DE10057630A1 - Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder und einem in diesem beweglichen Hubkolben - Google Patents

Abstract

Es gibt Brennkraftmaschinen mit wenigstens einem Zylinder und einem darin beweglichen Hubkolben, mit einem dem Zylinder zugeordneten Zylinderkopf; mit einer Direkteinspritzdüse und wahlweise einer elektrischen Zündkerze und mit einer ortsfest am oder im Zylinderkopf angeordneten Einrichtung zur Aufnahme elektrischer Energie zu dem Zweck, dass eine Oberfläche der Einrichtung erwärmbar ist zum wenigstens teilweisen Verdampfen von Kraftstoff und wenigstens zum Unterstützen der Entflammung vom Kraftstoff-Luft-Gemisch insbesondere dann, wenn die betreffende Brennkraftmaschine beispielsweise im kalten Zustand zu starten ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Einrichtung zur Aufnahme elektrischer Energie derart auszubilden, dass sie gemeinsam mit dem Hubkolben beweglich ist und wenigstens mittelbar mit elektrischer Energie versorgbar ist. Hierfür ist der Einrichtung ein mit dem Hubkolben (4) bewegbarer ohmscher Widerstand (10) zugeordnet, der mit einer Sekundärwicklung (9) eines Übertragers zu einem Stromkreis zusammengeschaltet ist, wobei ein magnetisches Wechselfeld, das der Sekundärwicklung (9) zugeführt wird, erzeugt wird mittels einer vom Zylinderkopf (5) getragenen Primärwicklung (8). DOLLAR A Die mit dem ohmschen Widerstand (10) ausgerüstete Einrichtung dient zum wenigstens teilweisen Verdampfen von mittels der Einspritzdüse (6) eingespritztem Kraftstoff zum Zweck der Erleichterung des Startens der Brennkraftmaschine und zum Mindern des HC-Gehaltes von Verbrennungsgasen.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Durch die Druckschrift DE 19 06 585 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt mit einem Hubkolben, in dessen Hubkolbenboden ein muldenförmiges Wärmerohr (heat-pipe) eingebaut ist zu dem Zweck, dass ein axial variabel von dem Hubkolben begrenzter Brennraum zwecks besserer Vergasung und Verbrennung von Kraftstoff eine gewollt hohe Temperatur annimmt, die aber höchstens unwesentlich überschritten wird. Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine dieser Druckschrift DE 19 06 585 A1 hat in den Zylinderkopf eingebaut ein Wärmerohr (heat-pipe), das elektrisch heizbar ist mittels eines elektrischen Widerstands in Form einer Wendel. Die elektrische Heizung ergibt den Vorteil, dass beispielsweise schon vor einer ersten Einspritzung das Wärmerohr eine erhöhte Temperatur aufweist und dass dadurch einzuspritzender Kraftstoff wenigstens zum Teil verdampfbar und dadurch besser verbrennbar ist. Insoweit ist dieses Wärmerohr auch als Starthilfe für die Brennkraftmaschine verwendbar. Das Ausführungsbeispiel mit dem muldenförmigen Wärmerohr am Hubkolben weist keine elektrische Heizung auf und wird erst wirksam durch Erwärmung mittels brennendem Kraftstoff-Luft-Gemisch. Insoweit ist das vom Hubkolben getragene Wärmerohr kein Starthilfsmittel.

Durch die Druckschrift DE 27 15 943 A1 ist eine weitere Brennkraftmaschine bekannt. Diese besitzt eine mit einem sogenannten Hauptbrennraum kommunizierende Zündkammer, deren Wandung zum Teil als Wärmerohr (heat-pipe) ausgebildet ist und beispielsweise mit einer elektrischen Widerstandsheizung ausgestattet ist zur Begünstigung der Verbrennung von Kraftstoff.

Durch die Druckschrift US 45 86 075 A ist eine weitere Zündkammer bekannt, die wie ein Wärmerohr (heat-pipe) temperiert ist und elektrisch heizbare Zündhilfen aufweist. In die Zündkammer mündet eine Einspritzdüse entweder für Diesel-Kraftstoff oder Otto-Kraftstoff. Wenn die Zündkammer für Otto-Kraftstoff verwendet wird, ist die Zündkammer mit einer Zündkerze ausgestattet. Als nachteilig kann angesehen werden, dass das Kommunizieren der Zündkammer mit dem Hauptbrennraum durch enge Kanäle hindurch mit Strömungswiderständen und dementsprechenden Energieverlusten belastet ist. Diese Energieverluste verursachen Kraftstoffverbrauch. Deshalb wird eine mit Kraftstoff- Direkteinspritzung ausgerüstete Brennkraftmaschine häufig bevorzugt.

Durch die Druckschrift DE 31 17 144 A1 ist eine mit Direkteinspritzung arbeitende Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern und dementsprechend mehreren Hubkolben bekannt. Diese Brennkraftmaschine ist als eine Viertakt- Maschine mit sechs Zylindern dargestellt und eingerichtet zum Starten ohne einen üblichen die Kurbelwelle drehenden Anlassmotor. Das Starten wird eingeleitet durch Aussuchen eines Zylinders, dessen Hubkolben anlässlich einer beginnenden Drehung der Kurbelwelle derjenige ist, der sich hierbei in einem Arbeitshub befindet. Der Start erfolgt durch Direkteinspritzung von Kraftstoff in den ausgesuchten Zylinder und durch elektrische Zündung des Kraftstoffs. Weil wegen des Stillstands des Hubkolbens insbesondere bei kalter Brennkraftmaschine eine Vermischung von Kraftstoff und im Zylinder vorhandener Luft nachteilig mangelhaft sein kann, kommt ein Anlaufen der Brennkraftmaschine gegebenenfalls nicht zu Stande.

Vorteile der Erfindung

Die Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass vor einer Direkteinspritzung von Kraftstoff in den ausgesuchten Zylinder eine brennraumseitige Oberfläche des Hubkolbens auf eine Temperatur erwärmbar ist, derart, dass wenigstens ein Teil von diesem auf die Oberfläche treffenden Kraftstoff verdampft und sich mit Luft mischt und dadurch elektrisch zündbar wird.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Brennkraftmaschine möglich.

Die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 2 geben ein Ausführungsbeispiel an, das sich beispielsweise unter Verwendung von elektrischem Widerstandsdraht herstellen lässt.

Die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 3 und des Anspruchs 4 ergeben den Vorteil, dass die Versorgung des ohm'schen Widerstands mit Heizstrom ohne Verwendung von Kontaktleisten und Schleifkontakten oder anderen variable Abstände überbrückenden und dabei stromleitenden Elementen aus der Elektrotechnik erfolgt. Dies kommt der Funktionssicherheit auch über lange Betriebszeiträume der Brennkraftmaschine zugute.

Die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 5 ergeben den Vorteil, dass eine verlustarme induktive Übertragung von elektrischer Energie zu dem ohm'schen Widerstand möglich ist.

Die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 6 ergeben eine technisch einfache und deshalb preisgünstige Anordnung des Magnetflussleitkörpers.

Die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 7 ergeben eine für die Energieübertragung günstige Ausrichtung der beteiligten Elemente.

Die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 8 verbessern die Konzentration von Magnetflusslinien im Bereich der bewegbaren Sekundärwicklung, wodurch der Wirkungsgrad der elektrischen Energieübertragung ansteigt.

Die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 9 geben eine Alternative an zu der induktiven Heizstromübertragung gemäß den Ansprüchen 2 bis 8.

Die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 10 geben eine weitere Alternative an, die Schleifleisten und Schleifkontakte gemäß dem Anspruch 9 vermeidet und dieserart einen Zuverlässigkeitsgrad erreichbar macht, der mit dem der induktiven Heizstromübertragung vergleichbar ist.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipbild mit einer ortsfesten Primärwicklung und einer beweglichen Sekundärwicklung und einem der Sekundärwicklung zugeordneten ohm'schen Widerstand,

Fig. 2 eine räumliche Anordnungsweise an einem Hubkolben in Übereinstimmung mit dem Prinzip der Fig. 1 und Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel sowie Fig. 4 ein weiteres Prinzipbild.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 2, die hier beispielsweise eine Otto- Maschine ist, schematisiert dargestellt. Dabei sind strichpunktiert dargestellt ein Zylinder 3, ein in diesem verschiebbarer Hubkolben 4, ein Zylinderkopf 5, eine Einspritzdüse 6, eine elektrische Zündkerze 7, eine Primärwicklung 8, eine Sekundärwicklung 9, ein ohm'scher Widerstand 10 und ein Magnetflussleitkörper 11.

Der Zylinder 3, der Hubkolben 4 und der Zylinderkopf 5 umschließen einen Brennraum 12, dessen Volumen in Abhängigkeit von Bewegungen des Hubkolbens 4 variiert. Die Einspritzdüse 6 mündet in diesen Brennraum 12 und zielt dabei gegen den Hubkolben 4. Dabei ist die Einspritzdüse 6 in nicht dargestellter Weise versorgbar aus einer Einrichtung, die Kraftstoff, beispielsweise Otto-Kraftstoff, mit Druck zur Verfügung stellt. Die elektrische Zündkerze 7 ist beispielsweise aus dem Stand der Technik auswählbar und weist Elektroden 13 und 14 auf, die in den Brennraum 12 hineinragen und zwischen sich eine Zündfunkenstrecke 15 bilden. Alternativ könnte die Einspritzdüse 6 auch zum Einspritzen von Diesel-Kraftstoff eingerichtet sein zum Betreiben der Brennkraftmaschine im Diesel-Verfahren.

Anstelle der Zündkerze 7 könnte man eine Glühkerze einbauen. Der Einfachheit halber nicht dargestellt ist wenigstens ein Gaseinlassventil von bekannter Art und wenigstens ein Gasauslassventil von bekannter Art. Die Anordnung von einem Gaseinlassventil und einem Gasauslassventil macht die Brennkraftmaschine 2 zu einer Viertakt-Brennkraftmaschine. Die Erfindung ist aber nicht auf die Anwendung in einer Viertakt-Brennkraftmaschine beschränkt, sondern sie kann auch angewandt werden in Kombination mit einer Zweitakt- Brennkraftmaschine. Die Ausbildung einer Brennkraftmaschine als eine Zweitakt-Brennkraftmaschine ist weithin bekannt, so dass auch hier der Einfachheit halber auf eine ausführliche Darstellung verzichtet werden kann.

Die Primärwicklung 8 ist mit ihrer Wickelachse vorzugsweise oder im wesentlichen parallel zu einer gedachten Längsachse des Zylinders 3 ausgerichtet starr in dem Zylinderkopf 5 befestigt und mit Wechselstrom versorgbar aus einer nicht dargestellten Wechselstromquelle. In an sich bekannter Weise kann eine solche Wechselstromquelle aus einer Gleichstromquelle und einem nachgeordneten Wechselrichter bestehen.

Bevorzugt in gleichachsiger Ausrichtung zu der Primärwicklung 8 ist die Sekundärwicklung 9 im Hubkolben 4 rüttelfest angeordnet. Der ohm'sche Widerstand 10 ist mit der Sekundärwicklung 9 elektrisch leitend verbunden und bildet dieserart zusammen mit der Sekundärwicklung 9 einen elektrischen Stromkreis.

Wenn die Primärwicklung 8 von der nicht dargestellten Wechselstromquelle mit Wechselstrom versorgt wird, erzeugt sie magnetische Wechselfelder, die bei ausreichend naher Ausrichtung der Sekundärwicklung 9 zur Primärwicklung 8 in der Sekundärwicklung 9 Wechselspannungen und damit Dank des genannten elektrischen Stromkreises auch Wechselströme erzeugen. Damit möglichst viel von dem mittels der Primärwicklung 8 erzeugbaren Produkt aus Ampère mal Windungszahl in Magnetfluss umgewandelt und von der Sekundärwicklung 9 in Spannung und Stromstärke umsetzbar ist, ist zumindest im Bereich des Zylinderkopfes 5 und dabei innerhalb der Primärwicklung 8 der Magnetflussleitkörper 11 in Form eines stabartigen Bauteiles eingebaut. Dabei kann die Länge dieses Magnetflussleitkörpers 11 derart gewählt werden, dass der Magnetflussleitkörper 11 aus dem Zylinderkopf 5 in den Brennraum 12 hineinragt und beispielsweise mit einem freien Ende 16 in die Sekundärwicklung 9 eintaucht, zumindest dann, wenn sich der Hubkolben 4 in der zylinderkopfseitigen Endlage befindet oder sich dieser nähert. Dies ist in der Fig. 1 dadurch deutlich dargestellt, weil der stabartige Magnetflussleitkörper 11 die Sekundärwicklung 9 auf ganzer Länge durchsetzt und dabei mit seinem freien Ende 16 aus der Sekundärwicklung 9 herausragt.

In der Fig. 2 ist der Hubkolben 4 in Form einer Außenansicht vereinfacht dargestellt mit einer Hubkolbenoberseite 17, die im Ausführungsbeispiel ebenflächig begrenzt ist, aber in der Praxis auch eine anders geformte Begrenzung haben kann. Auf der Hubkolbenoberseite 17 ist eine Isolierschicht 18 befestigt. Und auf der Isolierschicht 18 ist ein plattenartiger Heizkörper 19 befestigt. Der Heizkörper 19 enthält den ohm'schen Widerstand 10. Es ist dem Fachmann für elektrische Heizungen überlassen, den Heizkörper 19 und seinen ohm'schen Widerstand 10 zu gestalten und elektrisch mit der Sekundärwicklung 9 zu verbinden. Die Isolierschicht 18 ist als ein Wärmewiderstand zwischen dem Heizkörper 19 und der Hubkolbenoberseite 17 ausgebildet, derart, dass ein großer Teil von dem Heizkörper 19 zugeführter elektrischer Energie der Erwärmung des Heizkörpers 19 dient, also wenig von dieser elektrischen Energie in den Hubkolben 4 abwandert.

Die Fig. 3 zeigt eine Außenansicht eines alternativen Hubkolbens 4a, auf dessen Hubkolbenoberseite 17a wiederum eine Isolierschicht 18a aufgebracht ist. Im Beispiel gemäß der Fig. 3 ist ein Heizkörper 19a in die Isolierschicht 18a eingelassen und zum Zylinderkopf 5 hin von einem Heizwärme abgebenden Deckel 20 bedeckt. Der Deckel 20 besteht aus einem Wärme gut leitenden Werkstoff, so dass in dem Heizkörper 19a erzeugte Wärme überwiegend von dem Deckel 20 aufgenommen wird und also wenig von dieser mittels des Heizkörpers 19a erzeugten Wärme durch die Isolierschicht 18a zur Erwärmung des Hubkolbens 4a führt.

Erkennbar ist, dass durch Stromversorgung der Heizkörper 19 beziehungsweise 19a einem dem jeweiligen Zylinderkopf 5 zugeordnete Oberfläche 21 bzw. 21a einen Temperaturanstieg erfährt, wodurch die jeweilige Oberfläche 21 bzw. 21a eine Temperatur annimmt, die über der jeweiligen Temperatur des Hubkolbens 4 bzw. 4a und auch des jeweils zugeordneten Zylinders 3 liegt. Die gegenüber den Hubkolben 4 bzw. 4a und den Zylindern 3 höher liegenden Temperaturen der Oberflächen 21 bzw. 21a sind für mehrere Dinge nutzbar, nämlich einerseits als Starthilfe für eine Brennkraftmaschine mit einem herkömmlichen Anlassmotor und andererseits als ein Mittel zum Senken von Kohlen-Wasserstoff-Anteilen im Abgas, solange die Brennkraftmaschine noch nicht betriebswarm ist, und des weiteren als eine Kraftstoffverdampfungseinrichtung zu dem Zweck, dass ohne einen Anlassmotor die Brennkraftmaschine zuverlässiger startbar ist mittels eines Anlassverfahrens, das in der in der Beschreibungseinleitung genannten Druckschrift DE 31 17 144 A1 beschrieben ist für eine mehrzylindrige Otto-Brennkraftmaschine. Erkennbar ist auch, dass die Verwendung der aufheizbaren Oberflächen 21 bzw. 21a dann, wenn sie zur Starthilfe verwendet werden, bei einem Anlassverfahren unter Verwendung eines Anlassmotors den Vorteil ergeben, dass der Anlassmotor weniger schwer ausbildbar ist. Hierbei ergibt sich natürlich der Vorteil, dass die einmal elektrisch aufgeheizten Oberflächen 21 bzw. 21a nachfolgend der Verdunstung von Kraftstoff dienen, was Verbrennungsvorgänge verbessert und dieserart zur Absenkung des Anteils von unverbranntem Kraftstoff im Auspuffgas führt.

In der Fig. 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine 2a zu dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 dargestellt. Der Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 besteht darin, dass eine Primärwicklung 8 nunmehr neben der Bewegungsbahn des Hubkolbens 4 und also im Höhenbereich eines Zylinders 3a und dabei irgendwie an diesem befestigt angeordnet ist. Hierbei kann die Primärwicklung 8 einen Magnetflussleitkörper 11a und die Sekundärwicklung 9 einen eigenen Magnetflussleitkörper 11b aufweisen.

Prinzipiell ist die Erfindung aus der beschriebenen Otto- Brennkraftmaschine übertragbar in eine Diesel- Brennkraftmaschine.

Alternativ zur Anordnung der Primärwicklung 8 und der Sekundärwicklung 9 kann man beispielsweise wenigstens eine elektrisch leitende Schleifleiste und einen auf dieser ausgerichteten Schleifkontakt, beispielsweise am Hubkolben, vorsehen. Eine weitere Alternative bestünde darin, am oder im Zylinderkopf einen Mikrowellensender anzuordnen und auf dem Hubkolben eine Schicht aus mikrowellensensitivem Material anzuordnen zur Umwandlung von Mikrowellen in Wärmeenergie.

Claims (10)

1. Brennkraftmaschine (2) mit wenigstens einem Zylinder (3) und einem darin beweglichen Hubkolben (4), mit einem dem Zylinder (3) zugeordneten Zylinderkopf (5), mit einer Direkteinspritzdüse (6) und mit einer am oder im Hubkolben (4, 4a) befestigten Einrichtung, die eine zum Zylinderkopf (5) ausgerichtete temperierbare Oberfläche (21, 21a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eingerichtet ist zur wenigstens mittelbaren Aufnahme von elektrischer Energie, derart, dass die temperierbare Oberfläche (21, 21a) eine Temperatur annimmt, die höher ist als eine Temperatur des Zylinders (3).

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (8, 9) einen ohm'schen Widerstand (10) aufweist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ohm'sche Widerstand (10) an eine Sekundärwicklung (9) angeschlossen ist, dass die Sekundärwicklung (9) im Hubkolben (4, 4a) angeordnet ist und dass eine mit Wechselstrom versorgbare Primärwicklung (8) im Zylinderkopf (5) ruhend angeordnet ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ohm'sche Widerstand (10) an eine Sekundärwicklung (9) angeschlossen ist, dass die Sekundärwicklung (9) im Hubkolben (4, 4a) angeordnet ist und dass eine mit Wechselstrom versorgbare Primärwicklung (8) am Zylinder (3) ruhend angeordnet ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärwicklung (8) ein Magnetflussleitkörper (11) zugeordnet ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetflussleitkörper (11) nach Art eines Stabes ausgebildet und von der Primärwicklung (8) umgeben ist.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der stabartige Magnetflussleitkörper (11) im wesentlichen parallel zur Längsachse des Zylinders (3) ausgerichtet ist und dass die Sekundärwicklung (9) gleichachsig mit dem stabartigen Magnetflussleiter (11) ausgerichtet ist.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der stabartige Magnetflussleitkörper (11) aus dem Zylinderkopf (5) herausragt, derart, dass er wenigstens zeitweise in die vom Hubkolben (4, 4a) bewegbare Sekundärwicklung (9) hineinragt.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zylinder (3) wenigstens eine Heizstrom führende Schleifleiste eingebettet ist und am Hubkolben wenigstens ein auf die Schleifleiste ausgerichteter Schleifkontakt angeordnet ist.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur mittelbaren Aufnahme von elektrischer Energie eine von dem Hubkolben getragene Schicht aus einem mikrowellensensitiven Material aufweist und dass im Bereich des Zylinderkopfes (5) ein Mikrowellensender angeordnet ist.