DE102013201188A1

DE102013201188A1 - Brennkraftmaschine mit Zündkerze und Verfahren zur Zündung einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102013201188A1
Application number: DE201310201188
Authority: DE
Inventors: Oliver Berkemeier; Klemens Grieser
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2014-07-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und mindestens einer Zündkerze (1) zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem mindestens einen Zylinder der direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wobei – die mindestens eine Zündkerze (1) mindestens ein Elektrodenpaar aufweist, das zwei voneinander elektrisch isolierte und beabstandete Elektroden (2, 3) umfasst, von denen eine erste Elektrode (3) als Massenelektrode (5) dient, und – der Abstand zwischen der ersten Elektrode (3) und der zweiten Elektrode (2) in einem Zündspalt (6), in dem sich im Rahmen der Fremdzündung eine Funkenstrecke ausbildet, veränderbar ist. Es soll eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine der genannten Art bereitgestellt werden, die eine sichere Entzündung des in einem Zylinder der Brennkraftmaschine befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches unter sämtlichen Betriebsbedingungen ermöglicht. Erreicht wird dies mit einer Brennkraftmaschine der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens eine der beiden Elektroden (2) zur Einstellung des Abstandes im Zündspalt (6) bewegbar ausgeführt ist, wozu eine Verstelleinrichtung (10) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und mindestens einer Zündkerze zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem mindestens einen Zylinder der direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wobei

– die mindestens eine Zündkerze mindestens ein Elektrodenpaar aufweist, das zwei voneinander elektrisch isolierte und beabstandete Elektroden umfasst, von denen eine erste Elektrode als Massenelektrode dient, und
– der Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode in einem Zündspalt, in dem sich im Rahmen der Fremdzündung eine Funkenstrecke ausbildet, veränderbar ist.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur verbesserten Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine unter Verwendung einer derartigen Zündkerze.
Aufgrund der begrenzten Vorkommen an Mineralöl als Rohstoff für die Gewinnung von Kraftstoffen für Brennkraftmaschinen ist man bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren.
Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch aufgrund des schlechteren Wirkungsgrades insbesondere bei Ottomotoren. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des traditionellen Ottomotors. Der traditionelle Ottomotor arbeitet mit einem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch, das durch äußere Gemischbildung aufbereitet wird, indem in die im Ansaugtrakt befindliche Luft Kraftstoff eingebracht wird. Die Einstellung der Leistung bzw. Last erfolgt durch Veränderung der Füllung des Brennraumes, so dass dem Arbeitsverfahren des Ottomotors – anders als beim Dieselmotor – eine Quantitätsregelung zugrunde liegt.
Diese Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugtrakt vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Je weiter die Drosselklappe geschlossen ist, je mehr versperrt die Klappe den Ansaugtrakt, desto höher ist der Druckverlust der angesaugten Luft über die Drosselklappe hinweg und desto geringer ist der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe und vor dem Einlass in den Brennraum des Zylinders. Auf diese Weise kann über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität eingestellt werden. Diese Art der Laststeuerung erweist sich insbesondere im Teillastbereich als nachteilig, denn geringe Lasten erfordern eine hohe Druckabsenkung, d. h. eine starke Drosselung, wodurch die Ladungswechselverluste mit abnehmender Last steigen.
Um die beschriebenen Drosselverluste zu senken, wurden verschiedene Strategien zur Entdrosselung entwickelt. Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung eines Ottomotors ist beispielsweise ein ottomotorisches Arbeitsverfahren mit Direkteinspritzung. Die direkte Einspritzung des Kraftstoffes ist ein geeignetes Mittel zur Realisierung einer geschichteten Brennraumladung, d. h. eines Schichtladebetriebs, der eine deutliche Abmagerung des Gemisches gestattet und damit eine verminderte Drosselung der Ladeluft erfordert. Dies bietet insbesondere im Teillastbetrieb, d. h. im unteren und mittleren Lastbereich, wenn nur geringe Kraftstoffmengen einzuspritzen sind, thermodynamische Vorteile. Auch das Verfahren, das Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, bedient sich der Direkteinspritzung des Kraftstoffes.
Weitere Vorteile ergeben sich aufgrund der mit einer Direkteinspritzung verbundenen Innenkühlung des Brennraums bzw. des Gemisches, wodurch eine höhere Verdichtung und/oder Aufladung und folglich eine bessere Ausnutzung des Kraftstoffes ohne die für den Ottomotor sonst charakteristische frühzeitige Selbstentzündung des Kraftstoffes, dem sogenannten Klopfen, ermöglicht wird.
Der Schichtladebetrieb ist durch eine sehr inhomogene Brennraumladung gekennzeichnet, wobei in der Nähe der Zündkerze ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch mit vergleichsweise hoher Kraftstoffkonzentration (λ < 1) realisiert wird, während in den darunter befindlichen Gemischschichten geringere Kraftstoffkonzentration, d. h. größere lokale Luftverhältnisse (λ > 1) vorliegen. Dies führt insgesamt zu einer sehr mageren Brennraumladung mit einem Gesamtluftverhältnis λ >> 1.
Üblicherweise und im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist das Luftverhältnis λ definiert als das Verhältnis der dem mindestens einen Zylinder der Brennkraftmaschine tatsächlich zugeführten Luftmasse m_Luft,tat zu der stöchiometrischen Luftmasse m_Luft,stöch, welche erforderlich wäre, um die dem mindestens einen Zylinder zugeführte Kraftstoffmasse m_Kraftstoff gerade vollständig zu oxidieren (stöchiometrischer Betrieb der Brennkraftmaschine λ = 1). Es gilt λ = m_Luft,tat/m_Luft,stöch.
Für die Einspritzung des Kraftstoffes, die Gemischaufbereitung im Brennraum, nämlich die Durchmischung von Luft und Kraftstoff – soweit gewollt – und die Aufbereitung des Kraftstoffes im Rahmen von Vorreaktionen einschließlich der Verdampfung, sowie der Zündung des aufbereiteten Gemisches stehen nur vergleichsweise kurze Zeiträume in der Größenordnung von Millisekunden zur Verfügung. Daher sind die Anforderungen an die Zündung bzw. an die Zündkerze wesentlich höher als bei traditionellen ottomotorischen Verfahren, damit auch unter den erschwerten Verhältnissen eine sichere Entzündung gewährleistet werden kann.
Das Gesamtluftverhältnis λ variiert während des Betriebes des direkteinspritzenden Ottomotors in Abhängigkeit von der momentanen Last. Dabei wird die Brennkraftmaschine im Teillastbetrieb in der Regel mager (λ > 1) mit einem Luftüberschuss und bei höheren Lasten bzw. Volllast gelegentlich auch fett (λ < 1) unter Luftmangel betrieben. Auch die Variation des Gesamtluftverhältnisses λ führt zu höheren Anforderungen an die Zündkerze, denn es muss unter sämtlichen Lasten bzw. bei unterschiedlichsten Gesamtluftverhältnissen λ eine sichere Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches gewährleisten sein.
Insbesondere sollen Zündaussetzer, die nicht nur zu Drehungleichförmigkeiten, d. h. zu Drehzahlschwankungen der Brennkraftmaschine, sondern auch zu erhöhten Schadstoffemissionen, insbesondere zu erhöhten Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, führen, vermieden werden.
Um magere Gemische zuverlässig entzünden zu können, wird ein vergleichsweise großer Abstand zwischen den beiden Elektroden bevorzugt bzw. angestrebt, damit ein ausreichend hoher Anteil an Kraftstoffmolekülen trotz des Luftüberschusses im Brennraum in den Zündspalt der Zündkerze gelangt, in dem im Rahmen der Fremdzündung die Funkenstrecke ausgebildet wird.
Ein vergleichsweise großer bzw. größerer Elektrodenabstand wird auch bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine bevorzugt, um auch während der Warmlaufphase, wenn die Betriebstemperaturen noch verhältnismäßig niedrig sind, eine sichere Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu gewährleisten.
Einen Einfluss auf die Zündfähigkeit bzw. Zündwilligkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches hat auch die Abgasrückführung, d. h. die von der Auslassseite auf die Einlassseite rückgeführte Abgasmenge. Die Abgasrückführung eignet sich zur Reduzierung der Stickoxidrohemissionen, wobei mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidrohemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate x_AGR bestimmt sich dabei zu x_AGR = m_AGR/(m_AGR + m_Frischluft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte – gegebenenfalls durch einen Verdichter geführte und komprimierte – Frischluft bezeichnet. Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 60% bis 70% liegen können. Die Abgasrückführung kann des Weiteren bei hohen Lasten dazu verwendet werden, die Klopfneigung zu senken. Bei hohen Rückführraten wird ein großer bzw. größerer Elektrodenabstand bevorzugt bzw. bei zunehmender Rückführrate eine Vergrößerung des Elektrodenabstandes, um eine sichere Entzündung des Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisches mit einer akzeptablen Zündspannung zu gewährleisten.
Hingegen wird für hohe Lasten bzw. den Vollastbetrieb ein verminderter, d. h. ein vergleichsweise geringer Abstand der Elektroden bevorzugt, wobei ein Mindestabstand nicht unterschritten werden sollte, um einen unakzeptabel hohen Abbrand an den beiden Elektroden zu vermeiden. Ein verkleinerter Elektrodenabstand wird grundsätzlich bevorzugt, wenn die für eine sichere Entzündung erforderliche Zündspannung unerwünscht stark ansteigt, d. h. unerwünscht hohe Werte annimmt. Damit kann die dann tatsächlich erforderliche Zündspannung gemindert werden.
Die vorstehend gemachten Ausführungen zeigen, dass eine Zündkerze mit variablen Elektrodenabstand überaus vorteilhaft wäre, um bei einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine unter sämtlichen Betriebsbedingungen eine zuverlässige Entzündung zu gewährleisten.
Die US 6,586,865 B1 beschreibt eine Zündkerze der eingangs genannten Art, bei der sich der Abstand der Elektroden in Abhängigkeit von der vorliegenden Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine verändert. Dabei wird eine Elektrode der Zündkerze in der Art eines Bimetalls ausgebildet, die zwei in Schichten angeordnete Komponenten umfasst, deren thermisches Ausdehnungsverhalten unterschiedlich ist. Die beiden Komponenten sind dabei hinsichtlich ihres Ausdehnungsverhaltens in der Art ausgewählt und angeordnet, dass sich der Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ausgehend von einer kalten Brennkraftmaschine im Rahmen der Warmlaufphase mit zunehmender Betriebstemperatur vergrößert. Eine derartige Zündkerze verfügt über einen geringeren Elektrodenabstand während der Warmlaufphase und über einen vergrößerten Abstand im Teillastbetrieb bzw. Magerbetrieb, aber nicht über einen verringerten Abstand bei höheren Lasten.
Eine weiterentwickelte Zündkerze der in Rede stehenden Art, d. h. eine Zündkerze, bei der der Abstand zwischen den beiden Elektroden veränderbar ist, wird auch in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 037 412 A1 beschrieben. Um einen veränderbaren, d. h. variablen Abstand zu realisieren, ist wieder mindestens eine der beiden Elektroden in der Art eines Bimetalls ausgebildet, wobei das Bimetall zwei Komponenten umfasst, deren thermisches Ausdehnungsverhalten unterschiedlich ist. Damit sich der Abstand zwischen den Elektroden ausgehend von einer kalten Brennkraftmaschine im Rahmen einer Warmlaufphase mit zunehmender Betriebstemperatur zunächst vergrößert, um sich bei Überschreiten einer vorgebbaren Grenztemperatur mit weiter zunehmender Betriebstemperatur wieder zu verkleinern, ist eine gezielte Auswahl der beiden zur Ausbildung des Bimetalls verwendeten Komponenten erforderlich. Die beiden Komponenten weisen daher ein aufeinander abgestimmtes Ausdehnungsverhalten auf, wobei die zweite Komponente in einem ersten Temperaturbereich ein vermindertes und in einem benachbarten Temperaturbereich ein vergrößertes Ausdehnungsverhalten als die erste Komponente hat.
Nachteilig an der Zündkerze der DE 10 2006 037 412 A1 ist, dass sich der Abstand zwischen den Elektroden selbsttätig und ausschließlich in Abhängigkeit von der im Zylinder der Brennkraftmaschine vorliegenden Temperatur verändert. Eine gezielte bedarfsgerechte Einstellung des Abstandes der Elektroden im Zündspalt ist nicht möglich, d. h. ein betriebspunktspezifisch optimierter Elektrodenabstand lässt sich nicht realisieren.
Insbesondere lässt sich der Abstand zwischen den Elektroden nicht in Abhängigkeit der Abgasrückführrate x_AGR und/oder des Gesamtluftverhältnisses λ verändern, d. h. einstellen.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die eine sichere Entzündung des in einem Zylinder der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches unter sämtlichen Betriebsbedingungen ermöglicht.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches unter Verwendung einer Zündkerze aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und mindestens einer Zündkerze zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem mindestens einen Zylinder der direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wobei

– die mindestens eine Zündkerze mindestens ein Elektrodenpaar aufweist, das zwei voneinander elektrisch isolierte und beabstandete Elektroden umfasst, von denen eine erste Elektrode als Massenelektrode dient, und
– der Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode in einem Zündspalt, in dem sich im Rahmen der Fremdzündung eine Funkenstrecke ausbildet, veränderbar ist,

– mindestens eine der beiden Elektroden zur Einstellung des Abstandes im Zündspalt bewegbar ausgeführt ist, wozu eine Verstelleinrichtung vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt über eine Zündkerze mit Verstelleinrichtung, mit der auf den Elektrodenabstand gezielt Einfluss genommen werden kann, d. h. der Abstand der beiden Elektroden im Zündspalt lässt sich aktiv steuern. Hierzu ist mindestens eine der beiden Elektroden bewegbar ausgeführt, so dass diese mindestens eine bewegbare Elektrode mittels Verstelleinrichtung bewegt, d. h. zur Verkleinerung des Abstandes im Zündspalt auf die andere Elektrode zubewegt bzw. zur Vergrößerung des Abstandes im Zündspalt von der anderen Elektrode wegbewegt werden kann.
Die mindestens eine bewegbare Elektrode lässt sich mittels Verstelleinrichtung gezielt bewegen und von einer Arbeitsposition in eine andere Arbeitsposition überführen.
Insofern gestattet die erfindungsgemäße Zündkerze eine betriebspunktspezifische Einstellung des Abstandes der Elektroden im Zündspalt, d. h. für jeden beliebigen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine die Einstellung des optimalen Elektrodenabstandes. Im Unterschied zum Stand der Technik, gemäß dem lediglich die Temperatur im Zylinder in der Nähe des Elektrodenpaares Berücksichtigung findet, lässt sich erfindungsgemäß der Abstand zwischen den Elektroden in Abhängigkeit eines beliebigen Betriebsparameters steuern, d. h. einstellen, insbesondere auch in Abhängigkeit der Abgasrückführrate x_AGR und/oder des Gesamtluftverhältnisses λ verändern, d. h. einstellen.
Dadurch wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, die eine sichere Entzündung des in einem Zylinder der direkteinspritzenden Brennkraftmaschine befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches unter sämtlichen Betriebsbedingungen ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Zündkerze kann die unterschiedlichsten Anforderungen an den Elektrodenabstand erfüllen.
So kann ein größerer bzw. vergrößerter Elektrodenabstand für einen Kaltstart der Brennkraftmaschine realisiert werden. Magere Gemische lassen sich ebenfalls mit einem vergrößerten Abstand zuverlässig entzünden, womit sich den in der Teillast vorliegenden Luftverhältnisissen Rechnung tragen lässt. Gleiches gilt für Betriebszustände mit Abgasrückführung. Zu hohen Lasten hin und bei Volllast kann der Abstand der Elektroden bedarfsgerecht vermindert, d. h. ein verkleinerter Elektrodenabstand eingestellt werden.
Des Weiteren gestattet die erfindungsgemäße Zündkerze eine Vergrößerung des Elektrodenabstandes infolge eines verschleißbedingten Abbrandes der Elektroden durch Nachjustieren der mindestens einen bewegbar ausgeführten Elektrode zu kompensieren, d. h. auszugleichen. Dies erhöht die Lebensdauer der Zündkerze erheblich, denn nimmt der Abstand durch Verschleiß mit fortschreitender Betriebsdauer zu, wird eine immer größere Zündspannung erforderlich, um eine Funkenstrecke auszubilden, wobei die erhöhte Zündspannung wiederum für einen erhöhten Abbrand sorgt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Zündkerze, bei denen der Abstand der Elektroden stufenlos einstellbar ist. Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen der Zündkerze, bei denen der Abstand der Elektroden stufenweise, insbesondere mehrstufig, aber auch zweistufig einstellbar ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine bewegbar ausgeführte Elektrode die Massenelektrode ist.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen beide Elektroden des Elektrodenpaares bewegbar ausgeführt sind.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Mittelelektrode vorgesehen ist, die in einem Gehäuse der mindestens einen Zündkerze angeordnet und mittels Isolator von der Massenelektrode elektrisch isoliert ist.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Mittelelektrode die mindestens eine bewegbar ausgeführte Elektrode ist, wobei die Massenelektrode unbeweglich ausgeführt ist. Die Mittelelektrode eignet sich in besonderer Weise als bewegbare Elektrode ausgeführt zu werden, da die Massenelektrode die Mittelelektrode in der Regel brennraumseitig ähnlich einer Kappe umschließt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang ebenfalls Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Mittelelektrode im Gehäuse mittels Verstelleinrichtung translatorisch verschiebbar ist, wobei die Massenelektrode starr mit dem Gehäuse verbunden ist.
Dabei wird durch translatorisches Verschieben der Mittelelektrode der Abstand zwischen den beiden Elektroden im Zündspalt eingestellt, wobei die Mittelelektrode zur Verkleinerung des Abstandes im Zündspalt auf die Massenelektrode zubewegt und zur Vergrößerung des Abstandes im Zündspalt von der Massenelektrode wegbewegt wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Verstelleinrichtung mindestens ein temperatur-reaktives Wachselement umfasst, dessen Volumen sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, wobei die Volumenänderung des Wachselements zu einer Bewegung der mindestens einen bewegbar ausgeführten Elektrode führt.
Das temperatur-reaktive Wachselement fungiert als Verstellvorrichtung bzw. als Teil einer Verstellvorrichtung. Das Wachselement muss lediglich thermisch aktiviert werden. Die thermische Aktivierung, d. h. die Änderung, insbesondere die Erhöhung, der Temperatur des Wachselements führt zu einer Änderung des Volumens, wobei die Volumenänderung des Wachselements vorliegend zum Bewegen der bewegbar ausgeführten Elektrode genutzt wird. Die Aktivierung des Wachselements kann auf vielfältige Weise erfolgen, beispielsweise – wie weiter unten noch beschrieben wird – mittels eines Heizelementes.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen eine mechanische Verstelleinrichtung vorgesehen wird.
Wird zur Ausbildung der Verstellvorrichtung ein temperatur-reaktives Wachselement eingesetzt, sind Ausführungsformen der Zündkerze vorteilhaft, bei denen das mindestens eine temperatur-reaktive Wachselement in einem Arbeitsraum angeordnet ist und bei Aktivierung mittels Temperaturerhöhung eine Verschiebemechanik betätigt, welche eine Bewegung der mindestens einen bewegbar ausgeführten Elektrode herbeiführt.
Das Wachselement soll bei Aktivierung zu einer Bewegung der mindestens einen bewegbar ausgeführten Elektrode führen. Um den Aktuator einer Verschiebemechanik mittels Volumenänderung betätigen und die hierfür erforderliche Kraft aufbauen zu können, ist es vorteilhaft, das Wachselement in einem Arbeitsraum anzuordnen, welcher einer Volumenänderung grundsätzlich entgegen wirkt, d. h. einer Ausdehnung des Wachselementes zunächst entgegen steht. Die Volumenänderung wird mittels und im Arbeitsraum kontrolliert auf einen Aktuator geleitet, durch den eine Verschiebemechanik betätigt wird, welche eine Bewegung der mindestens einen bewegbar ausgeführten Elektrode herbeiführt.
Je nach Wirkprinzip bzw. Aufbau der Verschiebemechanik, kann das bei Aktivierung expandierende Wachselement, d. h. die Ausdehnung des Wachselements, zu einer Verkleinerung oder Vergrößerung des Elektrodenabstandes im Zündspalt führen, d. h. genutzt werden.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das temperatur-reaktive Wachselement bei Aktivierung mittels Temperaturerhöhung infolge einer Bewegung der mindestens einen bewegbar ausgeführten Elektrode eine Verkleinerung des Abstandes im Zündspalt herbeiführt.
Das Wachselement könnte dann unter anderem bei einer höheren Last bzw. zu hohen Lasten hin aktiviert werden, um eine Verkleinerung des Elektrodenabstandes im Zündspalt herbeizuführen.
Vorteilhaft sind des Weiteren Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das temperatur-reaktive Wachselement aktiv steuerbar ist. Diese Ausführungsform gestattet eine kennfeldspezifische Steuerung des Wachselementes und damit eine betriebspunktspezifische Einstellung des Elektrodenabstandes.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das temperatur-reaktive Wachselement aktiv mittels eines Heizelementes und/oder einer Motorsteuerung steuerbar ist.
Ist das temperatur-reaktive Wachselement aktiv steuerbar, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen das temperatur-reaktive Wachselement elektrisch steuerbar ist. Elektrisch gesteuerte Wachselemente haben den Vorteil, dass diese mit der üblichen Steuerungstechnik einer Brennkraftmaschine kompatibel sind. Ferner kann eine elektrische Steuerung in einfacher Weise die Bordbatterie nutzen.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zur verbesserten Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Abstand zwischen den zwei Elektroden in einem Bereich, in dem im Rahmen der Fremdzündung eine Funkenstrecke ausgebildet wird, in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine mittels Verstelleinrichtung verändert wird.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Abstand zwischen den zwei Elektroden mit zunehmender Abgasrückführrate x_AGR vergrößert wird.
Die Abgasrückführung hat Einfluss auf die Zündfähigkeit bzw. Zündwilligkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Bei hohen Rückführraten wird ein größerer Elektrodenabstand bevorzugt bzw. bei zunehmender Rückführrate eine Vergrößerung des Elektrodenabstandes, um eine sichere Entzündung des Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisches realisieren zu können.
Vorteilhaft sind grundsätzlich Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Abstand zwischen den zwei Elektroden verkleinert wird, um die erforderliche Zündspannung zu vermindern.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Abstand zwischen den zwei Elektroden bei mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen (λ > 1) mit zunehmendem Luftverhältnis λ vergrößert wird.
Um magere Gemische zuverlässig entzünden zu können, ist ein vergleichsweise großer Abstand zwischen den beiden Elektroden erforderlich, damit ein ausreichend hoher Anteil an Kraftstoffmolekülen trotz des Luftüberschusses im Brennraum in den Zündspalt der Zündkerze gelangt, in dem im Rahmen der Fremdzündung die Funkenstrecke ausgebildet wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Abstand zwischen den zwei Elektroden ausgehend von einer im Teillastbetrieb befindlichen Brennkraftmaschine mit zunehmender Last verkleinert wird.
Während die im Teillastbetrieb in der Regel vergleichsweise mageren Gemische einen größeren Abstand zwischen den beiden Elektroden erfordern, wird für hohe Lasten bzw. den Volllastbetrieb ein kleiner Abstand zwischen den Elektroden bevorzugt, insbesondere auch im Hinblick auf die erforderliche Zündspannung.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Abstand zwischen den zwei Elektroden für einen Kaltstart der Brennkraftmaschine vergrößert wird.
Ein größerer bzw. großer Elektrodenabstand wird bei einem Kaltstart bevorzugt, um bei niedrigen Betriebstemperaturen eine sichere Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu gewährleisten.
Um eine sichere Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches beim Starten der Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Kaltstart, zu gewährleisten, wird in der Startphase häufig ein Vielfaches der Kraftstoffmasse m_fuel,stöch eingespritzt, die mit der im Zylinder befindlichen Ladeluft stöchiometrisch verbrannt werden könnte. Dabei werden nicht selten Anreicherungsfaktoren von 10 und mehr realisiert, wobei der Anreicherungsfaktor das Verhältnis von tatsächlich zugeführter Kraftstoffmasse zur stöchiometrischen Kraftstoffmasse angibt. Das Ziel dieser Maßnahme ist es, durch den Kraftstoffüberschuss eine ausreichend große Kraftstoffmenge zu verdampfen, um eine sichere Entzündung zu gewährleisten.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Abstand zwischen den zwei Elektroden des mindestens einen Elektrodenpaares ausgehend von einer kalten Brennkraftmaschine mit zunehmender Betriebstemperatur bei Erreichen einer vorgebbaren Last mit weiter zunehmender Last verkleinert wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels der Zündkerze gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine erste Ausführungsform der Zündkerze in der Seitenansicht und teilweise geschnitten.
1 zeigt in der Seitenansicht und teilweise geschnitten eine Zündkerze 1, die über ein Elektrodenpaar verfügt, das zwei zueinander beabstandete Elektroden 2, 3 aufweist.
Eine Elektrode 2 des Elektrodenpaares ist als zentral angeordnete Mittelelektrode 4 ausgebildet. Die andere Elektrode 3 dient als Massenelektrode 5, welche die Mittelelektrode 4 brennraumseitig ähnlich einer Kappe umschließt. Dabei sind ausreichend viele Öffnungen vorgesehen, damit das Kraftstoff-Luft-Gemisch in einen Zündspalt 6 zwischen den beiden Elektroden 2, 3 gelangen kann, in welchem sich im Rahmen der Fremdzündung eine Funkenstrecke ausbildet. Ein Isolator 7 umgibt die zentral angeordnete Mittelelektrode 4 und isoliert die beiden Elektroden 2, 3 elektrisch voneinander, wobei der Isolator 7 selbst in einem Gewindegehäuse 8 aufgenommen wird.
Die Mittelelektrode 4 ist als bewegbare Elektrode 4 ausgeführt und die Massenelektrode 5 ist starr mit dem Gewindegehäuse 8 verbunden, d. h. unbeweglich. Die Mittelelektrode 4 ist im Isolator 7 mittels Verstelleinrichtung 10 translatorisch entlang der Längsachse 9 der Zündkerze 1 verschiebbar.
Dabei wird durch translatorisches Verschieben (Doppelpfeil) der Mittelelektrode 4 der Abstand zwischen den beiden Elektroden 2, 3 im Zündspalt 6 eingestellt, wobei die Mittelelektrode 4 zur Verkleinerung des Abstandes im Zündspalt 6 auf die Massenelektrode 5 zubewegt und zur Vergrößerung des Abstandes im Zündspalt 6 von der Massenelektrode 5 wegbewegt wird.
Vorliegend umfasst die Verstelleinrichtung 10 ein temperatur-reaktives Wachselement 10a, dessen Volumen sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, wobei die Volumenänderung des Wachselements 10a zu einer Bewegung der bewegbar ausgeführten Mittelelektrode 4 führt. Hierzu ist das Wachselement 10a in einem Arbeitsraum 10c angeordnet, um die Volumenänderung infolge Temperaturerhöhung in eine Verstellkraft zu transformieren. Bei Aktivierung des Wachselementes 10a mittels Temperaturerhöhung wird der Abstand im Zündspalt 6 durch die Bewegung der Mittelelektrode 4 entgegen der Federkraft einer Rückstellfeder 10b verkleinert.
Bezugszeichenliste

1: Zündkerze
2: Elektrode
3: Elektrode
4: Mittelelektrode, bewegbare Elektrode
5: Massenelektrode, unbewegliche Elektrode
6: Zündspalt
7: Isolator
8: Gewindegehäuse
9: Längsachse
10: Verstelleinrichtung
10a: temperatur-reaktives Wachselement
10b: Rückstellfeder
10c: Arbeitsraum
x_AGR: Rückführrate
λ: Luftverhältnis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6586865 B1 [0018]
DE 102006037412 A1 [0019, 0020]

Claims

Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und mindestens einer Zündkerze (1) zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem mindestens einen Zylinder der direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wobei – die mindestens eine Zündkerze (1) mindestens ein Elektrodenpaar aufweist, das zwei voneinander elektrisch isolierte und beabstandete Elektroden (2, 3) umfasst, von denen eine erste Elektrode (3) als Massenelektrode (5) dient, und – der Abstand zwischen der ersten Elektrode (3) und der zweiten Elektrode (2) in einem Zündspalt (6), in dem sich im Rahmen der Fremdzündung eine Funkenstrecke ausbildet, veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens eine der beiden Elektroden (2) zur Einstellung des Abstandes im Zündspalt (6) bewegbar ausgeführt ist, wozu eine Verstelleinrichtung (10) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine bewegbar ausgeführte Elektrode die Massenelektrode (5) ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (2, 3) des Elektrodenpaares bewegbar ausgeführt sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mittelelektrode (4) vorgesehen ist, die in einem Gehäuse (8) der mindestens einen Zündkerze (1) angeordnet und mittels Isolator (7) von der Massenelektrode (5) elektrisch isoliert ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelelektrode (4) die mindestens eine bewegbar ausgeführte Elektrode (4) ist, wobei die Massenelektrode (5) unbeweglich ausgeführt ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelelektrode (4) im Gehäuse (8) mittels Verstelleinrichtung (10) translatorisch verschiebbar ist, wobei die Massenelektrode (5) starr mit dem Gehäuse (8) verbunden ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (10) mindestens ein temperatur-reaktives Wachselement (10a) umfasst, dessen Volumen sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, wobei die Volumenänderung des Wachselements (10a) zu einer Bewegung der mindestens einen bewegbar ausgeführten Elektrode (4) führt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine temperatur-reaktive Wachselement (10a) in einem Arbeitsraum (10c) angeordnet ist und bei Aktivierung mittels Temperaturerhöhung eine Verschiebemechanik betätigt, welche eine Bewegung der mindestens einen bewegbar ausgeführten Elektrode (4) herbeiführt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das temperatur-reaktive Wachselement (10a) bei Aktivierung mittels Temperaturerhöhung infolge einer Bewegung der mindestens einen bewegbar ausgeführten Elektrode (4) eine Verkleinerung des Abstandes im Zündspalt (6) herbeiführt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das temperatur-reaktive Wachselement (10a) aktiv steuerbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das temperatur-reaktive Wachselement (10a) aktiv mittels eines Heizelementes und/oder einer Motorsteuerung steuerbar ist.
Verfahren zur verbesserten Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche mittels einer Zündkerze (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den zwei Elektroden (2, 3) in einem Bereich, in dem im Rahmen der Fremdzündung eine Funkenstrecke ausgebildet wird, in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine mittels Verstelleinrichtung (10) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den zwei Elektroden (2, 3) mit zunehmender Abgasrückführrate x_AGR vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den zwei Elektroden (2, 3) verkleinert wird, um die erforderliche Zündspannung zu vermindern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den zwei Elektroden (2, 3) bei mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen (λ > 1) mit zunehmendem Luftverhältnis λ vergrößert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den zwei Elektroden (2, 3) ausgehend von einer im Teillastbetrieb befindlichen Brennkraftmaschine mit zunehmender Last verkleinert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den zwei Elektroden (2, 3) für einen Kaltstart der Brennkraftmaschine vergrößert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den zwei Elektroden (2, 3) des mindestens einen Elektrodenpaares ausgehend von einer kalten Brennkraftmaschine mit zunehmender Betriebstemperatur bei Erreichen einer vorgebbaren Last mit weiter zunehmender Last verkleinert wird.