DE102009026574A1 - Internal-combustion engine i.e. gas engine, has laser ignition device comprising ignition laser with ignition point, where ignition point lies in region of combustion chamber, in which flow rate at time of ignition is low - Google Patents

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Abstract

The engine (10) has a cylinder (12) and a piston (16) that are provided to limit a combustion chamber (14). A laser ignition device (27) comprises an ignition laser (26) with an ignition point (ZP), where the ignition point lies in a region of the combustion chamber, in which flow rate at the time of the ignition is low. The ignition point is shifted orthogonal to a longitudinal axis of the cylinder bore that lies up to the ignition point in a region of low flow rate in ignition time point. The piston includes a hollow portion in the piston head.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine mit einer Laserzündeinrichtung ausgerüstete Brennkraftmaschine, insbesondere einen Gasmotor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a laser ignition device equipped internal combustion engine, in particular a gas engine, according to the preamble of claim 1.

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.From the DE 10 2004 001 554 A1 a laser ignition device for igniting an air-fuel mixture in an internal combustion engine is known, wherein an ignition laser of the laser ignition device protrudes into a combustion chamber of the internal combustion engine. The ignition laser is optically coupled via a light guide with a pump light source.

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.Large gas engines are usually operated close to the lean limit of an air-fuel mixture, to achieve a good efficiency. It must when ignition a stable flame core are formed, so that afterwards in the combustion chamber air-fuel mixture burned as quickly as possible becomes. Especially with extremely lean-burned gas engines, it is of of utmost importance to reduce the burning time and thereby to increase the efficiency of the engine. As burning time the period is defined within that between 10% and 90% the energy conversion takes place.

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.at conventional high-voltage ignition with spark plugs if the ignition location is forcibly close to the combustion chamber roof, so that the flame in a first approximation hemispherical spreads into the combustion chamber in the direction of the piston crown. Thereby the burning time is comparatively long. To this long burning time Nowadays, internal combustion engines are often used as short-hoppers, that is with a bore diameter larger as the stroke of the piston is formed. This will make the flame paths shortened in the direction of the piston. Nevertheless, a fast burn through the mixture is achieved, must have a high flow rate and resulting high turbulence in the combustion chamber prevail. This is in conventional internal combustion engines by swirl flows, Tumbleströmungen and / or squish flows achieved.

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.Around these currents and the resulting turbulence generate considerable flow losses before Especially on the suction side of the engine and / or it will be unfavorable Required combustion chamber geometries in which the ratio between surface and volume is large, so that high wall heat losses occur. Both the charge exchange losses as well as the wall heat losses reduce the efficiency the internal combustion engine.

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.at the charge movement in the cylinder, that is the flow of the in-cylinder fuel-air mixture differs into a swirling flow and a tumble flow. As a swirling flow is a rotational movement of the charge to the cylinder axis indicates while as Tumbleströmung denotes a rotational movement of the charge perpendicular to the cylinder axis becomes. Of course, there are also mixed forms of both Currents. The advantage of the increased burning speed is in the possible Gemischabmagerung and the associated Reduction of specific fuel consumption.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

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.task the invention is an internal combustion engine with laser ignition device, to develop so that a safe and low-emission combustion in different operating points, especially in a lean Fuel-air mixture, at the same time very good efficiency is guaranteed.

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.The Task is by an internal combustion engine with ignition laser solved with the features of claim 1. For the Invention important features are further found in the following Description and in the drawing, the features in both Unique position as well as in different combinations for the invention may be important without wishing to do so is explicitly noted. Advantageous developments can be found in the subclaims.

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.These The object is achieved according to the invention that the ignition point is placed in a region of the combustion chamber in which the flow velocity at the time the ignition is low. As low flow speed In the context of the invention, a flow rate <10 m / s, preferably <5 m / s is considered. This makes it possible to reduce the flow losses in the Air system of the engine to reduce significantly and consequently the Significantly increase the efficiency of the internal combustion engine, without any loss in terms of pollutant emission and operating behavior the internal combustion engine. In addition, the production costs remain the internal combustion engine unchanged, so that in total a very advantageous and economical improvement of the internal combustion engine results.

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.In connection with the claimed invention is to be noted that the temporally and spatially highly resolved determination of the local flow velocities in the combustion chamber of an internal combustion engine today belong to the established investigation methods that are regularly used in the development of internal combustion engine the. In this case, it is possible, for example, to obtain the desired information about the flow velocity in different regions of the combustion chamber at different times by means of a computer-aided simulation of the flow velocity (CFD). Alternatively, it is also possible to detect the local distribution of the measurements by a series of measurements with impellers arranged in the combustion chamber or flow velocity sensors. Overall, therefore, the determination of the velocity distribution with high spatial and temporal resolution in the combustion chamber is a currently established method, which therefore does not need to be explained separately in connection with the claimed invention. The inventive arrangement of the ignition point in the combustion chamber, various optimization strategies can be followed, with which the efficiency of the internal combustion engine is improved.

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.in the so-called lean gas operation, that is, when the fuel-air mixture is substoichiometric (λ> 1), the swirl flow and / or the squish flow in the combustion chamber to a thermodynamic Brought optimum, so that in the combustion chamber at the time of ignition Existing turbulence for rapid burn-through after safe ignition leads. At the same time they are caused by the turbulence Flow losses in the intake manifold of the internal combustion engine minimized. Now the ignition laser is arranged so that its ignition point is located in a region of the combustion chamber in which a flow velocity of 10 m / s at the ignition point at the ignition point not exceeded becomes. It is particularly advantageous if the flow velocity at the ignition point at the ignition time is less than 5 m / s. In this case, a secure ignition can be realized and at the same time is due to the still existing flow and Turbulence at the ignition of the ignition caused by the ignition Flame core for fast burn through of the remaining cylinder charge carried in the combustion chamber. In conventional gas engines can the flow velocity at the ignition point for Zündzeitpunkt be about 30 m / s-40 m / s. Out the comparison of the flow velocities becomes the potential the internal combustion engine according to the invention in terms reduced flow losses and improved efficiency significantly.

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.If desired, the formation of the flame kernel and the burn-through can be realized by the use of several ignition pulses / laser pulses in the flame kernel. This is possible, for example, in that several laser pulses in the combustion chamber at intervals of up to 100 .mu.s 14 be emitted.

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.In a stoichometric operation (λ = 1) when the Internal combustion engine, for example, with a three-way catalyst is operated, the optimization of the internal combustion engine is slight different. As for the ignition of a fuel-air mixture under combustion chamber conditions only a minimal ignition energy is necessary, arise in this mode of operation two optimization options.

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.Either the ignition point, as in lean operation also, in one Range of flow positioned at up to 10 m / s. By a Nachzündung after a period of up to 100 microseconds can be ignited here in the same flame kernel and thus the ignition safety can be increased. This is included Motors with poorly homogenized mixture advantageous.

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.alternative it is also possible in a multiple ignition, wherein the different laser pulses a time interval larger than 100 μs or by choosing a firing point with higher flow rates as 10 m / s, a series of consecutively in a stream of thread Fuel-air mixture arranged flame cores to produce which lead to a faster burn through of the cylinder volume. As a result of this firing strategy several flame cores form independently and thus several flame fronts in the Combustion chamber are present, a faster burnout of the combustion chamber volume reached.

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.Both Optimization paths, especially in lean operation as well as in Stoichometric operation is common to that of the ignition Once structurally determined for each combustion chamber and then unchanged remains. There are only differences in the number and the time interval of the laser pulses, so that when changing the Operating mode, for example, from lean operation in the stoichiometric Operation and vice versa, only the control of the laser ignition device must be switched accordingly. As a result, both in lean operation as well as in λ = 1 operation the invention Advantages fully realizable.

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.A further advantageous embodiment of the invention Internal combustion engine provides to set the ignition point so that he is near the ignition at the time of ignition Piston crown or near the bottom of a piston recess located. Because in the immediate vicinity of the piston wall respectively the bottom of the piston recess due to Newton's adhesive condition inevitably a low flow rate prevails in a simple way a Zündort low flow velocity. Once the flame core has formed spatially, achieved he inevitably also areas with larger ones Flow velocity that entrains the flame kernel and thus for a quick burnout and short burning time provides.

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.Further Advantages and advantageous embodiments of the invention are the subsequent drawing, the description and the claims removable. All in the drawing, the description in the claims disclosed features can be both individually, and in Any combination with each other essential to the invention.

Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures

Nachfolgend werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft erläutert. Es zeigen:following Be with reference to the figures embodiments of the invention exemplified. Show it:

1a eine schematische Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine mit einer laserbasierten Zündeinrichtung; 1a a schematic diagram of an internal combustion engine with a laser-based ignition device;

1b eine schematische Darstellung der Zündeinrichtung aus 1a; 1b a schematic representation of the ignition of 1a ;

2 bis 4 detaillierte Darstellungen erfindungsgemäßer Brennkraftmaschinen. 2 to 4 detailed representations of internal combustion engines according to the invention.

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.An internal combustion engine carries in 1a Overall, the reference number 10 , It can serve to drive a motor vehicle, not shown. The internal combustion engine 10 usually includes several cylinders, of which in 1a only one with the reference numeral 12 is designated. A combustion chamber 14 of the cylinder 12 is from a piston 16 limited. Fuel enters the combustion chamber 14 directly through an injector 18 , the to a designated as rail fuel pressure accumulator 20 connected. Alternatively, the fuel-air mixture outside the combustion chamber 14 , for example, in a suction tube, are formed.

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.That in the combustion chamber 14 existing fuel-air mixture 22 is by means of a laser pulse 24 ignited by an ignition laser 26 comprehensive laser ignition device 27 in the combustion chamber 14 is emitted. The ignition in the combustion chamber 14 can also in a combustion chamber upstream antechamber (in 1a not shown). The ignition laser 26 is via a light guide device 28 powered by a pump light, which is from a pump light source 30 provided. The pump light source 30 is from a control unit 32 controlled, that too the injector 18 can drive.

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.How out 1b shows, the pump light source feeds 30 several optical fiber devices 28 for different ignition lasers 26 , each one cylinder 12 the internal combustion engine 10 assigned. For this purpose, the pump light source 30 several individual pump laser light sources 34 on that with a pulse power supply 36 are connected. Due to the presence of several individual pump laser light sources 34 the pumping light becomes as it were "dormant" to the various laser devices 26 distributed so that no optical splitter or the like between the pumping light source 30 and the ignition lasers 26 required are.

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.The ignition laser 26 has, for example, a laser-active solid 44 with a passive quality circuit 46 on that together with a coupling mirror 42 and a Auskoppelspiegel 48 forms an optical resonator. Under pressure from the pump light source 30 generated pump light generated by the ignition laser 26 in a conventional manner, a laser pulse 24 by a focusing optics 52 on one in the combustion chamber 14 (or in a pre-chamber, not shown) located ignition ZP is focused. The in the case 38 of the ignition laser 26 Existing components are through an exit window 58 for the laser beams 24 from the combustion chamber 14 separated.

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.In 2 eats a cylinder head 17 with indicated gas exchange valves 19 and a screwed ignition laser 27 visible, noticeable. In the embodiment according to 2 is the combustion chamber roof 69 just.

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.The piston crown of the piston 16 has a piston recess 15 with substantially a cylindrical wall and a flat trough bottom (no reference numeral) on. Here is a center MP (see the top view in the right part of 2 ) offset to a longitudinal axis 54 the cylinder bore 12 arranged. In the illustrated embodiment, the ignition point ZP is not in the center of the piston recess 15 but shifted radially outwards. At the same time the ignition point is still in the illustrated position of the piston 16 in the immediate vicinity of the bottom of the piston recess 15 arranged so that prevail there due to the velocity distribution near the wall and the Newtonian adhesive condition relatively low flow velocities. Of course, it is possible by a corresponding design of the focusing optics of the laser ignition device 27 the ignition point ZP in the direction of the longitudinal axis 54 to move according to the requirements of the internal combustion engine. Thus, the ignition point ZP can be placed closer to the bottom of the piston recess or closer in the direction of the combustion chamber roof as needed 69 be moved if this should be necessary in the course of optimization of the internal combustion engine according to the invention. This is only the optics of the laser ignition device 27 to be provided with a correspondingly changed focal length.

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.Between combustion chamber roof 69 and the piston crown is formed in the illustrated position of the piston 16 a squish flow, radially from flows outside inwards and, as known from the prior art, forms a partially required turbulence. In the right part of the 2 is a plan view of the piston 16 and the piston recess 15 , it being assumed that in this embodiment a so-called swirl flow is formed, which is formed by concentric curved circular arrows in the piston recess 15 is indicated. The center of these concentric circles is equal to the center MP of the piston recess 15 , It is, and this is for the optimization of the internal combustion engine of importance, the flow rate of the various indicated by the circular arrows streamlines, depending on the distance of the flow lines from the center MP, different. Basically: With increasing distance of the streamlines to the center MP of the piston recess 15 increases the flow velocity. In the immediate vicinity of the cylindrical wall of the piston recess, the flow velocity decreases again. The real velocity distribution in the piston recess at the ignition point can be determined with the methods available today, be it computer simulations or measurements in the combustion chamber, with sufficient local and temporal resolution, so that the knowledge of the local flow velocity at the time of ignition can be assumed as given.

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.According to the invention, a fluidically optimized internal combustion engine can be further optimized in that the ignition point ZP not only in the direction of the longitudinal axis 54 the piston crown, but also radially to the center MP of the piston recess 15 can be moved. This is in the right part of the 2 by different ignition points ZP, which are once in the center MP and then at different distances from the center MP, indicated.

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.This shift of the ignition locations or ignition points relative to the center MP of the piston recess 15 can be changed by a positioning of the laser ignition device 27 in the cylinder head 17 realize.

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.In 3 another embodiment of an internal combustion engine according to the invention is shown. In this embodiment, the combustion chamber roof 69 not even, but, similar to a pitched roof trained. Of course it is also possible, the combustion chamber roof 69 and the piston bottom 15 in the form of a hemisphere or a dome. Also the piston recess 15 has over the embodiment according to 2 Differences. So it is in the illustrated cross section through the piston 16 essentially semi-elliptic and symmetrical to the longitudinal axis 54 arranged the piston. In this embodiment, flow at ignition timing is a so-called tumble flow, which is also represented by concentric but elliptical streamlines. In contrast to the swirl flow according to 2 In the case of the tumble flow, the flow is essentially transverse to the longitudinal axis 54 of the piston 16 instead of. Again, it is again the case that the flow velocity of the different streamlines indicated by elliptical arrows is different. As a result, it is possible to shift the ignition location of the ignition point ZP in the direction of the longitudinal axis 54 set the ignition point ZP in a range whose flow velocity is less than 10 m / s.

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.In 4 a third embodiment of an internal combustion engine according to the invention is shown. Here, the ignition point ZP is consciously in the immediate vicinity of the piston recess 15 been set at the time of ignition, due to the velocity distribution near the wall of the piston head or the piston recess 15 Again, a low flow rate can be achieved. Since the ignition timing of an internal combustion engine depends inter alia on speed and load, the ignition point ZP can be more or less placed in the vicinity of the piston crown or the piston recess by the change of the ignition timing load and speed dependent, so that thus a further parameter for optimizing Combustion and in particular the burn-through of the combustion chamber 14 located charge while minimizing the flow losses in the intake of the engine can be achieved.

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Claims (10)

Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (12), einen Kolben (16) und einen Zylinderkopf (), wobei der Zylinder (12) und der Kolben (16) einen Brennraum (14) begrenzen, mit einer Laserzündeinrichtung (27), umfassend einen Zündlaser (26) mit einem Zündpunkt (ZP), dadurch gekennzeichnet, dass der Zündpunkt (ZP) in einem Bereich des Brennraums (14) liegt in dem die Strömungsgeschwindigkeit zum Zeitpunkt der Zündung (Zündzeitpunkt) niedrig ist.Internal combustion engine with at least one cylinder ( 12 ), a piston ( 16 ) and a cylinder head (10), wherein the cylinder ( 12 ) and the piston ( 16 ) a combustion chamber ( 14 ), with a laser ignition device ( 27 ) comprising an ignition laser ( 26 ) with an ignition point (ZP), characterized in that the ignition point (ZP) in a region of the combustion chamber (ZP) ( 14 ) in which the flow velocity at the time of ignition (ignition timing) is low. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Zündpunkt (ZP) zum Zündzeitpunkt eine Strömungsgeschwindigkeit kleiner 10 m/s, bevorzugt kleiner 5 m/s, herrscht.Internal combustion engine according to claim 1, characterized that in the ignition point (ZP) at the ignition time a Flow rate less than 10 m / s, preferably smaller 5 m / s, prevails. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Brennraum (14) zum Zündzeitpunkt eine Drallströmung vorherrscht.Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that in the combustion chamber ( 14 ) prevails at the ignition time a swirl flow. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Brennraum (14) zum Zündzeitpunkt eine Tumbleströmung vorherrscht.Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that in the combustion chamber ( 14 ) at the time of ignition prevails a tumble flow. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündpunkt (ZP) orthogonal zu einer Längsachse (54) der Zylinderbohrung (12) verschoben wird, bis der Zündpunkt (ZP) in einem Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeit im Zündzeitpunkt liegt.Internal combustion engine according to one of claims 2 to 4, characterized in that the ignition point (ZP) orthogonal to a longitudinal axis ( 54 ) of the cylinder bore ( 12 ) is shifted until the ignition point (ZP) is in a range of low flow velocity in the ignition timing. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündpunkt (ZP) in Richtung der Längsachse (54) der Zylinderbohrung (12) verschoben wird, bis der Zündpunkt (ZP) in einem Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeit im Zündzeitpunkt liegt.Internal combustion engine according to one of claims 2 to 5, characterized in that the ignition point (ZP) in the direction of the longitudinal axis ( 54 ) of the cylinder bore ( 12 ) is shifted until the ignition point (ZP) is in a range of low flow velocity in the ignition timing. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (16) eine Mulde (15) im Kolbenboden aufweist.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the piston ( 16 ) a trough ( 15 ) in the piston head. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Zündpunkt (ZP) zum Zündzeitpunkt in der Mulde (15) im Kolbenboden befindet.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the ignition point (ZP) at the ignition time in the trough ( 15 ) is located in the piston crown. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Zündpunkt (ZP) zum Zündzeitpunkt in unmittelbarer Nähe des Kolbenbodens, insbesondere in der Mulde (15), befindet.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the ignition point (ZP) at the ignition point in the immediate vicinity of the piston crown, in particular in the trough ( 15 ) is located. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt in einem Bereich zwischen 30° KW vor OT und 5° KW vor OT liegt.Internal combustion engine according to one of the preceding Claims, characterized in that the ignition in a range between 30 ° CA before TDC and 5 ° CW before TDC lies.
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