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Piezoelektrische Zündvorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine
piezoelektrische Zündvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit einer Brennkammer und
einem darin angeordneten Kolben; welcher eine piezoelektrische Einheit steuert.
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Bei einer bekannten piezoelektrischen Zündvorrichtung ist in der Zylinderwand
der Brennkraftmaschine ein Stößel mit einer Führungsrolle vorgesehen, die in einer
Steuernut des Kolbens läuft und die Kolbenbewegung auf die piezoelektrische Einheit
überträgt. Diese Ausführung erfordert eine. besondere Konstruktion des Zylinderkopfes
und auch einen speziell auf diese Ausführung abgestimmten Kolben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine piezoelektrische
Zündvorrichtung zu schaffen, die leicht gegen eine normale Zündkerze einer Brennkraftmaschine
austauschbar ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Zündvorrichtung
ein einheitliches in den Zylinderkopf der Maschine einsetzbares Gehäuse mit Zündelektroden
und einer piezoelektrischen Einheit umfaßt, das an Stelle der üblichen Zündkerze
derart einsetzbar ist, daß die piezoelektrische Einheit einem mechanischen Druck
direkt vom Kolben unterworfen ist.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise
veranschaulicht, und zwar zeigt F i g. 1 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine
mit einer Zündvorrichtung nach der Erfindung, im Schnitt, F i g. 2 eine vergrößerte
Schnittansicht einer Ausführungsform der Erfindung, F i g. 3 eine Ansicht einer
anderen Ausführungsform der Erfindung, ähnlich der nach F i g. 2, F i g. 4 eine
weitere Ausführungsform der Erfindung, ähnlich der nach F i g. 2 und 3 und F i g.
5 ein Diagramm, das einen Stromkreis der vorliegenden Zündvorrichtung beispielsweise
veranschaulicht.
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In F i g. 1 ist eine Brennkraftmaschine dargestellt, die einen Zylinder
1, einen Kolben 4, eine Pleuelstange 3 und eine Maschinenwelle 2 mit einer gemäß
der Erfindung ausgebildeten Zündvorrichtung 5 aufweist, die auf dem Zylinderkopf
der Maschine befestigt ist.
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Die Zündvorrichtung 5 wird im einzelnen mit Bezug auf die F i g. 2,
3 und 4 beschrieben.
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Nach F i g. 2 weist die Zündvorrichtung 5 ein Gehäuse 5 a auf,
das einen Gewindeteil 16 enthält und in den Zylinderkopf 1 auf gleiche Weise wie
herkömmliche Zündkerzen eingeschraubt ist. Das Gehäuse 5 a umschließt eine
piezoelektrische Einheit, die ein Paar übereinander angeordnete, hohlzylindrische,
piezoelektrische Elemente 6 und 7 enthält, zwischen denen ein elektrisch leitender
Ring 8
eingesetzt ist. Die piezoelektrischen Elemente 6 und 7 bestehen aus
einem keramischen oder einem anderen piezoelektrischen Material und sind zur elektrischen
Isolierung und Stoßabdämpfung mit Gummi überzogen, wie bei 21 angedeutet. Selbstverständlich
kann die piezoelektrische Einheit auch nur ein einziges piezoelektrisches Element
6 oder 7 enthalten. In diesem Fall fällt der elektrisch leitende Ring 8 fort.
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Ein Paar Funkenelektroden 9 und 10 ist einander gegenüberliegend angeordnet,
von denen die eine Funkenelektrode 9 axial in bezug zur piezoelektrischen Einheit
6, 7 und die andere Funkenelektrode 10 unterhalb des unteren piezoelektrischen Elementes
7 angeordnet ist. Wie veranschaulicht, ist ein Pufferelement in Form einer Spiralfeder
11 an der Unterseite der Funkenelektrode 10 bzw. an der Seite, die dem Inneren des
Zylinders 1 zugewandt ist, befestigt und trägt am unteren Ende eine Scheibe 12 aus
federndem Gummi. Selbstverständlich kann das Pufferelement, z. B. die Spiralfeder
11, fortgelassen werden, wie in der Ausführungsform nach F i g. 4 veranschaulicht.
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Oberhalb der piezoelektrischen Einheit 6, 7 ist eine Scheibe 13 aus
federndem Gummi angeordnet, die eine feste Scheibe 14, z. B. aus Metall,
überlagert. Eine Einstellschraube 15 ist in die obere Wand des Gehäuses 5 a eingeschraubt
und liegt am unteren Ende an der festen Scheibe 14 an. Der Zweck dieser
Schraube
15 ist es, den inneren Aufbau einschließlich der piezoelektrischen Einheit vertikal
zu justieren, so daß ein ausreichender mechanischer Druck auf die federnde Scheibe
12 ausgeübt wird, wenn diese vom oberen Ende des im Zylinder arbeitenden Kolbens
4 beaufschlagt wird. Selbstverständlich kann die Stellschraube in einer bestimmten
Lage festgelegt werden.
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Bei Betätigung der an der Maschine angebrachten Zündvorrichtung wird
die federnde Scheibe 12 vom oberen Kolbenende bei Beendigung des Kompressionshubes
druckbeaufschlagt. Der Druck wird auf die piezoelektrische Einheit 6, 7 übertragen,
während er von den federnden Scheiben 12 und 13, der Feder 11 und der federnden
Hülle 21 abgefangen wird, und die piezoelektrischen Elemente 6 und 7 werden dadurch
dem gewünschten mechanischen Druck ausgesetzt.
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Es ist durch Versuche festgestellt worden, daß die Leistung der piezoelektrischen
Einheit 6, 7 etwa 18 Ws bei einer Spannung von etwa 2000 bis 3000 V beträgt, wenn
die Einheit einem mechanischen Druck von etwa 490 kg/cm2 unterworfen wird. Wie veranschaulicht,
ist der eine Pol der piezoelektrischen Einheit über den elektrisch leitenden Ring
8 und ferner über das Gehäuse 5 a mit der einen Funkenelektrode
10 verbunden, während der andere Pol der Einheit mit der anderen Funkenelektrode
9 verbunden ist. Dementsprechend bewirkt der Ausgang der piezoelektrischen Einheit
6, 7 die Erzeugung eines Funkens zwischen den Elektroden 9 und
10.
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Wie oben beschrieben, besteht die vorliegende Zündvorrichtung aus
einem in sich geschlossenen Zündsystem einschließlich Generator und Mitteln zur
Funkenbildung in einem einheitlichen Aufbau, der lösbar an der Maschine angebracht
werden kann. Ferner ist festzustellen, daß die piezoelektrischen Elemente 6, 7 und
ihre Hülle 21 auch gemeinsam zur Isolierung zwischen den beiden Funkenelektroden
9 und 10 dienen.
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Eine andere, in F i g. 3 dargestellte Ausführungsform der Erfindung
ist im wesentlichen ähnlich derjenigen nach F i g. 2 ausgebildet, mit Ausnahme,
daß die Spiralfeder 11 am oberen Ende der piezoelektrischen Einheit angeordnet ist,
aber nicht unterhalb letzterer, wie in F i g. 2 dargestellt, und daß ein Umschalter
17 zwischen der piezoelektrischen Einheit 6, 7 und der festen Scheibe 14 vorgesehen
ist. Ferner ist eine ringförmige Isolierung 22 zwischen den Funkenelektroden 9 und
10 vorgesehen.
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Die obere Anordnung der Spiralfeder 11 dient dem Zweck, die
Abnutzung des Federungsvermögens der Spiralfeder zu verhindern, indem diese soweit
als möglich gegenüber der Verbrennungshitze im Zylinder isoliert wird. Diese Anordnung
der Spiralfeder 11 ermöglicht auch eine Betätigung des Umschalters 17, um den Funkenkreis
durch Verwendung der Vertikalbewegung der gesamten piezoelektrischen Einheit, der
diese Einheit unterworfen ist, zu ändern.
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Im Betrieb dieser Ausführungsform stößt der Kolben 4 der Maschine
gegen die unterhalb der piezoelektrischen Einheit angeordnete federnde Scheibe 12,
um Piezoelektrizität zu erzeugen, wie im ersten Ausführungsbeispiel in F i g. 2
dargestellt. In der in F i g. 3 veranschaulichten Ausführungsform ist jedoch der
Umschalter 17 vorgesehen, um eine separate Zündkerze herkömmlicher Art gleichzeitig
mit der den Schalter 17 enthaltenden Zündvorrichtung zu zünden, unter Anwendung
der Tatsache, daß die piezoelektrische Einheit in charakteristischer Weise zweimal
Piezoelektrizität in jedem Arbeitszyklus erzeugt, d. h. wenn die Einheit zusammengedrückt
und wenn sie wieder freigegeben wird.
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Bei der Ausführung gemäß F i g. 4 ist zwischen den piezoelektrischen
Elementen 6 und 7 der Ring 8 fortgelassen worden, so daß die Elemente direkt in
Reihe geschaltet sind, wodurch eine Verdoppelung des Spannungswertes entsteht. Durch
den Ring 8 sind die piezoelektrischen Elemente in den anderen gezeigten Ausführungsformen
parallel geschaltet. Um die von der federnden Hülle 21 umgebenen Elemente
6 und 7
in dem Gehäuse 5 a zu führen, ist in der Ausführung
gemäß F i g. 4 zusätzlich eine Führungshülse vorgesehen, die sich auf der Elektrode
10 abstützt, die wiederum von einem zusätzlichen, über sie übergreifenden
Halteelement getragen wird.
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Im Schaltplan in F i g. 5 wird eingehender beschrieben, daß der Ausgang
der piezoelektrischen Einheit 6, 7 nicht nur eine Funkenbildung zwischen den Elektroden
9 und 10 bewirkt, sondern auch einen mit den Funkenelektroden 9 und 10 parallelgeschalteten
Kondensator 18 auflädt. Selbstverständlich ist der Kondensator in den Stromkreis
einer separaten Zündkerze oder einer Zündvorrichtung mit einem Paar Elektroden 9'
und 10' geschaltet, und der Umschalter 17 wird in Verbindung mit der Druck- und
Lösebewegung der piezoelektrischen Einheit betätigt, um wechselweise Funken zwischen
den Elektroden 9,10 und zwischen den Elektroden 9' und 10' zu erzeugen.
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In F i g. 5 ist außerdem ein, anderer, der Einfachheit halber in zwei
getrennten Einheiten dargestellter Umschalter 20 vorgesehen, um die Zündkerzen
oder Zündvorrichtungen 9, 10 und 9', 10' durch Verwendung einer zusätzlichen
Spannungsquelle 19 zu zünden.
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Obwohl in den dargestellten und hier beschriebenen Ausführungsbeispielen
die Zündvorrichtung am Zylinderkopf der Maschine befestigt ist, kann sie selbstverständlich
an jeder anderen Stelle, beispielsweise am Kolben, angeordnet werden. In diesem
Fall kann die Zündvorrichtung verkehrt am oberen Ende des Kolbens befestigt oder
im Kolben angeordnet werden, um mit der Bewegung der Pleuelstange zusammenzuarbeiten.
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Zusammenfassend ist festzustellen, daß die vorliegende Zündvorrichtung
folgende bemerkenswerte Vorteile aufweist.
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1. Viele in den herkömmlichen Zündsystemen zur Zündung und deren Steuerung
erforderliche Bestandteile, wie Zündmagnet, Verteiler, Zündspule, Kondensator und
Unterbrecher, sind fortgefallen.
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2. Man erhält eine zuverlässige Zündbetätigung, und die Zündregelung
ist genauer als in den bekannten Systemen. Der Grund hierfür ist der, daß der Arbeitsvorgang
direkt mit der Vertikalbewegung des Kolbens zusammenwirkt. Außerdem wird die Verwendung
einer Steuerungsvorrichtung und eines Zündzeitpunktschalters entbehrlich, wodurch
der gesamte Mechanismus einfach, störungsfrei und billig ist.
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3. Leichte Auswechselbarkeit vereinfacht die Wartung und Reparatur.
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4. Vorteilhaft ist ferner, daß die Vorrichtung bei jeder vorhandenen
Maschine verwendet werden kann, sobald sie dem Zylinderkopf angepaßt worden ist.
Sie
zündet fehlerfrei, da die erzielte elektromotorische Kraft konstant ist und nur
von der Verlagerung des oder der piezoelektrischen Elemente abhängt, auch wenn die
Rotation der Maschine, wie etwa zu Beginn, gering ist.
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Falls ein Umschalter verwendet wird, ist dieser im Zusammenwirken
mit der stoßdämpfenden Feder betätigbar und macht so den Aufbau einfach und zuverlässig.
Ferner ist in diesem Fall festzustellen, daß die Hälfte der in einer Maschine verwendeten
Zündvorrichtungen die herkömmliche Form aufweisen kann.
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Die als elektrischer Generator wirkende piezoelektrische Einheit dient
als Isolierung zwischen den Funkenelektroden. Dies macht die gesamte Vorrichtung
gedrungen, leicht im Gewicht, begrenzt in der Anzahl der Teile und billig.