DE69412939T2

DE69412939T2 - Zusammenbau eines Plasmastrahl-Zünders und einer Direkteinspritzdüse

Info

Publication number: DE69412939T2
Application number: DE69412939T
Authority: DE
Inventors: Russell J. Newport News Virginia 23602 Wakeman
Original assignee: Siemens Automotive Corp; Siemens Automotive LP
Current assignee: Siemens Automotive Corp; Siemens Automotive LP
Priority date: 1993-07-12
Filing date: 1994-06-21
Publication date: 1999-01-14
Anticipated expiration: 2014-06-22
Also published as: EP0635636B1; EP0635636A1; DE69412939D1; JPH07174059A; US5377633A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Direkteinspritzung von Kraftstoff in eine Brennkammer eines Motors und die Zündung des eingespritzten Kraftstoffes durch einen Zünder. Eine Hochdruck-Kraftstoffeinspritzanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der GB-A-2 057 054 bekannt.

HTNTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Direkteinspritzung bei Otto-Motoren hat große Vorteile hinsichtlich des Betriebsverhaltens sowohl für Zweitakt- wie auch Viertakt-Motoren, insbesondere einen verringerten Kraftstoffverbrauch, weniger Abgasemissionen, ein verbessertes Verhalten bei instationären Zuständen und eine erhöhte Leistung. Die Verwendung der Direkteinspritzung bei einem vorgegebenen Motor kann jedoch auf ein oder mehrere Problem(e) stoßen.
Beispielsweise kann der vorhandene Raum in einem Zylinderkopf sehr beschränkt sein, und so unterliegt möglicherweise die Anordnung der Einspritzvorrichtung einem Kompromiß, unter Umständen auf Kosten des Verbrennungsvorgangs.
Ein weiteres Beispiel ist die Zündung des bei einer Direkteinspritzung erzeugten Kraftstoffnebels. Insbesondere wenn die Einspritzvorrichtung zum Erzeugen einer Schichtladung in der Mitte des Zylinders verwendet wird, kann die Zündung durch eine Zündkerze entweder in den Zylinderraum ragende zerbrechliche Elektroden erfordern oder aber zu einem Kompromiß hinsichtlich der Zündstelle führen, indem eine eher herkömmliche Zündkerze auf der Seite eingesetzt wird. Magerere Luft/Kraftstoffgemische zünden mit herkömmlichen elektrischen Zündmechanismen nicht zuverlässig genug. Außerdem ist eine wirksame Verbrennung des Luft/Kraftstoffgemisches häufig problematisch. Wenn der Zünder neben einer relativ kühlen Brennkammerwand angeordnet ist, wie dies bei herkömmlichen Zündkerzen der Fall ist, kann die Wärmeabgabe an die Wand zu einem Erlöschen der Flamme, einer unvollständigen Verbrennung, einem erhöhten Kraftstoffverbrauch und zu vermehrten Kohlenwasserstoff-Emissionen führen.
Um magerere Gemische besser zu zünden, ist eine sehr viel heißere elektrische Energiequelle erforderlich. Außerdem muß bei bestimmten Motoren, wie z. B. Zweitaktmotoren, die Kraftstoffladung sehr rasch gezündet werden.
Ein Mittel zum Erzeugen einer heißeren Zündung ist ein neuer Typ eines Zünders, der als miniaturisierter Plasmastrahlzünder bezeichnet wird. Dieser Zünder kann einen Hochgeschwindigkeitsstrahl erzeugen, der sowohl von elektromagnetischen wie auch thermischen Kräften getrieben wird. Das U. S. Patent 5,076,223 beschreibt einen Plasmastrahlzünder, der eine Plasmaeinspritzvorrichtung verwendet. Der Plasmastrahlzünder des '223 Patentes arbeitet nach dem elektromagnetischen Prinzip, bei dem die elektromagnetischen Beschleunigungskräfte bewirken, daß das Plasma durch die Zünderbohrung strömt und am Auslaßende Überschallgeschwindigkeiten erreicht. Selbst wenn jedoch eine herkömmliche Zündkerze durch einen Plasmastrahlzünder ersetzt würde, wäre immer noch eine getrennte Kraftstoffeinspritzvorrichtung erforderlich, und das Platz- und Zündproblem wäre immer noch vorhanden.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer neuartigen Zuordnung eines Plasmastrahlzünders zu einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung. Der Plasmastrahlzünder erzeugt zwischen zwei langen schlanken Elektroden einen Hochgeschwindigkeits-Plasmastrahl, der in die Brennkammer hinein beschleunigt wird von einer Kombination aus thermischen und elektromagnetischen Kräften auf dem gleichen Weg, auf dem der Kraftstoff gezündet wird, da der gezündete Kraftstoff durch die Bohrung des Plasmastrahlzünders strömt. Der Zündvorgang wird relativ zu dem Einspritzvorgang zeitlich gesteuert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung paßt ein Plasmastrahlzünder auf die Düse einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung. Eine Verbindung einer Zünderelektrode mit der Erde wird über das Zündergehäuse und den Motorzylinderkopf erreicht, und eine Verbindung der anderen Zünderelektrode mit der Zündelektronik wird über eine isolierte Quellenklemme erreicht.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Hochdruck-Kraftstoffeinspritzanordnung zum Einspritzen eines Hochenergie-Plasmastrahls in eine Brennkammer, mit einer Hochdruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer Düse zum Einspritzen von Kraftstoff, dadurch gekennzeichnet, daß eine Plasmastrahl-Zünderanordnung an der Düse angeordnet ist, um auf den Kraftstoff einzuwirken, wenn der Kraftstoff von der Düse eingespritzt wird, die Plasmastrahl-Zünderanordnung eine Bohrung auf weist, durch die von der Düse eingespritzter Kraftstoff nach Verlassen der Düse strömt, die Bohrung Isoliermittel aufweist, die entsprechende längliche Elektroden auf diametral gegenüberliegenden Abschnitten der Bohrung elektrisch isoliert zueinander abstützen, die Elektroden so angeordnet sind, daß ein Luftspalt zwischen ihnen vorhanden ist, der Luftspalt deutlich schmaler an einer ersten Stelle und deutlich breiter an einer zweiten Stelle an einem Ende der Anordnung ist, so daß bei Anlegen eines entsprechenden elektrischen Potentials an die Elektroden die Bogenbildung zuerst an der ersten Stelle zwischen den Elektroden erfolgt, um den von der Düse in die Plasmastrahl-Zünderanordnung eingespritzten Kraftstoff zu zünden.

KÜRZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine Anordnung aus Hochdruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtung und Plasmastrahlzünder gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei der Plasmastrahlzünder im Querschnitt dargestellt ist.
Fig. 2 ist eine der Fig. 1 entsprechende Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFUHRUNGSBEISPIELS

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäß ausgebildete Anordnung 10 aus einer Hochdruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtung 12 und einem Plasmastrahlzünder 14. Der Plasmastrahlzünder 14 ist über einer Düse 16 an einem Ende der Einspritzvorrichtung 12 angeordnet, um auf den von der Düse eingespritzten Kraftstoff einzuwirken. Der Plasmastrahlzünder 14 ist im wesentlichen ein Rohr, das zwei beabstandete Elektroden aufweist, und zwar eine geerdete Elektrode 18 und eine Quellenelektrode 20, die am Innendurchmesser der Rohrbohrung diametral gegenüberliegend zueinander angeordnet sind. Die Kraftstoffabgabe aus der Einspritzvorrichtung 12 erfolgt durch das Rohr zwischen den langen schlanken Elektroden 18 und 20.
Die Erdung der Elektrode 18 erfolgt durch ein Stahlgehäuse 22 des Plasmastrahlzünders, das in eine Gewindebohrung in einem Motorzylinderkopf (nicht gezeigt) eingeschraubt ist. Die Verbindung der Elektrode 20 mit einer Zündschaltung (nicht gezeigt) erfolgt in Fig. 1 durch eine Klemme 25, von der der größte Teil in einer Isolierung 26 des Plasmastrahlzünders in Form eines inneren Isolators 28 und eines äußeren Isolators 30 eingebettet ist.
Die Elektroden 18, 20 und die Isolierung 26 bilden eine Isolator-Elektroden- Anordnung 32 mit einem zwischen den Elektroden vorgesehenen Luftspalt 34. Der Spalt ist schmaler an der Stelle 36, an der zuerst ein Bogen gebildet wird, wenn die Zündschaltung eine entsprechende Spannung abgibt, und ein breiterer Luftspalt an der Stelle 38 führt zu dem Einlaß des Zylinders an einem Ende 40 der Anordnung 32.
Die Einspritzvorrichtung 12 ist so angeordnet, daß der eingespritzte Kraftstoff zwischen die Elektroden 18 und 20 gelenkt wird. Er strömt zuerst durch einen erweiterten zylindrischen Raum 42, der von einem Innendurchmesser 44 der Isolierung 26 gebildet wird, und strömt weiter über die Länge der Elektroden 18 und 20, um an dem Ende 40 auszutreten. Der Plasmastrahlzünder wirkt somit auf den Kraftstoff ein, während der Kraftstoff von der Düse 16 eingespritzt wird.
Das Gehäuse 22 ist am Ende mit einem herkömmlichen Zündkerzengewinde 46, einer Abdichtung und einem Sechskant 48 zu Montagezwecken versehen. Das Gehäuse ist elektrisch geerdet, indem es in den Zylinderkopf eingeschraubt ist, wie bei einer herkömmlichen Zündkerze.
Die geerdete Elektrode 18 ist mit dem Zündergehäuse 22 durch eine Lasche 50 verbunden, die sich an der Isolierung 26 vorbei erstreckt, um mit dem Zündergehäuse 22 Kontakt zu machen.
In Fig. 2 erfolgt der Kontakt der Elektrode 20 mit der Quelle durch eine isolierte Klemme, die sich durch das Gehäuse 24 der Einspritzvorrichtung 12 erstreckt. Die Quellenelektrode 20 in Fig. 2 besitzt einen vorstehenden Abschnitt 54, der ein Ende einer Klemme an einer Stelle 56 berührt. Die Verbindung über eine isolierte Klemme, die sich durch die Kraftstoffeinspritzvorrichtung erstreckt, ermöglicht eine elektrische Verbindung mit der Zündschaltung an dem der Düse 16 entgegengesetzten Ende der Einspritzvorrichtung 12. In Fig. 1 hat die Klemme 25 eine äußere Lamelle 52, die mit der Zündschaltung verbunden werden kann.
In der Praxis wird die Anordnung 10 so gesteuert, daß der Plasmastrahl und der von der Hochdruck-Einspritzvorrichtung erzeugte Kraftstoffnebel dicht beieinander sind. Die Zeitsteuerung wird bestimmt durch die Relativgeschwindigkeiten des Plasmastrahls und des Kraftstoffnebels, so daß der Plasmastrahl das maximale Kraftstoffvolumen im Nebel für die Strahloberfläche freisetzt. Dies stellt den maximalen Bereich in einer Flammenfront sicher, welche aus der Mitte des Kraftstoffnebels in allen Richtungen zur Außenfläche der Schichtladung hin expandiert. Die Brennrate und die Verbrennungsstabilität werden maximiert, wobei von dem Kraftstoff in der Kammer optimal Gebrauch gemacht wird.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere bei Zweitaktmotoren verwendbar, bei denen es wünschenswert ist, eine Kraftstoffladung sehr rasch zu erzeugen. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Plasmastrahlzünder um die Düse herum angeordnet, so daß die Zündung beginnen kann, sobald Kraftstoff aus der Düse eingespritzt wird.
Obgleich vorbekannte Plasmastrahlzünder eine Ausbreitung von Plasma bewirken, kommt es zunächst zu keiner Vermischung des Kraftstoffes mit dem Plasma, wie dies bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist. Im Stand der Technik wird die Kraftstoffladung an anderer Stelle erzeugt, wogegen bei der vorliegenden Erfindung der Kraftstoff in den vom Innendurchmesser 44 der keramischen Isolierung 30 gebildeten zylindrischen Luftraum 42 eingeführt wird, wenn der Kraftstoff aus der Düse eingespritzt wird.

Claims

1. Hochdruck-Kraftstoffeinspritzanordnung (10) zum Einspritzen eines Hochenergie-Plasmastrahls in eine Brennkammer, mit:

einer Hochdruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtung (12) mit einer Düse (16) zum Einspritzen von Kraftstoff,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine Plasmastrahl-Zünderanordnung (14) an der Düse (16) angeordnet ist, um auf den Kraftstoff einzuwirken, wenn der Kraftstoff von der Düse (16) eingespritzt wird, die Plasmastrahl-Zünderanordnung (14) eine Bohrung auf weist, durch die von der Düse (16) eingespritzter Kraftstoff nach Verlassen der Düse (16) strömt, die Bohrung Isoliermittel (28, 30) aufweist, die entsprechende längliche Elektroden (18, 20) auf diametral gegenüberliegenden Abschnitten der Bohrung elektrisch isoliert zueinander abstützen, die Elektroden (18, 20) so angeordnet sind, daß ein Luftspalt (34) zwischen ihnen vorhanden ist, der Luftspalt deutlich schmaler an einer ersten Stelle (36) und deutlich breiter an einer zweiten Stelle (38) an einem Ende (40) der Anordnung (14) ist, so daß bei Anlegen eines entsprechenden elektrischen Potentials an die Elektroden (18, 20) die Bogenbildung zuerst an der ersten Stelle (36) zwischen den Elektroden (18, 20) erfolgt, um den von der Düse (16) in die Plasmastrahl-Zünderanordnung (14) eingespritzten Kraftstoff zu zünden.

2. Hochdruck-Kraftstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 1, bei der die Elektroden (18, 20) aus zwei einander unmittelbar diametral gegenüberliegenden Elektroden bestehen.

3. Hochdruck-Kraftstoffeinspritzanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der eingespritzte Kraftstoff in einen von einem Innendurchmesser (44) der Isoliermittel gebildeten zylindrischen Raum (42) der Bohrung eintritt, unmittelbar nachdem er von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung (12) eingespritzt wurde und ehe er die erste Stelle (36) erreicht.