DE102009016665A1

DE102009016665A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102009016665A1
Application number: DE102009016665A
Authority: DE
Inventors: Van-Khanh Tran
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Mwi Micro Wave Ignition Ag De
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-10-07

Abstract

Ein Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder, mit mindestens einem Einlass- und einem Auslassventil, in dem ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels Mikrowellenstrahlung fremdgezündet wird um einen Kolben anzutreiben, ist dadurch gekennzeichnet, dass Zylinderkopf (3) und Kolbenboden (4) näherungsweise einen dachförmigen Brennraum (5) bilden, wobei im Zylinderkopf ein durch eine Linse (7) gegen den Brennraum abgeschlossener Mikrowellenleiter (6) mündet, und wobei der Kolbenboden in seinem der Mündung des Wellenleiters direkt gegenüberliegenden Bereich direktreflexionsminimierend (K, S, D1, D2, F) gestaltet ist, womit nahezu alle vom Wellenleiter ausgehende Mikrowellenstrahlung (8) in den Brennraum gelenkt und so eine Raumzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ermöglicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder mit mindestens jeweils einem Einlass- und einem Auslassventil, in dem ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels Mikrowellenstrahlung fremdgezündet wird um einen Kolben anzutreiben.
Aus der EP 1 444 434 B1 ist es bekannt, die zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum erforderliche Energie über wenigstens zwei im Brennraum vorgesehene Hochfrequenz-Einkoppelelemente zu erzeugen, indem die von den beiden Hochfrequenz-Einkoppelelementen abgegebenen Hochfrequenzwellen überlagert werden.
Die JP 57186067 A offenbart eine Hochfrequenz-Zündvorrichtung unter Verwendung eines Lichtbogens.
Die US 4,297,983 schlägt einen Brennraum für einen Verbrennungsmotor vor, der auf den niedrigsten „spherical re-entrant”-Mode einer Mikrowelle abgestimmt ist, zur optimierten Kopplung der Mikrowellenenergie an das Flammfront-Plasma.
Aus der JP 2000230426 ist ein Brennraum bekannt, bei dem die Resonanzfrequenz unabhängig von der Kolbenposition ist, indem gegenüber einer, aus dem Zylinderkopf ragenden, Antenne ein Stummel auf dem Kolbenboden vorgesehen ist, zur Einstellung der Resonanzfrequenz.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Verbrennungsmotor mit einer optimierten Mikrowellenzündung vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass Zylinderkopf und Kolbenboden näherungsweise einen dachförmigen Brennraum bilden, wobei im Zylinderkopf ein durch eine Linse gegen den Brennraum abgeschlossener Mikrowellenleiter mündet, und wobei der Kolbenboden in seinem der Mündung des Wellenleiters direkt gegenüberliegenden Bereich direktreflexions-minimierend gestaltet ist, womit nahezu alle vom Wellenleiter ausgehende Mikrowellenstrahlung in den Brennraum gelenkt und so eine Raumzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ermöglicht wird.
Der vorliegende Verbrennungsmotor nutzt ein neuartiges Raumzündungskonzept, wie es in der parallelen Anmeldung der gleichen Anmelderin vorgeschlagen wird. Die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum basiert dabei auf einem hohen Restgasanteil sowie einem Luftverhältnis λ das nahezu für alle Lastfälle des Verbrennungsmotors größer als 1 ist. Für eine derartige Raumzündung mittels Mikrowellenstrahlung stellt die Erfindung einen geeigneten Brennraum bereit. Bei der Raumzündung wird über die Einstrahlung von elektromagnetischen Wellen, insbesondere von Mikrowellen, mit geeigneten Frequenzen und Pulsfolgen eine Zündung an nahezu allen zündfähigen Stellen des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum bewirkt.
Es wird also nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, mittels Lichtbogen, Plasma oder Interferenz- bzw. Resonanzerscheinungen fremdgezündet, sondern durch die gleichmäßige Bereitstellung einer ausreichenden Wellenenergie im gesamten Brennraum. Indem derjenige Bereich des Kolbenbodens, welcher der Mündung des Wellenleiters direkt gegenüber liegt, direktreflexions-minimierend gestaltet ist, wird die vom Wellenleiter abgestrahlte Mikrowelle also nicht zurück in den Wellenleiter reflektiert, sondern in den Brennraum geleitet. Dies ermöglicht, zusätzlich zur Minimierung von Energieverlusten, auch eine zielsichere Dosierung der für die Raumzündung benötigten Energie. Da der Brennraum dachförmig ausgebildet ist, ergibt sich in ihm eine relativ gleichmäßige Verteilung der Mikrowellenstrahlung sowie eine zuverlässig Verhinderung einer großvolumigen Flammenausbreitung bzw. einer Plasmaentstehung. Indem der Brennraum also relativ gleichmäßig mit einer gezielt dosierbaren Wellenenergie durchsetzt wird, ist eine Zündung an nahezu allen zündfähigen Stellen des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum, d. h. eine als Raumzündung ausgebildete Fremdzündung, möglich. Zudem ergibt sich durch diese Auslegung ein relativ einfacher Aufbau, bei dem keine nachträgliche Justierung o. Ä. notwendig ist, da keine Resonanzerscheinungen genutzt werden.
Eine geeignete, direktreflexions-minimierende Gestaltung des Kolbenbodens kann durch eine Dach- oder Kegelform dargestellt werden. Dabei weist zumindest ein Teil des Kolbenbodens eine Form auf, die als Verbindung eines Punkt (d. h. der Spitze bzw. des Scheitels des Kegels) oberhalb der Kolbenebene mit zumindest einer (Teil-)Ebene des Kolbenbodens (d. h. der Mantelfläche des Kegels) ausgebildet ist, d. h. der Kolbenboden wird zumindest anteilig durch einen Kegel gebildet (welcher kein gerader Kreiskegel sein muss). Alternativ oder zusätzlich sind wenigstens zwei geneigte, ebene oder gewölbte „Dachflächen” mit wenigstens einem „First” auf zumindest einer (Teil-)Ebene des Kolbenbodens ausgebildet, d. h. der Kolbenboden wird zumindest anteilig durch eine Dachkonstruktion gebildet. Beide Gestaltungen des der Mündung des Wellenleiters direkt gegenüber liegenden Bereichs bewirken, insbesondere bei geeigneter Anordnung von Kegelspitze bzw. Dachfirst, eine Minimierung der Reflexion der vom Wellenleiter abgestrahlten Mikrowellen direkt zurück in den Wellenleiter. Dabei ist als direkt gegenüberliegenden Bereich derjenige Bereich des Kolbenbodens gemeint, welcher von der vom Wellenleiter ausgehenden Mikrowellenstrahlung zuerst getroffen wird.
Besonders bevorzugt weist der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor einen nahezu zentralen Wellenleiter, und/oder einen nahezu zentralen Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff, auf. Eine zentrale Wellenleiterlage ermöglicht einen kurzen Zugang der Mikrowellen zum Brennraum. Eine zentrale Injektorlage, insbesondere eine solche mit Kegelstrahlform, reduziert den Auftrag von Kraftstoff an der Brennraumwand.
Beispielsweise können Injektor und Wellenleiter im Zentrum des Zylinderkopfes, zwischen Einlass- und Auslassventilen, integriert sein.
Mit Vorteil wird vorgeschlagen, dass der Verbrennungsmotor eine hohe Verdichtung aufweist, insbesondere zwischen 12 und 25, zur Optimierung der Gemischtemperatur vor der Zündung.
Bevorzugt weist der Verbrennungsmotor eine hohe Brennraum-Wandtemperatur auf, insbesondere zwischen 120° bis 190° Celsius, um Kraftstoff im brennraumwandnahen Bereich nahezu vollständig zu verdampfen und so eine Verbrennung an der Brennraumwand zu ermöglichen. Bevorzugt beträgt dabei die Kühlmitteltemperatur, zur Kühlung der Brennraumwand, mindestens 120° Celsius.
Die Erfindung kommt bevorzugt bei aufgeladenen Motoren zum Einsatz, insbesondere bei einem Ladedruck von mindestens zwei bar absolut. Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor kann jedoch auch als Saugmotor realisiert sein. Der Verbrennungsmotor ist dabei zum Betrieb mit geeigneten kohlenwasserstoffbasierten Brennstoffen vorgesehen, beispielsweise Ottokraftstoff oder Biodiesel.
Die Erfindung wird nun anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigt 1 schematisch einen Schnitt durch einen beispielhaften Verbrennungsmotor und 2 schematisch zwei verschiedene Möglichkeiten zur Gestaltung des Kolbenbodens.
Gemäß 1 ist schematisch ein Verbrennungsmotor mit einem Zylinder 1 dargestellt. Innerhalb des Zylinders 1 ist ein Kolben 2 beweglich angeordnet. Der Zylinder 1 weist einen Zylinderkopf 3 auf mit einem Einlassventil E und einem Auslassventil A. Im geschlossenen Zustand des Einlassventils E und des Auslassventils A wird so durch den Zylinderkopf 3 und einen Kolbenboden 4 ein dachförmiger Brennraum 5 ausgebildet.
Zentral im Zylinderkopf 3 ist ein Mikrowellenleiter 6 angeordnet, mit einer strichpunktiert gezeichneten Symmetrieachse. Der Mikrowellenleiter 6 mündet in den dachförmigen Brennraum 5, wobei die Mikrowellenstrahlung vom Mikrowellenleiter 6 in Richtung dieser Symmetrieachse ausgeht. Dabei ist eine Keramiklinse 7 vorgesehen, um den Mikrowellenleiter 6 gegen den Brennraum 5 abzuschließen. Indem der Kolbenboden 4 in seinem dem Mikrowellenleiter direkt gegenüberliegenden Bereich direktreflexionsminimierend ausgebildet ist, wird die vom Mikrowellenleiter 6 eingestrahlte Mikrowellenstrahlung 8 nicht zurück in den Mikrowellenleiter 6 reflektiert, sondern breitet sich innerhalb des dachförmigen Brennraums 5 aus. Dies ist anhand der Pfeile 9 visualisiert. Anders ausgedrückt wird die eingestrahlte Mikrowelle durch die spezielle Form des dachförmigen Brennraums 5 relativ gleichmäßig innerhalb des Brennraums verteilt. Damit wird eine zuverlässige Raumzündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum 5 an nahezu allen seinen zündfähigen Stellen ermöglicht.
2 zeigt zwei mögliche Ausführungsformen des Kolbenbodens 4. Die direktreflexionsminimierende Gestaltung ist gemäß 2a durch eine kegelförmige Erhebung K realisiert. Die kegelförmige Erhebung K weist eine Spitze S auf, welche auf der Symmetrieachse des Mikrowellenleiters 6 angeordnet ist. Damit wird die vom Mikrowellenleiter 6 in den dachförmigen Brennraum 5 eingestrahlte Mikrowellenstrahlung 8 zuverlässig im Brennraum 5 gleichmäßig verteilt.
Gemäß 2b ist eine dachförmige Erhebung D1, D2 auf dem Kolbenboden angeordnet. Dabei ist ein First F zwischen den Dachflächen D1 und D2 auf der Symmetrieachse des Mikrowellenleiters 6 vorgesehen. Auch dies ermöglicht zuverlässig eine nahezu gleichmäßige Verteilung der Mikrowellenstrahlung 8 innerhalb des Brennraumes 5.
Da durch beide möglichen Ausführungsformen des Kolbenbodens 4 jeweils nur relativ wenig Mikrowellenstrahlung in den Wellenleiter 6 zurückgestrahlt wird, tritt nur wenig Energieverlust ein. Dabei kann anstelle von Mikrowellenstrahlung auch eine andere Art elektromagnetischer Wellen verwendet werden. Zudem deuten 2a, b noch die jeweiligen Ventiltaschen V des Kolbenbodens an. Denn der Kolbenboden 4 ist ja nur in seinem der Mündung des Mikrowellenleiters 6 direkt gegenüberliegenden Bereich direktreflexions-minimierend in Dach- oder Kegelform gestaltet. Anders ausgedrückt muss nicht der gesamte Kolbenboden derart gestaltet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1444434 B1 [0002]
- JP 57186067 A [0003]
- US 4297983 [0004]
- JP 2000230426 [0005]

Claims

Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder, mit mindestens einem Einlass- und einem Auslassventil, in dem ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels Mikrowellenstrahlung fremdgezündet wird um einen Kolben anzutreiben, dadurch gekennzeichnet, dass Zylinderkopf (3) und Kolbenboden (4) näherungsweise einen dachförmigen Brennraum (5) bilden, wobei im Zylinderkopf ein durch eine Linse (7) gegen den Brennraum abgeschlossener Mikrowellenleiter (6) mündet, und wobei der Kolbenboden in seinem der Mündung des Wellenleiters direkt gegenüberliegenden Bereich direktreflexionsminimierend (K, S, D1, D2, F) gestaltet ist, womit nahezu alle vom Wellenleiter ausgehende Mikrowellenstrahlung (8) in den Brennraum gelenkt und so eine Raumzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ermöglicht wird.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der Kolbenboden in seinem der Mündung des Wellenleiters direkt gegenüberliegenden Bereich eine Dach- oder Kegelform aufweist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wellenleiter nahezu zentral im Zylinderkopf angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Kraftstoffinjektor nahezu zentral im Zylinderkopf angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend eine hohe Verdichtung, insbesondere einer solchen von zwischen 12 und 25.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, konfiguriert für eine Wandtemperatur des Brennraums von mindestens 120 Grad Celsius und insbesondere zwischen 120 und 190 Grad Celsius.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, wobei eine Kühlmitteltemperatur von mindestens 120° Grad Celsius vorgesehen ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Aufladung mit einem Ladedruck von mindestens zwei bar absolut vorgesehen ist.