DE1275329B

DE1275329B - Piezoelectric ignition device

Info

Publication number: DE1275329B
Application number: DEN22645A
Authority: DE
Inventors: Yoshiro Nakamatsu
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1962-01-22
Filing date: 1963-01-22
Publication date: 1968-08-14

Description

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.Piezoelectric Ignition Device The invention relates to a piezoelectric ignition device for internal combustion engines with a combustion chamber and a piston disposed therein; which controls a piezoelectric unit.

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.In a known piezoelectric ignition device is in the cylinder wall the internal combustion engine is provided with a tappet with a guide roller in a The control groove of the piston runs and the piston moves on the piezoelectric unit transmits. This execution requires a. special construction of the cylinder head and also a piston specially designed for this version.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine piezoelektrische Zündvorrichtung zu schaffen, die leicht gegen eine normale Zündkerze einer Brennkraftmaschine austauschbar ist.The object of the present invention is to provide a piezoelectric To create an ignition device that easily opposes a normal spark plug of an internal combustion engine is interchangeable.

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.According to the invention this object is achieved in that the ignition device a uniform housing with ignition electrodes that can be inserted into the cylinder head of the machine and a piezoelectric unit that replaces the conventional spark plug can be used in such a way that the piezoelectric unit is subject to mechanical pressure is subjected directly from the piston.

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.Further details, advantages and features of the invention result from the following description. In the drawing the invention is for example illustrated, namely, FIG. 1 is a schematic view of an internal combustion engine with an ignition device according to the invention, in section, FIG. 2 an enlarged Sectional view of an embodiment of the invention, FIG. 3 is a view of a Another embodiment of the invention, similar to that of FIG. 2, fig. 4 one Another embodiment of the invention, similar to that of FIG. 2 and 3 and F i g. 5 is a diagram showing a circuit of the present ignition device, for example illustrated.

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.In Fig. 1 shows an internal combustion engine that has a cylinder 1, a piston 4, a connecting rod 3 and a machine shaft 2 with a according to of the invention has formed ignition device 5, which on the cylinder head attached to the machine.

Die Zündvorrichtung 5 wird im einzelnen mit Bezug auf die F i g. 2, 3 und 4 beschrieben.The ignition device 5 is described in detail with reference to FIGS. 2, 3 and 4.

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.According to FIG. 2 5, the igniter has a housing 5a, which contains a threaded portion 16 and is screwed into the cylinder head 1 in the same manner as conventional spark plugs. The housing 5 a encloses a piezoelectric unit which contains a pair of hollow cylindrical piezoelectric elements 6 and 7 arranged one above the other, between which an electrically conductive ring 8 is inserted. The piezoelectric elements 6 and 7 consist of a ceramic or another piezoelectric material and are covered with rubber for electrical insulation and shock absorption, as indicated at 21. Of course, the piezoelectric unit can also contain only a single piezoelectric element 6 or 7. In this case, the electrically conductive ring 8 is omitted.

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.A pair of spark electrodes 9 and 10 are arranged opposite each other, one of which is a spark electrode 9 axially with respect to the piezoelectric unit 6, 7 and the other spark electrode 10 below the lower piezoelectric element 7 is arranged. As illustrated, a buffer element is in the form of a coil spring 11 on the underside of the spark electrode 10 or on the side facing the interior of the Cylinder 1 is facing, fastened and carries a disk 12 from the lower end elastic rubber. Of course, the buffer element, for. B. the spiral spring 11, can be omitted, as in the embodiment according to FIG. 4 illustrates.

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.Above the piezoelectric unit 6, 7 a disk 13 made of resilient rubber is arranged, which a fixed disk 14, z. B. made of metal, superimposed. An adjusting screw 15 is screwed into the upper wall of the housing 5 a and rests against the fixed disk 14 at the lower end. The purpose of this screw 15 is to adjust the internal structure including the piezoelectric unit vertically, so that sufficient mechanical pressure is exerted on the resilient disk 12 when it is acted upon by the upper end of the piston 4 working in the cylinder. Of course, the set screw can be set in a certain position.

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.When the ignition device attached to the machine is actuated the resilient disc 12 from the upper end of the piston at the end of the compression stroke pressurized. The pressure is transmitted to the piezoelectric unit 6, 7, while he is of the resilient washers 12 and 13, the spring 11 and the resilient Sheath 21 is intercepted, and the piezoelectric elements 6 and 7 are thereby exposed to the desired mechanical pressure.

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. It has been found through experiments that the power of the piezoelectric unit 6, 7 is about 18 Ws at a voltage of about 2000 to 3000 V when the unit is subjected to a mechanical pressure of about 490 kg / cm 2. As illustrated, one pole of the piezoelectric unit is connected to the one spark electrode 10 via the electrically conductive ring 8 and furthermore via the housing 5 a , while the other pole of the unit is connected to the other spark electrode 9. Accordingly, the output of the piezoelectric unit 6, 7 causes a spark to be generated between the electrodes 9 and 10.

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.As described above, the present ignition device is composed of a self-contained ignition system including generator and means for Sparking in a uniform structure that is detachably attached to the machine can be. It should also be noted that the piezoelectric elements 6, 7 and their sheath 21 also jointly for insulation between the two spark electrodes 9 and 10 serve.

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.Another, shown in FIG. The embodiment of the invention shown in FIG. 3 is essentially similar to that of FIG. 2, with the exception that the spiral spring 11 is arranged at the upper end of the piezoelectric unit, but not below the latter, as in FIG. 2, and that a changeover switch 17 is provided between the piezoelectric unit 6, 7 and the fixed disk 14. Furthermore, an annular insulation 22 is provided between the spark electrodes 9 and 10 .

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.The upper arrangement of the spiral spring 11 serves the purpose of preventing the wear and tear of the resilience of the spiral spring by isolating it as far as possible from the heat of combustion in the cylinder. This arrangement of the coil spring 11 also enables the changeover switch 17 to be operated to change the spark circle by utilizing the vertical movement of the entire piezoelectric unit to which that unit is subjected.

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.In the operation of this embodiment, the piston 4 of the machine strikes against the resilient disk 12 arranged below the piezoelectric unit, to generate piezoelectricity, as in the first embodiment in FIG. 2 shown. In the in F i g. 3 is however the embodiment illustrated Changeover switch 17 provided to operate a separate spark plug of conventional type simultaneously to ignite with the ignition device containing the switch 17, using the fact that the piezoelectric unit characteristically twice Piezoelectricity generated in each duty cycle, d. H. when the unit is compressed and when it is released again.

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.In the execution according to FIG. 4, the ring 8 has been omitted between the piezoelectric elements 6 and 7, so that the elements are connected directly in series, whereby the voltage value is doubled. In the other embodiments shown, the piezoelectric elements are connected in parallel by the ring 8. In order to guide the elements 6 and 7 surrounded by the resilient sheath 21 in the housing 5 a , in the embodiment according to FIG. 4, a guide sleeve is additionally provided, which is supported on the electrode 10 , which in turn is carried by an additional holding element that extends over it.

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.In the circuit diagram in FIG. 5 it is described in more detail that the output of the piezoelectric unit 6, 7 not only causes spark formation between the electrodes 9 and 10 , but also charges a capacitor 18 connected in parallel with the spark electrodes 9 and 10. Of course, the capacitor is connected to the circuit of a separate spark plug or an ignition device with a pair of electrodes 9 'and 10', and the changeover switch 17 is actuated in connection with the pressure and release movement of the piezoelectric unit in order to alternately generate sparks between the electrodes 9, 10 and between the electrodes 9 'and 10'.

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.In Fig. 5, another changeover switch 20 , shown in two separate units for the sake of simplicity, is also provided in order to ignite the spark plugs or ignition devices 9, 10 and 9 ′, 10 ′ by using an additional voltage source 19.

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.Although in the illustrated and described embodiments the ignition device is attached to the cylinder head of the machine, it can of course be arranged at any other point, for example on the piston. In this Case, the igniter may be attached to the top of the piston or upside down placed in the piston to cooperate with the movement of the connecting rod.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß die vorliegende Zündvorrichtung folgende bemerkenswerte Vorteile aufweist.In summary, it should be noted that the present ignition device has the following notable advantages.

1. Viele in den herkömmlichen Zündsystemen zur Zündung und deren Steuerung erforderliche Bestandteile, wie Zündmagnet, Verteiler, Zündspule, Kondensator und Unterbrecher, sind fortgefallen.1. Many in the conventional ignition systems for ignition and its control necessary components, such as magneto, distributor, ignition coil, capacitor and Breakers have dropped out.

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.2. Reliable ignition actuation and ignition control are obtained is more accurate than in the known systems. The reason for this is that the working process interacts directly with the vertical movement of the piston. It will also use a control device and an ignition timing switch are dispensable, whereby the whole mechanism is simple, trouble-free and cheap.

3. Leichte Auswechselbarkeit vereinfacht die Wartung und Reparatur.3. Easy interchangeability simplifies maintenance and repair.

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.4. It is also advantageous that the device in each existing Machine can be used once it has been adapted to the cylinder head. she ignites error-free, since the electromotive force achieved is constant and only depends on the displacement of the piezoelectric element or elements, even if the Rotation of the machine, such as at the beginning, is low.

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.If a toggle switch is used, this is in interaction can be actuated with the shock-absorbing spring, making assembly easy and reliable. Also in this case it can be seen that half of those used in one machine Ignition devices which can be of conventional form.

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.The piezoelectric unit, which acts as an electrical generator, is used as insulation between the spark electrodes. This makes the whole device compact, light in weight, limited in number of parts and cheap.

Claims

Claim: Piezoelectric ignition device for internal combustion engines with a combustion chamber and a piston arranged therein which controls a piezoelectric unit, characterized in that the ignition device has a unitary housing which can be inserted into the cylinder head of the machine and has ignition electrodes (9, 10) and a piezoelectric unit (6 , 7) , which can be used in place of the conventional spark plug in such a way that the piezoelectric unit (6, 7) is subjected to mechanical pressure directly from the piston (4). References considered: U.S. Patent Nos. 2,717,589, 2,959,159.