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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine mit einer Laserzündeinrichtung
ausgerüstete Brennkraftmaschine, insbesondere einen Gasmotor,
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus
der
DE 10 2004
001 554 A1 ist eine Laserzündeinrichtung zum Zünden
eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei
ein Zündlaser der Laserzündeinrichtung in einen
Brennraum der Brennkraftmaschine hineinragt. Der Zündlaser
ist über einen Lichtleiter mit einer Pumplichtquelle optisch
gekoppelt.
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Großgasmotoren
werden üblicherweise dicht an der Magergrenze eines Luft-Kraftstoff-Gemischs betrieben,
um einen guten Wirkungsgrad zu erreichen. Dabei muss beim Zünden
ein stabiler Flammkern gebildet werden, damit danach das im Brennraum
befindliche Luft-Kraftstoff-Gemisch möglichst rasch verbrannt
wird. Speziell bei extrem mager betriebenen Gasmotoren ist es von
höchster Bedeutung, die Brenndauer zu reduzieren und dadurch
den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen. Als Brenndauer
wird der Zeitraum definiert innerhalb dessen zwischen 10% und 90%
der Energieumsetzung stattfindet.
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Bei
konventionellen Hochspannungszündungen mit Zündkerzen
ist der Zündort zwangsweise in der Nähe des Brennraumdachs,
so dass sich die Flamme in erster Näherung halbkugelförmig
in den Brennraum in Richtung des Kolbenbodens ausbreitet. Dadurch
ist die Brenndauer vergleichsweise lang. Um dieser langen Brenndauer
entgegen zu wirken, werden heutzutage Brennkraftmaschinen oft als Kurzhuber,
das heißt mit einem Bohrungsdurchmesser, der größer
als der Hub des Kolbens ist, ausgebildet. Dadurch werden die Flammwege
in Richtung des Kolbens verkürzt. Damit trotzdem ein schneller Durchbrand
des Gemischs erreicht, wird, muss eine hohe Strömungsgeschwindigkeit
und daraus resultierend eine hohe Turbulenz im Brennraum herrschen. Dies
wird bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen durch Drallströmungen,
Tumbleströmungen und/oder Quetschströmungen erreicht.
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Um
diese Strömungen und die daraus resultierenden Turbulenzen
zu erzeugen, entstehen erhebliche Strömungsverluste vor
allem auf der Saugseite der Brennkraftmaschine und/oder es werden ungünstige
Brennraumgeometrien benötigt, bei denen das Verhältnis
zwischen Oberfläche und Volumen groß ist, so dass
hohe Wandwärmeverluste entstehen. Sowohl die Ladungswechselverluste
als auch die Wandwärmeverluste verringern den Wirkungsgrad
der Brennkraftmaschine.
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Bei
der Ladungsbewegung im Zylinder, das heißt der Strömung
des im Zylinder befindlichen Kraftstoffs-Luft-Gemisches, unterscheidet
man in eine Drallströmung und eine Tumbleströmung.
Als Drallströmung wird eine Drehbewegung der Ladung um
die Zylinderachse bezeichnet, während als Tumbleströmung
eine Drehbewegung der Ladung senkrecht zur Zylinderachse bezeichnet
wird. Selbstverständlich gibt es auch Mischformen beider
Strömungen. Der Vorteil der erhöhten Brenngeschwindigkeit liegt
in der möglichen Gemischabmagerung und der damit verbundenen
Senkung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine mit Laserzündeinrichtung,
so weiterzuentwickeln, dass eine sichere und emissionsarme Verbrennung
in verschiedenen Betriebspunkten, insbesondere auch bei einem mageren
Kraftstoff-Luft-Gemisch, bei gleichzeitig sehr gutem Wirkungsgrad
gewährleistet ist.
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Die
Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit Zündlaser
mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Für die
Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden
Beschreibung und in der Zeichnung, wobei die Merkmale sowohl in
Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für
die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf jeweils
explizit hingewiesen wird. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich
in den Unteransprüchen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass der Zündpunkt in einem Bereich des Brennraums gelegt
wird, in dem die Strömungsgeschwindigkeit zum Zeitpunkt
der Zündung niedrig ist. Als niedrige Strömungsgeschwindigkeit
wird im Zusammenhang mit der Erfindung eine Strömungsgeschwindigkeit < 10 m/s, bevorzugt < 5 m/s angesehen.
Dadurch ist es möglich, die Strömungsverluste im
Luftsystem des Motors deutlich zu verringern und infolgedessen den
Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine deutlich zu erhöhen,
ohne Einbußen hinsichtlich Schadstoffemission und Betriebsverhalten
der Brennkraftmaschine. Außerdem bleiben die Herstellungskosten
der Brennkraftmaschine unverändert, so dass sich insgesamt
eine sehr vorteilhafte und wirtschaftliche Verbesserung der Brennkraftmaschine ergibt.
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Im
Zusammenhang mit der beanspruchten Erfindung ist darauf hinzuweisen,
dass die zeitlich und örtlich hoch aufgelöste
Ermittlung der lokalen Strömungsgeschwindigkeiten im Brennraum
einer Brennkraftmaschine heute zu den etablierten Untersuchungsmethoden
gehören, die regelmäßig bei der Entwicklung
von Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Dabei ist es beispielsweise
möglich, durch eine rechnergestützte Simulation
der Strömungsgeschwindigkeit (CFD) die gewünschte
Information über die Strömungsgeschwindigkeit
in verschiedenen Bereichen des Brennraums zu unterschiedlichen Zeitpunkten
zu erhalten. Alternativ ist es auch möglich, die lokale
Verteilung der Messungen durch eine Messreihe mit im Brennraum angeordneten
Flügelrädern beziehungsweise Strömungsgeschwindigkeitssensoren
zu erfassen. Insgesamt ist somit die Ermittlung der Geschwindigkeitsverteilung
mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung im
Brennraum ein heute etabliertes Verfahren, das daher im Zusammenhang
mit der beanspruchten Erfindung nicht gesondert erläutert
werden muss. Durch die erfindungsgemäße Anordnung
des Zündpunkts im Brennraum lassen sich verschiedene Optimierungsstrategien
verfolgen, mit denen der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert
wird.
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Im
sogenannten mageren Gasbetrieb, das heißt, wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch
unterstöchometrisch ist (λ > 1), werden die Drallströmung und/oder
die Quetschströmung im Brennraum auf ein thermodynamisches
Optimum gebracht, so dass die im Brennraum zum Zeitpunkt der Zündung
vorhandene Turbulenz zum schnellen Durchbrand nach sicherer Zündung
führt. Gleichzeitig werden die durch die Turbulenz verursachten
Strömungsverluste im Saugrohr der Brennkraftmaschine minimiert.
Nun wird der Zündlaser so angeordnet, dass dessen Zündpunkt
in einem Bereich des Brennraums liegt, in dem eine Strömungsgeschwindigkeit
von 10 m/s am Zündort zum Zündzeitpunkt nicht überschritten
wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Strömungsgeschwindigkeit
am Zündort zum Zündzeitpunkt kleiner 5 m/s ist.
Dabei kann eine sichere Entzündung realisiert werden und
gleichzeitig wird durch die noch vorhandene Strömung und
Turbulenz am Zündort der durch die Zündung entstandene
Flammkern zum schnellen Durchbrand der übrigen Zylinderladung
in den Brennraum getragen. Bei herkömmlichen Gasmotoren
kann die Strömungsgeschwindigkeit am Zündort zum
Zündzeitpunkt etwa 30 m/s–40 m/s betragen. Aus
dem Vergleich der Strömungsgeschwindigkeiten wird das Potential
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine hinsichtlich
verringerter Strömungsverluste und eines verbesserten Wirkungsgrads deutlich.
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Falls
gewünscht kann die Bildung des Flammkerns und der Durchbrand
durch den Einsatz von mehreren Zündimpulsen/Laserimpulsen
in den Flammkern realisiert werden. Möglich ist dies beispielsweise
dadurch, dass mehrere Laserimpulse im zeitlichen Abstand von bis
zu 100 μs in den Brennraum 14 emittiert werden.
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In
einem stöchometrischen Betrieb (λ = 1), wenn die
Brennkraftmaschine beispielsweise mit einem Dreiwegekatalysator
betrieben wird, ist die Optimierung der Brennkraftmaschine geringfügig
anders. Da für die Entflammung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches
unter Brennraumbedingungen nur eine minimale Zündenergie
notwendig ist, ergeben sich bei dieser Betriebsart zwei Optimierungsmöglichkeiten.
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Entweder
wird der Zündort, wie beim Magerbetrieb auch, in einen
Bereich der Strömung positioniert mit bis zu 10 m/s. Durch
eine Nachzündung nach einer Zeitdauer von bis zu 100 μs
kann hier ebenfalls in denselben Flammkern gezündet werden und
somit die Zündsicherheit erhöht werden. Dies ist bei
Motoren mit schlecht homogenisiertem Gemisch vorteilhaft.
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Alternativ
ist es auch möglich, bei einer Mehrfachzündung,
wobei die verschiedenen Laserimpulse einen Zeitabstand größer
als 100 μs haben oder durch die Wahl eines Zündpunkts
mit größeren Strömungsgeschwindigkeiten
als 10 m/s, eine Reihe von hintereinander in einem Stromfaden des
Kraftstoff-Luft-Gemisches angeordneten Flammkernen zu erzeugen,
die zu einem schnelleren Durchbrand des Zylindervolumens führen.
Dadurch, dass sich bei dieser Zündstrategie mehrere Flammkerne
unabhängig voneinander bilden und somit mehrere Flammfronten im
Brennraum vorhanden sind, wird ein schnellerer Durchbrand des Brennraumvolumens
erreicht.
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Beiden
Optimierungspfaden, insbesondere beim Magerbetrieb als auch beim
stöchometrischen Betrieb ist gemeinsam, dass der Zündort
für jeden Brennraum einmal konstruktiv festgelegt und danach unverändert
bleibt. Es ergeben sich lediglich Unterschiede in der Zahl und dem
zeitlichen Abstand der Laserimpulse, so dass der beim Wechsel der
Betriebsart, beispielsweise vom Magerbetrieb in den stöchometrischen
Betrieb und umgekehrt lediglich die Steuerung der Laserzündeinrichtung
entsprechend umgeschaltet werden muss. Dadurch sind sowohl im Magerbetrieb
als auch im λ = 1 Betrieb die erfindungsgemäßen
Vorteile vollumfänglich realisierbar.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine sieht vor, den Zündpunkt so zu legen,
dass er sich zum Zündzeitpunkt in der Nähe des
Kolbenbodens oder in der Nähe des Bodens einer Kolbenmulde
befindet. Da in unmittelbarer Nähe der Kolbenwand beziehungsweise
des Bodens der Kolbenmulde wegen Newton'schen Haftbedingung zwangsläufig
eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit herrscht, erreicht
man auf einfache Weise einen Zündort mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit.
Sobald der Flammkern sich räumlich ausgebildet hat, erreicht
er zwangsläufig auch Bereiche mit größerer
Strömungsgeschwindigkeit, die den Flammkern mitreißt
und somit für einen raschen Durchbrand und kurze Brenndauer
sorgt.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung in den Patentansprüchen
offenbarten Merkmale können sowohl einzeln, als auch in
beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Nachfolgend
werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung
beispielhaft erläutert. Es zeigen:
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1a eine
schematische Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine mit einer
laserbasierten Zündeinrichtung;
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1b eine
schematische Darstellung der Zündeinrichtung aus 1a;
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2 bis 4 detaillierte
Darstellungen erfindungsgemäßer Brennkraftmaschinen.
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Eine
Brennkraftmaschine trägt in 1a insgesamt
das Bezugszeichen 10. Sie kann zum Antrieb eines nicht
dargestellten Kraftfahrzeugs dienen. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst üblicherweise
mehrere Zylinder, von denen in 1a nur
einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des
Zylinders 12 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff
gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18,
der an einen auch als Rail bezeichneten Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen
ist. Alternativ kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch auch außerhalb
des Brennraums 14, zum Beispiel in einem Saugrohr, gebildet
werden.
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Das
im Brennraum 14 vorhandene Kraftstoff-Luft-Gemisch 22 wird
mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der
von einer einen Zündlaser 26 umfassenden Laserzündeinrichtung 27 in
den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Die Zündung
im Brennraum 14 kann auch in einer dem Brennraum vorgelagerten
Vorkammer (in 1a nicht dargestellt) vorbereitet
werden. Der Zündlaser 26 wird über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit
einem Pumplicht gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt
wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einem Steuergerät 32 gesteuert,
das auch den Injektor 18 ansteuern kann.
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Wie
aus 1b hervorgeht, speist die Pumplichtquelle 30 mehrere
Lichtleitereinrichtungen 28 für verschiedene Zündlaser 26,
die jeweils einem Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 10 zugeordnet sind.
Hierzu weist die Pumplichtquelle 30 mehrere einzelne Pumplaserlichtquellen 34 auf,
die mit einer Pulsstromversorgung 36 verbunden sind. Durch
das Vorhandensein mehrerer einzelner Pumplaserlichtquellen 34 wird
das Pumplicht gleichsam „ruhend” an die verschiedenen
Lasereinrichtungen 26 verteilt, so dass keine optischen
Verteiler oder dergleichen zwischen der Pumplichtquelle 30 und
den Zündlasern 26 erforderlich sind.
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Der
Zündlaser 26 weist beispielsweise einen laseraktiven
Festkörper 44 mit einer passiven Güteschaltung 46 auf,
die zusammen mit einem Einkoppelspiegel 42 und einem Auskoppelspiegel 48 einen optischen
Resonator bildet. Unter Beaufschlagung mit von der Pumplichtquelle 30 erzeugtem
Pumplicht erzeugt der Zündlaser 26 in an sich
bekannter Weise einen Laserimpuls 24, der durch eine Fokussieroptik 52 auf
einen in dem Brennraum 14 (oder in einer nicht dargestellten
Vorkammer) befindlichen Zündort ZP fokussiert ist. Die
in dem Gehäuse 38 des Zündlasers 26 vorhandenen
Komponenten sind durch ein Austrittsfenster 58 für
die Laserstrahlen 24 von dem Brennraum 14 getrennt.
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In 2 isst
ein Zylinderkopf 17 mit angedeuteten Gaswechselventilen 19 und
einem eingeschraubten Zündlaser 27 sichtbar. Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist
das Brennraumdach 69 eben.
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Der
Kolbenboden des Kolbens 16 weist eine Kolbenmulde 15 mit
im Wesentlichen einer zylindrischen Wand und einem ebenen Muldenboden
(ohne Bezugszeichen) auf. Dabei ist ein Mittelpunkt MP (siehe die
Draufsicht im rechten Teil der 2) versetzt
zu einer Längsachse 54 der Zylinderbohrung 12 angeordnet.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Zündpunkt
ZP nicht in der Mitte der Kolbenmulde 15, sondern radial
nach außen verschoben angeordnet. Gleichzeitig ist der
Zündpunkt auch noch in der dargestellten Position des Kolbens 16 in unmittelbarer
Nähe des Bodens der Kolbenmulde 15 angeordnet,
so dass dort aufgrund der Geschwindigkeitsverteilung in Wandnähe
und der Newton'schen Haftbedingung relativ niedrige Strömungsgeschwindigkeiten
herrschen. Selbstverständlich ist es möglich,
durch eine entsprechende Gestaltung der fokussierenden Optik der
Laserzündeinrichtung 27 den Zündpunkt
ZP in Richtung der Längsachse 54 entsprechend
den Anforderungen der Brennkraftmaschine zu verschieben. So kann
der Zündpunkt ZP bei Bedarf näher an den Boden
der Kolbenmulde gelegt oder auch näher in Richtung des
Brennraumdachs 69 verschoben werden, wenn dies im Zuge
der erfindungsgemäßen Optimierung der Brennkraftmaschine
erforderlich sein sollte. Dafür ist lediglich die Optik
der Laserzündeinrichtung 27 mit einer entsprechend
geänderten Brennweite zu versehen.
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Zwischen
Brennraumdach 69 und dem Kolbenboden bildet sich in der
dargestellten Position des Kolbens 16 eine Quetschströmung
aus, die radial von außen nach innen strömt und,
wie aus dem Stand der Technik bekannt, eine teilweise erforderliche
Turbulenz ausbildet. Im rechten Teil der 2 ist eine Draufsicht
auf den Kolben 16 und die Kolbenmulde 15 dargestellt,
wobei unterstellt wird, dass sich bei diesem Ausführungsbeispiel
eine sogenannte Drallströmung ausbildet, die in durch konzentrische
gekrümmte kreisförmige Pfeile in der Kolbenmulde 15 angedeutet
ist. Der Mittelpunkt dieser konzentrischen Kreise ist gleich dem
Mittelpunkt MP der Kolbenmulde 15. Dabei ist, und dies
ist für die Optimierung der erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine von Bedeutung, die Strömungsgeschwindigkeit
der verschiedenen durch die kreisförmigen Pfeile angedeuteten Stromlinien,
je nach Abstand der Stromlinien vom Mittelpunkt MP, verschieden.
Grundsätzlich gilt: Bei zunehmendem Abstand der Stromlinien
zum Mittelpunkt MP der Kolbenmulde 15 nimmt die Strömungsgeschwindigkeit
zu. In unmittelbarer Nähe der zylindrischen Wand der Kolbenmulde
nimmt die Strömungsgeschwindigkeit wieder ab. Die reale
Geschwindigkeitsverteilung in der Kolbenmulde zum Zündzeitpunkt
kann mit den heute verfügbaren Methoden, seien es Computersimulationen
oder Messungen im Brennraum, mit ausreichender örtlicher und
zeitlicher Auflösung ermittelt werden, so dass die Kenntnis
der lokalen Strömungsgeschwindigkeit zum Zündzeitpunkt
als gegeben vorausgesetzt werden kann.
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Erfindungsgemäß kann
eine strömungstechnisch optimierte Brennkraftmaschine dadurch
weiter optimiert werden, dass der Zündpunkt ZP nicht nur
in Richtung der Längsachse 54 des Kolbenbodens, sondern
auch radial zum Mittelpunkt MP der Kolbenmulde 15 verschoben
werden kann. Dies ist im rechten Teil der 2 durch
verschiedene Zündpunkte ZP, die sich einmal im Mittelpunkt
MP und dann in unterschiedlichen Abständen vom Mittelpunkt
MP befinden, angedeutet.
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Diese
Verlagerung der Zündorte beziehungsweise Zündpunkte
relativ zum Mittelpunkt MP der Kolbenmulde 15 lässt
sich durch eine geänderte Positionierung der Laserzündeinrichtung 27 im
Zylinderkopf 17 realisieren.
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In 3 ist
ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist das Brennraumdach 69 nicht eben, sondern, ähnlich
einem Satteldach ausgebildet. Es ist natürlich auch möglich,
das Brennraumdach 69 und den Kolbenboden 15 in
Form einer Halbkugel oder einer Kalotte auszubilden. Auch die Kolbenmulde 15 weist
gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 Unterschiede
auf. So ist sie in dem dargestellten Querschnitt durch den Kolben 16 im
Wesentlichen halbelliptisch und symmetrisch zur Längsachse 54 des
Kolbens angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel herrscht
Strömung zum Zündzeitpunkt eine sogenannte Tumble-Strömung,
die ebenfalls durch konzentrische, aber elliptische Stromlinien
dargestellt. Im Unterschied zu der Drallströmung gemäß 2 findet
bei der Tumble-Strömung die Strömung im Wesentlichen
quer zur Längsachse 54 des Kolbens 16 statt.
Auch hier ist es wieder so, dass die Strömungsgeschwindigkeit
der unterschiedlichen durch elliptische Pfeile angedeuteten Stromlinien
verschieden ist. Infolgedessen ist es möglich, durch Verlagerung des
Zündorts des Zündpunkts ZP in Richtung der Längsachse 54 den
Zündpunkt ZP in einen Bereich zu legen, dessen Strömungsgeschwindigkeit
kleiner als 10 m/s ist.
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In 4 ist
ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine dargestellt. Dabei ist hier der Zündpunkt
ZP bewusst in unmittelbare Nähe der Kolbenmulde 15 zum
Zeitpunkt der Zündung gelegt worden, wobei wegen der Geschwindigkeitsverteilung
in Wandnähe des Kolbenbodens beziehungsweise der Kolbenmulde 15 auch
hier eine geringe Strömungsgeschwindigkeit erreicht werden
kann. Da der Zündzeitpunkt einer Brennkraftmaschine unter
anderem von Drehzahl und Last abhängt, kann auch durch
die Änderung des Zündzeitpunkts last- und drehzahlabhängig
der Zündpunkt ZP mehr oder weniger in die Nähe
des Kolbenbodens beziehungsweise der Kolbenmulde gelegt werden,
so dass somit ein weiterer Parameter zur Optimierung der Verbrennung
und insbesondere des Durchbrands der im Brennraum 14 befindlichen Ladung
bei gleichzeitiger Minimierung der Strömungsverluste im
Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine erreicht werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004001554
A1 [0002]