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Zündkerze
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Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündkerze mit einer
Mittelelektrode für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Benzinmotoren.
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Es ist bekannt, daß das in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine
nach Beendigung eines Arbeits- bzw.
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Zündtaktes zurückbleibende unverbrannte Gasgemisch eine Temperaturerhöhung
im Inneren des Zylinders verursacht und daß eine derartige Temperaturerhöhung einen
schädlichen Einfluß auf den Verbrennungsablauf in der Maschine ausübt.
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Ausserdem ist bekannt, daß -ein solch unverbranntes Gasgemisch infolge
der hohen Temperaturen im Zylinder Stickoxide erzeugt und daß diese Stickoxide nach
Austritt aus der Brennkraftmaschine eine unverwünschte Umweltverschmutzung hervorrufen.
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Um das unverbrannte Gasgemisch im Zylinder einer Sekundärverbrennung
zuzuführen, hat man Versuche unternommen, Luft in den Zylinder zu blasen. Keiner
dieser Verusche hat sich jedoch im Betrieb als nützlich erwiesen.
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Man hat festgestellt, daß sich der Zylinderdruck lokal verringert
in dem Moment, in dem der Zünd- bzw. Arbeitstakt beendet ist, oder in dem Moment,
in dem der Auspufftakt beginnt, d.h. zwischen Zünd- und Auspufftakt. Man nimmt an,
daß dieses Phänomen des Druckabfalls durch verbranntes Gas während der Ausbreitung
der Flammen im Zylinder hervorgerufen wird.
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Es soll daher eine Zündkerze der eingangs genannten Art geschaffen
werden, bei der die erwähnten Nachteile vermieden
sind und welche
eine möglichst vollständige Verbrennung des gesamten Brennkraftstoffes, damit eine
Einsparung desselben und eine verringerte Stickoxidbildung garantiert.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß durch die
Zündkerze dem Zylinder kontrolliert ein Sekundärluftstrom aufgrund des Druckabfalls
im Zylinder zugeführt wird, ohne daß eine Veränderung an der Brennkraftmaschine
selbst überhaupt vorzunehmen wäre.
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Die erfindungsgemäße Zündkerze arbeitet sehr effektiv, besitzt eine
hohe Lebensdauer und verringert die Bildung von Stickoxiden im Auspuffgas und den
Kraftstoffverbrauch.
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Die erindungsgemäße Zündkerze ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung
mit einem zweiten Steuerventil ausgerüstet, wobei das zweite Steuerventil als zwangsweise
gesteuertes Schliessventil zur Kontrolle des Gasgemisches dient, und zwar dann,
wenn das erste Steuerventil, das in der Durchlassbohrung der Mittelelektrode angeordnet
ist, nicht ordnungsgemäß arbeitet.
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Bei der erfindungsgemäßen Zündkerze wird Frischluft aus der Umgebung
durch ein Steuerventil bzw. durch beide Steuerventile angesaugt und in den Zylinder
eingeleitet, wenn der Druck im Zylinder abfällt.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus nachfolgender
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie aus der in der
Anlage beigeffigten Zeichnung. Hierbei zeigen: Fig. 1 eine teilweise im Längsschnitt
dargestellte Seitenansicht einer Zündkerze gemäß der Erfindung;
Fig.
2 eine Explosionsansicht der erfindungswesentlichen Einzelteile der Zündkerze gemäß
Fig. 1; Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines beweglichen Steuerventils in der
Zündkerze gemäß Fig. 1; Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Zündkerze gemäß der
Erfindung mit einem aufgesetzten zweiten Steuerventil; Fig. 5 einen Längsschnitt
durch das innere Rohrstück des zweiten Steuerventils; Fig. 6 einen Querschnitt durch
das Rohrstück gemäß Fig. 5 entlang der Linie V-V; Fig. 7 eine teilweise im Längsschnitt
dargestellte Seitenansicht des Aussenmantels des zweiten Steuerventils, wobei ein
Teil des Aussenmantels weggelassen ist; Fig. 8 einen Querschnitt durch den Aussenmantel
gemäß Fig. 7 entlang der Linie Vil-Vil; Fig. 9 eine im Längs schnitt dargestellte
Seitenansicht des Ringteils des zweiten Steuerventils gemäß Fig. 4; und Fig. 10
einen Querschnitt durch den Ringteil gemäß Fig. 9 entlang der Linie IX-IX.
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Gemäß Fig. 1 ist im Zentral teil eines Zündkerzenisolierkörpers 2
eine Mittelelektrode 1 angeordnet. Die Mittelelektrode 1 ist etwa in ihrer Mitte
mit einer Verdickung 3 versehen. Außerdem weist sie eine von ihrem einen Ende zu
ihrem
anderen Ende sich erstreckende Durchlassbohrung 4 auf.
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Die Verdickung 3 der Mittelelektrode ist hohl und bildet eine Ventilkammer
13, in der ein aus gesintertem Material hergestellter Ventilsitz 6 angeordnet ist.
Der Ventilsitz 6 weist eine vertikal verlaufende Bohrung bzw. Ventilöffnung 5, ein
den Ventilsitz 6 in der Verdickung 3 festhaltendes kurzes Rohrstück 7 sowie ein
aus gesintertem Material hergestelltes bewegliches Steuerventil 10 auf.
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Das Ventil 10 ist, wie insbesondere Fig. 3 zeigt, mit einem konischen
Teil 8 und einem zylindrischen Teil 9 versehen und ist im kurzen Rohrstück 7 gleitbar
angeordnet.
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Die in der Verdickung 3 vorgesehene Ventilkammer 13 ist nach unten,
d.h. dem dem Ventilsitz 6 gegenüber angeordneten Ende durch ein Bodenteil 14, das
mit einer mittig angeordneten Vertikalbohrung 14a ausgerüstet ist, abgeschlossen.
Das Bodenteil 14 ist vorzugsweise lösbar oder einstückig mit der Mittelelektrode
1 verbunden und zwar so, daß die Vertikalbohrung 14a des Bodenteils 14 als Anschlußbohrung
der Durchlassbohrung 4 dient.
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Die Mittelelektrode 1 besteht vorzugsweise aus zwei lösbaren Teilen,
wobei am oberen Teil der Mittelelektrode die hohle Verdickung 3 vorgesehen ist,
die mit einem Innengewinde 3a ausgerüstet ist. Die Verdickung 3 ist über das Innengewinde
3a auf das Bodenteil 14 des unteren Teils der Mittelelektrode aufschraubbar bzw.
aufsetzbar.
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Das Ventil 10 ist an der äusseren Umfangsfläche seines zylindrischen
Teils 9 mit vorzugsweise einander diametral gegenüberlieg(nd angeordneten und in
seiner Längsrichtung verlaufenden Längsnuten 11 versehen, die sich vom unteren Ende
des konischen Teils 8 bis zum unteren Ende des zylindrischen Teils 9 hin erstrecken.
Die Nuten 11 sind am
unteren Ende des zylindrischen Teils 9 zu
dessen Symmetiieachse hin gebogen verlaufend ausgebildet, und zwar derait, daß sie
mit einer im unteren Ende des zylindrischen Teils 9 ausgebildeten Blindbohrung 12
in Verbindung stehen.
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Die erfindungsgemäße Zündkerze weist hakenförmige Elektroden 15, ein
am Zylinder einschraubbares Gewindeteil 16, einen Dichtungsring 17, ein Isolierteil
18 sowie ein Anschlussteil 19 zum Anschluss eines Zündkabels bzw. eines zweiten
Steuerventils 20 auf.
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Eine erfindungsgemäße Zündkerze der vorstehend erläuterten Bauweise
ist in die für Zündkerzen vorgesehene Position in einer Brennkraftmaschine einsetzbar.
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Nachfolgend wird nunmehr die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Zündkerze
näher erläutert: Wenn der Druck im Motorzylinder hoch ist, wird das bewegliche Ventil
10 an seinem die Blindbohrung 12 aufweisenden unteren Teil derart von diesem Druck
beaufschlagt, daß es zum Ventilsitz 6 hin verschoben wird. Infolgedessen wird die
in der Mitte des Ventilsitzes 6 vorgesehene Bohrung 5 durch das konische Teil 8
des Ventils 10 geschlossen und so verhindert, daß das im Zylinder unter Druck stehende
Gasgemisch nach aussen entweichen kann. Beim Arbeitstakt ist die Bohrung 5 des Ventilsitzes
also geschlossen.
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Wenn der Zylinderdruck in einem Augenblick auf Null reduziert wird,
wird das Ventil 10 vom Ventilsitz 6 abgelöst und das Ventil 10 gelangt an das Bodenteil
14 in der Verdickung 3 zur Anlage. Das Ventil 10 gleitet sanft und glatt in dem
kurzen Rohrstück 7, das z.B. aus Metall, beispielweise aus rostfreiem Stahl, gefertigt
ist, das einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und
gegenüber
hohen Temperaturen sehr widerstandsfähig ist.
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Der in die Durchlassbohrung 4 in der Mittelelektrode 1 von oben eintretende
Sekundärluftstrom fliesst entlang der in Längsrichtung verlaufenden Nuten 11 in
der äusseren Umfangsfläche des zylindrischen Teils 9 des Ventils 10 derart, daß
er durch den unterhalb der Verdickung 3 liegendenTeil der Durchlassbohrung 4 in
den Zylinder gelangt.
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Gemäß der Erfindung wird das Ventil 10 in Abhängigkeit von den Druckschwankungen
im Zylinder automatisch bewegt, um den Ventileinlass mit hoher Genauigkeit zu öffnen
oder zu schliessen.
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Die Mittelelektrode 1 befindet sich im Inneren des Isolierkörpers
18. Am oberen Teil der Mittelelektrode 1 ist ein Anschlussteil 19 mit einem Gewinde
19a und einer Verbindungsöffnung 19b vorgesehen.
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Das zweite Steuerventil ist mit 20 bezeichnet (vgl.
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Fig. 4). Dieses Steuerventil besteht aus einem inneren Rohrstück 21,
einem Ventilteil 22, einem Aussenmantel 23, einem Ringteil 24 und einem Elektrodenanschlussteil
25 für ein Zündkabel. Das innere Rohrstück 21 weist eine obere Kammer 21a und eine
untere Kammer 21b auf, die durch eine Zwischenwand 21d voneinander getrennt sind,
wobei die Zwischenwand 21d in Höhe einer um den Aussenumfang umlaufenden ringförmigen
Vertiefung vorgesehen ist. Alle diese Teile bestehen aus im wesentlichen elektrisch-leitfähigem
Material. Die obere Kammer 2laist mit einem Innengewinde 21a1 und die untere Kammer
21b ist mit einem Innengewinde 21b1 ausgerüstet. In der Zwischenwand 21d ist eine
Vielzahl von Ventilöffnungen 21d1 vorgesehen. In der unteren Kammer 21b ist ein
spitz bzw. kegelförmig
zulaufender Ventilsitz 21b2, und im Boden
der oberen Kammer 21a ist eine Gleitöffnung 21a2 vorgesehen.
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Das Ventilteil 22 besteht aus einem unteren verdickten Ventilteil
22a, das in den Ventilsitz 21b2 einpassbar ist, der Ventilstange 22b und einer Kopfschraube
bzw.
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Mutter 22c. Die Ventilstange 22b ist durch die Gleitöffnung 21a2 durch
die Zwischenwand 21d geführt, während eine Feder 26 zwischen der Kopfschraube 22c
und dem Boden der oberen Kammer 21a vorgesehen ist.
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Der Außenmantel 23 und das ringförmige Teil 24 bestehen aus einem
elektrischen Isoliermaterial. Wie die Figuren 7 und 8 zeigen, bildet der untere
Teil des Außenmantels 23 eine Schürze 23a, die die Mittelelektrode 1 der Zündkerze
umgibt. Der Außenmantel 23 ist im Mittelteil mit einer Umfangsvertiefung 23bausgerüstet,
wobei die Vertiefung über eine quer zur Achsrichtung verlaufende Bohrung 23c mit
dem Innenraum des Außenmantels 23 in Verbindung steht. Das innere Rohrstück 21 ist
fest mit dem Außenmantel 23 so verbunden, daß die Umfangsnut 21c des Rohrstücks
21 mit der querverlaufenden Bohrung 23c des Außenmantels 23 verbunden ist. In die
Umfangsvertiefung 23b des Außenmantels 23 ist vorzugsweise ein Filter 27 eingepaßt.
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In dem Ringteil 24 sind mehrere Ansaugöffnungen 24a für die Umqebungsluft
vorgesehen (vgl. Fig. 9 und 10). Das Ringteil 24 ist so in den Außenmantel 23 einsetzbar,
daß die Ansaugöffnungen 24 mit der Umfangsvertiefung 23b des Außenmantels 23 in
Verbindung stehen.
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Das zweite Elektrodenanschlußteil 25 ist mit einem Schneckengewinde
25a ausgerüstet, das in das Innengewinde 25a1 der oberen Kammer 21a des Rohrstücks
21 einpaßbar ist.
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Bei der oben erwähnten Bauweise der erfindungsgemäßen Zündkerze wird
das Steuerventil 10 des ersten Ventils, wenn der Innendruck im Zylinder hoch ist,
d.h. beim Kompressionstakt und beim Zündungstakt, durch den auf die Blindbohrung
12 wirkenden Innendruck des Zylinders gegen den Ventilsitz 6 gedrückt, so daß das
konische Kopfteil 8a des Steuerventils in dichtem Kontakt mit dem Ventilsitz 6 steht
und so wird die Ventilöffnung 5 verschlossen, so daß das Gasgemisch aus dem Zylinder
nicht in den oberen Teil der Durchlaßbohrung 4 der Mittelelektrode gelangen kann.
Die Ventilstange 22b des Ventilteils 22 des zweiten Steuerventils 20 wird zwangsweise
mittels einer Feder 26 gegen den Ventilsitz 21b2 gedrückt. Auf diese Weise wird
ein Gasgemischverlust durch die Gegenwart des zweiten Steuerventils 20 vollständig
verhindert, und zwar auch dann, wenn die sichere Arbeitsweise des Steuerventils
10 mal nicht gewährleistet ist, z.B. bei hohen Motordrehzahlen, z.B. oberhalb von
3OoO U/min. Der Innendruck im Zylinder fällt sofort auf ein negatives Niveau in
der Übergangsperiode zwischen dem Zündungstakt und dem nachfolgenden Auspufftakt
ab. Auf Grund dieses Druckabfalls bewegt sich der untere Ventilteil 22a des Ventilteils
22 vom Ventilsitz 21b2 unter Überwindung der Kraft der Feder 26 weg (vgl. Fig. 4).
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Während das Ventilteil 22a vom Ventilsitz 21b2 entfernt ist, wird
die Umgebungsluft durch die Ansaugöffnungen 24a des Ringteils 24, den in die Umfangsvertiefung
23b des Außenmantels 23 eingesetzten Filter 27, die Umfangsnut 21c des Rohrstücks
21 und durch die Ventilöffnungen 21d1 angesaugt. Die Luft strömt dann durch die
Verbindungsöffnung 19b der Mittelelektrode 1 und den oberen Teil der Durchlassbohrung
4 der Mittelelektrode der Zündkerze hindurch. Schließlich wird die Luft als Sekundärluft
durch die Längsnut 11 des Steuerventils 5, das sich in der in
Figur
1 angegebenen unteren Positio1l befindet, und durch den unteren Teil der Durchlaßbohrung
4 der Mittelelektrode in den Zylinder eingeleitet.
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In einer Brennkraftmaschine wird infolge eines Druckabfalls eines
verbrannten Gasgemisches im Zylinder in der übergangsperiode zwischen Zündungs-
und Auspufftakt der Ventileinlass der erfindunlsgemäßen Zündkerze geöffnet, so daß
Sekundärluft in den Arbeitszylinder eingesaugt wird. Infolgedessen wird das Restgas
im Zylinder durch den Sekundärluftstrom mit relativ niedriçler Temperatur aus dem
Arbeitszylinder herausgedrückt. Auf diese Weise werden also die Restgase im Zylinder
durch die Sekundärluft mit einer vergleichsweise niedrigen Temperatur ersetzt. Folglich
sind das Gewicht und die Temperatur des verbrannten Gases im Zylinder stark verringert,
so daß die in vorstehend erwähnter Weise in de Zylinder geleitete Sekundärluft sehr
nützlich für den Ve-rbrennungsvorgang beim folgenden Zünd- bzw. Arbeitstakt ist
bzw. diesen unterstützt. Dies führt zu einer beträchtlichen Verbesserung des volumetrischen
Füllungsgrades, der Beladungswirksamkeit und des effektiven Drucks des Motors.
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Auf diese Weise wird also eine erhebliche Verringerung des Kraftstoffverbrauchs
erreicht. Darüber hinaus werden die im Zylinder nach Beendigung eines Auspufftaktes
im Zylinder herrschende Temperatur und die Temperatur des Auspuffgases derart verringert,
daß die Bildung von Stickoxiden effektiv verringert wird.
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Der Vorteil der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündkerze mit
dem zweiten Steuerventil, das z.B. durch eine Feder geschlossen gehalten wird, liegt
darin, daß das zweite Steuerventil Gasgemischverluste aus der Verbrennungskammer
des Zylinders wirksam verhindert, und zwar selbst dann, wenn das erste Steuerventil
mal nicht einwandfrei arbeitet. Die Umgebungsluft, die als Sekundärluft
in
den Motor eingesaugt wird, wird vorher zur Reinigung durch einen Filter geleitet.
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Nachfolgend wird über ein mit einer Zündkerze gemäß der Erfindung
durchgeführtes Experiment berichtet, wobei diese Zündkerze in einem Benzinmotor
eines Personenkraftfahrzeugs eingesetzt und im Betrieb gemäß JIS - D 1003 getestet
wurde.
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Verwendeter Motortyp: Benzinmotor 4-Takt Zylinderinnendurchmesser
x Kolbenhub 88 x 82 mm (4-Zylinder) Gesamthubraum: 1994 ccm Maximale Motorleistung:
95 PS/5.ooo U 1 Maximales Motordrehmoment: 16 mkp/3.200 U-1 Die Ergebnisse- des
Experiments zeigen, daß ein PKW-Motor mit Zündkerzen gemäß der Erfindung hinsichtlich
des Kraftstoffverbrauchs einem Motor mit handelsüblichen Zündkerzen überlegen ist.
Der Kraftstoffverbrauch eines PKW-Motors mit erfindungsgemäßen Zündkerzen ist im
Vergleich zum Kraftstoffverbrauch eines PKW-Motors mit handelsüblichen Zündkerzen
bei einer Fahrgeschwindigkeit von jeweils 40-80 km/h um 25,6 96 verringert.
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Um es noch einmal deutlich hervorzuheben: Eine Zündkerze gemäß der
Erfindung kann in einer handelsüblichen Brennkraftmaschine ohne jegliche Modifizierung
derselben eingebaut werden. Infolge der Differenz zwischen den Drücken am Ende eines
Zündtaktes und dem Beginn eines Auspufftaktes gleitet in der erfindungsgemäßen Zündkerze
ein Ventilkörper in einer Ventilkammer automatisch hin und her, ohne von irgendeinem
anderen Faktor beeinflusst zu sein.
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Der Ventileinlass wird daher genau im Einklang mit dem Motor-Zyklus
geöffnet und geschlossen, so daß die
Aussenluft wirksam in den
Zylinder eingeführt werden kann.
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In einer erfindungsgemäßen Zündkerze bleibt die Luftdichte stets erhalten,
so daß eine abnorme Zündung bzw. Fehlzündung niemals auftreten kann. Demzufolge
weist eine Zündkerze gemäß der Erfindung eine hohe Lebensdauer auf und kann, wie
vorstehend bereits erwähnt, sehr vorteilhaft verwendet werden.
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Zusammengefasst bezieht sich die Erfindung somit auf eine Zündkerze
mit einem in dieser ausgebildeten Luftzufuhrkanal für Brennkraftmaschinen, insbesondere
für Benzinmotoren. Durch diesen Kanal kann ein sog. Sekundärluftstrom in einen Verbrennungszylinder
geleitet werden, wenn der innere Druck im Zylinder sich verringert. Die im Zylinder
herrschende Temperatur wird dadurch abgesenkt und erreicht, daß im Arbeitszylinder
enthaltene unverbrannte Gasreste vollständig verbrannt werden, wodurch der im Auspuffgas
des Motors normalerweise enthaltenen, Umweltverschmutzungen verursachenden Substanzen,
insbesondere der Stickoxid-Gehalt, vermindert und darüber hinaus der Kraftstoffverbrauch
verringert wird.
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Die Auspuffkonzentration entsprach den von der japanischen Regierung
vorgeschriebenen Umweltbestimmungen.
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