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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Kolbenboden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben für eine Brennkraftmaschine
anzugeben, der für
den Betrieb mit laserbasierten Zündeinrichtungen
optimiert ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass im Bereich des Kolbenbodens ein Targetelement für Laserstrahlung
eines laserbasierten Zündsystems
der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Targetelement
erhitzt sich unter Beaufschlagung mit Laserzündimpulsen und ermöglicht somit
eine Entflammung des in einem Brennraum befindlichen Luft-/Kraftstoffgemischs ausgehend
von dem Einbauort des Targetelements im Bereich des Kolbenbodens.
Die erfindungsgemäß ermöglichte
Flammkernbildung ausgehend von dem Kolbenboden bedingt vorteilhaft
geringere Wärmeverluste,
insbesondere Wandwärmeverluste,
als herkömmliche
Zündstrategien.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Konfiguration des Kolbens
besteht darin, dass stets die besonders günstige Entflammung ausgehend von
dem Bereich des Kolbenbodens – insbesondere unabhängig von
einer Position des Kolbens – stattfinden
kann. Speziell bei unterschiedlichen Drehzahlen und Lasten der Brennkraftmaschine
und dementsprechend unterschiedlichen Zündwinkeln und folglich Kolbenstellungen
ist vorteilhaft eine Entflammung ausgehend von dem Kolbenboden gewährleistet,
ohne dass hierzu eine verstellbare Fokussieroptik zur Einstrahlung
der Laserzündimpulse
mit variabler Fokuslage erforderlich ist.
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Einer
Erfindungsvariante zufolge kann das erfindungsgemäße Targetelement
in einer Kolbenmulde des Kolbens angeordnet sein, wobei das Targetelement
bevorzugt mittig bezüglich
der Kolbenmulde angeordnet ist, um eine gleichmäßige Entflammung zu ermöglichen.
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Um
eine hohe Standzeit zu erzielen, ist das Targetelement bei einer
weiteren Erfindungsvariante so ausgebildet, dass es eine im Wesentlichen
zylindrische Grundform aufweist, wobei das Targetelement vorzugsweise
so angeordnet ist, dass seine Längsachse
im Wesentlichen parallel zu einer Bewegungsrichtung des Kolbens
ausgerichtet ist.
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Eine
besonders effiziente Entflammung des zündfähigen Gemischs ist einer weiteren
Ausführungsform
der Erfindung zufolge gegeben, wenn das zur Laserbeaufschlagung
vorgesehene Targetelement Material aufweist, das aus Carbiden und/oder Siliciden
und/oder Nitriden und/oder Boriden, vorzugsweise der vierten bis
achten Gruppe des Periodensystems der Elemente, und/oder aus Bor- und/oder
Kohlenstoff- und/oder Silizium- und/oder Stickstoffverbindungen
besteht.
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Eine
poröse
Ausbildung des erfindungsgemäßen Targetelements
wirkt sich ebenfalls vorteilhaft auf die Entflammung aus.
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Ein
minimaler Einfluss auf die Brennraumgeometrie durch das erfindungsgemäße Targetelement ist
vorteilhaft dann gegeben, wenn das Targetelement, vorzugsweise vollständig, in
den Kolbenboden eingelassen ist.
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Als
eine weitere Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Kolben gemäß Patentanspruch
7 angegeben. Der erfindungsgemäße Kolben ist
dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Kolbenbodens eine Kaverne
angeordnet ist.
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Die
erfindungsgemäße Kaverne
ermöglicht bei
geeigneter Auslegung des laserbasierten Zündsystems vorteilhaft eine
Entflammung des zündfähigen Gemischs
innerhalb des in der Kaverne liegenden strömungsgeschützten Bereichs. Dadurch ist eine
größere Stabilität bei der
Flammkernbildung gegeben als bei herkömmlichen Systemen.
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Die
erfindungsgemäße Kaverne
kann, ebenso wie das erfindungsgemäße Targetelement, in einer
Kolbenmulde des Kolbenbodens angeordnet sein. Bevorzugt weist die
erfindungsgemäße Kaverne
ein geringeres Volumen auf als die Kolbenmulde, vorzugsweise nur
etwa fünf
Prozent bis etwa vierzig Prozent des Volumens der Kolbenmulde.
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Die
erfindungsgemäße Kaverne
kann bevorzugt rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Eine zumindest
teilweise Beschichtung der Kavernenwände mit keramischen Werkstoffen
oder die zumindest teilweise Ausbildung der Kaverne in Form eines
keramischen Einsatzes, der in eine entsprechende Aussparung in dem
erfindungsgemäßen Kolben
eingesetzt wird, ist ebenso denkbar.
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Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist ein Targetelement für die Laserstrahlung des laserbasierten Zündsystems
der Brennkraftmaschine in der Kaverne angeordnet, wodurch die Vorteile
der beiden Systeme miteinander kombiniert werden.
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Einer
weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge kann die Kaverne
auch als Vorkammer ausgebildet sein, wobei die Kaverne durch mindestens
einen Wandabschnitt von einem Brennraum beziehungsweise einer Kolbenmulde
getrennt ist. D. h., die Vorkammer ist in geringerem Maße zu der
Kolbenmulde bzw. dem Brennraum hin geöffnet, als die vorstehend beschriebene
Kaverne.
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Das
an sich bekannte Vorkammerprinzip, das vorliegend erfindungsgemäß im Kolbenbereich realisiert
ist, ermöglicht
eine sichere Entflammung des in der Vorkammer befindlichen zündfähigen Gemischs.
Durch einen oder mehrere Überströmkanäle, die
eine Fluidverbindung zwischen der Vorkammer und der Kolbenmulde
beziehungsweise dem Brennraum herstellen, können nach einer Entflammung des
zündfähigen Gemischs
in der Vorkammer energiereiche Zündfackeln
aus der Vorkammer in die Kolbenmulde beziehungsweise den restlichen
Brennraum des betreffenden Zylinders der Brennkraftmaschine austreten.
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Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens
ist eine optische Komponente, insbesondere eine Fokussieroptik,
im Bereich der Kaverne angeordnet, wobei die optische Komponente
vorzugsweise zwischen der Kaverne und dem Brennraum beziehungsweise
der Kolbenmulde angeordnet ist. Die Fokussieroptik ermöglicht vorteilhaft
unter Beaufschlagung mit im Wesentlichen ungebündelter Laserstrahlung eine
Fokussierung der eintreffenden Laserstrahlung au einen in der Vorkammer
befindlichen Zündort.
Dadurch, dass die Fokussierung der Laserstrahlung erfindungsgemäß lokal
im Bereich der in dem Kolben angeordneten Vorkammer erfolgt, funktioniert
die erfindungsgemäß ermöglichte
laserbasierte Vorkammerzündung
unabhängig
von einer Position des Kolbens beziehungsweise dem Zündzeitpunkt.
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Als
eine weitere Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Brennkraftmaschine nach
Patentanspruch 14 angegeben.
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Die
Brennkraftmaschine weist ein laserbasiertes Zündsystem auf, das dazu ausgebildet
ist, Laserstrahlung auf das erfindungsgemäße Targetelement und/oder in
die erfindungsgemäße Kaverne
beziehungsweise Vorkammer einzustrahlen. Die Laserstrahlung kann,
wie vorstehend beschrieben, entweder im Wesentlichen ungebündelt eingestrahlt
werden oder auch auf das Targetelement beziehungsweise in die Kaverne
beziehungsweise Vorkammer gebündelt
werden.
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Als
noch eine weitere Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß Patentanspruch
17 angegeben.
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Dabei bilden alle beschriebenen und dargestellten Merkmale für sich oder
in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig
von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung
beziehungsweise in der Zeichnung.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 einen
teilweisen Querschnitt einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens,
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2a einen
teilweisen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens
in einer ersten Betriebsposition,
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2b den
Kolben gemäß 2a in
einer zweiten Betriebsposition,
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3a eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Kolbens,
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3b eine
Detailansicht einer Kolbenmulde des Kolbens aus 3a,
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4 eine
Draufsicht auf einen Teilbereich des Kolbenbodens des Kolbens gemäß 3a,
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5a eine
Detailansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens in
einem teilweisen Querschnitt, und
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5b eine
Draufsicht auf einen Teilbereich des Kolbenbodens des Kolbens gemäß 5a.
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Kolbens 10 in
einem teilweisen Querschnitt. Der Kolben 10 ist beispielsweise
Bestandteil einer nicht abgebildeten Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs
und begrenzt in an sich bekannter Weise einen Brennraum 30 eines
Zylinders der Brennkraftmaschine. Gaswechselventile des betrachteten
Zylinders sind der Übersichtlichkeit
halber nicht abgebildet.
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Die
Brennkraftmaschine verfügt über ein
laserbasiertes Zündsystem
mit einer Laserzündkerze 20,
die dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung 20a in den Brennraum 30 einzustrahlen,
um ein darin befindliches Luft-/Kraftstoffgemisch zu zünden.
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Der
Kolbenboden 11 des Kolbens 10 weist eine Kolbenmulde 12 auf.
Erfindungsgemäß ist ein Targetelement 15 im
Bereich des Kolbenbodens 11, vorliegend mittig bezüglich der
Kolbenmulde 12, angeordnet.
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Das
Targetelement 15 kann bevorzugt porös ausgebildet sein und dient
dazu, die von der Laserzündkerze 20 abgegebene
Laserstrahlung 20a zu absorbieren und in thermische Energie
umzuwandeln. Durch diese laserinduzierte Erhitzung des Targetelements 15 wird
ein in dem Brennraum 30 befindliches zündfähiges Gemisch entzündet. Die
Entflammung des Gemischs erfolgt dabei vorteilhaft von dem Targetelement 15 ausgehend,
so dass sich besonders geringe Wandwärmeverluste ergeben.
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Das
erfindungsgemäße Targetelement 15 ist – wie in 1 abgebildet – bevorzugt
vollständig
in den Kolbenboden 11 beziehungsweise in die Kolbenmulde 12 eingelassen,
so dass sich keine Beeinträchtigung
einer Fluidströmung
in der Kolbenmulde 12 ergibt.
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Um
die Standzeit des erfindungsgemäßen Kolbens 10 beziehungsweise
des Targetelements 15 zu erhöhen, kann das Targetelement 15 eine
im Wesentlichen zylindrische Grundform aufweisen und so angeordnet
sein, dass seine Längsachse
mit der Bewegungsrichtung beziehungsweise Längsachse des Kolbens 10 übereinstimmt
oder orthogonal hierzu ist.
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Geeignete
Materialien zur Ausbildung des erfindungsgemäß in den Kolben 10 integrierten
Targetelements 15 sind beispielsweise aus Carbiden und/oder
Siliciden und/oder Nitriden und/oder Boriden, vorzugsweise der vierten
bis achten Gruppe des Periodensystems der Elemente, und/oder aus
Bor- und/oder Kohlenstoff- und/oder Silizium- und/oder Stickstoffverbindungen
bestehende Materialien.
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Aufgrund
des verhältnismäßig hohen
Absorptionsvermögens
des erfindungsgemäßen Targetelements 15 braucht
die von der Laserzündkerze 20 abgestrahlte
Laserstrahlung 20a nichtwesentlich auf das Targetelement 15 fokussiert
werden, um eine wirksame Erhitzung des Targetelements 15 und
damit die Entflammung des zündfähigen Gemischs
zu ermöglichen.
Vielmehr reicht es bereits aus, wenn die Laserzündkerze 20 dazu ausgebildet
ist, die Laserstrahlung 20a auf einen virtuellen Fokuspunkt
(nicht gezeigt) zu bündeln,
der beispielsweise einige zehn Zentimeter entfernt von dem Brennraum 30 liegt.
Es ist erfindungsgemäß auch denkbar,
das Targetelement 15 mit vollständig ungebündelter Laserstrahlung 20a,
d. h. mit einem Parallelstrahl, zu beaufschlagen. Dadurch ist unabhängig von
der Position des Kolbens 10 in dem Zylinder der Brennkraftmaschine
stets eine effiziente Entflammung des zündfähigen Gemischs möglich. Gleichzeitig
wird hierdurch die Standzeit des Targetelements 15 maximiert,
die bei einer direkten Fokussierung der Laserstrahlung 20a auf
das Targetelement 15 deutlich kürzer wäre.
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1 zeigt
den Kolben 10 in eher Lage, die etwa 50° Kurbelwellenwinkel vor dem
oberen Totpunkt (OT) entspricht. Zusätzlich ist mit dem Bezugszeichen 10' ein Teil der
Kontur des Kolbens 10 bei seiner Lage im OT angedeutet.
Aus 1 ist ersichtlich, dass in beiden Kolbenlagen – ebenso
wie in allen anderen Betriebspunkten dazwischen – ein sicheres Auftreffen der
Laserstrahlung 20a auf das erfindungsgemäße Targetelement 15 und
damit eine zuverlässige
Entflammung des zündfähigen Gemischs möglich ist.
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Ein
besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Lasertargets 15 in
dem Kolben 10 besteht darin, dass – insbesondere auch mit nur
schwach fokussierter Laserstrahlung 20a – eine wesentlich
geringere Laserimpulsenergie für
eine zuverlässige
Zündung erforderlich
ist als bei Systemen, bei denen ein laserinduziertes Gasplasma zur
Zündung
erzeugt wird. Je nach Fokuslage der Laserstrahlung 20a wird
die Zündung
des Gemischs erfindungsgemäß entweder thermisch über die
Erhitzung des Lasertargets 15 bewirkt oder über ein
Mikro(metall)dampfplasma, das bei der Beaufschlagung des Lasertargets 15 mit
der Laserstrahlung 20a entsteht.
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2a zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung, bei der in der Kolbenmulde 12 anstelle eines
Targetelements 15 (1) eine
Kaverne 16 vorgesehen ist.
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Die
Kaverne 16 stellt im Wesentlichen eine Vertiefung in der
Kolbenmulde 12 dar und bildet damit einen in besonderer
Weise strömungsgeschützten Bereich,
der ideale Bedingungen für
die Laserzündung
bietet. Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Kaverne 16 ein
geringeres Volumen auf als die Kolbenmulde 12, vorzugsweise
nur etwa fünf
Prozent bis etwa vierzig Prozent des Volumens der Kolbenmulde 12.
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Die
erfindungsgemäße Kaverne 16 kann
bevorzugt rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Eine zumindest
teilweise Beschichtung der Kavernenwände mit keramischen Werkstoffen
oder die zumindest teilweise Ausbildung der Kaverne 16 in
Form eines keramischen Einsatzes (nicht gezeigt), der in eine entsprechende
Aussparung in dem erfindungsgemäßen Kolben 10 eingesetzt
wird, ist ebenso denkbar.
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Das
laserbasierte Zündsystem
beziehungsweise die Laserzündkerze 20 ist
vorliegend so konfiguriert, dass die Laserstrahlung 20a auf
den in 2a bezeichneten Zündort ZO
gebündelt
wird. Dadurch ist – zumindest
bei einem Zündzeitpunkt, der
einer Kolbenlage in dem OT entspricht – vorteilhaft eine besonders
sichere Entzündung
des zündfähigen Gemischs
innerhalb der Kaverne 16 möglich. In OT, also der oberen
Extremposition des Kolbens, ist der Zündort ZO so zu wählen, dass
das dort induzierte Laserplasma den Kavernenboden nicht schädigen kann.
Hierzu sollte der Abstand des Zündorts ZO
vom Kavernenboden 1 bis 5 mm betragen.
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2b zeigt
eine weitere Betriebsposition des Kolbens 10. Vorliegend
ist ein früherer
Zündwinkel
als bei der Konfiguration gemäß 2a gewählt, so
dass die erfindungsgemäß in den
Kolben 10 integrierte Kaverne 16 nicht bereits
den Zündort
ZO umgibt. Dennoch befindet sich der fest eingestellte Zündort ZO
in einer verhältnismäßig günstigen
Lage im Bereich der Kolbenmulde 12, so dass sich gegenüber herkömmlichen
Anordnungen verringerte Wandwärmeverluste
ergeben.
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3a zeigt
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Kolbens 10,
bei dem die Kaverne als Vorkammer 16a ausgebildet ist.
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Wie
aus der vergrößerten Ansicht
gemäß 3b ersichtlich
ist, wird die erfindungsgemäße Vorkammer 6a in
dem Kolben 10 dadurch gebildet, dass Wandabschnitte 165 im
Wesentlichen die Oberflächenkontur 12' der Kolbenmulde 12 auch
im Bereich der Kaverne 16 fortsetzen, wodurch sich ein
in noch höherem
Maße strömungsgeschützter Vorkammerbereich 16a ergibt.
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Die
erfindungsgemäße Vorkammer 16a ist über Strömungskanäle 161, 162 fluidverbunden
mit der Kolbenmulde 12 beziehungsweise dem restlichen Brennraum 30 (3a)
der Brennkraftmaschine. Dadurch können nach einer Entzündung des
in der Vorkammer 16a vorliegenden zündfähigen Gemischs energiereiche
Zündfackeln 161a, 162a wie
in 3b angedeutet, in den Brennraum 30 austreten und
das in dem Brennraum vorliegende Gemisch zünden. Die Zündfackeln 161a, 162a ermöglichen ein
besonders schnelles Durchbrennen des in dem Brennraum 30 befindlichen
Gemischs aufgrund der kurzen Flammwege.
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Die
Laserzündkerze 20 (3a)
ist vorliegend so ausgebildet, dass sie die Laserstrahlung 20a auf
einen Zündort
ZO bündelt,
der bei einer Lage des Kolbens 10 im oberen Totpunkt (3a)
oder generell bei späten
Zündwinkeln
im Inneren der Vorkammer 16a liegt. Durch die Vorgabe der
Brennweite einer Fokussieroptik der Laserzündkerze 20 kann somit
gleichsam ein Zündwinkelbereich
definiert werden, in dem eine Vorkammerzündung stattfindet. Für andere,
beispielsweise frühere,
Zündwinkel
ergibt sich eine herkömmliche
Zündung,
d. h. außerhalb
der erfindungsgemäßen kolbeninternen
Vorkammer 16a, vgl. die mit einer gestrichelten Linie angedeutete Kontur
des Kolbens 10.
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Die
Laserstrahlung 20a wird, wie aus 3b ersichtlich,
durch den zentralen Überströmkanal 162 in
die Vorkammer 16a eingestrahlt.
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4 zeigt
eine Draufsicht auf einen die Überströmkanäle 161, 162 beziehungsweise
die Vorkammer 16a enthaltenden Teilbereich der Kolbenmulde 12 gemäß 3b.
Ebenfalls in 4 angedeutet ist eine Kontur 16a' der in dem
Kolben 10 angeordneten Vorkammer 16a.
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Andere
Größen und
Anordnungen der Überströmkanäle 161, 162 sind
ebenfalls denkbar und erlauben beispielsweise eine Anpassung des
Systems an die verwendete Kraftstoff- bzw. Gasart.
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5a zeigt
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Kolbens 10,
bei dem die erfindungsgemäße Vorkammer 16a über eine
Fokussieroptik 163 verfügt,
die anstelle des zentralen Überströmkanals 162 (4)
vorgesehen ist. Das Vorhandensein der verhältnismäßig kurzbrennweitigen Fokussieroptik 163 ermöglicht es
vorteilhaft, im Wesentlichen ungebündelte Laserstrahlung 20a in
den Brennraum 30 beziehungsweise auf die Vorkammer 16a in
der in 5a abgebildeten Weise einzustrahlen.
Die Laserstrahlung 20a wird durch die Fokussieroptik 163 vorteilhaft „lokal” auf einen
in der Vorkammer 16a befindlichen Zündort fokussiert.
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Bei
der in 5a abgebildeten Erfindungsvariante
ist aufgrund der „lokalen” Fokussierung durch
die Fokussieroptik 163 ebenfalls vorteilhaft die Möglichkeit
zur Vorkammerzündung
unabhängig
von einem Zündwinkel
beziehungsweise der Position des Kolbens 10 zu dem Zündzeitpunkt
gegeben.
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5b zeigt
eine Draufsicht auf den Kolbenboden 12 gemäß 5a.
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Die
Erfindung ermöglicht
vorteilhaft eine Entflammung des in dem Brennraum 30 vorliegenden zündfähigen Gemischs
ausgehend von dem Kolbenboden 12, insbesondere i. w. unabhängig von
der Kolbenlage bzw. dem Zündzeitpunkt.
Besonders vorteilhaft ist weiter, dass hierzu keine Laserzündkerze mit
variabler Fokussierung verwendet werden muss, wodurch sich die Fertigungskosten
eines entsprechenden Zündsystems
verringern.
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Es
ist ferner denkbar, die Kaverne 16 mit einem darin angeordneten
Targetelement 15 vorzusehen.
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Neben
dem Einsatz in Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen eignet sich
die vorliegende Erfindung besonders gut zum Einsatz bei stationären Großgasmotoren.