DE2746361A1

DE2746361A1 - Impulsbetaetigte brennstoffeinspritz- zuendkerze

Info

Publication number: DE2746361A1
Application number: DE19772746361
Authority: DE
Inventors: Ian Murray; Clement Austin Tatro
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1976-10-22
Filing date: 1977-10-14
Publication date: 1978-04-27
Also published as: JPS5352821A; AU2963877A; CA1061204A; US4095580A; BE859713A; GB1561017A; AU516091B2; SE7711353L; FR2394687A1; IT1087079B; SE423849B

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. 8000 MÖNCHEN 22 KARL H. WAGNER ' GEWORZMÜHLSRASSE 5

_, POSTFACH 246

77-R-2938

United States Energy Research And Development Administration, Washington, D.C. 20545, V.St.A.

Impulsbetätigte Brennstoffeinspritz-Zündkerze

Die Erfindung betrifft eine kombinierte Zündkerze und Brennstoffeinspritzpumpe und insbesondere bezieht si :h die Erfindung auf eine Kerze, die direkt und allein auf iinen ZündJmpuls anspricht, um Brennstoff einzuspritzen und einen Funken vorzusehen.

Gewisse Abgasemissionen bei Verbrennungsmotoren sind aus Gründen des Umweltschutzes besonders bedenklich. In erster Linie bedenkliche Emissionen sind Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxyd und Stickstoffoxyde. Eine erfolgreiche Möglichkeit zur Reduktion solcher Emissionen ist das Konzep- der stratifizierten Ladung, welches zu Motoren geführt hat, wie sie in dem U.S. Patent 3 830 205 beschrieben sind. Bei derartigen Motoren wird ein kleines Volumen einer brennstoffreichen (fetten) Mischung an eine benachbart zur Hauptverbrennungskammer liegende kleine Hilfskammer geliefert. Eine Zündkerze ist in der kleinen Kammer angeordnet und wegen der Fettigkeit des in dieser Kammer sich befindenden Brennstoffs wird der Brennstof durch die Kerze leicht gezündet. Eine an Brennstoff arme (magere) Mischung wird der Hauptkammer zugeführt, welche durch den brennenden

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Brennstoff in der kleinen Kammer gezündet wird. Diese Anordnung hat die Verwendung einer sehr mageren Mischung in der Hauptkammer, geringe Verbrennungstemperaturen in der Hauptkammer, hohe Verbrennungstemperatüren in der kleinen Kammer, lange Verbrennungszeiten in sowohl der kleinen Kammer als auch der Hauptkammer und die vollständige Verbrennung in beiden Kammern zur Folge. Diese Bedingungen kommen oftmals in Konflikt mit den Bedingungen für die Reduktion der Kohlenwasserstoffe, von Kohlenmonoxyd und von Stickstoffoxyden. Das Erfordernis einer Hilfsverbrennungskammer bei diesen Motoren, sowie die Verwendung" zusätzlicher Ventileinrichtungen und zusätzlicher Brennstoff- und Luftkanäle macht es jedoch praktisch unmöglich, bereits vorhandene Verbrennungsmotoren für den Betrieb mit stratifizierter Ladung umzubauen. Darüber hinaus wäre auch die Neukonstruktion und der Ersatz vorhandener Werkzeuge für bereits vorhandene Herstellungsanlagen zur Massenproduktion solcher Motore außerordentlich kostspielig und es ergäbe sich ein zeitraubender Umstellungsvorgang.

Die Erfindung sieht kurz gesagt eine Zündkerze vor, die auf einen Zündimpuls anspricht, um Brennstoff in die Verbrennungskammer eines hin- und hergehenden Verbrennungsmotors einzuspritzer, und um den eingespritzten Brennstoff zu zünden. Die Kerze weist dabei Mittel zur Aufnahme eines Zündimpulses, Mittel zur Aufnahme einer Brennstofflieferung sowie Mittel auf, die allein auf einen Zündimpuls ansprechender an die Impulsaufnahmemittel angelegt ist, um Brennstoff von den Brennstoffaufnahmemitteln in die Verbrennungskammer zur Zündung des injizierten Brennstoffs zu injizieren.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, übliche Verbrennungsmotoren in der stratifizierten Ladungs-Betriebsart betreiben zu können. Die Erfindung hat sich ferner zum Ziel gesetzt, übliche Verbrennungsmotoren derart anpassen zu können, daß sie in der stratifizierten Ladungsbetriebsart arbeiten, wobei minimale Modifikationen erforderlich sind und geringe Kosten auftreten. Die Erfindung hat sich ferner zum Ziel gesetzt, eine Zündkerze vorzusehen, die direkt allein auf einen ZUndimpuls anspricht, um einen Funken an einem Elektrodenpaar vorzusehen und um Brennstoff in den

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Raum benachbart zu den Elektroden einzuspritzen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotorsystems mit hin- und hergehendem Kolben gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Zündkerze im Motorsystem der Fig. 1 zum Einspritzen und Zünden von Brennstoff für einen Betrieb des Motorsystems gemäß der stratifizierten Ladungs-Betriebsart.

In Fig. 1 ist ein Verbrennungsmotorsystem der Viertakt-Bauart mit hin- und hergehendem Kolben dargestellt, wobei das Motorsystem mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist und ein Zündsystem 12, eine Brennstoffpumpe 14, einen Vergaser 16, einen Zylinder 17 mit Verbrennungskammer 18, einen Kolben 19, ein Einlaßventil 20, ein Auslaßventil 22, sowie eine Brennstoffeinspritzzündkerze 24 gemäß der Erfindung aufweist.

Im allgemeinen arbeitet das Motorsystem in konventioneller Weise und die Abwandlungen des konventionellen Systems bestehen darin, daß die Zündkerze 24 vorgesehen ist, daß eine Brennstoffleitungsverbindung 26 zwischen Brennstoffpumpe 14 und Zündkerze 24 vorhanden ist und daß eine Änderung bei den Vergaserstrahlen vorgesehen ist, um eine magere Brennstoffmischung vom Vergaser zur Verbrennungskammer 18 zu liefern. Di-^se einfachen Abwandlungen gestatten den Betrieb des Motorsystems 10 gemäß der stratifizierten Ladungs-Betriebsart, wodurch die Zündkerze 24 allein auf einen Impuls vom Zündsystem 12 anspricht, um eine kleine Brennstoffmenge in den oberen Teil der Verbrennungskammer ¹8 einzuspritzen und um leicht und gleichzeitig dieses fette Brennstoffgemisch zu zünden, welches seinerseits die magere Brennstoffmischung im Rest der Kammer 18 zündet.

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In Fig. 2 ist die Zündkerze 24 in. einzelnen iw Querschnitt dargestellt und sie weist eine Basis 28 auf, die eine Erdelektrode 30 besitzt; eine Mittelelektrode 32 ist innerhalb eines Zylinders 34 aus piezoelektrischem Material, wie beispielsweise ei ier polarisierten Keramik (beispielsweise Bleizirkonattitanat),mittels Gewindegängen am oberen Ende befestigt, die in Gewindgänge am oberen Ende· des Zylinders 34 passen; eine Mutter 36 und eine Unterlegscheibe 37 dienen zur Festlegung der Elektrode 22. zusammen mit dem Zylinder 34 und zur Erzeugung einer guten elektrischer Verbindung zwischen der Elektrode 32 und dem piezoelektrischen Zylinder 34. Der Zylinder 34 wird an der Basis 28 mittels eines mit Gewinde versehenen Kragens 39 gehalten und ein Keran.ikisolator 41 ist an der Basis 28 befestigt, um sich vom ZyI. ader 34 zum unteren Ende der Elektrode 32 zu erstrecken. Ein Metalleinsatz 4 3 ist in der unteren Spitze des Isolators 41 für tine Abdichtberührung mit einem verbreiterten Ende 45 der Elektrode 32 vorgesehen. Am oberen Ende der Elektrode 32 ist eine öffnung 47 vorgesehen, um unter Druck stehenden Brennstoff von der Brennstoffpumpe 14 in die Zündkerze 24 aufzunehmen. Ein Kugelventil 49 ist innerhalb eines Mittelkanals 51 in der Elektrode 32 vorgesehen und ist zur öffnung 47 hin mittels einer Feder £0 federvorgespannt, um sicherzustellen, daß Brennstoff nicht z\r Brennstoffpumpe 14 zurückfließt. Innere Brennstoffdurchlässe oder -kanäle 5 3 verbinden den Mitteldurchlaß oder Mittelkana' 51 mit einer Brennstoffspeicherkammer 55,definiert durch einen nittigen zylindrischen Durchlaß im piezoelektrischen Zylinder 34 and Isolator 41. Die Elektrode 32 ist erfindungsgemäß vom oheren zum unteren Ende hin verjüngt, um die Ausbildung der Karmer 55 zu vervollständigen.

Im Betrieb der Brennstoffeinspritzzündkerze 24 herrscht ein kontinuierlicher Brennstoffdruck von der Brennstoffpumpe 14 durch die öffnung 47, um sicherzustellen, daß die Brennstoffkammer 55 stets mit Brennstoff gefüllt ist. Eine freiliegende Oberflächenzone 57 ist am oberen Ende der Elektrode 32 vorgesehen, um einen Zündimpuls vom Zündsystem 12 aufzunehmen. Beim Anlegen eines Zündimpulses zwischen der Fläche 57 und der Basis 28, die mit einem Gewinde versehen ist, um im geerdeten Zylinder 17 befestigt zu werden, zieht sich der piezoelektrische Zylinder 34 sehi schnell

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in der Längsrichtung zusammen, wooei der piezoelektrisch Zylinder 34 derart aufgebaut ist, daß feine Poiarisationsathse in Längsrichtung P verläuft. Die Kontraktion des Zylinders ^4 erfolgt so schnell, daß die Stange 32 sich nicht augenblicklich mit dem Zylinder 34 bewegen kann. Die Stange 32 wird daher zusammengedrückt und das Ende 45 verbleibt zeitweise in Abdichtberührung mit dem Einsatz 43. Dadurch wird eine sehr große Kraft über die sich verjüngende Oberfläche der Elektrode 32 in einer Longitudinalrichtung an den in Kammer 55 befindlichen Brennstoff angelegt. Nach der schließlich eintretenden Verlängerung der Elektrode 32 wird das verbreiterte Ende 45 vom Einsatz 43 wegbewegt und Brennstoff wird von Kammer 55 unter hohem Druck in die Verbrennungskammer eingespritzt, was einen brennstoffreichen Dampf im Oberteil der Kammer 18 erzeugt. Im wesentlichen gleichzeitig mit der Brennstof einspritzung baut sich der zwischen den Elektroden 30 und 32 angelegte Impuls zum Spannungsdurchbruchspunkt des Dampfes zwischen den Elektroden auf, was einen Stromfluß zwischen den Elektroden und die Zündung des brennstoffreichen Dampfes zur Folge hat. Die Brennstoffeinspritzung und dessen Zündung erfolgen daher von Natur aus präzise zur richtigen Zeit bezüglich einander un<i zur präzise der richtigen Zeit im Motorzyklus, und zwar mit .-.Hein den einfachen Abwandlungen eines konventionellen Motorsystem.«=, wie sie beschrieben wurden.

Es sind Abwandlungen des beschriebenen Ausfüarungsbeispi^ls möglich. Beispielsweise kann die Zündkerze 24 mit der gleichen Einfachheit für ein Zweitakt-Motors.stern angepaßt werden, "ie dies für das V¹ertakt-Motorsystem 10 der beschriebenen Art erfolgte.

Erfindungsgemäß wird also eine für eine andere Zündkerze einzusetzende Zündkerze vorgesehen und zwar für Verbrennungsmotoren der hin- und hergehenden Bauart, wobei diese erfindungsgemäße Zündkerze als eine Brennstoffeinspritzvorrichtung und als eine Zündkerze wirkt, um den Effekt der st ratifizierten Ladung vorzusehen. Der übliche Vergaser wird beibehalten, um die Hauptbrennstoff luftmischung zu liefern, die sehr mager sein kann wegen der stratifizierten, d.h. geschichteten ladung. Die Kerze weist eine zylindrische piezoelektrische Keramik auf, die sich kontrahiert, um als eine Pumpe immer dann zu wirken, wenn ein Zündimpuls an

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an eine durch die Keramik verlautende Mittelstange angelegt wird, Die Mittelstange ist an ihrem oberen Ende zur Aufnahme des Brennstoffs hohl und verläuft sich verjüngend längs ihrer unteren Länge, um als Pumpe zu wirken, und die Stange ist am unteren Ende abgeflacht, um als ein Ventil für die Brennstoffeinspritzung von der Pumpe in den Zylinder zu wirken. Die Stange wirkt auch als die Mittelelektrode der Zündkerze, wobei der Zündfunke von der Kerzenbasis zum unteren Ende der Stange springt, um dadurch eine Funkenzündung vorzusehen, die in inhärenter Jieise die richtige zeitliche Steuerung mit der Brennstoffeinspritzung aufweist.

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L e e r s e i t e

Claims

Ansprüche

Zündkerze, welche auf einen Zündimpuls anspricht, um Brennstoff in die Verbrennungskammer eines hin- und hergehenden Verbrennungsmotors einzuspritzen, und um den eingespritzten Brennstoff zu zünden, gekennzeichnet durch Brennstoffspeichermittel,

Mittel zur Aufnahme von Brennstoff zum Durchgang zu den Speichermitteln,

Mittel zur Aufnahme eines Zündimpulses und Mittel, welche allein auf einen Zündimpuls angelegt an die Impulsaufnahmemittel ansprechen, um Brennstoff von den Brennstoffspeichermitteln in die Verbrennungskammer einzuspritzen und um den eingespritzten Brennstoff zu zünden.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die allein auf einen Zündimpuls ansprechenden Mittel folgendes aufweisen: erste und zweite Elektroden, ein piezoelektrisches Material, welches elektrisch leitend zwischen den Elektroden verbunden ist und mit der ersten Elektrode die Speichermittel bildet, und Mittel, um normalerweise den Brennstoff-Fluß von den Speichermitteln zu blockieren, wobei das piezoelektrische Material auf einen Impuls angelegt an die Elektroden anspricht, um sich zu deformieren und dadurch einen Druckaufbau in den Speichermitteln hervorzurufen und um zu bewirken, daß die Sperrmittel sich für das Einspritzen des Brennstoffs in den S^eichermitteln in die Verbrennungskammer öffnen.

3. Zündkerze nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (32) mittig innerhalb der Speichermittel angeordnet ist und ein oberes Ende als ein Element der Brennstoffaufnahmemittel und ein unteres Ende als Element der Blockiermittel besitzt.

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ORIGINAL INSPECTED

4. Zündkerze nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die BrennstoffSpeichermittel eine zylindrische Brennstoffkammer sind und daß die erste Elektrode eine Stange ist, die innerhalb der Brannstoffkammer angeordnet ist, und zwar mit der Stangenachse koaxial zur Achse der Brennstoffkammer, und wobei die Stange an ihrem Brennstoffaufnahmeende an dem piezoelektrischen Material befestigt ist und ein verbreiteres Ende am entgegengesetzten Ende als ein Element der Blockiermittel besitzt, und wobei das verbreiterte Ende normalerweise das untere Ende der Brennstoffkammer abdichtet, wobei die Stange ferner auf die Deformation des piezoelektrischen Materials anspricht, um das verbreiterte Ende vom unteren Ende der Brennstoffkammer weg zu bewegen, um das Einspritzen von Brennstoff in die Verbrennungskammer zu gestatten.

5. Zündkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange von ihrem oberen Ende zu ihrem unteren Ende hin verjüngt ist, um den an den Brennstoff in der Brennstoffkanurar angelegten Druck bei Deformation des piezoelektrischen Materials zu maximieren.

6. Hin- und hergehendes Verbrennungsmotorsystem zum Betrieb in einer stratifizierten Ladungs-Betriebsart, gekennzeichnet durch eine Verbrennungskammer mit einem Einlaßventil, ein an Vergaser eingestellt zur Erzeugung einer mageren Kraftstoffn ischung durch das Einlaßventil zur Verbrennunaskammer, eine Zündkerze, die sich in die Verbrennungskammer erstrejkt, eine Quella von Zündimpulsen verbundei mit der Zündkerze, Mittel zur Lieferung von Brennstoff a' die Zündkerze, wobei die Zündkerze betätigbar ist infolge von allein einem Impuls /on der Quelle, um gelieferten Brennstoff in die Kammer einzuspritzen und um den eingespritzten Brennstoff zu zünden, um die magere Luft-Brennstoff-Mischung im Rest der Kammer zu verbrennen und zu zünden, um dadurch eine stratifizierte Ladungs-Betriebsart für das Motcrsystem vorzusehen.

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'. Verο»ennungsmotcrsystem nat ι Anspruch . dadurch c -kennzeichnet, daß die Zündkerze folgendes aufweist, eine Brer .stoffspei cherkc tinier und ein Brennstoff Einlaßventil verbunden η it den BrennstoffVersorgungsmitteln zur Verhinderung des Brennstoffrückflusses ve der Speicherkammer zu den Brennstoffversorgungsmitteln.

8. Verbrennungsmotorsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze folgendes aufweist: eine Brernstoffspeicherkanuner und ein Brennstoffaustrittsventil, um nor^r älerweise den 3rennstoff-Fluß von der Vorratskammer zu blockieren, wobei dieses Auslaßventil nur infolge eines Impulses von ^er Zündimpulsquelle betätigbar ist, um sich zu öffnen und zi gestatten, daß Brennstoff von der Brennstoffkammer in die.\srbrennungskammer eingespritzt wird.

9. Verbrennungsmotorsystem nach Anspruch 6, dadurch ιekennzeichnet, daß die Zündkerze folgendes aufweist: eine Brernstoffspeicherkammer, ein piezoelektrisches Material, welches <■ af einen Impuls von der Zündimpulsquelle anspricht, um Brem stoff von der BrennstoffSpeicherkammer in die Verbrennungskamnu r. auszustossen.

Ό. Verbrennungsmotorsystem nach Anspruch 6, dadurch -skenn— zeichnet, daß die Zündkerze folgendes aufweist; eine zyl ndrische Brennstoffspeicherkammer, eine sich verjüngende Staige, die in der Brennstoffspeicherkammer koaxial mit der Brennsto fspeicher Kammer angeordnet ist, und Mittel, welche auf 2inen Impu. s von der Quelle ansprechen, um die Stange axial innerhalb der Brennstof fkammtr zu bewegen, um den Brennstoffdruck innerhalb der Brennstof fspeieherkammer zu maximieren, um Brennstoff von dor in die Verbrennungskammer einzuspritzen.

11. Verfahren zur Herstellung einer geschiciteten Ladvngsbetriebsart bei einem Verbrennungsmotor der hin- und hergehenden Bauart, wobei eine Hauptverbrennungskammer vorgesehen ist, und wobei ferne." eine Zündimpulsquelle vorhanden ist und eine Zünd-

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kerze einschließlich Brennstoffe -nspritzmit.eln, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Lieferung einer mageren Brennstoffmischung an die Verbrennungskammer, Lieferung von Brennstoff an die Zündkerze und Anlegen eines Zündimpulses an die Zündkerze zum Betrieb der Brennstoffeinspritzmittel zum Zwecke der Injektion von Brennstoff in die Kammer und zum Zünden des Brennstoffs zum Zwecke von dessen Verbrennung und um dadurch die ma iere Luft-Brennstoff-Mischung im Rest der Kammer zu zünden, um so eine stratifizierte Ladungsbetriebsart für das Motorsystem vorzusehen.

12. Zündkerze nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mittelelektrode (32) angeordnet innerhalb eines Zylinders (34) aus piezoelektrische, ι Material, einen keramischen Isolator (41), befestigt an e ner Basis (28), einen Metalleinsatz (43) , vorgesehen in der unteren Spitze des Isolators (41) zum Dichteingriff mit einem verbreiterten Ende (45) der Elektrode (32), ein Kugelventil (49) innerhalb eines Mittelkanals (51) der Elektrode (?2) und innere Brenn· Stoffkanäle (53), welche den Mittelkanal (51} mit einer Brennstoff speicherkammer (55) verbinden, die durch einen Mit ;eldurchlaß im piezoelektrischen Zylinder (34) und dem Isolator (41) gebildet ist.

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