4 zeigt, können aus diesem Grunde sehr zweckmässig sein.
Den verschiedenen Ausführungsformen der Zündkerze nach der Fig. 5 ist das Merkmal gemeinsam, dass die beiden Pole sich mit einer verhältnismässig langen Durchdringungslinie durchsetzen oder, anders gesehen, mit einer verhältnismässig langen Frontlinie gegenüberstehen. Je länger diese Linie ist, um so grösser ist die Wahrscheinlichkeit, dass an einer Stelle dieser Linie die für das Entstehen eines Funkens günstigen Leitungsverhältnisse gegeben sind, z. B. durch Ansetzen von Öl-oder Russ- teilchen. Die gegen die Gehäusemasse unter Spannung zu setzende Elektrode oder der innere Pol ist im linken Draufsichtsbild im Querschnitt stabförmig ; in dem darauffolgenden Bild kreuzförmig ; im dritten Bild ringförmig und im fünften Bild sternförmig ; im vierten Bild haben beide Pole wie auch die Isolierung im Querschnitt Spiralform.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Zündvorrichtung mit direkter Entladung eines Kondensators über eine Zündstelle, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator mit niedriger Spannung (1000 Volt und darunter) aufgeladen und ausschliesslich über die Zündstelle entladen wird.
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Ignition device for internal combustion engines.
The natural development of the internal combustion engine aims at increasing the performance while reducing the specific fuel consumption. One looks for this goal z. B. to achieve by increasing the compression pressure. If high voltage is used, the ignition voltage must inevitably be increased, as a result of which the difficulties of proper insulation of the high-voltage pole also increase extraordinarily as a result of the correspondingly higher temperatures. The reliability of high voltage ignition is called into question if the high voltage is increased further.
The design of the high-voltage spark plug is influenced by two opposing requirements, namely the requirement for a high glow value in order to avoid glow ignition and the requirement for oil insensitivity in order to exclude ignition failure. The higher the glow value of a spark plug, the lower the oil resistance and vice versa.
Balancing the two requirements often leads to special candles for different types of internal combustion engine and for different fuels, so that the number of types of candles that are used is extraordinarily large.
Die'Erfindung aims to eliminate these difficulties in spark plug construction, u. between a fundamental departure from the previous direction of development. It relates to an ignition device with direct discharge of a capacitor via an ignition point, the characteristic feature of which is that the capacitor is charged with a low voltage (1000 volts and below) and discharged exclusively via the ignition point. The use of low voltages and the discharge of a capacitor exclusively via an ignition point is known in the field of physical research.
The application of these general scientific test results to the ignition systems of internal combustion engines was only possible after the simultaneous use of special spark plugs characterized in claim 2 allowed the ignition method according to the invention to be implemented in practice.
The discharge of the capacitor directly and exclusively via the ignition point leads to a very rapid and unhindered transfer of energy at the ignition point, resulting in very powerful ignition phenomena even at very low voltages. In the case of non-exclusive discharge via the ignition point, on the other hand, the energy transfer extends over a greater period of time and the ignition phenomena are considerably weaker.
The use of such a discharge is accompanied by several important advantages, the most important of which is the simplification of the spark plug design. It is now possible to use a spark plug in which the heat supply from the combustion chamber is low, both due to its shape and its small dimensions, and at the same time the heat dissipation is extremely good.
The balance of heat absorption and release can therefore be achieved at a relatively low temperature of the candle. Glow ignitions are excluded. Ignition failure due to oil and soot build-up is also not to be feared, since such a candle is completely insensitive to this. The consequence of this is the possibility of using only one type of candle for all operating conditions, i.e. H. so the standard candle.
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The direct discharge of the capacitor exclusively via the ignition point takes place in an arc-like ignition spark. This large-scale ignition spark is suitable for capturing an extraordinarily large amount of ignitable gas components in the combustion chamber, in contrast to the more tubular high-voltage ignition spark, which despite its greater length sweeps a relatively small tree between the electrodes. As is well known, the use of low-gas mixtures makes it necessary to enlarge the ignition gap in high-voltage ignition, which in turn leads to a further increase in voltage. The ignition device according to the invention can be used for all types of mixtures.
In this ignition device, with the same plug, it is also possible to adapt to different, even rapidly changing operating conditions in a simple manner by changing the capacity or changing the voltage within the low-voltage range without changing the spark plug. This good adaptability is especially useful when starting up quickly from a cold state, e.g. B. in aircraft, of importance.
The direct connection of an ignition point consisting of stationary electrodes to a capacitor is known, but not in such a way that the capacitor is discharged exclusively via the ignition point. In addition, the known ignition devices are high-voltage ignition devices. The advantages that can be achieved with the subject matter of the invention are therefore not achieved with them.
The insulation between the poles of the spark plug according to the invention is advantageously designed so that it extends as far as the active ends of the poles. This training favors the emergence of a glide spark, which initiates the strong ignition phenomena described above.
The ignition device according to the invention can be designed in such a way that the capacitor is first connected to a current source and charged, then switched off from the current source and connected to the ignition point. It then only discharges through this.
For controlling the charging and discharging process of the capacitor, devices can be used which are known in their basic design. For example, a cam-controlled changeover switch can be used, the movable contact pieces of which are swiveled back and forth between the associated stationary contact pieces of the charging and discharging circuit. In order to keep the wear and tear of the switching parts small, the arrangement can also be made such that the capacitor is both charged and discharged via the ignition point. An ignition spark is created during each partial process.
In the drawing, various embodiments of the ignition device according to the invention and the spark plug to be used in such a device are shown. 1 shows a circuit in which the capacitor is only connected to the ignition point for discharge; 2 shows a circuit in which the capacitor is both charged and discharged via the ignition point; 3 shows a view and section through a spark plug according to the invention; 3a shows a plan view of the spark plug according to FIG. 3; 4 shows a fragmentary longitudinal section through another embodiment of the spark plug; 4a shows a top view of the spark plug according to FIG. 4 and FIG. 5 shows five top views of differently shaped spark plugs.
In Figs. 1 and 2, A denotes a DC or AC power source. If an alternating current source is used, the current must be rectified by commutation.
B is a toggle switch, 0 is the capacitor, D is the spark plug and E is the ignition point at the poles of the plug. If the arm of switch B is placed on the left contact, the capacitor 0 is connected to the power source and is charged. When the switch arm is turned to the right, the connection to the power source is interrupted and a new connection to the spark plug is established. Since there are no other switching elements, the capacitor discharges exclusively via ignition point E. The voltage of the power source is about 1000 volts or less.
In the circuit according to FIG. 2, the capacitor 0 is connected to the current source A when the arm of the switch B is placed to the right on the contact piece located there. In addition to the power source and the capacitor, the circuit also contains the spark plug D. The charging takes place via the ignition point E, u. in the form of a spark. In order to discharge the capacitor, the arm of switch B is crossed to the left. This creates a circuit that only contains the capacitor and ignition point. During the discharge, similar to the circuit according to FIG. 1, a spark occurs at the ignition point E.
So while in the circuit according to FIG. 1 an ignition spark occurs on the entirety of a back and forth movement of the switch arm B, in the circuit according to FIG. 2 both the input and the movement of the switch arm are linked to the occurrence of an ignition spark.
The low charging voltage of the capacitor 0 corresponds to a small electrode gap.
In the practical version, this is less than 0.3 mm.
3-5 illustrate different embodiments of spark plugs as they can be used in the ignition device according to the invention. In the sectional figures 3 and 4, the inner unshaded part is the pole that is to be tensioned as usual against the housing ground. It is protected by a thin insulating layer against those in the housing, e.g. B. the lid of the internal combustion
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socket to be used in the machine insulated. The insulating layer is advantageous through to the pole ends. guided, as can be seen in FIG. 3 and as it can also be assumed for the spark plug shapes according to FIG. With this training are favorable conditions for the development of a slide. created funkens, which in the further course expands to the flame arc-like ignition structures.
While high-voltage spark plugs are known to be used against the appearance and deposition of soot. and oil particles are very sensitive, this is not the case with the spark plugs in the device according to the invention. On the contrary, it has been shown in practice that the deposition of oil and carbon particles or soot on the pole ends increases the functionality of the spark plug and leads to more powerful ignition phenomena. Grooves or grooves on the pole ends, as shown in FIG. 4, can be very useful for this reason.
The various embodiments of the spark plug according to FIG. 5 have the feature in common that the two poles penetrate each other with a relatively long penetration line or, viewed differently, face each other with a relatively long front line. The longer this line is, the greater the probability that the conduction conditions favorable for the creation of a spark are given at one point on this line, e.g. B. by adding oil or soot particles. The electrode or the inner pole to be placed under voltage against the housing ground is rod-shaped in cross section in the left plan view image; in the following picture cross-shaped; in the third picture ring-shaped and in the fifth picture star-shaped; in the fourth picture, both poles and the insulation have a spiral shape in cross section.
PATENT CLAIMS:
1. Ignition device with direct discharge of a capacitor through an ignition point, characterized in that the capacitor is charged with a low voltage (1000 volts and below) and discharged exclusively through the ignition point.