AT521273B1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine und ein dazugehöriges Verfahren bei ottomotorischer Verbrennung mit einem durch einen Zylinderkopf (1), einen Zylinder und einen im Zylinder hin – und herbewegenden Kolben (8) begrenzten Brennraum mit einer Zündquelle in den ein Brennstoff einbringbar ist, wobei die Brennkraftmaschine zumindest ein Mittel zur Isolierung zum Brennraum hin aufweist, das eine geringere Temperaturleitfähigkeit aufweist als seine Umgebung. Aufgabe ist es eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren bereitzustellen, durch die Klopfen verringert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Mittel zur Isolierung einen flächenmäßig kleinen Anteil einer Oberfläche (O) des Brennraums einnimmt, so dass eine Wärmeübertragung aus dem Brennraum durch die Oberfläche (O) des Brennraumes im Wesentlichen unbeeinflusst ist und das Mittel zur Isolierung eine Nebenzündung der noch unverbrannten Restladung auslöst.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit ottomotorischer Verbrennung mit einem durch einen Zylinderkopf, einen Zylinder und einen im Zylinder hin - und herbewegenden

Kolben begrenzten Brennraum mit einer Zündquelle in den ein Brennstoff einbringbar ist, wobei die Brennkraftmaschine zumindest ein Mittel zur Isolierung zum Brennraum hin aufweist, das eine geringere Temperaturleitfähigkeit aufweist als seine Umgebung.

[0002] Solche Mittel zur Isolierung sind üblicherweise Schichten aus Keramik oder aus anderem Material. Aufgrund der im Brennraum herrschenden Temperaturen dienen solche Beschichtungen dem Schutz des Kolbens, der im Allgemeinen aus Aluminium gefertigt ist. Mittel zur Isolierung zeichnen sich durch ihre geringe Wärmeleitfähigkeit aus.

[0003] Brennkraftmaschinen mit einem signifikanten Anteil an vorgemischter Verbrennung weisen eine hohe Anfälligkeit zu ausgeprägtem Klopfen auf. Durch klopfende Verbrennung kann es zur Beschädigung der Brennkraftmaschine kommen. Da Klopfen prinzipiell unerwünscht ist, wird es meist durch eine höhere Oktan-Zahl, durch einen geringeren Ladedruck, einen späteren Zündzeitpunkt oder Ähnlichem reduziert. Diese Maßnahmen sind teils aufwendig teils in anderen Belangen unvorteilhaft und kostenintensiv.

[0004] Die Vermeidung von Klopfschäden stellt eine zentrale Entwicklungsaufgabe bei ottomotorischen Brennverfahren dar. Daher gibt es zahlreiche Verfahren zur Verminderung der Klopfintensität auf ein unschädliches Maß. Am weitesten verbreitet sind die Begrenzung der Verdichtung, die Steigerung der Klopffestigkeit der Kraftstoffe, die Spätverstellung der Zündung der Ladung, Klopferkennungs- und Regeleinrichtungen sowie Mehrzündkerzensysteme. All diese Verfahren sind mit nicht unbeträchtlichem Aufwand verbunden und haben üblicherweise auch negative Auswirkungen auf die Gesamtkosten und die Umwelt.

[0005] Mit Ausnahme der aufwändigen Mehrfachzündkerzensysteme, zielen die bekannten Verfahren auf die Vermeidung von Selbstzündung der unverbrannten Ladung durch die Restgasverdichtung der Flammenfront ab.

[0006] Aus der US 5136994 A, der JP H0571350 A und der DE 19743060 A1 geht jeweils eine Brennkraftmaschine mit Mittel zur Isolierung, beziehungsweise dauerhaft heißen Stellen hervor. An diesen heißen Stellen soll die Restladung gezündet werden können. Dabei sind diese Mittel zur Isolierung, beziehungsweise heiße Stellen, in direkter Nähe zur Zündquelle im zentralen Bereich angeordnet. Dadurch kann Klopfen jedoch nicht wirkungsvoll verhindert werden. In diesen zentralen Bereichen ist die Verbrennung lokal meist gut und eine Zündung durch das Mittel zur Isolierung ist daher nicht möglich, da keine Restladung in diesen Bereichen anzutreffen ist.

[0007] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Brennkraftmaschine anzugeben, die auf einfache Weise das Klopfen verringert.

[0008] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Mittel zur Isolierung einen flächenmäßig kleinen Anteil einer Oberfläche des Brennraums einnimmt, so dass eine Wärmeübertragung aus dem Brennraum durch die Oberfläche des Brennraumes im Wesentlichen unbeeinflusst ist, wobei das Mittel zur Isolierung an dem Zylinderkopf und/oder an der Oberfläche des Brennraums am Kolben in einem Außenbereich, der von einer Drehachse des Zylinders entfernt ist, angeordnet ist. Durch diese punktuelle Anordnung des Mittels zur Isolierung ergeben sich im Brennraum während der Verbrennung heiße Stellen an dem Mittel zur Isolierung, da die Wärme dort im Vergleich zur Umgebung weniger stark in das umgebende Material, einen Zylinderblock oder den Kolben abgeleitet werden kann. An den Stellen, welche mit der thermischen Isolierung versehen sind, und damit wesentlich heißer als die umgebende Wand sind, kommt es im Zuge der verbrennungsbedingten Restladungsverdichtung zur Ausbildung von lokalen Zündquellen an diesen thermisch isolierten Stellen und damit zu zusätzlichen Flammenfronten. Dadurch wird in weiterer Folge die verfügbare unverbrannte Ladungsmenge vermindert und damit die Intensität bzw. das Risiko eines schädlichen Klopfevents hoher Inten1/10

AT 521 273 B1 2019-12-15 österreichisches patentamt sität vermindert. An diesen heißen Stellen bei dem Mittel zur Isolierung verbrennt die noch nicht verbrannte Restladung. Dadurch wird für den nächsten Zyklus Klopfen vermieden.

[0009] Die Anordnung in einem Außenbereich, der von einer Drehachse des Zylinders entfernt ist, ist von enormem Vorteil, da es mit größerem Abstand zu einer längeren Dauer kommt, die die Flammenfront von der Zündquelle bis zur Ankunft in dezentralen Bereichen des Brennraums benötigt.

[0010] Dabei wird hier unter Restladung der Teil der Ladung verstanden, der im betrachteten Augenblick noch nicht von der Flammenfront erfasst wurde und noch unverbrannt ist.

[0011] Unter einem kleinen flächenmäßigen Anteil versteht sich hier eine punktuelle Anordnung von Mittel zur Isolierung die punktförmig an der Oberfläche des Brennraums angebracht ist. Dabei ist die minimale Größe dieser Punkte durch die Fertigungsverfahren technisch begrenzt.

[0012] Die Wärmeübertragung ergibt sich dabei aus der Energiebilanz um den Brennraum wobei konvektive Wärmeübertragung, Wärmeleitung durch die Brennraumwand und durch Strahlung abgegebene Wärme aus dem Brennraum umfasst sind.

[0013] Eine günstige Ausführung entsteht, wenn das Mittel zur Isolierung eine Fläche der Oberfläche des Brennraums einnimmt, die kleiner ist als ein Hundertstel der Oberfläche, vorzugsweise kleiner ist als vier Tausendstel der Oberfläche und besonders vorzugsweise kleiner ist als zwei Tausendstel der Oberfläche.

[0014] Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Mittel zur Isolierung eine geringere spezifische Wärmekapazität aufweist als seine Umgebung. Durch die fehlende Wärmeableitung erwärmt sich das Mittel zur Isolierung. Die Temperatur dafür ergibt sich aus der Wärmebilanz. Wesentlich Faktoren sind dabei der konvektive Wärmeübergang zwischen Gas und Mittel zur Isolierung, die spezifische Wärmekapazität des Mittels zur Isolierung und die Wärmeableitung vom Mittel zur Isolierung in das Grundmaterial. Je niedriger die Wärmeleitfähigkeit des Mittels zur Isolierung ist, umso höher ist die mittlere Temperatur dessen. Je niedriger die Wärmekapazität ist, umso schneller kann es den gasseitigen Temperaturänderungen bzw. Wärmestromänderungen folgen.

[0015] Die spezifische Wärmekapazität des Mittels zur Isolierung ist dabei niedriger, als die spezifische Wärmekapazität des Materials der Oberfläche des Brennraums, die oben als Umgebung bezeichnet wird.

[0016] Um die Wärmeableitung des Mittels zur Isolierung weitgehend zu verhindern und die Isolationswirkung zu verbessern, sieht eine günstige Ausführungsform vor, dass das Mittel zur Isolierung eine Isolierschicht aufweist, die eine Schichtdicke von mehr als 30 μm aufweist, vorzugsweise mehr als 50 μm, besonders bevorzugt ungefähr 70 μm.

[0017] Besonders wirkungsvoll ist dies, wenn das Mittel zur Isolierung eine Isolierschicht aus Siliziumoxid verstärktem porösem anodisiertem Aluminiumoxid aufweist.

[0018] Eine besonders einfache Fertigung ergibt sich hierfür, wenn das Mittel zur Isolierung eine Eloxalschicht aufweist.

[0019] Eine qualitativ hochwertige Isolierschicht ergibt sich, wenn das Mittel zur Isolierung eine Isolierschicht aufweist, die durch plasmaelektrolytische Oxidation hergestellt ist.

[0020] Aus Sicht der Fertigung ist es für nachträgliche Aufrüstung einer Brennkraftmaschine günstig, wenn das Mittel zur Isolierung im Wesentlichen ein Stift ist, der in den Zylinderkopf und/oder den Kolben eingeschoben ist und mit einer Isolierschicht an den Brennraum grenzt. Dabei kann der Stift einfach in eine nachträglich angefertigte Bohrung eingeschoben werden. Es sind auch bei Neuanfertigungen von Brennkraftmaschinen einfach eine solche Stifte einsetzbar.

[0021] Es sind in alternativen Ausführungen auch Mittel zur Isolierung, Zündpunkte möglich, die plan mit der Oberfläche des Brennraums sind oder in die Oberfläche eingesenkt sind.

2/10

AT 521 273 B1 2019-12-15 österreichisches patentamt [0022] Es ist besonders günstig, wenn das Mittel zur Isolierung anionische Komponenten vorzugsweise Phosphatsalz und/oder Siliziumoxid aufweist und/oder katalytische Komponenten aufweist. Dadurch können Abgasemissionen reduziert werden und exotherme Reaktionen eingeleitet werden.

[0023] Um besonders vorteilhafte Eigenschaften für das Mittel zur Isolierung zu erreichen, ist es günstig, wenn das Substrat (Basismaterial des Kolbens und des Zylinderkopfs zum Anodisieren) zur Fertigung des Mittels zur Isolierung mehrere Bestandteile aufweist, vorzugsweise Siliziumoxid, Magnesium, Kupfer.

[0024] Die Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bei der ein Brennstoff in einen Brennraum eingebracht wird, verdichtet wird und durch eine Zündquelle durch aktive Energiezufuhr gezündet wird und zuletzt ein Abgas aus dem Brennraum ausgestoßen wird, dadurch gelöst, dass in dem Brennraum durch eine aktive Zündung von der Zündquelle eine Flammenfront im Brennraum entsteht und ein Mittel zur Isolierung auf eine Zündtemperatur erwärmt wird und dass durch das erwärmte Mittel zur Isolierung eine Nebenzündung durch teilweise Abgabe der aufgenommenen Wärme auf noch unverbrannte Restladung ausgelöst wird. Dadurch kann Klopfen durch die ungewollte gleichzeitige Selbstzündung von noch nicht verbrannter Restladung verhindert oder wesentlich vermindert werden.

[0025] Dabei ist vorteilhaft, wenn die Nebenzündung vor Vorüberziehen der Flammenfront an dem erwärmten Mittel zur Isolierung ausgelöst wird.

[0026] Um die Verbrennung optimal zu gewährleisten und eine Überhitzung des Materials im Bereich des Brennraums zu verhindern, ist es günstig, wenn die Wärmeübertragung vom Brennraum durch das zumindest eine Mittel zur Isolierung durch die Oberfläche des Brennraums im Wesentlichen nicht gestört wird.

[0027] Das hier vorgestellte Verfahren zielt auf die kontrollierte Herbeiführung der Selbstzündung in kleinen Volumsbereichen der Restladung ab. Aus der Praxis ist bekannt, dass durch sich ablösende Ablagerungen oder durch Öltröpfchen eine Selbstzündung der Restladung auftreten kann.

[0028] Diese Prozesse sind jedoch nicht gezielt steuerbar und daher nicht gezielt nutzbar. Durch das Mittel zur Isolierung wird eine Stelle eingebracht, die durch ihre spezifischen Werkstoffeigenschaften zündfördernd wirkt. Dadurch ist eine gezielte Nutzung der selbstzündungsfördernden Wirkung erreichbar, was wiederum einen erheblichen Vorteil gegenüber bekannten Lösungen bietet.

[0029] Das Mittel zur Isolierung wirkt als zündungsfördernde Komponente im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit vorwiegend vorgemischter Verbrennung und Fremdzündung. Das Mittel zur Isolierung wirkt gezielt als zusätzlicher Zündherd von welchem sich sekundäre Flammenfronten ausbreiten und auf diese Weise die Umsetzung der unverbrannten Ladung beschleunigen. Dadurch wird die Masse der unverbrannten Ladung bis zum Überschreiten der Zündverzugszeit reduziert und damit reduziert sich die Intensität des verbleibenden (schlagartigen) Energieumsatzes wesentlich. Daher werden Klopfschäden vermieden.

[0030] Diese heißen Stellen (Zündpunkte) an dem Mittel zur Isolierung weisen erfindungsgemäß sehr viel geringere Wärmeleitfähigkeiten und sehr viel geringere volumetrische Wärmekapazitäten auf. Derartige Materialien sind als Thermo Swing Materialien bekannt.

[0031] Zur Beeinflussung der Wirksamkeit der zündungsfördernden Komponente, dem Mittel zur Isolierung, kann dieses extern beheizt sein. Die Anordnung der zündungsfördernden Komponenten erfolgt im Brennraum an jenen Stellen, wo unter klopfkritischen Bedingungen ausgeprägte Klopfherde zu erwarten sind. Typischer Weise sind dies also Bereiche am Kolben und/oder am Zylinderkopf in unmittelbarer Nähe zum Zylindermantel. Die zündungsfördernden Komponenten, das punktuell verteilte Mittel zur Isolierung weist dabei typische Abmessungen in der Größe von etwa 1 bis 3 mm auf und sind unter klopfkritischen Bedingungen an der gasseitigen Oberfläche 200 bis 400 K heißer als die umgebende Oberfläche des Brennraums, wodurch

3/10

AT 521 273 B1 2019-12-15 österreichisches patentamt das Mittel zur Isolierung lokal eine wesentliche Verkürzung der Zündverzugszeit hervorruft und auf diese Weise lokale Selbstzündungen initiieren. Ein weiteres Merkmal der verwendeten Werkstoffe für das Mittel zur Isolierung sind die integrierten Gasporen, wodurch die Werkstoffe eine hohe thermomechanische Belastbarkeit aufweisen.

[0032] Klopfkritische Bedingungen sind verbunden mit einem Hochlastbetrieb, dabei heizt sich jeder einzelne Zündpunkt auf Grund des dann vorliegenden hohen mittleren Wärmestroms stark gegenüber dem Trägermaterial, der Umgebung des Zündpunkts auf. Eine zusätzliche Temperaturüberhöhung an der gasseitigen Oberfläche wird durch die zyklusbedingte Oberflächentemperaturschwankung begünstigt. Diese Temperaturerhöhung zündet die dort vorliegende Restladung. Die Temperaturschwankung ist umgekehrt proportional zur Wärmeleitfähigkeit und zur spezifischen Wärmekapazität der Isolierschicht und der Zündpunkte.

[0033] In einem Ansaugtakt wird Ladung in den Brennraum eingebracht, dann wird die Ladung während einem Verdichtungstakt komprimiert und in der Nähe des oberen Totpunktes findet eine aktive Zündung durch die Zündquelle, die Zündkerze statt. Im Brennraum breitet sich die Flammenfront aus und durch die exotherme Reaktion erwärmt sich das Material des Zylinderkopfs und des Kolbens. Die Wärme wird durch dieses Material abgeleitet. Aufgrund der geringeren spezifischen Wärmekapazität der Zündpunkte und der geringeren Wärmeleitfähigkeit erwärmen sich diese Zündpunkte im Außenbereich des Brennraums stärker als die Umgebung.

[0034] Eine Nebenzündung erfolgt, bevor die Flammenfront am Zündpunkt vorübergezogen ist. Die Nebenzündung an den Zündpunkten (unter klopfkritischen Bedingungen) soll erfolgen bevor die Flammenfront der Fremdzündung diese erreicht, da sie nur dann als Zusatzzündquellen wirken. Unter nicht-klopfkritischen Teillastbedingungen ist der Wärmestrom um die Zündpunkte geringer, wodurch diese kälter sind und daher nicht als Zusatzzündquellen wirken. Die Flammenfront erreicht die Zündpunkte also idealerweise bevor die Selbstzündungsreaktionen ganz abgelaufen sind.

[0035] Die Zündpunkte sind bei klopfkritischen Bedingungen zwischen 200 und 400 °C heißer als die Umgebung (das umgebende Material des Zylinderkopfes und des Kolbens). Nur unter Hochlastbedingungen werden die Zündpunkte soweit erhitzt um Nebenzündungen auszulösen.

[0036] Die Zündpunkte sind nur kleinräumig an der Oberfläche des Brennraums aufgebracht und verändern den globalen Wärmestrom durch die Oberfläche praktisch nicht. Bei zu großflächigen Beschichtungen mit Mittel zur Isolierung an der Oberfläche des Brennraums kann es zu großen Klopfereignissen kommen, zu Superklopfern. Die Positionierung der Zündpunkte erfolgt günstigerweise im Außenbereich des Brennraumes am Kolben oder am Zylinderkopf.

[0037] In einer weiteren möglichen Ausführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind die Zündpunkte durch poröses Aluminiumoxid gebildet. Dabei kann das dadurch erreicht werden, dass die Aluminiumlegierung des Kolbens oder des Zylinderkopfs anodisiert wird.

[0038] Dies ist beispielsweise zum Erhalt einer Verschleißschutzschicht für eine Kolbenringnut des Kolbens bereits bekannt, allerdings sind die Anforderungen an diese Schicht eine andere. So ist eine Verschleißschutzschicht fest und weist geringe Porosität auf. Die Dicke der Verschleißschutzschicht ist üblicherweise weniger als 30 μm dick.

[0039] Die Zündpunkte sind poröser und weisen eine Dicke von etwa 70 μm auf.

[0040] Die Zusammensetzung der Zündpunkte kann durch anionische Komponenten wie Siliziumoxid oder Phosphatsalz, oder durch Zusammenwirken mit Legierungskomponenten des Substrats, wie Silizium, Magnesium oder Kupfer verbessert werden. Beispielsweise kann Mullit (AI8[(O,OH)|(Si,AI)O4]4] durch plasmaelektrolytische Oxidation aus Aluminium gebildet werden, wenn Siliziumoxid Anionen enthalten sind und/oder wenn das Substrat eine siliziumhaltige Aluminiumlegierung ist. Weitere mögliche Hauptkomponenten bei plasmaelektrolytischer Oxidation sind beispielsweise γ-Aluminium, α-Aluminium und Titanoxid.

[0041] Durch plasmaelektrolytische Oxidation hergestellte Schichten weisen aufgrund ihrer amorphen Struktur in Kombination mit der geringen Korngröße eine geringe Wärmeleitfähigkeit

4/10

AT 521 273 B1 2019-12-15 österreichisches patentamt auf.

[0042] Die Eigenschaften der Zündpunkte können mit Hilfe der Menge und der Art der anionischen Komponenten und der Substratzusammensetzung variiert werden. Außerdem ist es günstig die poröse Aluminiumoxidschicht zu versiegeln, um hohe Haltbarkeit und hohe Belastbarkeit im Brennraum zu gewährleisten.

[0043] Unter Substrat versteht sich hier das Basismaterial des Kolbens und des Zylinderkopfs zum Anodisieren.

[0044] In weiterer Folge wird die Erfindung anhand der nicht einschränkenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

[0045] Fig. 1 eine Oberfläche eines Brennraums an einem Zylinderkopf einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;

[0046] Fig. 2 eine Oberfläche eines Brennraums an einem Kolben einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;

[0047] Fig. 3 eine Oberfläche eines Brennraums einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführung in einem schematischen Schnitt entlang der Linie Ill-Ill gemäß Fig. 2.;

[0048] Fig. 4 eine Oberfläche eines Brennraums einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausführung in einem schematischen Schnitt entlang der Linie IV-IV gemäß Fig. 1; und [0049] Fig. 5 ein Diagramm in der die Temperatur über dem Kurbelwinkel in einem Brennraum dargestellt ist.

[0050] In Fig. 1 ist eine Oberfläche O eines Brennraumes einer Brennkraftmaschine gezeigt. Die Oberfläche O umfasst an einem Zylinderkopf 1 zwei Einlassventile 2 und zwei Auslassventile 3. Zwischen diesen Ventilen 2, 3 sind eine Einspritzung 4 zur Einspritzung von Brennstoff in den Brennraum und eine Zündkerze 5 als Zündquelle angeordnet. Dabei ist die Zündkerze 5 zentral am Zylinderkopf 1 im Bereich einer Drehachse A eines Zylinders im Brennraum angeordnet. Es handelt sich bei den erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen um fremdgezündete Brennkraftmaschinen mit zumindest einer Zündquelle zur Einleitung der ottomotorischen Verbrennung.

[0051] In einem Außenbereich 6 des Brennraums, der von der Drehachse A möglichst weit entfernt ist, sind am Zylinderkopf 1 in der gezeigten Ausführung vier Zündpunkte 7 angeordnet. Selbstverständlich ist auch eine andere Anzahl von Zündpunkten 7 und eine entsprechende andere Verteilung der Zündpunkte 7 möglich. Diese Zündpunkte 7 stellen in ihrer Gesamtheit ein Mittel zur Isolierung dar. Die Zündpunkte 7 weisen einen Durchmesser von weniger als 3 mm auf, wobei die Bohrung des Zylinders beispielsweise einen Durchmesser von 75 mm aufweist.

[0052] Der Brennraum wird im Wesentlichen durch einen Zylinderkopf 1, einen Kolben 8 (Fig. 2) und die Mantelfläche des Zylinders begrenzt.

[0053] Die Oberfläche O des Brennraums am Kolben 2 ist in Fig. 2 gezeigt. Dabei sind ebenfalls von der Drehachse A entfernt im Außenbereich 6 des Brennraums vier Zündpunkte 7 regelmäßig verteilt angeordnet. In der gezeigten Ausführung sind die Zündpunkte 7 außerhalb einer Kolbenmulde 9 des Kolbens 8 angeordnet.

[0054] Die Zündpunkte 7 am Zylinderkopf 1 und am Kolben 8 weisen eine geringere Temperaturleitfähigkeit als das Material der Umgebung dazu - dem restlichen Zylinderkopf 7 und dem restlichen Kolben 8 - auf. Der Zylinderkopf 7 und der Kolben 8 können beispielsweise im Wesentlichen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt sein. Weiters weisen die Zündpunkte 7 eine geringere spezifische volumetrische Wärmekapazität als das Material in der Umgebung auf.

5/10

AT 521 273 B1 2019-12-15 österreichisches patentamt [0055] Darüber hinaus nehmen die Zündpunkte 7 in ihrer Gesamtheit nur einen flächenmäßigen kleinen Anteil der Oberfläche O des Brennraumes ein. In einer Ausführung mit acht Zündpunkten 7, nach oder ähnlich dem gezeigten Schema in Fig. 1 und Fig. 2, bei der jeder Zündpunkt 7 einen Durchmesser von etwa 3 mm aufweist, entspricht das Verhältnis von der Oberfläche O des Brennraums (ohne Mantelfläche des Zylinders) in etwa 2/300, bei acht Zündpunkten 7 mit einem Durchmesser von etwa 1 mm ist das Verhältnis von der Oberfläche O zu der Fläche der Zündpunkte 7 etwa 1/1500. Mit einem Durchmesser von etwas mehr als 1 mm (1,338 mm) liegt das Verhältnis bei etwa 4/1000. Bei einem Durchmesser von weniger als 1 mm (0,946 mm) beträgt das Verhältnis in etwa 2/1000.

[0056] In Fig. 3 ist ein Schnitt durch den Kolben 8 entlang der Linie III-III in Fig. 2 gezeigt. Dabei ist die Umgebung des Zündpunkts 7 das Material des Kolbens 8. Zur Reduktion der Schadstoffemissionen und zur Förderung von günstigen chemischen Reaktionen und zur Steigerung der Wirksamkeit weist der Zündpunkt 7 katalytische Komponenten 10 auf. Der Zündpunkt 7 wird dabei von einer Isolierschicht 11 am Kolben 8 gebildet, die eine Schichtdicke d hat, die etwa 70 μm groß ist. In anderen Ausführungen beträgt die Schichtdicke d zwischen 30 μm und 50 μm oder mehr als 50 μm.

[0057] Es gibt zur Herstellung der Zündpunkte 7 an der Oberfläche O des Kolbens 8 und des Zylinderkopfs 1 mehrere Möglichkeiten: Die Isolierschicht 11 kann beispielsweise durch Eloxieren, wie etwa plasmaelektrolytische Oxidation am Material des Zylinderkopfs 1 oder des Kolbens 8 gebildet werden.

[0058] Idealerweise weist der Zündpunkt 7 eine Isolierschicht 11 aus Siliziumoxid verstärktem porösem anodisiertem Aluminiumoxid auf. In anderen Ausführungen ist die Isolierschicht 11 zum Teil aus anionischen Komponenten, Phosphatsalz, Siliziumoxid, katalytische Komponenten, Magnesium und/oder Kupfer gebildet.

[0059] In Fig. 4 ist ein Schnitt eines aktiven Zündpunktes 7 gezeigt, dabei ist vom Brennraum aus betrachtet unterhalb der Isolierschicht 11 ein Heizelement 12 angeordnet. Dieses stiftartige Heizelement 12 kann einfach in eine Bohrung des Zylinderkopf 1 eingeschoben werden und kann entsprechend aktiv über das Heizelement 12 gezündet werden.

[0060] In Fig. 5 ist ein Diagramm gezeigt, das Temperaturen T in °C im Brennraum bei klopfkritischen Bedingungen über einem Kurbelwinkel α darstellt. Mit TDC ist dabei der obere Totpunkt des Kolbens 8 im Zylinder bezeichnet.

[0061] Die Linie 13 stellt dabei die Temperatur der ungestörten Oberfläche O des Brennraumes der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine dar. Linie 14 zeigt im Gegensatz dazu eine Temperatur der Wand einer Brennkraftmaschine mit einer normalen Isolationsschicht. Der Temperaturverlauf des Gases im Brennraum ist mit der strichpunktierten Linie 15 gezeigt. Die durchgezogene Linie 16 zeigt im Vergleich dazu, die Temperatur an den Zündpunkten 7 in der Ausführung mit einer Isolierschicht 11 aus Siliziumoxid verstärktem porösem anodisiertem Aluminiumoxid.

[0062] In einer weiteren möglichen Ausführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind aktive Zündpunkte 7, wie in Fig. 4 gezeigt für den Zylinderkopf 1 und passive Zündpunkte 7 wie in Fig. 3 gezeigt vorgesehen. Es können aber auch aktive und passive Zündpunkte 7 auch vertauscht an der Oberfläche O des Brennraums angeordnet sein.

[0063] In einerweiteren Ausführung sind nur passive Zündpunkte 7 für Kolben 8 und für Zylinderkopf 1 vorgesehen und in einerweiteren sind nur aktive Zündpunkte 7 vorgesehen.

[0064] Eine andere Anzahl und eine veränderte geometrische Aufteilung der Zündpunkte, ist bei alternativen Ausführungen vorgesehen.

Claims (13)

1. Brennkraftmaschine mit ottomotorischer Verbrennung mit einem durch einen Zylinderkopf (1), einen Zylinder und einen im Zylinder hin - und herbewegenden Kolben (8) begrenzten Brennraum mit einer Zündquelle in den ein Brennstoff einbringbar ist, wobei die Brennkraftmaschine zumindest ein Mittel zur Isolierung zum Brennraum hin aufweist, das eine geringere Temperaturleitfähigkeit aufweist als seine Umgebung, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Isolierung einen flächenmäßig kleinen Anteil einer Oberfläche (O) des Brennraums einnimmt, sodass eine Wärmeübertragung aus dem Brennraum durch die Oberfläche (O) des Brennraumes im Wesentlichen unbeeinflusst ist, wobei das Mittel zur Isolierung an dem Zylinderkopf (1) und/oder an der Oberfläche (O) des Brennraums am Kolben (8) in einem Außenbereich (6) der von einer Drehachse (A) des Zylinders entfernt ist, angeordnet ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Isolierung eine Fläche der Oberfläche (O) des Brennraums einnimmt, die kleiner ist als ein Hundertstel der Oberfläche (O), vorzugsweise kleiner ist als vier Tausendstel der Oberfläche (O) und besonders vorzugsweise kleiner ist als zwei Tausendstel der Oberfläche (O).

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Isolierung eine geringere spezifische Wärmekapazität aufweist als seine Umgebung.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Isolierung eine Isolierschicht (11) aufweist, die eine Schichtdicke (d) von mehr als 30 μm aufweist, vorzugsweise mehr als 50 μm, besonders bevorzugt ungefähr 70 μm.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Isolierung eine Eloxalschicht aufweist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Isolierung eine Isolierschicht (11) aufweist, die durch plasmaelektrolytische Oxidation hergestellt ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Isolierung eine Isolierschicht (11) aus Siliziumoxid verstärktem porösem anodisiertem Aluminiumoxid aufweist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Isolierung im Wesentlichen ein Stift ist, der in den Zylinderkopf (1) und/oder den Kolben (8) eingeschoben ist und mit einer Isolierschicht (11) an den Brennraum grenzt.

9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Isolierung anionische Komponenten vorzugsweise Phosphatsalz und/oder Siliziumoxid aufweist und/oder katalytische Komponenten (10) aufweist.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Isolierung mehrere Bestandteile aufweist, vorzugsweise Siliziumoxid, Magnesium, Kupfer.

11. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bei der ein Brennstoff in einen Brennraum eingebracht wird, verdichtet wird und durch eine Zündquelle durch aktive Energiezufuhr gezündet wird und zuletzt ein Abgas aus dem Brennraum ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Brennraum durch eine aktive Zündung von der Zündquelle eine Flammenfront im Brennraum entsteht und ein Mittel zur Isolierung auf eine Zündtemperatur erwärmt wird und dass durch das erwärmte Mittel zur Isolierung eine Nebenzündung durch teilweise Abgabe der aufgenommenen Wärme auf noch unverbrannte Restladung ausgelöst wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenzündung vor Vorüberziehen der Flammenfront an dem erwärmten Mittel zur Isolierung ausgelöst wird.

7/10

AT 521 273 B1 2019-12-15 österreichisches patentamt

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragung vom Brennraum durch das zumindest eine Mittel zur Isolierung durch die Oberfläche (O) des Brennraums im Wesentlichen nicht gestört wird.