DE102019106084A1

DE102019106084A1 - Internal combustion engine

Info

Publication number: DE102019106084A1
Application number: DE102019106084.2A
Authority: DE
Inventors: Kambiz Mehrabi
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2018-03-09
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2019-09-12
Also published as: AT521273B1; AT521273A4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine und ein dazugehöriges Verfahren bei ottomotorischer Verbrennung mit einem durch einen Zylinderkopf (1), einen Zylinder und einen im Zylinder hin - und herbewegenden Kolben (8) begrenzten Brennraum mit einer Zündquelle in den ein Brennstoff einbringbar ist, wobei die Brennkraftmaschine zumindest ein Mittel zur Isolierung zum Brennraum hin aufweist, das eine geringere Temperaturleitfähigkeit aufweist als seine Umgebung. Aufgabe ist es eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren bereitzustellen, durch die Klopfen verringert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Mittel zur Isolierung einen flächenmäßig kleinen Anteil einer Oberfläche (O) des Brennraums einnimmt, so dass eine Wärmeübertragung aus dem Brennraum durch die Oberfläche (O) des Brennraumes im Wesentlichen unbeeinflusst ist und das Mittel zur Isolierung eine Nebenzündung der noch unverbrannten Restladung auslöst.The invention relates to an internal combustion engine and an associated method in Otto engine combustion with a cylinder chamber (1), a cylinder and a reciprocating piston in the cylinder (8) limited combustion chamber with an ignition source in which a fuel is introduced, wherein the internal combustion engine at least one means for isolation to the combustion chamber out, which has a lower thermal conductivity than its environment. The object is to provide an internal combustion engine and a method by which knocking is reduced. This object is achieved in that the means for insulation occupies a small area proportion of a surface (O) of the combustion chamber, so that a heat transfer from the combustion chamber through the surface (O) of the combustion chamber is substantially unaffected and the means for isolation Ignition of the still unburned residual charge triggers.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit ottomotorischer Verbrennung mit einem durch einen Zylinderkopf, einen Zylinder und einen im Zylinder hin - und herbewegenden Kolben begrenzten Brennraum mit einer Zündquelle in den ein Brennstoff einbringbar ist, wobei die Brennkraftmaschine zumindest ein Mittel zur Isolierung zum Brennraum hin aufweist, das eine geringere Temperaturleitfähigkeit aufweist als seine Umgebung.The invention relates to an internal combustion engine with Otto engine combustion with a combustion chamber bounded by a cylinder head, a cylinder and a piston reciprocating in the cylinder and having an ignition source into which a fuel can be introduced, the internal combustion engine having at least one means for insulating the combustion chamber, which has a lower thermal conductivity than its surroundings.

Solche Mittel zur Isolierung sind üblicherweise Schichten aus Keramik oder aus anderem Material. Aufgrund der im Brennraum herrschenden Temperaturen dienen solche Beschichtungen dem Schutz des Kolbens, der im Allgemeinen aus Aluminium gefertigt ist. Mittel zur Isolierung zeichnen sich durch ihre geringe Wärmeleitfähigkeit aus.Such insulation means are usually layers of ceramic or other material. Due to the temperatures prevailing in the combustion chamber, such coatings serve to protect the piston, which is generally made of aluminum. Means for insulation are characterized by their low thermal conductivity.

Brennkraftmaschinen mit einem signifikanten Anteil an vorgemischter Verbrennung weisen eine hohe Anfälligkeit zu ausgeprägtem Klopfen auf. Durch klopfende Verbrennung kann es zur Beschädigung der Brennkraftmaschine kommen. Da Klopfen prinzipiell unerwünscht ist, wird es meist durch eine höhere Oktan-Zahl, durch einen geringeren Ladedruck, einen späteren Zündzeitpunkt oder Ähnlichem reduziert. Diese Maßnahmen sind teils aufwendig teils in anderen Belangen unvorteilhaft und kostenintensiv.Internal combustion engines with a significant proportion of premixed combustion have a high susceptibility to pronounced knocking. By knocking combustion can damage the internal combustion engine. Since knocking is in principle undesirable, it is usually reduced by a higher octane number, by a lower charge pressure, a later ignition timing or the like. These measures are sometimes costly partly in other respects unfavorable and costly.

Die Vermeidung von Klopfschäden stellt eine zentrale Entwicklungsaufgabe bei ottomotorischen Brennverfahren dar. Daher gibt es zahlreiche Verfahren zur Verminderung der Klopfintensität auf ein unschädliches Maß. Am weitesten verbreitet sind die Begrenzung der Verdichtung, die Steigerung der Klopffestigkeit der Kraftstoffe, die Spätverstellung der Zündung der Ladung, Klopferkennungs- und Regeleinrichtungen sowie Mehrzündkerzensysteme. All diese Verfahren sind mit nicht unbeträchtlichem Aufwand verbunden und haben üblicherweise auch negative Auswirkungen auf die Gesamtkosten und die Umwelt.The avoidance of knock damage is a central development task in Otto engine combustion processes. Therefore, there are numerous methods for reducing the knock intensity to a harmless level. The most widespread are the limitation of compression, the increase in the knock resistance of the fuels, the retardation of the ignition of the charge, knock detection and control devices and Mehrzündkerzensysteme. All of these procedures involve not inconsiderable expense and usually have a negative impact on the overall costs and the environment.

Mit Ausnahme der aufwändigen Mehrfachzündkerzensysteme, zielen die bekannten Verfahren auf die Vermeidung von Selbstzündung der unverbrannten Ladung durch die Restgasverdichtung der Flammenfront ab.With the exception of the complex Mehrfachzündkerzensysteme, the known methods aim at the prevention of auto-ignition of the unburnt charge by the residual gas compression of the flame front.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Brennkraftmaschine anzugeben, die auf einfache Weise das Klopfen verringert.Object of the present invention is to provide an internal combustion engine, which reduces the knocking in a simple manner.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Mittel zur Isolierung einen flächenmäßig kleinen Anteil einer Oberfläche des Brennraums einnimmt, so dass eine Wärmeübertragung aus dem Brennraum durch die Oberfläche des Brennraumes im Wesentlichen unbeeinflusst ist. Durch diese punktuelle Anordnung des Mittels zur Isolierung ergeben sich im Brennraum während der Verbrennung heiße Stellen an dem Mittel zur Isolierung, da die Wärme dort im Vergleich zur Umgebung weniger stark in das umgebende Material, einen Zylinderblock oder den Kolben abgeleitet werden kann. An den Stellen, welche mit der thermischen Isolierung versehen, und damit wesentlich heißer als die umgebende Wand sind, kommt es im Zuge der verbrennungsbedingten Restladungsverdichtung zur Ausbildung von lokalen Zündquellen an diesen thermisch isolierten Stellen und damit zu zusätzlichen Flammenfronten. Dadurch wird in weiterer Folge die verfügbare unverbrannte Ladungsmenge vermindert und damit die Intensität bzw. das Risiko eines schädlichen Klopfevents hoher Intensität vermindert. An diesen heißen Stellen bei dem Mittel zur Isolierung verbrennt die noch nicht verbrannte Restladung. Dadurch wird für den nächsten Zyklus Klopfen vermieden.According to the invention, this object is achieved in that the means for insulation occupies a small portion of a surface of the combustion chamber in terms of area, so that a heat transfer from the combustion chamber through the surface of the combustion chamber is substantially unaffected. By this selective arrangement of the means for isolation arise in the combustion chamber during combustion hot spots on the means for isolation, since the heat there compared to the environment less strongly in the surrounding material, a cylinder block or the piston can be derived. At the points, which are provided with the thermal insulation, and thus much hotter than the surrounding wall, it comes in the course of combustion-related residual charge compression to the formation of local ignition sources at these thermally insulated sites and thus to additional flame fronts. As a result, the available amount of unburned charge is subsequently reduced and thus the intensity or the risk of a harmful high-intensity knocking event is reduced. At these hot spots in the means of isolation burns the not yet burned residual charge. This avoids knocking for the next cycle.

Dabei wird hier unter Restladung der Teil der Ladung verstanden, der im betrachteten Augenblick noch nicht von der Flammenfront erfasst wurde und noch unverbrannt ist.In this case, the term "residual charge" is understood to mean that part of the charge which, at the moment considered, has not yet been captured by the flame front and is still unburned.

Unter einem kleinen flächenmäßigen Anteil versteht sich hier eine punktuelle Anordnung von Mittel zur Isolierung die punktförmig an der Oberfläche des Brennraums angebracht ist. Dabei ist die minimale Größe dieser Punkte durch die Fertigungsverfahren technisch begrenzt.A small areal proportion here means a punctual arrangement of means for insulation which is attached punctiform to the surface of the combustion chamber. The minimum size of these points is technically limited by the manufacturing process.

Die Wärmeübertragung ergibt sich dabei aus der Energiebilanz um den Brennraum wobei konvektive Wärmeübertragung, Wärmeleitung durch die Brennraumwand und durch Strahlung abgegebene Wärme aus dem Brennraum umfasst sind.The heat transfer results from the energy balance around the combustion chamber, wherein convective heat transfer, heat conduction through the combustion chamber wall and heat emitted by radiation from the combustion chamber are included.

Eine günstige Ausführung entsteht, wenn das Mittel zur Isolierung eine Fläche der Oberfläche des Brennraums einnimmt, die kleiner ist als ein Hundertstel der Oberfläche, vorzugsweise kleiner ist als vier Tausendstel der Oberfläche und besonders vorzugsweise kleiner ist als zwei Tausendstel der Oberfläche.A favorable embodiment arises when the means for isolation occupies an area of the surface of the combustion chamber which is less than a hundredth of the surface, preferably less than four thousandths of the surface, and more preferably less than two thousandths of the surface.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Mittel zur Isolierung eine geringere spezifische Wärmekapazität aufweist als seine Umgebung. Durch die fehlende Wärmeableitung erwärmt sich das Mittel zur Isolierung. Die Temperatur dafür ergibt sich aus der Wärmebilanz. Wesentlich Faktoren sind dabei der konvektive Wärmeübergang zwischen Gas und Mittel zur Isolierung, die spezifische Wärmekapazität des Mittels zur Isolierung und die Wärmeableitung vom Mittel zur Isolierung in das Grundmaterial. Je niedriger die Wärmeleitfähigkeit des Mittels zur Isolierung ist, umso höher ist die mittlere Temperatur dessen. Je niedriger die Wärmekapazität ist, umso schneller kann es den gasseitigen Temperaturänderungen bzw. Wärmestromänderungen folgen.It is particularly advantageous if the means for isolation has a lower specific heat capacity than its surroundings. Due to the lack of heat dissipation heats the means of isolation. The temperature for this results from the heat balance. Essential factors are the convective heat transfer between gas and means for isolation, the specific heat capacity of the means for isolation and the heat dissipation from the means for isolation into the base material. The lower the thermal conductivity of the insulation agent is, the higher is the mean temperature of it. The lower the heat capacity, the faster it can follow the gas side temperature changes or heat flow changes.

Die spezifische Wärmekapazität des Mittels zur Isolierung ist dabei niedriger, als die spezifische Wärmekapazität des Materials der Oberfläche des Brennraums, die oben als Umgebung bezeichnet wird.The specific heat capacity of the means for isolation is lower than the specific heat capacity of the material of the surface of the combustion chamber, which is referred to above as the environment.

Aufgrund der längeren Dauer, die die Flammenfront von der Zündquelle bis zur Ankunft in dezentralen Bereichen des Brennraums benötigt, ist es sinnvoll und vorteilhaft, wenn das Mittel zur Isolierung an dem Zylinderkopf, vorzugsweise in einem Außenbereich der von einer Drehachse des Zylinders entfernt ist, angeordnet ist.Due to the longer duration it takes the flame front from the ignition source to the arrival in decentralized areas of the combustion chamber, it is useful and advantageous if the means for isolation on the cylinder head, preferably in an outer region of which is removed from a rotational axis of the cylinder is.

Insbesondere wird unter Außenbereich im Sinne der Erfindung jener Bereich verstanden, welcher radial von der Drehachse des Zylinders möglichst weit entfernt ist, insbesondere ist darunter ein kreisringförmiger Bereich zu verstehen, welcher bezogen auf den Radius des Brennraums, die radial äußersten 20%, vorzugsweise die radial äußersten 5% einnimmt.In particular, in the context of the invention, outside area is understood to mean that area which is as far away as possible radially from the axis of rotation of the cylinder, in particular including an annular area, which, based on the radius of the combustion chamber, the radially outermost 20%, preferably the radial the highest 5%.

Klopfen kann besonders wirksam verhindert werden, wenn das Mittel zur Isolierung an der Oberfläche des Brennraums am Kolben, vorzugsweise in einem Außenbereich der von einer Drehachse des Zylinders entfernt ist, angeordnet ist.Knocking can be prevented particularly effectively if the means for isolation on the surface of the combustion chamber is arranged on the piston, preferably in an outer region which is remote from an axis of rotation of the cylinder.

Um die Wärmeableitung des Mittels zur Isolierung weitgehend zu verhindern und die Isolationswirkung zu verbessern, sieht eine günstige Ausführungsform vor, dass das Mittel zur Isolierung eine Isolierschicht aufweist, die eine Schichtdicke von mehr als 30 µm aufweist, vorzugsweise mehr als 50 µm, besonders bevorzugt ungefähr 70 µm.In order to largely prevent the heat dissipation of the means for isolation and to improve the insulating effect, a favorable embodiment provides that the means for insulation comprises an insulating layer having a layer thickness of more than 30 microns, preferably more than 50 .mu.m, more preferably approximately 70 μm.

Besonders wirkungsvoll ist dies, wenn das Mittel zur Isolierung eine Isolierschicht aus Siliziumoxid verstärktem porösem anodisiertem Aluminiumoxid aufweist.This is particularly effective when the means for isolation comprises an insulating layer of silicon oxide reinforced porous anodized alumina.

Eine besonders einfache Fertigung ergibt sich hierfür, wenn das Mittel zur Isolierung eine Eloxalschicht aufweist.A particularly simple production results for this purpose if the means for insulation has an anodized coating.

Eine qualitativ hochwertige Isolierschicht ergibt sich, wenn das Mittel zur Isolierung eine Isolierschicht aufweist, die durch plasmaelektrolytische Oxidation hergestellt ist.A high quality insulating layer results when the means for isolation has an insulating layer made by plasma electrolytic oxidation.

Aus Sicht der Fertigung ist es für nachträgliche Aufrüstung einer Brennkraftmaschine günstig, wenn das Mittel zur Isolierung im Wesentlichen ein Stift ist, der in den Zylinderkopf und/oder den Kolben eingeschoben ist und mit einer Isolierschicht an den Brennraum grenzt. Dabei kann der Stift einfach in eine nachträglich angefertigte Bohrung eingeschoben werden. Es sind auch bei Neuanfertigungen von Brennkraftmaschinen einfach solche Stifte einsetzbar.From a manufacturing point of view, it is favorable for retrofitting an internal combustion engine if the means for insulation is essentially a pin which is inserted into the cylinder head and / or the piston and adjoins the combustion chamber with an insulating layer. The pin can simply be inserted into a subsequently made bore. It is also easy to use such pins in new production of internal combustion engines.

Es sind in alternativen Ausführungen auch Mittel zur Isolierung, Zündpunkte möglich, die plan mit der Oberfläche des Brennraums sind oder in die Oberfläche eingesenkt sind.There are in alternative embodiments, means for insulation, ignition possible, which are flat with the surface of the combustion chamber or sunk into the surface.

Es ist besonders günstig, wenn das Mittel zur Isolierung anionische Komponenten vorzugsweise Phosphatsalz und/oder Siliziumoxid aufweist und/oder katalytische Komponenten aufweist. Dadurch können Abgasemissionen reduziert werden und exotherme Reaktionen eingeleitet werden.It is particularly favorable if the means for isolation comprises anionic components, preferably phosphate salt and / or silicon oxide, and / or has catalytic components. As a result, exhaust emissions can be reduced and exothermic reactions are initiated.

Um besonders vorteilhafte Eigenschaften für das Mittel zur Isolierung zu erreichen, ist es günstig, wenn das Substrat (Basismaterial des Kolbens und des Zylinderkopfs zum Anodisieren) zur Fertigung des Mittels zur Isolierung mehrere Bestandteile aufweist, vorzugsweise Siliziumoxid, Magnesium, Kupfer.In order to achieve particularly advantageous properties for the means for isolation, it is favorable if the substrate (base material of the piston and of the cylinder head for anodizing) for the production of the means for isolation comprises a plurality of constituents, preferably silicon oxide, magnesium, copper.

Die Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bei der ein Brennstoff in einen Brennraum eingebracht wird, verdichtet wird und durch eine Zündquelle durch aktive Energiezufuhr gezündet wird und zuletzt ein Abgas aus dem Brennraum ausgestoßen wird, dadurch gelöst, dass in dem Brennraum durch eine aktive Zündung von der Zündquelle eine Flammenfront im Brennraum entsteht und ein Mittel zur Isolierung auf eine Zündtemperatur erwärmt wird und dass durch das erwärmte Mittel zur Isolierung eine Nebenzündung durch teilweise Abgabe der aufgenommenen Wärme auf noch unverbrannte Restladung ausgelöst wird. Dadurch kann Klopfen durch die ungewollte gleichzeitige Selbstzündung von noch nicht verbrannter Restladung verhindert oder wesentlich vermindert werden.The object is also achieved by a method for operating an internal combustion engine in which a fuel is introduced into a combustion chamber, is compressed and ignited by an ignition source by active energy supply and finally an exhaust gas is discharged from the combustion chamber, achieved in that in the combustion chamber an active ignition of the ignition source, a flame front in the combustion chamber is formed and a means for insulation is heated to an ignition temperature and that is triggered by the heated means for isolation a Nebenzündung by partially releasing the heat absorbed to still unburned residual charge. As a result, knocking can be prevented or substantially reduced by the unwanted simultaneous autoignition of not yet burned residual charge.

Dabei ist vorteilhaft, wenn die Nebenzündung vor Vorüberziehen der Flammenfront an dem erwärmten Mittel zur Isolierung ausgelöst wird.It is advantageous if the secondary ignition is triggered before overpulling the flame front to the heated means for insulation.

Um die Verbrennung optimal zu gewährleisten und eine Überhitzung des Materials im Bereich des Brennraums zu verhindern, ist es günstig, wenn die Wärmeübertragung vom Brennraum durch das zumindest eine Mittel zur Isolierung durch die Oberfläche des Brennraums im Wesentlichen nicht gestört wird.In order to optimally ensure the combustion and to prevent overheating of the material in the region of the combustion chamber, it is favorable if the heat transfer from the combustion chamber through the at least one means for isolation through the surface of the combustion chamber is substantially not disturbed.

Das hier vorgestellte Verfahren zielt auf die kontrollierte Herbeiführung der Selbstzündung in kleinen Volumsbereichen der Restladung ab. Aus der Praxis ist bekannt, dass durch sich ablösende Ablagerungen oder durch Öltröpfchen eine Selbstzündung der Restladung auftreten kann.The method presented here aims at the controlled induction of auto-ignition in small volume ranges of the residual charge. From the Practice is known that self-ignition of the residual charge can occur due to detaching deposits or oil droplets.

Diese Prozesse sind jedoch nicht gezielt steuerbar und daher nicht gezielt nutzbar. Durch das Mittel zur Isolierung wird eine Stelle eingebracht, die durch ihre spezifischen Werkstoffeigenschaften zündfördernd wirkt. Dadurch ist eine gezielte Nutzung der selbstzündungsfördernden Wirkung erreichbar, was wiederum einen erheblichen Vorteil gegenüber bekannten Lösungen bietet.However, these processes are not specifically controllable and therefore not specifically usable. By means of the insulation, a point is introduced, which promotes ignition by their specific material properties. As a result, a targeted use of the self-ignition-promoting effect can be achieved, which in turn offers a considerable advantage over known solutions.

Das Mittel zur Isolierung wirkt als zündungsfördernde Komponente im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit vorwiegend vorgemischter Verbrennung und Fremdzündung. Das Mittel zur Isolierung wirkt gezielt als zusätzlicher Zündherd von welchem sich sekundäre Flammenfronten ausbreiten und auf diese Weise die Umsetzung der unverbrannten Ladung beschleunigen. Dadurch wird die Masse der unverbrannten Ladung bis zum Überschreiten der Zündverzugszeit reduziert und damit reduziert sich die Intensität des verbleibenden (schlagartigen) Energieumsatzes wesentlich. Daher werden Klopfschäden vermieden.The means for insulation acts as an ignition-promoting component in the combustion chamber of an internal combustion engine with predominantly premixed combustion and spark ignition. The means of isolation acts as an additional ignition source from which propagate secondary flame fronts and thus accelerate the implementation of the unburnt charge. As a result, the mass of the unburnt charge is reduced until the Zündverzugszeit is exceeded and thus reduces the intensity of the remaining (sudden) energy sales significantly. Therefore knocking damage is avoided.

Diese heißen Stellen (Zündpunkte) an dem Mittel zur Isolierung weisen erfindungsgemäß sehr viel geringere Wärmeleitfähigkeiten und sehr viel geringere volumetrische Wärmekapazitäten auf. Derartige Materialien sind als „Thermo Swing“ Materialien bekannt.These hot spots (ignition points) on the means for isolation according to the invention have much lower thermal conductivities and much lower volumetric heat capacities. Such materials are known as "Thermo Swing" materials.

Zur Beeinflussung der Wirksamkeit der zündungsfördernden Komponente, dem Mittel zur Isolierung, kann dieses extern beheizt sein. Die Anordnung der zündungsfördernden Komponenten erfolgt im Brennraum an jenen Stellen, wo unter klopfkritischen Bedingungen ausgeprägte Klopfherde zu erwarten sind. Typischer Weise sind dies also Bereiche am Kolben und/oder am Zylinderkopf in unmittelbarer Nähe zum Zylindermantel. Die zündungsfördernden Komponenten, das punktuell verteilte Mittel zur Isolierung weist dabei typische Abmessungen in der Größe von etwa 1 mm bis 3 mm auf und sind unter klopfkritischen Bedingungen an der gasseitigen Oberfläche 200 bis 400 K heißer als die umgebende Oberfläche des Brennraums, wodurch das Mittel zur Isolierung lokal eine wesentliche Verkürzung der Zündverzugszeit hervorruft und auf diese Weise lokale Selbstzündungen initiieren. Ein weiteres Merkmal der verwendeten Werkstoffe für das Mittel zur Isolierung sind die integrierten Gasporen, wodurch die Werkstoffe eine hohe thermomechanische Belastbarkeit aufweisen.To influence the effectiveness of the ignition-promoting component, the means for isolation, this may be externally heated. The arrangement of the ignition-promoting components takes place in the combustion chamber in those places where pronounced knocking stoves are to be expected under knock-critical conditions. Typically, these are areas on the piston and / or on the cylinder head in the immediate vicinity of the cylinder jacket. The ignition-promoting components, the selectively distributed means for insulation thereby has typical dimensions in the size of about 1 mm to 3 mm and are under knock-critical conditions on the gas side surface 200 to 400 K hotter than the surrounding surface of the combustion chamber, whereby the means for Insulation locally causes a significant shortening of the Zündverzugszeit and initiate local auto-ignition in this way. Another feature of the materials used for the means of isolation are the integrated gas pores, whereby the materials have a high thermo-mechanical load capacity.

Klopfkritische Bedingungen sind verbunden mit einem Hochlastbetrieb, dabei heizt sich jeder einzelne Zündpunkt auf Grund des dann vorliegenden hohen mittleren Wärmestroms stark gegenüber dem Trägermaterial, der Umgebung des Zündpunkts auf. Eine zusätzliche Temperaturüberhöhung an der gasseitigen Oberfläche wird durch die zyklusbedingte Oberflächentemperaturschwankung begünstigt. Diese Temperaturerhöhung zündet die dort vorliegende Restladung. Die Temperaturschwankung ist umgekehrt proportional zur Wärmeleitfähigkeit und zur spezifischen Wärmekapazität der Isolierschicht und der Zündpunkte.Knock-critical conditions are associated with a high load operation, while each individual ignition point heats up strongly due to the then existing high average heat flow relative to the substrate, the environment of the ignition point. An additional temperature increase at the gas-side surface is favored by the cyclic surface temperature fluctuation. This temperature increase ignites the residual charge present there. The temperature variation is inversely proportional to the thermal conductivity and the specific heat capacity of the insulating layer and the ignition points.

In einem Ansaugtakt wird Ladung in den Brennraum eingebracht, dann wird die Ladung während einem Verdichtungstakt komprimiert und in der Nähe des oberen Totpunktes findet eine aktive Zündung durch die Zündquelle, die Zündkerze statt. Im Brennraum breitet sich die Flammenfront aus und durch die exotherme Reaktion erwärmt sich das Material des Zylinderkopfs und des Kolbens. Die Wärme wird durch dieses Material abgeleitet. Aufgrund der geringeren spezifischen Wärmekapazität der Zündpunkte und der geringeren Wärmeleitfähigkeit erwärmen sich diese Zündpunkte im Außenbereich des Brennraums stärker als die Umgebung.In an intake stroke, charge is introduced into the combustion chamber, then the charge is compressed during a compression stroke, and in the vicinity of top dead center, an active ignition takes place through the ignition source, the spark plug. In the combustion chamber, the flame front spreads and by the exothermic reaction heats the material of the cylinder head and the piston. The heat is dissipated by this material. Due to the lower specific heat capacity of the ignition points and the lower thermal conductivity, these ignition points in the outer area of the combustion chamber heat up more than the surroundings.

Eine Nebenzündung erfolgt, bevor die Flammenfront am Zündpunkt vorübergezogen ist. Die Nebenzündung an den Zündpunkten (unter klopfkritischen Bedingungen) soll erfolgen bevor die Flammenfront der Fremdzündung diese erreicht, da sie nur dann als Zusatzzündquellen wirken. Unter nicht-klopfkritischen Teillastbedingungen ist der Wärmestrom um die Zündpunkte geringer, wodurch diese kälter sind und daher nicht als Zusatzzündquellen wirken. Die Flammenfront erreicht die Zündpunkte also idealerweise bevor die Selbstzündungsreaktionen ganz abgelaufen sind.A secondary ignition occurs before the flame front has passed the ignition point. The secondary ignition at the ignition points (under knock-critical conditions) should take place before the flame front of the spark ignition reaches them, since they only act as additional ignition sources. Under non-knock-critical partial load conditions, the heat flow around the ignition points is lower, making them colder and therefore not acting as additional ignition sources. The flame front ideally reaches the ignition points before the autoignition reactions have completely expired.

Die Zündpunkte sind bei klopfkritischen Bedingungen zwischen 200°C und 400°C heißer als die Umgebung (das umgebende Material des Zylinderkopfes und des Kolbens). Nur unter Hochlastbedingungen werden die Zündpunkte soweit erhitzt um Nebenzündungen auszulösen.The ignition points are hotter than the environment (the surrounding material of the cylinder head and the piston) at knock critical conditions between 200 ° C and 400 ° C. Only under high-load conditions are the ignition points heated to trigger secondary ignition.

Die Zündpunkte sind nur kleinräumig an der Oberfläche des Brennraums aufgebracht und verändern den globalen Wärmestrom durch die Oberfläche praktisch nicht. Bei zu großflächigen Beschichtungen mit Mittel zur Isolierung an der Oberfläche des Brennraums kann es zu großen Klopfereignissen kommen, zu „Superklopfern“. Die Positionierung der Zündpunkte erfolgt günstigerweise im Außenbereich des Brennraumes am Kolben oder am Zylinderkopf.The ignition points are only small-scale applied to the surface of the combustion chamber and virtually do not change the global heat flow through the surface. Excessively large coatings with means for insulation on the surface of the combustion chamber can lead to large knock events, to "super-knockers". The positioning of the ignition points is conveniently carried out in the outer region of the combustion chamber on the piston or on the cylinder head.

In einer weiteren möglichen Ausführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind die Zündpunkte durch poröses Aluminiumoxid gebildet. Dabei kann das dadurch erreicht werden, dass die Aluminiumlegierung des Kolbens oder des Zylinderkopfs anodisiert wird.In a further possible embodiment of the internal combustion engine according to the invention, the ignition points are formed by porous aluminum oxide. In this case, this can be achieved by anodizing the aluminum alloy of the piston or of the cylinder head.

Dies ist beispielsweise zum Erhalt einer Verschleißschutzschicht für eine Kolbenringnut des Kolbens bereits bekannt, allerdings sind die Anforderungen an diese Schicht eine andere. So ist eine Verschleißschutzschicht fest und weist geringe Porosität auf. Die Dicke der Verschleißschutzschicht ist üblicherweise weniger als 30 µm dick. This is already known, for example, for obtaining a wear protection layer for a piston ring groove of the piston, but the requirements for this layer are different. Thus, a wear protection layer is firm and has low porosity. The thickness of the wear protection layer is usually less than 30 microns thick.

Die Zündpunkte sind poröser und weisen eine Dicke von etwa 70 µm auf.The ignition points are more porous and have a thickness of about 70 microns.

Die Zusammensetzung der Zündpunkte kann durch anionische Komponenten wie Siliziumoxid oder Phosphatsalz, oder durch Zusammenwirken mit Legierungskomponenten des Substrats, wie Silizium, Magnesium oder Kupfer verbessert werden. Beispielsweise kann Mullit (Al8[(O,OH)|(Si,Al)O4]4] durch plasmaelektrolytische Oxidation aus Aluminium gebildet werden, wenn Siliziumoxid Anionen enthalten sind und/oder wenn das Substrat eine siliziumhaltige Aluminiumlegierung ist. Weitere mögliche Hauptkomponenten bei plasmaelektrolytischer Oxidation sind beispielsweise γ-Aluminium, α-Aluminium und Titanoxid.The composition of the ignition points can be improved by anionic components such as silica or phosphate salt, or by interaction with alloy components of the substrate such as silicon, magnesium or copper. For example, mullite (Al8 [(O, OH)] (Si, Al) O4! 4! Can be formed by plasma electrolytic oxidation of aluminum if silicon oxide anions are included and / or if the substrate is a silicon-containing aluminum alloy Oxidation are, for example, γ-aluminum, α-aluminum and titanium oxide.

Durch plasmaelektrolytische Oxidation hergestellte Schichten weisen aufgrund ihrer amorphen Struktur in Kombination mit der geringen Korngröße eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf.Due to their amorphous structure in combination with the small grain size, layers produced by plasma-electrolytic oxidation have a low thermal conductivity.

Die Eigenschaften der Zündpunkte können mit Hilfe der Menge und der Art der anionischen Komponenten und der Substratzusammensetzung variiert werden. Außerdem ist es günstig die poröse Aluminiumoxidschicht zu versiegeln, um hohe Haltbarkeit und hohe Belastbarkeit im Brennraum zu gewährleisten.The properties of the ignition points can be varied by means of the amount and type of anionic components and the substrate composition. In addition, it is advantageous to seal the porous aluminum oxide layer to ensure high durability and high load capacity in the combustion chamber.

Unter Substrat versteht sich hier das Basismaterial des Kolbens und des Zylinderkopfs zum Anodisieren.Under substrate here understands the base material of the piston and the cylinder head for anodizing.

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

1 eine Oberfläche eines Brennraums an einem Zylinderkopf einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
2 eine Oberfläche eines Brennraums an einem Kolben einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
3 eine Oberfläche eines Brennraums einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführung in einem schematischen Schnitt entlang der Linie III-III gemäß 2.;
4 eine Oberfläche eines Brennraums einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausführung in einem schematischen Schnitt entlang der Linie IV-IV gemäß 1; und
5 ein Diagramm in der die Temperatur über dem Kurbelwinkel in einem Brennraum dargestellt ist.

In further consequence, the invention will be explained in more detail with reference to the non-limiting figures. Show it:

1 a surface of a combustion chamber on a cylinder head of an internal combustion engine according to the invention;
2 a surface of a combustion chamber on a piston of an internal combustion engine according to the invention;
3 a surface of a combustion chamber of an internal combustion engine according to the invention in a first embodiment in a schematic section along the line III-III according to 2 .
4 a surface of a combustion chamber of an internal combustion engine according to the invention in a second embodiment in a schematic section along the line IV-IV according to 1 ; and
5 a diagram in which the temperature is shown above the crank angle in a combustion chamber.

In 1 ist eine Oberfläche O eines Brennraumes einer Brennkraftmaschine gezeigt. Die Oberfläche O umfasst an einem Zylinderkopf 1 zwei Einlassventile 2 und zwei Auslassventile 3. Zwischen diesen Ventilen 2, 3 sind eine Einspritzung 4 zur Einspritzung von Brennstoff in den Brennraum und eine Zündkerze 5 als Zündquelle angeordnet. Dabei ist die Zündkerze 5 zentral am Zylinderkopf 1 im Bereich einer Drehachse A eines Zylinders im Brennraum angeordnet. Es handelt sich bei den erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen um fremdgezündete Brennkraftmaschinen mit zumindest einer Zündquelle zur Einleitung der ottomotorischen Verbrennung.In 1 a surface O of a combustion chamber of an internal combustion engine is shown. The surface O comprises on a cylinder head 1 two inlet valves 2 and two exhaust valves 3 , Between these valves 2 . 3 are an injection 4 for injection of fuel into the combustion chamber and a spark plug 5 arranged as an ignition source. Here is the spark plug 5 centrally on the cylinder head 1 arranged in the region of a rotation axis A of a cylinder in the combustion chamber. The internal combustion engines according to the invention are spark-ignited internal combustion engines with at least one ignition source for initiating Otto engine combustion.

In einem Außenbereich 6 des Brennraums, der von der Drehachse A möglichst weit entfernt ist, sind am Zylinderkopf 1 in der gezeigten Ausführung vier Zündpunkte 7 angeordnet. Selbstverständlich ist auch eine andere Anzahl von Zündpunkten 7 und eine entsprechende andere Verteilung der Zündpunkte 7 möglich. Diese Zündpunkte 7 stellen in ihrer Gesamtheit ein Mittel zur Isolierung dar. Die Zündpunkte 7 weisen einen Durchmesser von weniger als 3 mm auf, wobei die Bohrung des Zylinders beispielsweise einen Durchmesser von 75 mm aufweist.In an outdoor area 6 the combustion chamber, which is as far away as possible from the axis of rotation A, are on the cylinder head 1 in the illustrated embodiment, four ignition points 7 arranged. Of course, a different number of ignition points 7 and a corresponding different distribution of the ignition points 7 possible. These ignition points 7 in their entirety constitute a means of isolation. The ignition points 7 have a diameter of less than 3 mm, wherein the bore of the cylinder, for example, has a diameter of 75 mm.

Der Brennraum wird im Wesentlichen durch einen Zylinderkopf 1, einen Kolben 8 (2) und die Mantelfläche des Zylinders begrenzt.The combustion chamber is essentially a cylinder head 1 , a piston 8th ( 2 ) and the lateral surface of the cylinder limited.

Die Oberfläche O des Brennraums am Kolben 2 ist in 2 gezeigt. Dabei sind ebenfalls von der Drehachse A entfernt im Außenbereich 6 des Brennraums vier Zündpunkte 7 regelmäßig verteilt angeordnet. In der gezeigten Ausführung sind die Zündpunkte 7 außerhalb einer Kolbenmulde 9 des Kolbens 8 angeordnet.The surface O of the combustion chamber on the piston 2 is in 2 shown. Here are also removed from the axis of rotation A in the outdoor area 6 the combustion chamber four ignition points 7 arranged regularly distributed. In the embodiment shown are the ignition points 7 outside a piston recess 9 of the piston 8th arranged.

Die Zündpunkte 7 am Zylinderkopf 1 und am Kolben 8 weisen eine geringere Temperaturleitfähigkeit als das Material der Umgebung dazu - dem restlichen Zylinderkopf 7 und dem restlichen Kolben 8 - auf. Der Zylinderkopf 7 und der Kolben 8 können beispielsweise im Wesentlichen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt sein. Weiters weisen die Zündpunkte 7 eine geringere spezifische volumetrische Wärmekapazität als das Material in der Umgebung auf.The ignition points 7 on the cylinder head 1 and on the piston 8th have a lower thermal conductivity than the surrounding material - the rest of the cylinder head 7 and the rest of the piston 8th - on. The cylinder head 7 and the piston 8th For example, they may be made substantially of aluminum or an aluminum alloy. Furthermore, the ignition points 7 a lower specific volumetric heat capacity than the material in the environment.

Darüber hinaus nehmen die Zündpunkte 7 in ihrer Gesamtheit nur einen flächenmäßigen kleinen Anteil der Oberfläche O des Brennraumes ein. In einer Ausführung mit acht Zündpunkten 7, nach oder ähnlich dem gezeigten Schema in 1 und 2, bei der jeder Zündpunkt 7 einen Durchmesser von etwa 3 mm aufweist, entspricht das Verhältnis von der Oberfläche O des Brennraums (ohne Mantelfläche des Zylinders) in etwa 2/300, bei acht Zündpunkten 7 mit einem Durchmesser von etwa 1 mm ist das Verhältnis von der Oberfläche O zu der Fläche der Zündpunkte 7 etwa 1/1500. Mit einem Durchmesser von etwas mehr als 1 mm (1,338 mm) liegt das Verhältnis bei etwa 4/1000. Bei einem Durchmesser von weniger als 1 mm (0,946 mm) beträgt das Verhältnis in etwa 2/1000.In addition, the ignition points take 7 in their entirety only an areal small proportion of the surface O of the combustion chamber. In a version with eight ignition points 7 , after or similar to the scheme shown in 1 and 2 in which every ignition point 7 has a diameter of about 3 mm, corresponds to the ratio of the surface O of the combustion chamber (without lateral surface of the cylinder) in about 2/300, at eight ignition points 7 with a diameter of about 1 mm is the ratio of the surface O to the surface of the ignition points 7 about 1/1500. With a diameter of slightly more than 1 mm (1.338 mm), the ratio is about 4/1000. With a diameter of less than 1 mm (0.946 mm), the ratio is about 2/1000.

In 3 ist ein Schnitt durch den Kolben 8 entlang der Linie III-III in 2 gezeigt. Dabei ist die Umgebung des Zündpunkts 7 das Material des Kolbens 8. Zur Reduktion der Schadstoffemissionen und zur Förderung von günstigen chemischen Reaktionen und zur Steigerung der Wirksamkeit weist der Zündpunkt 7 katalytische Komponenten 10 auf. Der Zündpunkt 7 wird dabei von einer Isolierschicht 11 am Kolben 8 gebildet, die eine Schichtdicke d hat, die etwa 70 µm groß ist. In anderen Ausführungen beträgt die Schichtdicke d zwischen 30 µm und 50 µm oder mehr als 50 µm.In 3 is a section through the piston 8th along the line III-III in 2 shown. Here is the environment of the ignition point 7 the material of the piston 8th , The ignition point is aimed at reducing pollutant emissions and promoting favorable chemical reactions and increasing their effectiveness 7 catalytic components 10 on. The ignition point 7 is doing of an insulating layer 11 on the piston 8th formed, which has a layer thickness d, which is about 70 microns in size. In other embodiments, the layer thickness d is between 30 .mu.m and 50 .mu.m or more than 50 .mu.m.

Es gibt zur Herstellung der Zündpunkte 7 an der Oberfläche O des Kolbens 8 und des Zylinderkopfs 1 mehrere Möglichkeiten: Die Isolierschicht 11 kann beispielsweise durch Eloxieren, wie etwa plasmaelektrolytische Oxidation am Material des Zylinderkopfs 1 oder des Kolbens 8 gebildet werden.There are for the production of the ignition points 7 on the surface O of the piston 8th and the cylinder head 1 several possibilities: the insulating layer 11 For example, by anodizing, such as plasma electrolytic oxidation of the material of the cylinder head 1 or the piston 8th be formed.

Idealerweise weist der Zündpunkt 7 eine Isolierschicht 11 aus Siliziumoxid verstärktem porösem anodisiertem Aluminiumoxid auf. In anderen Ausführungen ist die Isolierschicht 11 zum Teil aus anionische Komponenten, Phosphatsalz, Siliziumoxid, katalytische Komponenten, Magnesium und/oder Kupfer gebildet.Ideally, the ignition point 7 an insulating layer 11 silicon oxide reinforced porous anodized alumina. In other embodiments, the insulating layer 11 formed in part of anionic components, phosphate salt, silica, catalytic components, magnesium and / or copper.

In 4 ist ein Schnitt eines aktiven Zündpunktes 7 gezeigt, dabei ist vom Brennraum aus betrachtet unterhalb der Isolierschicht 11 ein Heizelement 12 angeordnet. Dieses stiftartige Heizelement 12 kann einfach in eine Bohrung des Zylinderkopf 1 eingeschoben werden und kann entsprechend aktiv über das Heizelement 12 gezündet werden.In 4 is a section of an active ignition point 7 shown, it is viewed from the combustion chamber below the insulating layer 11 a heating element 12 arranged. This pen-like heating element 12 can easily into a bore of the cylinder head 1 can be inserted and can accordingly active on the heating element 12 to be detonated.

In 5 ist ein Diagramm gezeigt, das Temperaturen T in °C im Brennraum bei klopfkritischen Bedingungen über einem Kurbelwinkel α darstellt. Mit TDC ist dabei der obere Totpunkt des Kolbens 8 im Zylinder bezeichnet.In 5 is a diagram showing temperatures T in ° C in the combustion chamber at knock critical conditions over a crank angle α. With TDC is the top dead center of the piston 8th denoted in the cylinder.

Die Linie 13 stellt dabei die Temperatur der ungestörten Oberfläche O des Brennraumes der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine dar. Linie 14 zeigt im Gegensatz dazu eine Temperatur der Wand einer Brennkraftmaschine mit einer normalen Isolationsschicht. Der Temperaturverlauf des Gases im Brennraum ist mit der strichpunktierten Linie 15 gezeigt. Die durchgezogene Linie 16 zeigt im Vergleich dazu, die Temperatur an den Zündpunkten 7 in der Ausführung mit einer Isolierschicht 11 aus Siliziumoxid verstärktem porösem anodisiertem Aluminiumoxid.The line 13 represents the temperature of the undisturbed surface O of the combustion chamber of the internal combustion engine according to the invention. Line 14 in contrast shows a temperature of the wall of an internal combustion engine with a normal insulation layer. The temperature profile of the gas in the combustion chamber is indicated by the dot-dash line 15 shown. The solid line 16 shows in comparison, the temperature at the ignition points 7 in the version with an insulating layer 11 silicon oxide reinforced porous anodized alumina.

In einer weiteren möglichen Ausführung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind aktive Zündpunkte 7, wie in 4 gezeigt für den Zylinderkopf 1 und passive Zündpunkte 7 wie in 3 gezeigt vorgesehen. Es können aber auch aktive und passive Zündpunkte 7 auch vertauscht an der Oberfläche O des Brennraums angeordnet sein.In another possible embodiment of the internal combustion engine according to the invention are active ignition points 7 , as in 4 shown for the cylinder head 1 and passive ignition points 7 as in 3 shown provided. But there can also be active and passive ignition points 7 also be arranged reversed on the surface O of the combustion chamber.

In einer weiteren Ausführung sind nur passive Zündpunkte 7 für Kolben 8 und für Zylinderkopf 1 vorgesehen und in einer weiteren sind nur aktive Zündpunkte 7 vorgesehen.In another embodiment, only passive ignition points 7 for pistons 8th and for cylinder head 1 provided and in another are only active ignition points 7 intended.

Eine andere Anzahl und eine veränderte geometrische Aufteilung der Zündpunkte ist bei alternativen Ausführungen vorgesehen.A different number and an altered geometric distribution of the ignition points is provided in alternative embodiments.

Claims

Internal combustion engine with Otto engine combustion with a combustion chamber bounded by a cylinder head (1), a cylinder and a piston (8) reciprocating in the cylinder and having an ignition source into which a fuel can be introduced, wherein the internal combustion engine has at least one means for isolation to the combustion chamber which has a lower thermal conductivity than its surroundings, characterized in that the means for isolation occupies a small portion of a surface area (O) of the combustion chamber, so that a heat transfer from the combustion chamber through the surface (O) of the combustion chamber is substantially unaffected ,

Internal combustion engine after Claim 1 characterized in that the means for isolating occupies a surface area of the surface (O) of the combustion chamber which is less than one hundredth of the surface (O), preferably less than four thousandths of the surface (O), and more preferably less than two Thousandth of the surface (O).

Internal combustion engine after Claim 1 or 2 , characterized in that the means for isolation has a lower specific heat capacity than its surroundings.

Internal combustion engine according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the means for isolation on the cylinder head (1), preferably in an outer region (6) which is remote from an axis of rotation (A) of the cylinder is arranged.

Internal combustion engine according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the means for isolation on the surface (O) of the combustion chamber on the piston (8), preferably in an outer region (6) which is remote from an axis of rotation (A) of the cylinder is arranged.

Internal combustion engine according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the means for insulation comprises an insulating layer (11) having a layer thickness (d) of more than 30 microns, preferably more than 50 microns, more preferably about 70 microns.

Internal combustion engine according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that the means for insulation comprises an anodized layer.

Internal combustion engine after Claim 7 characterized in that the means for isolating comprises an insulating layer (11) made by plasma electrolytic oxidation.

Internal combustion engine according to one of Claims 7 and 8th characterized in that the means for isolating comprises an insulating layer (11) of silicon oxide reinforced porous anodized alumina.

Internal combustion engine according to one of Claims 1 to 9 , characterized in that the means for isolating substantially a pin which is inserted into the cylinder head (1) and / or the piston (8) and with an insulating layer (11) adjacent to the combustion chamber.

Internal combustion engine according to one of Claims 1 to 10 , characterized in that the means for isolating anionic components preferably phosphate salt and / or silica and / or catalytic components (10).

Internal combustion engine according to one of Claims 1 to 11 , characterized in that the means for isolation comprises a plurality of constituents, preferably silicon oxide, magnesium, copper.

Method for operating an internal combustion engine in which a fuel is introduced into a combustion chamber, is compressed and ignited by an ignition source by active energy supply and finally an exhaust gas is discharged from the combustion chamber, characterized in that in the combustion chamber by an active ignition of the ignition source a flame front is formed in the combustion chamber and a means for insulation is heated to an ignition temperature and that by the heated means for isolation a secondary ignition is triggered by partial release of the absorbed heat to still unburned residual charge.

Method according to Claim 13 , characterized in that the secondary ignition is triggered before overpulling the flame front on the heated means for insulation.

Method according to Claim 13 or 14 , characterized in that the heat transfer from the combustion chamber through the at least one means for isolation by the surface (O) of the combustion chamber is not substantially disturbed.