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Stand der
Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer
Laserzündeinrichtung
zur Benzindirekteinspritzung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer
derartigen Brennkraftmaschine.
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Brennkraftmaschinen
zur Benzindirekteinspritzung sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen
Ausgestaltungen bekannt. Derartige Brennkraftmaschinen werden in
jüngster
Zeit verstärkt
eingesetzt, da sie einen geringeren Kraftstoffverbrauch bei niedrigeren
Emissionen aufweisen. Den bekannten Brennkraftmaschinen ist gemeinsam, dass
sie üblicherweise
ein Einspritzventil in einer zentralen Lage aufweisen und eine Zündkerze
derart angeordnet ist, dass sie an einem Sprayrand des in den Brennraum
eingespritzten Kraftstoffs liegen. Die Zündung des sich im Wesentlichen
kegelförmig
von dem Einspritzventil ausbreitenden Kraftstoffs erfolgt dabei
am Rand des Kegels, da nur hier ein zündfähiges Luft-Kraftstoffgemisch vorhanden ist. In
der Praxis ergeben sich bei der Positionierung des Funkenortes der
Zündkerze
jedoch Probleme, diesen Funkenort präzise an der schmalen Randzone
im Bereich des zündbaren
Kraftstoff-Luftgemischs zu positionieren. Dies liegt einerseits
an Bauteiltoleranzen von Einspritzventil, Zündkerze und Zylinderkopf und andererseits
auch an der Streuung der Spraygeometrie von Zyklus zu Zyklus, so
dass die zündbare Randzone
in gewissem Umfang variieren kann. Auch können bei der Zündkerze
zyklische Streuungen des Funkenorts innerhalb des Elektrodenbereichs
auftreten sowie die Spraygeometrie altersbedingt aufgrund von Ablagerungen
oder abhängig
vom Kennfeld der Brennkraftmaschine variieren. Diese erläuterten
Faktoren führen
dabei einerseits zu einem reduzierten Wirkungsgrad und andererseits
auch zu Problemen bei den Abgasen.
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Ferner
wurde in jüngster
Zeit vorgeschlagen, die herkömmliche
Zündkerze
durch eine Laserzündeinrichtung
zu ersetzen, wobei eine Zündung
ebenfalls am Rand einer eingespritzten Kraftstoffwolke erfolgt.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 weist demgegenüber
den Vorteil auf, dass immer eine sichere Zündung gewährleistest werden kann. Ferner
kann erfindungsgemäß ein Wirkungsgrad
erhöht
werden, woraus eine Kraftstoffeinsparung resultiert und die Abgasemissionen
verbessert werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass Kraftstoff
während
eines Kompressionstakts der Brennkraftmaschine in einen Brennraum
eingespritzt wird. Der Kraftstoff wird dabei derart in den Brennraum
eingespritzt, dass sich auf dem Kolben ein zündfähiger, fladenförmiger Gemischbereich
aus Kraftstoff und Luft bildet. Der fladenförmige Gemischbereich liegt
dabei auf der Kolbenbodenfläche
des Kolbens auf. Erfindungsgemäß wird dabei
zwischen einem Ende der Kraftstoffeinspritzung und einem Beginn
einer Zündung
mit einer Laserzündeinrichtung
eine vorbestimmte Zeitspanne abgewartet, um die Bildung des fladenförmigen Gemischbereichs
auf dem Kolben zu ermöglichen.
Die Zeitspanne wird dabei derart gewählt, bis ein Zündort eines
in den Brennraum gerichteten Laserstrahls der Laserzündeinrichtung
im Inneren des zündfähigen, fladenförmigen Gemischbereichs
liegt. Dadurch erfolgt eine Zündung
erst im Inneren des fladenförmigen
Gemischbereichs. Erfindungsgemäß erfolgt
somit nicht mehr eine Zündung
am Rand einer eingespritzten Kraftstoffwolke, sondern im Inneren
eines auf dem Kolben befindlichen fladenförmigen Gemischbereichs. Dabei
wird nach der Einspritzung abgewartet, bis sich der fladenförmige Gemischbereich auf
dem Kolben, welcher sich während
der Kompressionsphase entgegen der Spritzrichtung des Kraftstoffs
bewegt, gebildet hat. Wenn der in den Brennraum eingespritzte Kraftstoff
in Form eines Strahls eingespritzt wird, welcher mit zunehmender
Eindringtiefe in den Brennraum zunehmend verdampft, ergibt sich
bei dem Strahl insbesondere im Bereich der Sprayspitze eine zündfähige Hülle aus
einem gasförmigen
Kraftstoff-Luftgemisch, welche sich wie eine Art Halskrause um eine
Strahlmitte legt. Diese gasförmige
Hülle weist
dabei im Wesentlichen die Form eines Tropfens auf. Weil der Kolben
sich entgegen dem derart eingespritzten Kraftstoff bewegt, lenkt
der Kolben das Kraftstoff-Luftgemisch
horizontal zu allen Seiten ab, was zu einer weiteren, turbulenzbedingten Vermischung
führt.
Dadurch wird auf dem Kolbenboden der erfindungsgemäße zündfähige, fladenförmige Gemischbereich
gebildet. Somit wird während
des Zeitraums nach dem Einspritzen und vor dem Zünden der erfindungsgemäße Gemischbereich
auf dem Kolben gebildet. Der fladenförmige Gemischbereich ist dabei
von einem nicht zündfähigen Gasgemisch, insbesondere
Luft, umgeben. Dabei wird der Kolben weiter nach oben in Richtung
des Zylinderkopfes bewegt, wobei eine Zündung erst dann erfolgt, wenn der
Brennpunkt des Lasers im Inneren des Gemischbereichs liegt. Da die
Zündung
somit im Inneren des Gemischbereichs erzeugt wird, kann eine sichere Zündung ermöglicht werden.
Ferner sind ausgehend von dem Zündort
die Flammenwege bis zum Rand des Gemischbereichs deutlich kürzer als
im Vergleich mit einem Zündpunkt
an einem Rand, so dass ferner eine schnellere Verbrennung erreicht
wird. Die Verwendung einer Laserzündeinrichtung ermöglicht es
dabei, dass an jedem beliebigen Punkt im Gemischbereich gezündet werden
kann. Bei der Verwendung von konventionellen Zündkerzen sind lediglich Funkenlagen
möglich,
welche ca. 8 mm in den Brennraum hineinreichen, da ansonsten die
Kerzenelektroden und die Kerzenkeramik zu heiß werden. Die Verwendung der
Laserzündeinrichtung
kann im Gegensatz dazu jedoch am Rand eines Brennraums angeordnet
werden, ohne dass ein Teil davon in den Brennraum vorsteht. Ferner
weist eine Laserzündeinrichtung
keine Zündenergieverluste
durch Quenching-Phänomene
(Wärmeableitung)
an metallischen Kerzenelektroden auf. Hieraus resultieren reduzierte
zyklische Schwankungen im Brennverlauf, da die Laserzündeinrichtung
eine hohe Reproduzierbarkeit der empfindlichen Flammkernbildung
ermöglicht.
Ferner können
mittels der Laserzündeinrichtung auch
verdünnte
Gemische gezündet
werden. Die Zündung
im Inneren des Gemischbereichs ermöglicht ferner ein schnelleres
Durchbrennen des Gemischbereichs, was sich thermodynamisch entweder in
einem schnelleren Brennverlauf (es ist eine höhere Verdichtung ohne Klopfen
möglich,
was zur Verbrauchsersparnis führt)
und/oder in einer stärker möglichen
Gemischverdünnung
(es ist eine Abmagerung oder Abgasrückführung möglich, was zu einer NOx-Reduzierung
führt und
Verbrauchsvorteile ermöglicht)
nutzen lässt.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die
Einspritzung des Kraftstoffs erfolgt vorzugsweise durch eine Vielzahl
von Einzelstrahlen, welche mittels eines Mehrlochventils mit einer
Lochzahl von vorzugsweise zwischen 7 und 14 erzeugt wird, oder mittels
eines sich nach außen öffnenden Ringspaltventils
(A-Ventil) mit einem Öffnungswinkel α zwischen
70° ≤ α ≤ 110°.
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Vorzugweise
ist die Zeitspanne zwischen dem Ende der Kraftstoffeinspritzung
und dem Beginn der Zündung
so gewählt,
dass sie einem Kurbelwinkelweg zwischen 5° und 15°, insbesondere zwischen 5° und 10° und besonders
bevorzugt 7,5° entspricht.
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Um
eine schnellere und sicherere Bildung des fladenförmigen Gemischbereichs
zu ermöglichen,
ist im Kolbenboden vorzugsweise eine Mulde vorgesehen, in welcher
sich der fladenförmige
Gemischbereich bildet. Die Mulde ist dabei vorzugsweise kreisförmig und
symmetrisch gebildet.
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Besonders
bevorzugt wird nahe einem oder an einem mittleren Bereich des fladenförmigen Gemischbereichs
gezündet,
um möglichst
kurze Flammenwege durch den gesamten Gemischbereich zu haben.
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Weiter
bevorzugt ist am Kolbenboden eine vorstehende Nase gebildet, über welchen
sich der fladenförmige
Gemischbereich legt, um im fladenförmigen Gemischbereich einen
im Wesentlichen in Axialrichtung des Kolbens vorstehenden Bereich
zu bilden. Die Zündung
des fladenförmigen
Gemischbereichs kann vorzugsweise ausgehend von dem vorstehenden
Bereich erfolgen. Dadurch kann erreicht werden, dass der Beginn
der Zündung
des fladenförmigen
Gemischbereichs noch in einem früheren
Bewegungsabschnitt in Richtung des oberen Totpunkts des Kolbens
erfolgt, so dass genau im wirkungsgrad-optimalen Kurbelwinkelbereich
eine möglichst vollständige Verbrennung
des fladenförmigen
Gemischbereichs erfolgt und dann der Expansionstakt erfolgt. Um
eine Positionierung des Einspritzventils möglichst mittig im Zylinderkopf
zu realisieren, ist die vorstehende Nase vorzugsweise an einem Rand
der Mulde am Kolbenboden angeordnet. Um eine schnellere Bildung
des fladenförmigen
Gemischbereichs zu erreichen, erfolgt eine Kraftstoffeinspritzung vorzugsweise
auf die vom Kolbenboden vorstehende Nase.
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Vorzugsweise
erfolgt die Kraftstoffeinspritzung in mehreren aufeinanderfolgenden
Intervallen. Dadurch wird erreicht, dass ein höherer Luftanteil im fladenförmigen Gemischbereich
vorhanden ist, da zwischen den einzelnen Intervallen der Kraftstoffeinspritzung
jeweils ein kleines Luftpolster liegt.
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Um
die Flammenlaufzeiten von einem Zündort durch den fladenförmigen Gemischbereich
möglichst
gering zu halten, ist vorzugsweise eine Vielzahl von Zündorten
im Inneren des Gemischbereichs vorgesehen. Die Vielzahl von Zündorten
kann dabei mittels mehrerer Laserzündeinrichtungen erzeugt werden
oder mittels einer Lasereinrichtung, welche mehrfach an unterschiedlichen
Brennpunkten betätigt
wird. Die Vielzahl von Zündorten
ist vorzugsweise symmetrisch im fladenförmigen Gemischbereich angeordnet.
Die Vielzahl von Zündorten
liegt vorzugsweise in einer Ebene, um eine möglichst homogene Flammenlaufzeit
durch den Gemischbereich zu erreichen. Es sei jedoch angemerkt,
dass abhängig
von den geometrischen Gegebenheiten am Kolben und/oder Brennraum
die Vielzahl von Zündorten auch
auf unterschiedlichen Ebenen angeordnet sein kann.
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Um
beispielsweise auf einfache Weise eine lastabhängige Zündung zu ermöglichen,
ist die Brennweite der Laserzündeinrichtung
vorzugsweise veränderbar.
Dadurch kann die Laserzündeinrichtung
auf unterschiedliche Umgebungseinflüsse angepasst werden.
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Um
insbesondere eine reduzierte Geräuschentwicklung
bei der Zündung
des fladenförmigen
Gemischbereichs an mehreren Zündorten
zu erreichen, werden die verschiedenen Zündorte vorzugsweise zu unterschiedlichen
Zeitpunkten gezündet.
Dies ermöglicht
eine weitere Optimierung des Brennverlaufs.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird vorzugsweise in einem Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine
angewandt. Unter Schichtbetrieb wird hierbei eine Betriebsart verstanden,
bei der an der Brennkraftmaschine nur geringe Lasten anliegen. Im Schichtbetrieb
wird dabei eine Verbrennung im Brennraum im Wesentlichen nur durch
die eingespritzte Kraftstoffmasse festgelegt, wobei eine Drosselklappe üblicherweise
weit geöffnet
ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
kann jedoch auch im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine verwendet
werden.
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Ferner
wird erfindungsgemäß eine Brennkraftmaschine
zur Direkteinspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum vorgeschlagen,
welche eine Laserzündeinrichtung,
einen Kolben und eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung umfasst. Ferner
umfasst die Brennkraftmaschine eine Steuereinrichtung, um einen Zündzeitpunkt
der Laserzündeinrichtung
zu bestimmen. Die Steuereinrichtung aktiviert die Laserzündeinrichtung
dabei erst dann, wenn der Kraftstoffeinspritzvorgang abgeschlossen
ist und sich auf dem Kolben ein zündfähiger, fladenförmiger Gemischbereich
gebildet hat. Mit anderen Worten vergeht zwischen dem Ende des Kraftstoffeinspritzvorgangs
und dem Beginn der Zündung
eine vorbestimmte Zeitspanne, um einerseits die Bildung des fladenförmigen Gemischbereichs
zu ermöglichen
und andererseits erst dann eine Zündung vorzunehmen, wenn sich
ein Brennpunkt (Zündort)
des Lasers im fladenförmigen
Gemischbereich befindet. Dadurch wird sichergestellt, dass der Gemischbereich
in seinem Inneren gezündet
wird, so dass die Flammenwege sehr kurz sind.
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Die
Steuereinrichtung bestimmt den Zündzeitpunkt
vorzugsweise in Abhängigkeit
von einer Kolbenposition. Die Position des Kolbens kann dabei vorzugsweise
anhand eines Kurbelwinkels mittels eines Sensors bestimmt werden.
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Um
die Bildung des zündfähigen, fladenförmigen Gemischbereichs
zu unterstützen,
weist der Kolben vorzugsweise an einer Kolbenbodenfläche eine
im Wesentlichen kreisförmige
Mulde auf. Die Mulde ist vorzugsweise symmetrisch zu einer Kolbenmittelachse.
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Weiter
bevorzugt weist der Kolben an der Kolbenbodenfläche eine vorstehende Nase auf.
Die Nase kann vorzugsweise in einer kreisförmigen Mulde vorgesehen sein
oder sie ist am Rand der Mulde vorgesehen. Durch die vorstehende
Nase im Bereich der Mulde kann sichergestellt werden, dass sich
der fladenförmige
Gemischbereich auch über
der Nase bildet, so dass ein Bereich des Gemischbereichs in Bewegungsrichtung
des Kolbens vorsteht. Hierbei wird die Laserzündeinrichtung dann vorzugsweise derart
angeordnet, dass der Brennpunkt des Lasers im vorstehenden Bereich
des Gemischbereichs liegt. Dadurch kann beispielsweise eine Zündung weit
vor dem oberen Totpunkt des Kolbens realisiert werden, wobei die
Zündung
trotzdem sicher im Inneren des Gemischbereichs erfolgt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die an der
Kolbenbodenfläche
gebildete Mulde eine zur Mittelachse des Kolbens in einem Winkel
geneigte Grundfläche
auf. Dies ermöglicht
es, die Laserzündeinrichtung
mittig im Zylinderkopf anzuordnen und trotzdem eine senkrechte Kraftstoffeinspritzung
auf den Kolbenboden zu ermöglichen.
Die mittige Anordnung der Laserzündeinrichtung
hat ferner bauraumbedingte Vorteile.
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Vorzugsweise
umfasst die Laserzündeinrichtung
eine fokussierbare Linse, um eine Position eines Brennpunkts des
Laserstrahls zu verändern.
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Um
eine Vielzahl von Zündorten
im fladenförmigen
Gemischbereich zu ermöglichen,
umfasst die Brennkraftmaschine vorzugsweise eine Vielzahl von Laserzündeinrichtungen.
Die Vielzahl von Laserzündeinrichtungen
sind dabei vorzugsweise derart angeordnet, dass die Zündorte im
fladenförmigen Gemischbereich
möglichst
symmetrisch angeordnet sind. Die Steuereinrichtung betätigt dabei
die Vielzahl von Laserzündeinrichtungen
vorzugsweise zu unterschiedlichen Zeitpunkten, um eine Optimierung
eines gewünschten
Brennverlaufs, insbesondere hinsichtlich einer Geräuschentwicklung
und der Flammenlaufzeiten durch den Gemischbereich, zu ermöglichen.
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Die
Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist vorzugsweise ein Mehrlochventil
mit einer Lochzahl zwischen 7 und 14 oder ein nach außen öffnendes Ringspaltventil
(A-Ventil), vorzugsweise mit einem Öffnungswinkel zwischen 70° und 110°.
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Zeichnung
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im
Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer Brennkraftmaschine gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2a und 2b schematische
Darstellungen der Einspritzung von Kraftstoff mittels eines Mehrlochventils,
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3 eine
schematische Darstellung einer Spraywolke eines nach außen öffnenden
Ringspaltventils (A-Ventil),
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4a und 4b schematische
Ansichten einer Einspritzung mittels eines Mehrlochventils gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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5 und 6 schematische
Schnittansichten einer Brennkraftmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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7 und 8 schematische
Schnittansichten einer Brennkraftmaschine gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
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9 und 10 schematische
Schnittansichten einer Brennkraftmaschine gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
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11 eine
schematische Schnittansicht einer Brennkraftmaschine gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung,
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12 eine
schematische Schnittansicht einer Brennkraftmaschine gemäß einem
sechsten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, und
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13 eine
Draufsicht auf den fladenförmigen
Gemischbereich von 12 und
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14a und 14b Draufsichten
von fladenförmigen
Gemischbereichen mit unterschiedlichen Zündorten.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine Brennkraftmaschine 20 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben.
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Wie
in 1 gezeigt, umfasst die Brennkraftmaschine 20 einen
Kolben 21 mit einem Kolbenboden 22, in welchem
eine kreisförmige
Mulde 23 mittig und symmetrisch zu einer Mittelachse X-X
des Kolbens angeordnet ist. Der Kolben 21 bewegt sich in bekannter
Weise in einem Zylinder, wobei in einem Zylinderkopf 24 eine
Einspritzeinrichtung 25 und eine Laserzündeinrichtung 26 angeordnet
sind. Die Einspritzeinrichtung 25 ist mittig im Zylinderkopf
auf der Mittelachse X-X des Kolbens angeordnet und ist in diesem
Ausführungsbeispiel
ein Mehrlochventil mit zehn Löchern.
Die Anordnung der Löcher
ist aus 2a ersichtlich. Die Laserzündeinrichtung 26 wird über eine
Steuereinrichtung 34 gesteuert und weist ein asphärische Linse 26a auf.
Die Laserzündeinrichtung
umfasst ferner einen gütegeschalteten
optisch gepumpten Festkörperlaser.
Die Laserzündeinrichtung 26 erzeugt
einen Laserstrahl 27, welcher in einen Brennraum 29 gerichtet
ist. Die Laserzündeinrichtung 26 ist
dabei plan zur Innenwand des Zylinderkopfs 24 gebildet,
so dass die Laserzündeinrichtung 26 nicht
in den Brennraum 29 vorsteht.
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Aus
den 2a und 2b wird
die Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum 29 deutlich.
Die mit den Bezugszeichen 1 bis 10 bezeichneten
Einzelstrahlen der Einspritzeinrichtung 25 werden in Richtung
des entgegenkommenden Kolbens in den Brennraum eingespritzt. Dabei
ergibt sich mit zunehmender Eindringtiefe jedes Einzelstrahls eine zunehmende
Verdampfung, so dass um jeden Einspritzstrahl 1 bis 10 insbesondere
im Bereich der Sprayspritze des eingespritzten Kraftstoffs eine
Hülle aus
einem gasförmigen
Kraftstoff-Luftgemisch erzeugt wird. Dies ist in 2b mit
den großen
Kreisen um jeden Einzelstrahl 1 bis 10 angedeutet.
Die gasförmige
Krafstoff-Luftgemischhülle
legt sich ähnlich einer
Halskrause um den Strahl und auch die Spitze des Strahls wird durch
ein gasförmiges
Kraftstoff-Luftgemisch gebildet. Wie aus 2b weiter
ersichtlich ist, überlagern
sich die Kraftstoff-Luftgemischhüllen
der Einzelstrahlen teilweise aufgrund von Turbulenzen und, weil
sich der Kolben 21 entgegen der Strahlrichtung bewegt und
die Kraftstoff-Luftgemischhülle
horizontal ablenkt. Dadurch bildet sich ein zündfähiger, fladenförmiger Gemischbereich 28 auf
dem Kolbenboden 22. Die Bildung des fladenförmigen Gemischbereichs 28 wird
durch die vorgesehene Mulde 23 im Kolbenboden 22 noch
verstärkt. Der
fladenförmige
Gemischbereich 28 weist dabei eine kreisförmige Form
mit einer Dicke auf, welche ausgehend von einer Mitte in Richtung
des Außenrandes
etwas abnimmt. Der Gemischbereich 28 ist ein im Wesentlichen
homogenes gasförmiges
Kraftstoff-Luftgemisch,
welches ein mittleres Lambda zwischen 0,8 und 1,5 aufweist.
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Erfindungsgemäß erfolgt
die Einspritzung von Kraftstoff dabei bei einem Kurbelwinkel von
ca. 35° vor
dem oberen Totpunkt OT. Die Löcher
des Mehrlochventils sind dabei so zu gestalten, dass jeder Einzelstrahl
eine möglichst
buschige Form aufweist. Hierzu ist ein Lochdurchmesser eines einzelnen
Lochs vorzugsweise zwischen ca. 130 μm und 200 μm. Weiter bevorzugt begünstigen
sich verjüngende,
insbesondere konische, sich nach außen öffnende Löcher oder gestufte Löcher eine
buschige Sprayform mit den gewünschten
Kraftstoff-Luftgemisch-Gashüllen. Wie
in 2a gezeigt, sind die Strahlachsen der Löcher des
Mehrlochventils dabei derart gewählt,
dass sie etwa denselben Raumwinkelabstand aufweisen.
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Es
sei angemerkt, dass abhängig
von einer zurückzulegenden
Wegstrecke eines Einzelstrahls zum Kolbenboden die Lochdurchmesser
der Einzellöcher
unterschiedlich sein können.
Innere Strahlen, die bei der in 1 gezeigten
zentralen Anordnung der Einspritzeinrichtung den kürzesten
Weg zum Kolben aufweisen, können
dabei einen kleineren Lochdurchmesser aufweisen, als die am Umfang
angeordneten Löcher.
Durch die kleineren Löcher
wird die dort durchgesetzte Kraftstoffmenge und somit der Sprayimpuls
geringer, so dass auch die inneren Strahlen sicher verdampft sind,
bevor sie den Kolbenboden 22 erreichen. Die Wahl der Lochdurchmesser
und Öffnungswinkel
der Spritzlöcher
sowie die Lochanzahl ist dabei so zu wählen, dass der eingespritzte
Kraftstoff gerade verdampft ist, wenn er den Kolbenboden erreicht.
Dadurch kann der sich entgegengesetzt bewegende Kolben eine besonders gute
Vermischung und Homogenisierung des zündfähigen Gemischbereichs 28 bereitstellen.
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Die
Bildung des Gemischbereichs 28 erfolgt dabei in einem Bereich
zwischen 35° vor
dem oberen Totpunkt und ca. 20° vor
dem oberen Totpunkt. 1 zeigt dabei die Stellung ca.
20° vor
dem oberen Totpunkt, in welcher sich der Gemischbereich 28 homogen
am Kolbenboden in der Mulde 23 gebildet hat. Eine Zündung mittels
der Laserzündeinrichtung 26 erfolgt
jedoch erst, sobald ein Brennpunkt des Lasers 27 im Inneren
des Gemischbereichs 28 liegt. Dieser Brennpunkt definiert
den Zündort 27a im
Inneren des Gemischbereichs. Dies ist bei einer Kolbenstellung von
ca. 20° vor
dem oberen Totpunkt, wie in 1 gezeigt,
gegeben, wobei der Zündort 27a genau
auf der Mittelachse X-X liegt.
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Die
Steuereinrichtung 34 steuert den Zündzeitpunkt der Laserzündeinrichtung 26 in
Abhängigkeit
von der Stellung des Kolbens 21. Vorzugsweise liegt der
Zündzeitpunkt
dabei bei einem Kurbelwinkel von ca. 20° vor dem oberen Totpunkt. Dadurch
kann sichergestellt werden, dass der Gemischbereich 28 im
wirkungsgrad-optimalen Kurbelwinkelbereich vollständig verbrennt
und ein hoher Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erreicht wird.
Eine Zeitspanne zwischen einem Ende der Kraftstoffeinspritzung und dem
Beginn der Zündung
entspricht dabei einem zurückgelegten
Weg des Kolbens über
einen Kurbelwinkel zwischen 5° bis
10°, vorzugsweise
7,5°.
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Durch
die Zündung
im Inneren des Gemischbereichs 28 sind die Flammwege durch
den Gemischbereich 28 im Vergleich mit einer Zündung am Rand
deutlich reduziert. Hierdurch kann einerseits eine schnellere und
auch vollständigere
Verbrennung erreicht werden. Ferner wird dadurch ein besonders stabiles
Brennverfahren insbesondere im Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine
erreicht. Der fladenförmige
Gemischbereich 28 ergibt sich erfindungsgemäß dabei
durch die Interaktion des einspritzenden Kraftstoffs und des Kolbens,
wobei eine gewisse Zeitspanne zwischen dem Ende der Einspritzung
und dem Beginn der Zündung
liegt, um die Bildung des Gemischbereichs zu ermöglichen und eine Zündung des
Gemischbereichs 28 in seinem Inneren durchzuführen. Weiter
können
durch die Zündung
im Inneren die aufgrund von Toleranzen der Bauteile vorkommenden
Abweichungen nicht zu einer ungleichmäßigen Verbrennung führen. Auch
Streuungen der Spraygeometrie von Zyklus zu Zyklus oder kennfeldabhängige Schwankungen
der Spraygeometrie haben keinen Einfluss auf das erfindungsgemäße Verfahren.
Die Laserzündeinrichtung
hat ferner den Vorteil, dass keine Zündenergieverluste durch Quenching-Phänomene (Wärmeableitung)
an metallischen Kerzenelektroden wie im Stand der Technik auftreten.
Hierdurch kann bei einem Ottomotor erstmals eine hohe Reproduzierbarkeit
der empfindlichen Flammkernbildung ermöglicht werden.
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3 zeigt
eine alternative Ausgestaltung einer Einspritzeinrichtung 25 in
Form eines nach außen öffnenden
Ringspaltventils (A-Ventil). Das gezeigte Ringspaltventil spritzt
den Kraftstoff kegelförmig
aus, so dass sich bei der in 3 gezeigten Schnittbetrachtung
ein ringförmiger
Kraftstoffbereich 30 ergibt. Zu beiden Seiten des Kraftstoffbereichs 30 bildet
sich jeweils eine Hülle 31 und 32 aus
einem Kraftstoff-Luftgemisch. Ein Öffnungswinkel des Ringspaltventils
von 3 liegt dabei vorzugsweise zwischen 70° und 110°. Durch die
Einspritzung mittels des Ringspaltventils wird ebenfalls ein homogener,
fladenartiger Gemischbereich 28 wie in 1 auf
dem Kolben erzeugt, wobei der Kolben das auftreffende Kraftstoff-Luft-Gasgemisch
horizontal sowohl nach innen als auch nach außen ablenkt.
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Die 4a und 4b zeigen
eine weitere Ausgestaltung einer Einspritzeinrichtung 25,
welche ebenfalls als Mehrlochventil ausgebildet ist. Dabei weist
das in den 4a und 4b gezeigte
Mehrlochventil zwölf
Einspritzlöcher 1 bis 12 auf.
Die Einspritzlöcher
sind auf zwei konzentrische Kreise verteilt und auf den Kreisen
versetzt zueinander angeordnet. Dadurch ergibt sich die in 4b gezeigte Sprayverteilung
um die Einzelstrahlen. Die großen Kreise
stellen wieder die gasförmigen
Gemischhüllen dar.
Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel
dem ersten Ausführungsbeispiel,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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In
den 5 und 6 ist eine Brennkraftmaschine 20 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile
mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Im Unterschied zum
ersten Ausführungsbeispiel
ist bei der Brennkraftmaschine 20 des zweiten Ausführungsbeispiels
die Laserzündeinrichtung 26 zentral
auf der Mittelachse X-X angeordnet. Die Einspritzeinrichtung 25 ist
dabei seitlich der Laserzündeinrichtung 26 und
in einem Winkel α zur
Mittelachse angeordnet. Die Einspritzeinrichtung 25 ist wieder
ein Mehrlochventil, wobei in 5 schematisch
drei Einspritzstrahlen mit einem noch flüssigen Kraftstoffstrahl 35 und
einer sich bildenden gasförmigen
Hülle 36 aus
einem Kraftstoff-Luftgemisch dargestellt sind. Wenn die Einzelstrahlen
auf den Kolbenboden 22 auftreffen, sind sie vollständig verdampft, so
dass nur ein gasförmiges
Kraftstoff-Luftgemisch auf den Kolbenboden auftrifft. Wie ferner
aus 5 ersichtlich ist, ist in der im Kolbenboden 22 gebildeten
Mulde 23 zusätzlich
eine vorstehende Nase 37 gebildet. Die vorstehende Nase 37 ist
zentral in der Mulde 23 auf der Mittelachse X-X angeordnet
und weist im Wesentlichen die Form eines Kugelabschnitts auf. Die
Einspritzung von Kraftstoff erfolgt dabei genau in Richtung der
vorstehenden Nase 37. Wie in 5 gezeigt,
ist die Kolbenstellung zu Beginn der Einspritzung ca. 35° vor dem
oberen Totpunkt. Wenn die Kraftstoffeinspritzung abgeschlossen ist,
bewegt sich der Kolben 21 weiter in Richtung auf die Laserzündeinrichtung 26 zu,
wobei sich dann durch die Ablenkung am Kolbenboden der homogene,
zündfähige Gemischbereich 28 bildet
(vgl. 6). Hierbei ist der Gemischbereich 28 auch über der
vorstehenden Nase 37 gebildet, so dass, wie in 6 gezeigt,
ein Zündort 27a in
einem vorstehenden Bereich 28a des Gemischbereichs 28 bei
einer Kolbenstellung von ca. 20° vor
dem oberen Totpunkt liegt. Die in 6 gezeigte
Stellung des Kolbens zeigt die Position, in welcher die Zündung des
Gemischbereichs 28 erfolgt. Da in diesem Ausführungsbeispiel
die Laserzündeinrichtung 26 zentral
auf der Mittelachse X-X angeordnet ist und die Mittelachse X-X auch
eine Symmetrieachse für
den Gemischbereich 28 ist, sind die Flammenwege von dem
Zündort 27a bis
zu den Rändern
des Gemischbereichs 28 in diesem Ausführungsbeispiel besonders kurz.
Dadurch kann eine besonders schnelle und vollständige Verbrennung erreicht
werden.
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Die 7 und 8 zeigen
eine Brennkraftmaschine 20 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wobei wiederum gleiche bzw. funktional gleiche Teile
mit den gleichen Bezugszeichen wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel bezeichnet
sind. Die Brennkraftmaschine 20 des dritten Ausführungsbeispiels
entspricht im Wesentlichen der des zweiten Ausführungsbeispiels, wobei jedoch die
vorstehende Nase 37 beim dritten Ausführungsbeispiel an einem Rand
der Mulde 23 angeordnet ist. Dadurch kann die Einspritzeinrichtung 25 zentral
auf der Mittelachse X-X des Kolbens 21 angeordnet werden
und die Laserzündeinrichtung 26 wird
derart im Zylinderkopf 24 angeordnet, dass sie über der
vorstehenden Nase 37 positioniert ist. Dadurch liegen die Nase 37 und
die Laserzündeinrichtung 26 im
Wesentlichen auf einer gemeinsamen, zur Mittelachse X-X parallelen
Achse Y-Y. Die Einspritzung von Kraftstoff erfolgt dabei unmittelbar
in die im Kolbenboden 22 gebildete Mulde 23. In
Zusammenarbeit mit der Mulde 23 und der zur Einstrahlrichtung
entgegengesetzten Bewegung des Kolbens 21 wird nach dem Ende
der Einspritzung und vor der Zündung
wieder der Gemischbereich 28 in der Mulde 23 gebildet,
wobei der Gemischbereich 28 einen vorstehenden Bereich 28a im
Bereich der vorstehenden Nase 27 aufweist (vgl. 8).
In einer Stellung ca. 20° vor
dem oberen Totpunkt, die in 8 dargestellt
ist, liegt der Brennpunkt des Lasers 27 im vorstehenden
Bereich 28a des Gemischbereichs 28, so dass dann
eine Zündung
im Inneren des Gemischbereichs 28 erfolgen kann. Hierdurch
ist es auch möglich,
dass im Vergleich mit dem ersten Ausführungsbeispiel eine frühere Zündung des
Gemischbereichs 28 ermöglicht wird,
da die Laserzündeinrichtung
den vorstehenden Bereich 28a des Gemischbereichs 28 entzündet und die
Flammenwege von dort aus durch den gesamten Gemischbereich 28 gehen.
Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel
den vorhergehenden Ausführungsbeispielen,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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In
den 9 und 10 ist eine Brennkraftmaschine 20 gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt, wobei wiederum gleiche bzw. funktional
gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden
Ausführungsbeispielen
bezeichnet sind. Das vierte Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei in der
Mulde 23 im Kolbenboden 22 ebenfalls mittig eine
vorstehende Nase 37 gebildet ist. Die Laserzündeinrichtung 26 ist wieder
zentral auf der Mittelachse X-X des Kolbens 21 angeordnet
und die Einspritzeinrichtung 25 in einem Winkel α. Im Unterschied
zum zweiten Ausführungsbeispiel
ist jedoch der Kolbenboden im Bereich der Mulde 23 geneigt
zu einer Ebene E senkrecht zur Mittelachse X-X angeordnet. Die Neigung
ist in den 9 und 10 durch
den Winkel β gekennzeichnet.
Die Neigung der Mulde 23 ist dabei vorzugsweise derart
gewählt,
dass ein mittlerer zentraler Einspritzstrahl im Wesentlichen senkrecht
zur geneigten Muldenfläche
einspritzt. Der zentrale Einspritzstrahl trifft dabei insbesondere
auf die vorstehende Nase 37, was zu einer schnelleren Bildung
des fladenförmigen
Gemischbereichs 28 führt.
Wie aus den 9 und 10 ersichtlich
ist, ist die Laserzündeinrichtung 26 dabei
wieder über
der vorstehenden Nase 37 angeordnet, so dass eine frühe Zündung des
Gemischbereichs möglich
ist. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorhergehenden
Ausführungsbeispielen,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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11 zeigt
ein fünftes
Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
wobei wieder gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen
Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet
sind. Das fünfte
Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied
zum zweiten Ausführungsbeispiel
sowohl die Einspritzeinrichtung 25 als auch die Laserzündeinrichtung 26 in
einem Winkel γ bzw. δ zu einer Mittelachse
X-X angeordnet sind. Die Neigungswinkel γ, δ der Einspritzeinrichtung 25 und
der Laserzündeinrichtung 26 sind
dabei gleich und unterscheiden sich jeweils nur durch das Vorzeichen.
Eine vorstehende Nase 37 in der Mulde 23 im Kolbenboden 22 ist
dabei wieder unterhalb der Laserzündeinrichtung 26 angeordnet,
so dass sich eine asymmetrische Ausbildung der Mulde ergibt. Der
fladenförmige Gemischbereich 28 bildet
sich wieder mit einem vorstehenden Bereich 28a über den
vorstehenden Nase 37, so dass in diesem vorstehenden Bereich 28a ein Zündort 27a des
Gemischbereichs 28 liegt. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel
dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 12 und 13 eine
Brennkraftmaschine gemäß einem
sechsten Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben, wobei wiederum gleiche bzw. funktional gleiche
Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
bezeichnet sind. Die Brennkraftmaschine des sechsten Ausführungsbeispiels
weist, wie in 12 gezeigt, zwei Laserzündeinrichtungen 26 auf.
Eine Einspritzeinrichtung 25 ist mittig auf einer Mittelachse
X-X des Kolbens 21 angeordnet. Die beiden Laserzündeinrichtungen 26 sind
seitlich in einem Winkel γ bzw. δ zur Mittelachse
X-X angeordnet, wobei der Winkel γ und. δ gleich groß ist. Die
Anordnung von zwei Laserzündeinrichtungen 26 ermöglicht es,
dass zwei Zündorte 27a im
fladenförmigen
Gemischbereich 28 erzeugt werden können. Hierdurch können insbesondere
die Flammenwegen innerhalb des Gemischbereichs 28 kurz
gehalten werden. In den 12 und 13 sind
die Flammenwege durch die kurzen Pfeile um die Zündorte 27a herum schematisch
eingezeichnet. Eine Zündung
des fladenförmigen
Gemischbereichs 28 erfolgt dabei vorzugsweise gleichzeitig,
da der fladenförmige
Gemischbereich 28 symmetrisch zur Mittelachse X-X ausgebildet
ist. Die beiden Zündorte 27a liegen
dabei auf einer Ebene F senkrecht zur Mittelachse X-X. Ansonsten
entspricht dieses Ausführungsbeispiel
den vorhergehenden Ausführungsbeispielen,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Die 14a und 14b zeigen
noch zwei unterschiedliche Beispiele zur Zündung des fladenförmigen Gemischbereichs 28 mittels
mehrerer Zündorte.
In 14a sind dabei drei Zündorte 27a angeordnet,
welche in einem Gemischbereich 28 mit kreisförmigem Umfang
ausgehend von einer Mittelachse X-X in einem Winkel von ca. jeweils
120° zueinander
angeordnet sind. Die Abstände
von jedem Zündort 27a zum
Rand des Gemischbereichs 28 sind dabei gleich gewählt. In 14b ist eine Ausgestaltung mit vier Zündorten 27a dargestellt,
welche symmetrisch zu einer Mittelachse X-X angeordnet sind. Wie
aus 14b ersichtlich ist, ist diese
Anordnung mit vier Zündorten 27a besonders
vorteilhaft, da die Flammenwege ausgehend von jedem Zündort 27a durch
den gesamten Gemischbereich 28 im Wesentlichen gleich lang
sind, bis der gesamte Gemischbereich 28 gezündet ist.
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Es
sei angemerkt, dass selbstverständlich auch
bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen eine
Mehrfacheinspritzung durchgeführt
werden kann. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass der Gemischbereich 28 geschichtet
aufgebaut ist, wobei zwischen zwei Kraftstoff-Luftgemischschichten jeweils eine dünne Luftschicht
vorhanden ist. Dadurch kann der Luftanteil im Gemischbereich 28 vergrößert werden.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bei allen beschriebenen
Ausführungsbeispielen
ist, dass zur Erzeugung des Gemischbereichs 28 Einspritzeinrichtungen
verwendet werden können,
welche symmetrische Spraygeometrien erzeugen (ohne eine Spraylücke für die Zündkerze). Dadurch
entfällt
auch eine Zuordnung der Einspritzeinrichtung zu einer in den Brennraum
hineinragenden Zündkerze.
Darüber
hinaus erfolgt keine Benetzung der Laserzündeinrichtung mit flüssigem Kraftstoff,
was im Stand der Technik die Zündfähigkeit
einer Zündkerze
herabsetzt.
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Eine
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann
dabei sowohl in Fahrzeugen als auch stationär verwendet werden.