DE19711876A1

DE19711876A1 - Hochleistungs-Zündhilfsvorrichtung für einen Motor

Info

Publication number: DE19711876A1
Application number: DE19711876A
Authority: DE
Inventors: Rodney G Blodgett; Anthony K Chan; George Codina; Teala D Lavell
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1996-03-25
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 1997-10-30
Also published as: US5720252A; JPH109112A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Funken zündsystem für einen Verbrennungsmotor und insbesondere auf ein System zum Leiten des Funkens von einer Elektrode zu einer zweiten Elektrode durch die Verbrennungszone.

Seit der Einführung von Dieselmotoren ist ein großer For schungsaufwand aufgebracht worden, um den Wirkungsgrad des Motors zu steigern. Ein Hauptgebiet der Untersuchun gen war auf das Steigern des Wirkungsgrades für die Brennstoffverbrennung gerichtet. Ein vorherrschender Fak tor lag in der Erzeugung eines wirkungsvollen Funkens, der in wirkungsvoller Weise geleitet wird. Bekannte Die selmotoren verwenden manchmal eine Glühkerze, um die Ver brennung des Brennstoffes zu verbessern.

Probleme, die weiter das Voranschreiten behindern, sind Begrenzungen der Spaltlänge zwischen den Elektroden, die Steuerung der Funkendauer und die Langlebigkeit des Sy stems. Ein weiteres Problem ist es, den Dieselmotor von der Verwendung der Glühkerze zu einem Funkenzündsystem bzw. Zündkerzensystem umzuwandeln.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere dieser Probleme zu überwinden.

Gemäß eines Aspektes der Erfindung besitzt ein Funken zündsystem eines Verbrennungsmotors ein steuerbares Fun keneinleitungssystem, einen Step-up- bzw. Hochspan nungstransformator, der mit dem steuerbaren Funkenzünd system verbindbar ist, einen Kolben mit einer Stirnseite und einen Zylinder mit einer Achse, mit einem Oberteil und Seitenwänden. Der Kolben ist innerhalb des Zylinders positioniert, wobei die Kolbenstirnseite benachbart zum Zylinderoberteil ist. Die Kolbenstirnseite, das Zylinder oberteil und die Zylinderseitenwände definieren die Ver brennungszone.

Eine erste Elektrode erstreckt sich durch die Motorstruk tur in die Verbrennungszone. Die erste Elektrode ist mit dem Step-up- bzw. Hochspannungstransformator verbunden. Eine zweite Elektrode ist mit der Motorstruktur an einer Stelle innerhalb der Verbrennungszone benachbart zur er sten Elektrode verbunden.

Die vorliegende Erfindung sieht ein Hochleistungs-Funken zündsystem für einen Dieselmotor vor, bei dem zwei Elek troden voneinander beabstandet sind, um die Funkengröße zu vergrößern, und um die Dauer zu steuern, was den Wir kungsgrad bzw. die Effizienz des Motors verbessert.

Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht, teilweise im Schnitt, die das System dieser Erfindung zeigt;

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des Funkenzünd systems der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, wie durch die Sichtlinie 3-3 in Fig. 1 gezeigt;

Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, die die Brennstoff einspritzvorrichtung gedreht zeigt; und

Fig. 5 ist eine schematische Ansicht, die den gepulsten Funken zeigt.

Mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 besitzt ein Funkenzünd system 10 eines Verbrennungsmotors 12 ein steuerbares Funkeneinleitungssystem 14, welches in moderner Weise elektronisch gesteuert wird. In dieser speziellen Anord nung ist vorgesehen, daß der Motor ein Dieselmotor ist, jedoch könnten andere Motorbauarten verwendet werden, oh ne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Der Motor 12 be sitzt einen Kolben 16, der eine Kolbenstirnseite 18 be sitzt. Die Struktur des Motors 12 besitzt auch einen Zy linder 20, der eine Achse 22 besitzt, einen Oberteil 24 und Seitenwände 26. Der Kolben 16 ist innerhalb des Zy linders 20 positioniert, wobei die Kolbenstirnseite 18 benachbart zum Zylinderoberteil 24 ist. Die Kolbenstirn seite 18, der Zylinderoberteil 24 und die Zylindersei tenwände 26 definieren eine Verbrennungszone 28. Eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 30 im Zylinderoberteil 24 Ist im allgemeinen koaxial mit dem Zylinder 20 und der Verbrennungszone 28 positioniert. Die Brennstoffein spritzvorrichtung 30 weist eine Einspritzvorrichtungs bzw. Einspritzdüse 32 auf, und zwar mit Löchern zum Brennstoffdurchlaß, so daß Brennstoff 34 in die Verbren nungszone 28 gesprüht wird. Die Einspritzvorrichtungsdüse bzw. Einspritzdüse kann eines oder mehrere Löcher zum Sprühen von Brennstoff in die Verbrennungszone besitzen. Eine solche Einrichtung ist in der Motorentechnik wohlbe kannt.

Das steuerbare Funkensystem 14 besitzt einen Step-up- bzw. Hochspannungsimpulstranformator 36, wie er in der Technik wohlbekannt ist, und zwar verbindbar mit dem Fun keneinleitungssystem 10 des Motors 12. Der Transformator 36 schaltet die Spannung von ungefähr 24 Volt auf eine Spannung im Bereich von ungefähr 20 bis ungefähr 60 Kilo volt (KV) hoch. Das Funkeneinleitungssystem 10 und der Transformator 36 dieser Erfindung sind derart konstru iert, daß sie eine Abfolge von elektrischen Impulsen mit einer gesamten Stoßdauer im Bereich von ungefähr 50 bis ungefähr 100 Mikrosekunden liefern. Wie in der Technik wohlbekannt ist, fordert das Hochschalten bzw. Hochtrans formieren der Spannung und das Steuern der Funkendauer im System dieser Erfindung keine Konstruktionsarbeit von solch ausgedehnter Dauer, um als erfinderisch angesehen zu werden.

Eine erste Elektrode 38 erstreckt sich durch den Zylin deroberteil 24 und erstreckt sich in die Verbrennungs zone 28 zur Kolbenstirnseite 18 hin. In diesem Ausfüh rungsbeispiel ist die Elektrode 38 derart gezeigt, daß sie sich durch das Zylinderoberteil erstreckt, jedoch kann die Elektrode sich durch andere Teile der Motor struktur erstrecken, ohne vom Umfang der Erfindung abzu weichen. Die erste Elektrode 38 ist elektrisch mit dem steuerbaren Funkensystem 14 verbunden. Die erste Elektro de 38 weist eine Mittelstange 40 auf, die mit dem steuer baren Funkensystem 14 verbindbar ist, einen Isolator 42, der die Mittelstange umschließt und eine Metallhülse 44 um den Isolator 42. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Isolator 42 aus einem Hochspannungs-Keramikmaterial mit hoher Dielektrizität bzw. Dielektrizitätskonstante bei hoher Spannung hergestellt, jedoch könnte irgendein ande res geeignetes Material verwendet werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Eine zweite Elektrode 46 ist mit dem Zylinderoberteil 24 an einer Stelle innerhalb der Verbrennungszone 28 und be nachbart zur ersten Elektrode 38 verbunden. Die zweite Elektrode 46 ist von der ersten Elektrode 38 an einer Stelle ungefähr 5 mm weg beabstandet, um einen langen Funken zu erzeugen. Die zweite Elektrode 46 erstreckt sich vom Zylinderoberteil 24 zur Kolbenstirnseite 18 hin. Die zweite Elektrode 46 ist in diesem Konzept ein ge trenntes Stück und ist schraubbar entfernbar mit dem Zy linderoberteil 24 verbunden. Die zweite Elektrode 46 könnte ein integrales Teil des Zylinderoberteils 24 sein, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie beispiels weise angeschweißt oder in dem Zylinderoberteil 24 ausge formt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Elektrode 46 derart gezeigt, daß sie mit dem Zylinderoberteil verbun den ist, jedoch kann die Elektrode mit der Motorstruktur irgendwo innerhalb der Verbrennungszone verbunden sein, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Mit Bezug auf Fig. 2 ist das Funkenzündsystem 10 in sche matischer Darstellung gezeigt. Das Funkenzündsystem 10 weist das steuerbare Funkensystem 14, die erste Elektrode 38 und die zweite Elektrode 46 auf. Das steuerbare Fun kensystem 14 weist eine Hochspannungs-Leistungsquelle, wie beispielsweise den Impuls-Hochspannungstransformator 36 auf, eine Diode 48, einen Spuleninduktor bzw. eine Spuleninduktivität 50 und einen Kondensator 52, der zwi schen den ersten und zweiten Elektroden 38, 46 ange schlossen bzw. verbunden ist. Der Isolator 42 und die Metallhülse 44 bilden eine Kondensatorstruktur, die unter gewissen Umständen verwendet werden könnte, um den Kon densator 52 zu ersetzen. Indem man die ordnungsgemäße geometrische Konfiguration mit geeigneten Parametern vor sieht (d. h. mit einem stark dielektrischen Isolator) könnten die erste Elektrode 38 und der Zylinderoberteil 24 derart konstruiert werden, daß sie zusammen einen Kon densator bilden.

Mit Bezug auf Fig. 3 ist die Brennstoffeinspritzvor richtung 30 derart positioniert, daß die Elektroden 38, 46 direkt innerhalb des Sprühstrahls des Brennstoffs 34 in die Verbrennungszone 28 liegen.

Mit Bezug auf Fig. 4 ist die Brennstoffeinspritzvorrich tung 30 derart positioniert, daß die Elektroden 38, 46 außerhalb des direkten Sprühstrahls des Brennstoffs 34 innerhalb der Verbrennungszone 28 sind. Das Loch in der Einspritzvorrichtungs- bzw. Einspritzdüse kann anders als oben beschrieben, positioniert sein, um eine optimale Leistung zu erreichen, ohne vom Umfang der Erfindung ab zuweichen.

Mit Bezug auf Fig. 5 sind die Energieentladungscharakte ristika zur Erzeugung eines Funkens 54 mit einer Dauer von ungefähr 50 bis 100 Mikrosekunden gezeigt. Der Funken 54 wird aus einer Serie von Aufladungen und Entladungen des Kondensators 52 gebildet, wie durch eine Aufladungs neigung 56 und eine Entladungsneigung 58 gezeigt. Die Spuleninduktivität 50 steuert die Menge des Ladestroms in den Kondensator 52. Der Kondensator lädt sich innerhalb einer Periode auf, die durch die Werte der Spulenindukti vität 50 und des Kondensators 52 definiert wird. Die Ab bruchspannung des Funkens wird automatisch durch den Ab stand zwischen den Elektroden 38, 46, den Druck innerhalb der Verbrennungszone 28 und die Zusammensetzung der Brennstoffmischung bestimmt.

Zum Zwecke der Abkürzung ist das vorliegende System mit Bezug auf eine einzige Verbrennungszone eines Motors be schrieben worden. Es sei bemerkt, daß das vorliegende Sy stem in mehreren Verbrennungszonen und mehreren Zylindern innerhalb des Motors verwendet werden kann, und daß eine solche mehrfache Anwendung bevorzugt wird.

Im Betrieb des Systems dieser Erfindung könnte irgendein Motor, der Glühkerzen verwendet, leicht modifiziert wer den, um ein Funkenzündsystem, wie von der vorliegenden Erfindung offenbart, zu verwenden. Das steuerbare Fun kensystem 14 erzeugt einen Funken von hoher Spannung, der von der ersten Elektrode 38 zur zweiten Elektrode 46 ge leitet wird. Die größere Spannung und der größere Spalt zwischen den Elektroden wirken dahingehend, daß sie wir kungsvoll sehr magere Mischungen von Brennstoffen für verringerte Emissionen und Brennstoffverbrauch zünden.

Im Hinblick auf das Vorangegangene ist es offensichtlich, daß die Struktur der vorliegenden Erfindung einen Motor und ein Funkensystem vorsieht, welches einen Funken mit höherer Leistung und kürzerer Dauer im Vergleich zu ge genwärtigen Zündsystemen erzeugen wird.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung kön nen aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Ein Funkenzündsystem eines Verbrennungsmotors besitzt ei ne erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die von einander beabstandet sind, und bei hohen Spannungen ar beiten, um einen Funken in einer Verbrennungszone des Mo tors zu erzeugen. Die Konstruktion des Systems gestattet die Bildung von Funken mit großer Länge, wobei eine Ab folge von elektrischen Impulsen eine abgekürzte Gesamt stoßdauer mit höherer Leistung besitzt, während sie we niger Energie verbraucht.

Claims

1. Funkenzündsystem einer Verbrennungsmotorstruktur mit einem steuerbaren Funkeneinleitungssystem, einem Step-up- bzw. Hochspannungstransformator, der mit dem steuerbaren Funkeneinleitungssystem verbindbar ist, mit einem Kolben mit einer Stirnseite und einem Zylinder mit einer Achse, einem Oberteil und Seiten wänden, wobei der Kolben innerhalb des Zylinders po sitioniert ist, wobei die Kolbenstirnseite benach bart zum Zylinderoberteil liegt, wobei die Kolben stirnseite, der Zylinderoberteil und die Zylinder seitenwände eine Verbrennungszone definieren, wobei das System folgendes aufweist:
eine erste Elektrode, die sich durch die Motorstruk tur in die Verbrennungszone erstreckt, wobei die er ste Elektrode mit dem Hochspannungstransformator verbunden ist; und
eine zweite Elektrode, die mit dem Zylinder an einer Stelle innerhalb der Verbrennungszone und benachbart zur ersten Elektrode verbunden ist.

2. System nach Anspruch 1, wobei die zweite Elektrode ein Funkenentladungssystem definiert, welches mit dem Verbrennungssystem assoziiert ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zylinde roberteil eine Brennstoffeinspritzdüse besitzt, die im allgemeinen koaxial mit dem Zylinder und der Ver brennungszone positioniert ist, und wobei die Elek troden quer zur Zylinderachse positioniert sind.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 3, wobei die Brennstoffein spritzdüse derart positioniert ist, daß die Elek troden im Brennstoffsprühstrahl sind.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 3, wobei die Brennstoffein spritzdüse derart positioniert ist, daß die Elek troden außerhalb des Brennstoffsprühstrahls sind.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 1, wobei das steuerbare Fun keneinleitungssystem geeignet ist, um eine Abfolge von elektrischen Impulsen mit einer gesamten Stoß dauer im Bereich von ungefähr 50 bis ungefähr 100 Mikrosekunden zu liefern.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 1, wobei die zweite Elektro de, die integral mit der Motorstruktur verbunden ist, integral mit dem Zylinderoberteil ist.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 1, wobei die zweite Elektro de, die mit der Motorstruktur verbunden ist, ent fernbar mit dem Zylinderoberteil verbunden ist.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 1, wobei die Elektroden sich nach innen vom Zylinderoberteil zur Kolbenstirnseite hin erstrecken.

10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode eine Mittelstange, einen Isolator, der die Mittel stange umschließt und eine Metallhülse um den Iso lator herum aufweist.

11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 10, wobei der Isolator aus einem Hochspannungs-Keramikmaterial mit hoher Die lektrizität bzw. Dielektrizitätskonstante gebildet ist.

12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 11, wobei die erste Elektro de und der Zylinderoberteil kombiniert sind, um ei nen Kondensator zu bilden.

13. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Elektroden in einem Abstand von ungefähr 5 mm positioniert sind.

14. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 1, wobei der Hochspannungs- Impulstransformator im Bereich von ungefähr 20 bis ungefähr 60 Kilovolt arbeitet.

15. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 1, wobei das steuerbare Fun keneinleitungssystem einen Kondensator aufweist.

16. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 15, wobei das steuerbare
Funkeneinleitungssystem weiter eine Spuleninduktivi tät aufweist, um die Ladungsstrommenge in den Kon densator zu steuern.

17. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 16, wobei der Kondensator sich innerhalb einer Periode auf lädt, die von den Werten der Spuleninduktivität und des Kondensators definiert wird.

18. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 17, wobei die Abbruchspan nung automatisch durch den Abstand zwischen den Elektroden, den Druck und die Zusammensetzung der Brennstoffmischung innerhalb der Verbrennungszone bestimmt wird.

19. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 1, wobei die Elektroden sich von den Zylinderseitenwänden in die Verbrennungszone erstrecken.