DE3588119T2 - Vorrichtung zum Zünden der Verbrennung eines Kraftstoff-Luftgemisches - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zum Einleiten der Verbrennung von Brennstoff-Luft-Gemischen in einer Verbrennungsmaschine.
• Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der US-A-4 333 125 bekannt. Es wird ferner auf Combustion and Flame 27, veröffentlicht 1976, R. Knystautas und J.H. Lee, On the Effective Energy for Direct Initiation of Gaseous Detonations, Seiten 221 bis 228, hingewiesen. Die bekannte Vorrichtung enthält einen kapazitiven Teil zum Speichern einer großen Menge elektrischer Energie aus einer Stromversorgung und einen mit dem kapazitiven Teil integralen Elektrodenteil, der ein Paar konzentrischer, stabförmiger Elektroden enthält, welche eine hochenergetische, schirmförmige Plasmaentladung unter Anwendung der inversen Pinch-Technik erzeugen. Durch die Nähe zwischen dem kapazitiven und dem Elektrodenteil der Zündvorrichtung erzeugt die schnelle Energieübertragung von dem ersteren zum letzteren Teil hohe magnetische Drücke, die die Entladung in einen hochenergetischen Plasmastrahl umwandeln kann, der gut in den Verbrennungsbereich abgegeben wird.
• Nach diesem Prinzip ist, abgesehen von der möglichen Zündverbesserung, der Kopplungswirkungsgrad von einem Quellenstromkreis relativ hoher Impedanz zu der sehr geringen Impedanz eines bestehenden Entladungskanals ziemlich klein, was dazu führt, daß ein größerer Anteil der verfügbaren Energie durch Verlustleistung im Widerstand des Stromkreises verloren geht und nicht im Entladungskanal selbst verfügbar ist. Eine etwas größere Leistungsabgabe im Entladungskanal kann durch Erhöhen der Stromstärke erreicht werden. Für eine vorgegebene Entladungsdauer wird dies aber nur unter größerer Energiezufuhr und bei stärkerer Elektrodenabnutzung erreicht.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Zünden der Verbrennung von Brennstoff-Luft-Gemischen anzugeben, die eine sehr schnelle und intensive elektrische Entladung hoher Leistung erzeugt.
• Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterbildungen dieser Vorrichtung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Die Zündvorrichtung nach der Erfindung verwendet eine Hartentladungszündung (HDI, hard-discharge-ignition), die mit einem sehr schnellen, intensiven und leistunqsstarken elektrischen Durchbruch erreicht wird, welcher als "harte" Funkenentladung bezeichnet wird. Die HDI-Einleitung der Verbrennung verwendet sehr effektive Energiekopplungsmechanismen, mit denen hohe Intensitätswerte erreicht werden. Die Bezeichnung "Hartentladung" betrifft einen Operationsbereich, in dem die Induktivität und der Widerstand des Entladungsstromkreises so klein sind, daß die Stromstärke und die Energieübertragung in den Entladungskanal während der Durchbruchphase im wesentlichen durch den Widerstand der Funkenstrecke selbst bestimmt werden.
• Dieser extreme Operationsbereich ist gekennzeichnet durch eine sehr effiziente Kopplung (80 bis 95 %) der anfangs gespeicherten elektrischen Energie während etwa der ersten Halbperiode des Entladungsstromzyklus in die verschiedenen Einschwingprozesse, die mit der Gasentladungserzeugung und -expansion einhergehen. Als Ergebnis überträgt die Hartentladung den größten Teil der verfügbaren Impulsenergie innerhalb der Durchbruchphase der Entladung (normalerweise einige erste 10 Nanosekunden der Entladung), wodurch eine maximale Leistungskopplung von dem Treiberstromkreis zu der schnell abfallenden effektiven Lastimpedanz des Entladungskanals erreicht wird. Die Anwendung typischer Entladungsenergiewerte zwischen 0,05 und 2 Joule bei Durchbruchstromanstiegen in der Größenordnung von 10¹&sup0; bis 10¹² Ampere pro Sekunde kann zu einer Leistungsabgabe in der Größenordnung von einigen 10 Megawatt innerhalb weniger 10 Nanosekunden führen.
• Außerdem verringert die wesentlich verbesserte Geschwindigkeit der Gesamtverbrennung den Betrag der für ein maximales Bremsmoment erforderlichen Frühzündung mit einem gegebenen Brennstoff-Luft-Gemisch beachtlich. Abhängig von dem Mischverhältnis, den Maschinenbedingungen und dem HDI-Energie- und Leistungswert kann eine Frühzündung völlig entbehrlich sein. Daher ergibt sich ein sehr effizienter Maschinenbetrieb bei wesentlich verringerter Frühzündung.
• In den Zeichnungen, die einen integralen Bestandteil der Beschreibung darstellen und in Zusammenhang damit zu interpretieren sind, wobei gleichartige Bezugszeichen zur Bezeichnung identischer Komponenten verwendet sind, zeigen:
• Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer äquivalenten elektrischen Schaltung zum Erzeugen einer Hartentladungszündung gemäß der Erfindung,
• Fig. 2 den Längsschnitt eines Verteilerkabels mit einem Impulsformungsnetzwerk (PFN) mit konzentrierter Kapazität,
• Fig. 3 eine perspektivische, teilweise gebrochene Darstellung eines weiteren Verteilerkabels mit einem Impulsformungsnetzwerk mit konzentrierter Kapazität,
• Fig. 4A und 4B Längsschnitte von Teilen von Verteilerkabeln mit einem Impulsformungsnetzwerk mit verteilter Kapazität,
• Fig. 5 einen Querschnitt eines Steckverbinders für das Verteilerkabel nach Fig. 4A.
• Die Zufuhr von Energie in den Entladungskanal einer Zündkerze muß maximiert werden, um einen hohen Leistungskopplungswirkungsgrad zu erreichen und die Intensität der Energieübertragungsmechanismen zu maximieren, die gemäß der Erfindung für Zündungsvorgänge wichtig sind. Dies kann durch Verwenden eines kapazitiven Entladungs- oder Treiberstromkreises mit sehr kleiner Induktivität und kleiner Impedanz erreicht werden, wie er als einfaches Äquivalenzmodell in Fig. 1 gezeigt ist. In der folgenden Beschreibung betrifft die Bezeichnung "Treiberstromkreis" alle Hochspannungs-Entladungskomponenten, Verbinder und Strukturen außer der Entladungsstrecke und dem Gasentladungsweg selbst. Der Kondensator c repräsentiert die gesamte effektive Kapazität des Entladungsstromkreises, die Induktivität Lo repräsentiert die gesamte effektive Induktivität des Entladungsstromkreises, und der Widerstand Ro repräsentiert den gesamten effektiven Widerstand des Entladungsstromkreises. Die Reaktanzkomponente der charakteristischen Impedanz des Entladungsstromkreises wird folgendermaßen ausgedrückt:
• Z = [Lo / C]
• Dabei kann C ein diskreter, konzentrierter Kondensator sein, der mit der Funkenstrecke über eine Leiterkonfiguration geringer Induktivität verbunden ist, oder es kann eine verteilte Kapazität in Form einer Wellenleiterstruktur sehr geringer Impedanz und geringer Induktivität sein, die als verteiltes Impulsformungsnetzwerk (PFN) wirkt. Bei Betriebsspannungen typisch im Bereich von 20 bis 40 kV hat der Kondensator C eine Kapazität im Bereich von etwa 100 Picofarad bis etwa 5 Nanofarad. Lo schließt die Induktivität aller Verbindungsleiter und die Induktivität der diskreten oder verteilten kapazitiven Einheit ein und muß allgemein in der Größenordnung von einigen 100 Nanohenry oder weniger liegen. Ro schließt den Widerstand der Schaltungsleitungen sowie den effektiven Verlustwiderstand ein, der den dielektrischen Verlusten in dem kapazitiven Element zugeordnet ist. In der Praxis sollte Ro nicht höher als wenige Ohm sein, vorzugsweise sollte er auf weniger als 1 Ohm minimiert sein. Allgemein widerspricht die Arbeitsweise eines solchen Zündsystems dem bisherigen Prinzip, bei dem Treiberschaltungen mit höherer Impedanz, höherer Induktivität und geringerer Kapazität sowie wesentlich längerer Entladungsdauer bei geringerer Intensität angestrebt werden.
• Die äquivalenten konzentrierten Komponenten der Funkenstrecke sind in Fig. 1 gestrichelt dargestellt. Cg ist die Kapazität der Funkenstrecke vor dem Durchbruch, die typisch in der Größenordnung von 10 Picofarad (10 pF) liegt. Cg ist wichtig zum Speichern der Ladung, die während der sehr frühen Stufen der Ausbildung des Durchbruchskanals benötigt wird, jedoch ist der Wert von Cg klein verglichen mit C und kann vernachlässigt werden, wenn der frühe Durchbruchskanal ausgebildet ist. Das Schließen des Schalters Sb repräsentiert das Einsetzen des Durchbruchs, bei dem ein Ionenstromweg zwischen den Elektroden der Funkenstrecke ausgebildet wird.
• Die einzelnen Mechanismen dieses Prozesses hängen von den Zuständen des Gases in der Funkenstrecke und der Art der Spannungsanschaltung ab. Für die folgende Beschreibung wird angenommen, daß der Aufbau des Stromflusses an der Funkenstrecke durch Schließen des Schalters Sb repräsentiert werden kann. Cg ist dann effektiv durch die zeitlich veränderliche Kanalinduktivität Lg(t) und den Widerstand Rg(t) überbrückt. Der Betrieb des Stromkreises beginnt, nachdem der Kondensator C auf eine Anfangsspannung Vo aufgeladen ist.
• Für Zündanwendungen mit HDI wird eine optimale Leistung erreicht bei Spannungen von 20 kV bis 40 kV und einer Kapazität des Entladungsstromkreises von 100 Picofarad bis einigen Nanofarad und Werten von L/lg in der Größenordnung weniger 100 Nanohenry der Induktivität (L) des Entladungsstromkreises pro cm der Länge (lg) der Funkenstrecke oder weniger, vorzugsweise gleich oder kleiner als 80 Nanohenry pro cm, abhängig von dem Wert der Kapazität C und des effektiven elektrischen Feldes Eo an dem Durchbruch in der Funkenstrecke.
• In der Praxis ist eine Verringerung der Gesamtinduktivität auf Werte von L/lg unter etwa 10 Nanohenry/cm bei Hochspannungs-Entladungskreisen ziemlich schwierig, bei denen ein bestimmter minimaler physikalischer Abstand zur elektrischen Isolation erforderlich ist. Der Durchbruchskanal selbst hat typisch eine Eigeninduktivität in der Größenordnung von 10 Nanohenry/cm. Wird trotz einer Minimierung von L/lg auf praktische Grenzen eine unzureichende Ladungshärte erreicht, so bestehen die wichtigsten Alternativen zur Erhöhung der Entladungshärte in einer Verringerung der Kapazität C und/oder einer effektiven Zunahme von Eo durch Überhöhen der Spannung an der Entladungsstrecke. Messungen an harten, offenen Entladungen haben gezeigt, daß für Werte von C kleiner als oder etwa gleich 3 Nanofarad eine Energiezunahme durch Erhöhen der Arbeitsspannung Vo und der Länge lg der Funkenstrecke zu einer kürzeren Entladungsdauer und einer längeren Lichtabgabe führt, wobei die Lichtabgabe bei sehr harten Entladungen über das Ende des Stromflusses hinaus andauert (Nachleuchten).
• Fig. 2 zeigt ein PFN mit diskreter Kapazitt. Dieses PFN 122 ist in ein Koaxialkabel 123 eingearbeitet, das eine (nicht dargestellte) Stromversorgung mit einem (nicht dargestellten) Verbinder verbindet, der das Kabal 123 mit einer Zündvorrichtung verbindet.
• Das PFN 122 hat einen Innenleiter 130, der von einer Hülse 136 eines Materials hoher Dielektrizität wie z.B. Keramik umgeben ist. Eine Metallschicht 134 an der Außenseite der dielektrischen Hülse 136 ist mit dem Außenleiter 127 verbunden und bildet so einen kontinuierlichen Weg für den Stromfluß durch das Kabel 123. Der Innenleiter 130 hat einen wesentlich größeren Durchmesser als der zentrale Leiter 128 des Kabels 123 und ist an seinen Enden mit dem zentralen Leiter 128 durch Schweißen o.ä. verbunden. Eine Schicht einer dielektrischen Vergußmasse 132 umgibt die Verbindung des zentralen Leiters 128 mit dem Innenleiter 130. Der Innenleiter 130 bildet mit der dielektrischen Hülse 136 und der Metallschicht 134 einen Kondensator, der nahe der Zündvorrichtung 52 angeordnet ist.
• Obwohl das PFN 122 einen Entladungsstromkreis hoher Impedanz und Induktivität bildet, hat es den Vorteil, daß es eine relativ kleine Zündvorrichtung bildet und das Problem schädlicher Effekte auf den Kondensator durch zusätzliche Wärme vermeidet, der es ausgesetzt ist, wenn es direkt an der Verbrennungskammer angeordnet ist.
• Eine weitere Form eines PFN mit diskreter Kapazität ist in Fig. 3 gezeigt. Dieses PFN 144 ist mit dem koaxialen Stromversorgungskabel 146 in Reihe geschaltet, das die Stromversorgung (nicht dargestellt) mit einer koaxialen Zündvorrichtung 52 verbindet. Das PFN 144 enthält zwei Gruppen flacher Kondensatorplatten 152, 154, die miteinander verschachtelt sind und gegenseitigen Abstand über ein dielektrisches Material 156 haben, so daß damit eine Reihe Kondensatorplatten gebildet ist. Die Kondensatorplatten 152 sind mit dem Außenleiter des Kabels 146, die Kondensatorplatten 154 mit seinem zentralen Leiter 148 verbunden.
• In Fig. 4A ist ein PFN 158 mit verteilter Kapazität dargestellt, das integral mit dem Verteilerkabel ausgebildet ist, welches die Zündvorrichtung mit der Hochspannungs-Stromversorgung verbindet. Das Kabel, welches das PFN 158 enthält, ist weitgehend flexibel, hat jedoch nicht einen so großen Durchmesser, daß es in gegenwärtigen Automobilmotoren nicht eingesetzt werden könnte. Das PFN 158 hat einen streifenleiterförmigen Aufbau, bei dem mehrere flexible, äußere Folienleiter 160 mit mehreren inneren Folienleitern 164 verschachtelt sind und von diesen durch mehrere Schichten 162 aus dielektrischem Material wie z.B. einem Polyamidfilm getrennt sind. Die Folienleiter 160, 164 können sich über einen größeren Teil des gesamten Kabels erstrecken, und die Sandwich-Konstruktion ist durch eine äußere Gummi- oder Kunststoffhülle 166 eingeschlossen.
• Wie Fig. 5 zeigt, kann die Streifenleiterkonfiguration an einem Verbinder 168 enden, der das Kabel lösbar mit einer Zündvorrichtung verbindet. Die inneren Folienleiter 164 enden in einer einzigen Verbindung, die an einem zentralen Leiter 172 befestigt ist, welcher wiederum mit einem Metallkontakt 174 verbunden ist, der in einer Kappe 176 sitzt, die auf den Anschluß der Zündvorrichtung aufgesteckt werden kann. Die Folienleiter 160 enden in einer Verbindung mit Leitern 170 in der Kappe 176. Die Kontakte 174 und die Leiter 170 führen jeweils zu den Elektroden der Zündvorrichtung.
• Eine weitere Form eines PFN mit verteilter Kapazität ist in Fig. 48 dargestellt. Dieses PFN hat ein Koaxialkabel 123, das über einen Verbinder 138 mit einer (nicht dargestellten) Zündvorrichtung verbunden ist. Der Verbinder 138 hat eine äußere Gewindekopplung 142, die auf einen Teil der Zündvorrichtung aufgeschraubt werden kann, und einen inneren elektrischen Anschluß 140, der die Elektroden der Zündvorrichtung mit dem zentralen Leiter 128 und dem Außenleiter 127 des Kabels 123 elektrisch verbindet. Der Innenleiter 127 und der Außenleiter 128 bilden die verteilte Kapazität.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Zünden der Verbrennung eines Kraftstoff- Luftgemisches in der Funkenstrecke einer Zündkerze in einer Brennkraftmaschine, mit einem elektrischen Entladestromkreis mit einem Kondensator (122, 144, 158) zum Speichern einer Menge elektrischer Energie und mit einem Paar elektrischer Leiter zum elektrischen Verbinden des Kondensators (122, 144, 158) mit der Zündkerze (52), wobei der Kondensator (122, 144, 158) in mindestens einen Teil eines elektrischen Verteilerkabeis (123, 146, 180) zum Verbinden des Kondensators (122, 144, 158) mit einer Hochspannungsquelle eingesetzt und/oder darüber verteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator eine Kapazität Von 100 bis 5000 Picofarad hat, während das Verhältnis der Induktivität des Entladestromkreises einschließlich Kondensator (122, 144, 158) zu der Länge der Funkenstrecke kleiner als etwa 80 Nanohenry pro cm ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verteilerkabel ein Koaxialkabel (123) ist, dessen Innenleiter (130) über eine gewisse Länge einen vergrößerten Durchmesser hat und von einer Hülse (136) aus einem Material hoher Dielektrizität mit einer äußeren Metallisierungsschicht (134) umgeben ist, die mit dem Außenleiter (127) des Koaxialkabels (123) verbunden ist, wobei der Teil vergrößerten Durchmessers an seinen Enden mit dem Innenleiter (128) kleinen Durchmessers verbunden ist und diese Verbindung von einer Schicht (132) aus dielektrischem Vergußmaterial umgeben ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verteilerkabel ein Koaxialkabel (146, 180) ist, dessen Außen- und Innenleiter (148) mit einer ersten bzw. einer zweiten Gruppe flacher und mit gegenseitigem Abstand ineinander verschachtelter Kondensatorplatten (152, 154) in Reihe geschaltet ist.

4, Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Streifenleiter-Kondensator (158), der integral mit dem koaxialen Verteilerkabel (180) ausgebildet ist und in dem mehrere äußere Folienleiter (160) erste Kondenstorplatten bilden und mit mehreren inneren Folienleitern (164) als zweite Kondensatorplatten verschachtelt und von diesen durch mehrere Schichten (162) aus dielektrischem Material getrennt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifenleiter-Kondensator (158) in einem Verbinder (168) zur Verbindung mit einer Zündkerze endet, daß die inneren Folienleiter (164) in einer einzelnen Verbindung mit einem zentralen Leiter (172) innerhalb einer Kappe (176) des Verbinders (168) enden, und daß die Außenleiter (160) in einer Verbindung mit Leitungen (170) innerhalb der Kappe (176) enden, wobei der zentrale Leiter (172) und die Leitungen (170) mit den Elektroden der Zündkerze verbindbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator aus einem inneren und einem äußeren Leiter (127, 128) eines koaxialen Verteilerkabels (123) gebildet ist, das in einem Verbinder (138) mit einem elektrischen Verbindungsteil (140) zum Verbinden der Elektroden der Zündkerze mit den Leitern (127, 128) des koaxialen Verteilerkabels (123) endet.