EP1957780A1 - Brennkraftmaschine sowie verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine mittels laserzündeinrichtung - Google Patents

Brennkraftmaschine sowie verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine mittels laserzündeinrichtung

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Publication number
EP1957780A1
EP1957780A1 EP06793830A EP06793830A EP1957780A1 EP 1957780 A1 EP1957780 A1 EP 1957780A1 EP 06793830 A EP06793830 A EP 06793830A EP 06793830 A EP06793830 A EP 06793830A EP 1957780 A1 EP1957780 A1 EP 1957780A1
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EP
European Patent Office
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ignition
piston
internal combustion
combustion engine
fuel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06793830A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Vogel
Werner Herden
Heiko Ridderbusch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1957780A1 publication Critical patent/EP1957780A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
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    • F02P15/00—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits
    • F02P15/02—Arrangements having two or more sparking plugs
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    • F02P5/00—Advancing or retarding ignition; Control therefor
    • F02P5/04—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine having a laser ignition device for gasoline direct injection and a method for operating such an internal combustion engine.
  • Internal combustion engines for gasoline direct injection are known from the prior art in various configurations. Such internal combustion engines have been increasingly used recently because they have lower fuel consumption at lower emissions.
  • the known internal combustion engines have in common that they usually have an injection valve in a central position and a spark plug is arranged such that they are located on a spray rim of the injected fuel into the combustion chamber.
  • the ignition of the substantially conically propagating from the fuel injector fuel takes place at the edge of the cone, since only here an ignitable air-fuel mixture is present.
  • the positioning of the spark location of the spark plug results in problems in precisely positioning this spark location at the narrow edge zone in the area of the ignitable fuel-air mixture.
  • this is due to component tolerances of the injection valve, spark plug and cylinder head and, on the other hand, to the scattering of the spray geometry from cycle to cycle, so that the ignitable edge zone can vary to a certain extent.
  • cyclic scattering of the spark location within the electrode area may also occur, as well as the spray geometry due to age due to deposits or depending on the characteristic field of the spark plug
  • the inventive method for operating an internal combustion engine with the features of claim 1 has the advantage over that always a secure ignition can be guaranteed. Further, according to the invention, an efficiency can be increased, resulting in a fuel saving results and the exhaust emissions are improved.
  • This is inventively achieved in that fuel is injected during a compression stroke of the internal combustion engine in a combustion chamber. In this case, the fuel is injected into the combustion chamber in such a way that an ignitable, patty-shaped mixture region of fuel and air is formed on the piston. The patty-shaped mixture region rests on the piston bottom surface of the piston.
  • a predetermined period of time is waited between an end of the fuel injection and a start of ignition with a laser ignition device in order to allow the formation of the patty-shaped mixture region on the piston.
  • the period of time is chosen such that a firing location of a laser beam directed into the combustion chamber of the laser ignition device lies in the interior of the ignitable, patty-shaped mixture region.
  • the piston moves against the thus injected fuel, the piston deflects the fuel-air mixture horizontally to all sides, resulting in further turbulence-related mixing.
  • the inventive flammable mixture-shaped area is formed on the piston head.
  • the patty-shaped mixture region is surrounded by a non-flammable gas mixture, in particular air.
  • the piston is moved further upwards in the direction of the cylinder head, with ignition only taking place when the focal point of the laser lies inside the mixture region. Since the ignition is thus generated inside the mixture area, a reliable ignition can be made possible.
  • the flame paths are significantly shorter up to the edge of the mixture region than in comparison with an ignition point at one edge, so that, moreover, a faster combustion is achieved.
  • the use of a laser ignition device makes it possible to ignite at any point in the mixture area. When using conventional spark plugs only spark layers are possible, which extend approximately 8 mm into the combustion chamber, otherwise the candle electrodes and the candle ceramic are too hot.
  • the use of the laser ignition device can be arranged on the edge of a combustion chamber without a part of it projecting into the combustion chamber. Furthermore, a laser ignition device has no ignition energy losses due to quenching phenomena (heat dissipation) on metallic candle electrodes.
  • diluted mixtures can also be ignited by means of the laser ignition device.
  • the ignition inside the mixture area also allows a faster burning of the mixture area, which is thermodynamically either in a faster burning process (it is a higher compression without knocking possible, resulting in fuel savings) and / or in a more possible mixture dilution (it is an emaciation or exhaust gas recirculation possible, which leads to a reduction in NOx and allows consumption advantages).
  • the injection of the fuel is preferably carried out by a plurality of individual jets, which is generated by means of a multi-hole valve with a number of holes preferably between 7 and 14, or by means of an outwardly opening annular gap valve (A-valve) with a ⁇ ffhungswinkel OC between 70 ° ⁇ OC ⁇ 110 °.
  • A-valve annular gap valve
  • the time period between the end of the fuel injection and the start of the ignition is selected so that it corresponds to a Kurbelwinkelweg between 5 ° and 15 °, in particular between 5 ° and 10 ° and more preferably 7.5 °. - A -
  • a trough is preferably provided in the piston head, in which the patty-shaped mixture region is formed.
  • the trough is preferably circular and formed symmetrically.
  • a projecting nose is formed on the piston head, over which the patty-shaped mixture region lays, in order to form a region projecting substantially in the axial direction of the piston in the patty-shaped mixture region.
  • the ignition of the patty-shaped mixture region can preferably take place starting from the above range. It can thereby be achieved that the start of the ignition of the patty-shaped mixture region still takes place in an earlier movement section in the direction of the top dead center of the piston, so that exactly as complete combustion of the patty-shaped mixture region takes place in the efficiency-optimal crank angle region and then the expansion stroke takes place.
  • the projecting nose is preferably arranged on an edge of the trough on the piston head.
  • a fuel injection preferably takes place on the protruding from the piston crown nose.
  • the fuel injection preferably takes place in several successive intervals.
  • a plurality of ignition locations is preferably provided in the interior of the mixture region.
  • the plurality of ignition locations can be generated by means of a plurality of laser ignition devices or by means of a laser device which is actuated several times at different focal points.
  • the plurality of ignition locations is preferably arranged symmetrically in the patty-shaped mixture region.
  • the variety of ignition locations is preferably in a plane in order to achieve the most homogeneous flame propagation through the mixture region. It should, however, be noted that, depending on the geometrical conditions on the piston and / or combustion chamber, the multiplicity of ignition locations can also be arranged on different planes.
  • the focal length of the laser ignition device is preferably variable.
  • the laser ignition device can be adapted to different environmental influences.
  • the different ignition locations are preferably ignited at different times. This allows a further optimization of the combustion process.
  • the inventive method is preferably in a shift operation of
  • Shift operation is understood to mean a mode in which only small loads are applied to the internal combustion engine.
  • combustion in the combustion chamber is essentially determined only by the injected fuel mass, wherein a throttle valve is usually wide open.
  • the erfmdungshiele method can also be used in normal operation of the internal combustion engine.
  • an internal combustion engine for the direct injection of fuel into a combustion chamber, which comprises a laser ignition device, a piston and a fuel injection device. Furthermore, the internal combustion engine comprises a control device in order to determine an ignition point of the laser ignition device.
  • Control device only activates the laser ignition device when the fuel injection process has been completed and an ignitable patty-shaped mixture region has formed on the piston.
  • a predetermined period of time elapses between the end of the fuel injection process and the start of the ignition in order, on the one hand, to allow formation of the patty-shaped mixture region and, on the other hand, to initiate ignition only when a focal point (ignition location) of the laser is in the patty-shaped mixture region. This ensures that the mixture area is ignited in its interior, so that the flame paths are very short.
  • the control device preferably determines the ignition timing as a function of a piston position.
  • the position of the piston can preferably be determined based on a crank angle by means of a sensor.
  • the piston In order to support the formation of the ignitable, pie-shaped mixture region, the piston preferably has a substantially circular depression on a piston bottom surface.
  • the trough is preferably symmetrical to a piston central axis.
  • the piston on the piston bottom surface on a protruding nose may preferably be provided in a circular trough or it is provided at the edge of the trough.
  • the protruding nose in the region of the trough it can be ensured that the patty-shaped mixture region also forms over the nose, so that a region of the mixture region protrudes in the direction of movement of the piston.
  • the laser ignition device is then preferably arranged such that the focal point of the laser lies in the projecting region of the mixture region. As a result, for example, an ignition can be realized well before the top dead center of the piston, the ignition still takes place safely inside the mixture area.
  • the trough formed on the piston crown surface has an area inclined at an angle to the central axis of the piston. This makes it possible to arrange the laser ignition device in the center of the cylinder head and still allow a vertical fuel injection to the piston crown. The central arrangement of the laser ignition device also has space-related advantages.
  • the laser ignition means comprises a focusable lens for changing a position of a focal point of the laser beam.
  • the internal combustion engine preferably comprises a multiplicity of laser ignition devices.
  • the plurality of laser ignition devices are preferably arranged such that the ignition locations are arranged as symmetrically as possible in the flat-shaped mixture region.
  • the control device preferably actuates the multiplicity of laser ignition devices at different points in time in order to enable an optimization of a desired firing profile, in particular with regard to a noise development and the flame propagation times through the mixture region.
  • the fuel injection device is preferably a multi-hole valve with a number of holes between 7 and 14 or an outwardly opening annular gap valve (A-valve), preferably with an opening angle between 70 ° and 110 °.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an internal combustion engine according to a first exemplary embodiment of the invention
  • 2a and 2b are schematic representations of the injection of fuel by means of a multi-hole valve
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a spray cloud of an outwardly opening annular gap valve (A valve),
  • FIGS. 4a and 4b show schematic views of an injection by means of a multi-hole valve according to a further exemplary embodiment of the invention
  • FIGS. 5 and 6 show schematic sectional views of an internal combustion engine according to a second exemplary embodiment of the invention
  • FIGS. 7 and 8 are schematic sectional views of an internal combustion engine according to a third embodiment of the present invention.
  • FIGS. 9 and 10 are schematic sectional views of an internal combustion engine according to a fourth embodiment of the present invention.
  • Figure 12 is a schematic sectional view of an internal combustion engine according to a sixth embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a plan view of the patty-shaped mixture region of Figure 12 and
  • Figures 14a and 14b are plan views of patty-shaped mixture areas with different ignition locations.
  • the internal combustion engine 20 comprises a piston 21 having a piston head 22 in which a circular trough 23 centrally and symmetrically to a
  • the piston 21 moves in a known manner in a cylinder, wherein in a cylinder head 24, an injection device 25 and a laser ignition device 26 are arranged.
  • the injector 25 is centrally located in the cylinder head on the central axis X-X of the piston and is in this embodiment a multi-hole valve with ten holes. The arrangement of the holes can be seen in FIG. 2a.
  • the laser ignition device 26 is controlled by a control device 34 and has an aspherical lens 26a.
  • the laser ignition device further comprises a Q-switched optically pumped solid-state laser.
  • the laser ignition device 26 generates a laser beam 27, which is directed into a combustion chamber 29.
  • the laser ignition device 26 is formed flat to the inner wall of the cylinder head 24, so that the laser ignition device
  • the fuel / air mixture envelopes of the individual jets are partly overlapped by turbulence and because the piston 21 moves counter to the jet direction and deflects the fuel / air mixture envelope horizontally.
  • an ignitable, patty-shaped mixture region 28 forms on the piston head 22.
  • the formation of the patty-shaped mixture region 28 is further enhanced by the intended depression 23 in the piston head 22.
  • the patty-shaped mixture region 28 in this case has a circular shape with a thickness which decreases somewhat starting from a center in the direction of the outer edge.
  • the mixture region 28 is a substantially homogeneous gaseous fuel-air mixture having an average lambda between 0.8 and 1.5.
  • the holes of the multi-hole valve are to be designed so that each individual jet has a possible bushy shape.
  • a hole diameter of a single hole is preferably between about 130 microns and 200 microns. More preferably, tapered, in particular conical, outwardly opening holes or stepped holes favor a bushy spray form with the desired fuel-air mixture gas shells.
  • the beam axes of the holes of the multi-hole valve are chosen such that they have approximately the same space angle distance.
  • the hole diameters of the individual holes may be different depending on a distance to travel of a single jet to the piston crown.
  • Internal beams which in the central arrangement of the injector shown in FIG. 1 have the shortest path to the piston, can have a smaller hole diameter than the holes arranged on the circumference. Due to the smaller holes, the amount of fuel passed therethrough and thus the spray impulse becomes lower, so that even the internal jets are safely vaporized before they reach the piston crown 22.
  • the choice of hole diameter and opening angle of the injection holes and the number of holes is to be chosen so that the injected fuel is just evaporated when it reaches the piston crown. This allows the oppositely moving piston a particularly good
  • FIG. 1 shows the position approximately 20 ° before top dead center, in which the mixture region 28 is homogeneous at the piston bottom in FIG the trough 23 has formed.
  • the control device 34 controls the ignition timing of the laser ignition device 26 as a function of the position of the piston 21.
  • the ignition point is at a crank angle of about 20 ° before top dead center. This can ensure that the mixture region 28 is completely combusted in the efficiency-optimal crank angle range and that a high degree of efficiency of the internal combustion engine is achieved.
  • a period of time between an end of the fuel injection and the beginning of the ignition corresponds to a distance traveled by the piston over a crank angle between 5 ° to 10 °, preferably 7.5 °.
  • the flame paths are significantly reduced by the mixture region 28 in comparison with an ignition at the edge.
  • faster and more complete combustion can be achieved.
  • a particularly stable combustion process is achieved, in particular in the stratified operation of the internal combustion engine.
  • the patty-shaped mixture region 28 results from the interaction of the injecting fuel and the piston, with a certain period of time between the end of the injection and the start of the ignition to allow the mixture region to be formed and an ignition of the mixture region 28 in its interior perform.
  • the deviations occurring due to tolerances of the components can not lead to uneven combustion.
  • the laser ignition device also has the advantage that no ignition energy losses occur due to quenching phenomena (heat dissipation) on metallic candle electrodes as in the prior art. As a result, a high reproducibility of the sensitive flame kernel formation can be made possible for the first time in a gasoline engine.
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of an injection device 25 in the form of an outwardly opening annular gap valve (A valve).
  • the illustrated annular gap valve injects the fuel tapered, so that results in the sectional view shown in Figure 3, an annular fuel area 30.
  • An opening angle of the annular gap valve of Figure 3 is preferably between 70 ° and 110 °.
  • Figure 1 produced on the piston, wherein the piston deflects the impinging fuel-air-gas mixture horizontally both inwardly and outwardly.
  • Figures 4a and 4b show a further embodiment of an injector 25, which is also designed as a multi-hole valve.
  • the multi-hole valve shown in Figures 4a and 4b twelve injection holes 1 to 12.
  • the injection holes are distributed on two concentric circles and arranged on the circles offset from one another. This results in the spray distribution shown in Figure 4b to the individual beams.
  • the large circles again represent the gaseous mixture envelopes. Otherwise, this embodiment corresponds to the first embodiment, so that reference can be made to the description given there.
  • FIGS. 5 and 6 show an internal combustion engine 20 according to a second exemplary embodiment of the invention, identical or functionally identical parts being designated by the same reference numerals.
  • the laser ignition device 26 is disposed centrally on the center axis XX.
  • the injection device 25 is arranged laterally of the laser ignition device 26 and at an angle OC to the central axis.
  • the injection device 25 is again a multi-hole valve, wherein in Figure 5 schematically three injection jets are shown with a still liquid fuel jet 35 and a forming gaseous shell 36 of a fuel-air mixture.
  • a protruding lug 37 is additionally formed in the trough 23 formed in the piston head 22.
  • the projecting nose 37 is centrally located in the trough 23 on the central axis XX and has substantially the shape of a spherical section.
  • the injection of fuel takes place exactly in the direction of the projecting nose 37.
  • the piston position at the beginning of the injection is about 35 ° before top dead center.
  • the piston 21 continues to move toward the laser ignition device 26, then by the deflection at Piston bottom of the homogeneous, ignitable mixture region 28 forms (see Figure 6).
  • the mixture region 28 is also formed over the projecting nose 37, so that, as shown in Figure 6, a spark location 27a in a protruding portion 28a of the mixture region 28 at a piston position of about 20 ° before top dead center.
  • the position of the piston shown in Figure 6 shows the position in which the ignition of the mixture region 28 takes place.
  • the laser ignition device 26 is arranged centrally on the center axis XX and the central axis XX is also an axis of symmetry for the mixture region 28, the flame paths from the ignition point 27a to the edges of the mixture region 28 in this embodiment are particularly short. This allows a particularly fast and complete combustion can be achieved.
  • FIGS 7 and 8 show an internal combustion engine 20 according to a third embodiment of the invention, again with identical or functionally identical parts are denoted by the same reference numerals as in the previous embodiment.
  • the internal combustion engine 20 of the third embodiment substantially corresponds to that of the second embodiment, but the protruding nose 37 is disposed in the third embodiment at an edge of the trough 23.
  • the injector 25 can be centrally located on the center axis X-X of the piston 21 and the laser ignition device 26 is arranged in the cylinder head 24 so as to be positioned over the protruding nose 37.
  • the nose 37 and the laser ignition device 26 lie substantially on a common, parallel to the central axis X-X axis Y-Y.
  • the injection of fuel is carried out directly into the well 23 formed in the piston head 22.
  • the mixture region 28 is formed in the trough 23 again after the end of the injection and before the ignition , where the mixture range
  • FIGS. 9 and 10 show an internal combustion engine 20 according to a fourth exemplary embodiment of the invention, wherein in turn identical or functionally identical parts are designated by the same reference numerals as in the preceding exemplary embodiments.
  • the fourth embodiment corresponds essentially to the second embodiment, wherein in the trough 23 in the piston head 22 also centrally a protruding nose 37 is formed.
  • the laser ignition device 26 is again arranged centrally on the center axis XX of the piston 21 and the injector 25 at an angle ⁇ .
  • the piston crown is arranged in the region of the trough 23 inclined to a plane E perpendicular to the central axis XX.
  • the inclination is characterized in Figures 9 and 10 by the angle ß.
  • the inclination of the trough 23 is preferably selected such that a central central injection jet is injected substantially perpendicular to the inclined trough surface.
  • the central injection jet strikes in particular the projecting nose 37, which leads to a faster formation of the patty-shaped mixture region 28.
  • FIGS. 9 and 10 FIGS. 9 and 10
  • FIG. 11 shows a fifth embodiment of an internal combustion engine according to the invention, again identical or functionally identical parts are denoted by the same reference numerals as in the preceding embodiments.
  • the fifth embodiment corresponds essentially to the second embodiment, wherein, in contrast to the second embodiment, both the injector 25 and the
  • Laser ignition device 26 are arranged at an angle ⁇ and ⁇ to a central axis X-X.
  • the inclination angle ⁇ , ⁇ of the injector 25 and the laser ignition device 26 are the same and differ only by the sign.
  • a projecting nose 37 in the trough 23 in the piston head 22 is again arranged below the laser ignition device 26, so that there is an asymmetrical design of the trough.
  • Mixture region 28 again forms with a protruding region 28a via protruding nose 37, so that an ignition location 27a of mixture region 28 lies in this protruding region 28a.
  • this embodiment corresponds to the previous embodiment, so that reference can be made to the description given there.
  • an internal combustion engine according to a sixth embodiment of the invention will be described with reference to Figures 12 and 13, again like or functionally identical parts are denoted by the same reference numerals as in the preceding embodiments.
  • the internal combustion engine of the sixth embodiment has, as shown in FIG. 12, two laser ignition devices 26.
  • An injection device 25 is arranged centrally on a center axis XX of the piston 21.
  • the two laser ignition devices 26 are arranged laterally at an angle ⁇ and ⁇ to the central axis XX, wherein the angle ⁇ and. ⁇ is the same size.
  • the arrangement of two laser ignition devices 26 makes it possible for two ignition locations 27a to be in the form of a patty
  • Mixture region 28 can be generated. As a result, in particular the flame paths within the mixture region 28 can be kept short. In FIGS. 12 and 13, the flame paths are shown schematically by the short arrows around the ignition locations 27a.
  • An ignition of the patty-shaped mixture region 28 is preferably carried out simultaneously, since the patty-shaped mixture region 28 is formed symmetrically to the central axis X-X.
  • the two ignition locations 27a lie on a plane F perpendicular to the central axis X-X. Otherwise, this embodiment corresponds to the previous embodiments, so that reference can be made to the description given there.
  • FIGS. 14a and 14b show two different examples for igniting the patty-shaped mixture region 28 by means of a plurality of ignition locations.
  • three ignition locations 27a are arranged, which are arranged in a mixture region 28 with a circular circumference starting from a central axis X-X at an angle of approximately 120 ° to each other. The distances from each ignition location 27a to the edge of the mixture region 28 are chosen to be the same.
  • FIG. 14b shows an embodiment with four ignition locations 27a, which are arranged symmetrically with respect to a central axis X-X. As can be seen from FIG. 14b, this arrangement with four ignition locations 27a is particularly advantageous, since the flame paths are essentially the same length from each ignition location 27a through the entire mixture region 28 until the entire mixture region 28 has been ignited.
  • the mixture region 28 is constructed in a layered manner, wherein in each case a thin air layer is present between two fuel-air mixture layers. As a result, the proportion of air in the mixture region 28 can be increased.
  • a further advantage of the method according to the invention in all described exemplary embodiments is that, to produce the mixture region 28, it is possible to use injection devices which produce symmetrical spray geometries (without a spray gap for the spark plug). This also eliminates an assignment of the injector to a protruding into the combustion chamber spark plug. In addition, there is no wetting of the laser ignition device with liquid fuel, which reduces the ignitability of a spark plug in the prior art.
  • An internal combustion engine according to the invention can be used both in vehicles and stationary.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (20) mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (25) und einer Laserzündeinrichtung (26), wobei die Laserzündeinrichtung (26) einem Laserstrahl (27) in einem Brennraum (29) erzeugt, wobei während eines Kompressionstraktes der Brennkraftmaschine Kraftstoff mittels der Kraftstoffeinspritzvorrichtung (27) in den Brennraum (29) eingespritzt wird, und wobei der Kraftstoff derart in den Brennraum (29) eingespritzt wird, dass sich auf einem Kolben (21) ein zündfähiger, fladenförmiger Gemischbereich (28) aus Kraftstoff und Luft bildet, und zwischen einem Ende der Kraftstoffeinspritzung und einem Beginn einer Zündung eine vorbestimmte Zeitspanne abgewartet wird, um den fladenförmigen Gemischbereich (28) zu bilden und dann eine Zündung im Inneren des fladenförmigen Gemischbereichs (28) mittels der Laserzündeinrichtung (26) erfolgt.

Description

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

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (20) mit einer Kraftstoffeinspritzein- richtung (25) und einer Laserzündeinrichtung (26), wobei die Laserzündeinrichtung (26) einem Laserstrahl (27) in einem Brennraum (29) erzeugt, wobei während eines Kompressionstraktes der Brennkraftmaschine Kraftstoff mittels der Kraftstoffeinspritzvorrichtung (27) in den Brennraum (29) eingespritzt wird, und wobei der Kraftstoff derart in den Brennraum (29) eingespritzt wird, dass sich auf einem Kolben (21) ein zündfähiger, fladenförmiger Gemischbereich (28) aus Kraftstoff und Luft bildet, und zwischen einem Ende der Kraftstoffeinspritzung und einem Beginn einer Zündung eine vorbestimmte Zeitspanne abgewartet wird, um den fladenförmigen Gemischbereich (28) zu bilden und dann eine Zündung im Inneren des fladenförmigen Gemischbereichs (28) mittels der Laserzündeinrichtung (26) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung des Kraftstoffs mittels eines Mehrlochventils mit einer Vielzahl von Einspritzlöchern (1-12) oder mittels eines nach außen öffnenden Ringspaltventils erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne zwischen dem Ende der Kraftstoffeinspritzung und dem Beginn der Zündung einer Zeit entspricht, in welcher sich der Kolben (21) über einen Kurbelwinkel von 5° bis 15°, insbesondere von 5° bis 10°, insbesondere 7,5°, bewegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kolbenboden (22) des Kolbens (21) eine Mulde (23) gebildet ist und der fladenförmige Gemischbereich (28) sich in der Mulde (23) bildet.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gemischbereich (28) möglichst nahe an oder in seiner Mitte gezündet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Kolben (21) eine vorstehende Nase (37) gebildet ist, um in dem fladenförmigen Gemischbereich (28) einen axial vorstehenden Bereich (28a) zu bilden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündung des Gemischbereichs (28) im vorstehenden Bereich (28a) erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung in mehreren Intervallen und/oder mit mehreren Einspritzeinrichtungen erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der fladenförmige Gemischbereich (28) an einer Vielzahl von Zündorten (27a) im Inneren des
Gemischbereichs (28) gezündet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Zündorten (27a) im fladenförmigen Gemischbereich (28) symmetrisch angeordnet ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennweite der Laserzündeinrichtung (26) variabel ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündung von einem ersten und einem zweiten Zündort (27a) zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.
14. Brennkraftmaschine zur Direkteinspritzung von Benzin, umfassend eine
Laserzündeinrichtung (26), einen Kolben (21), eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (25), die Kraftstoff in einen Brennraum (29) bei einem Kompressionstakt derart einspritzt, dass ein zündfähiger, fladenförmiger Gemischbereich (28) auf dem Kolben (21) entsteht, und eine Steuereinrichtung (34), um einen Zündzeitpunkt der Laserzündeinrichtung (26) zu bestimmen, wobei die Steuereinrichtung (34) den Zündzeitpunkt derart bestimmt, dass der
Laserzündeinrichtung (26) erst dann ein Zündsignal übermittelt wird, wenn sich ein Brennpunkt eines Laserstrahls (27) der Laserzündkerze (26) im Inneren des Gemischbereichs (28) befindet.
15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (34) den Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von einer Kolbenposition bestimmt.
16. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenposition durch Ermittlung eines Kurbelwinkels bestimmbar ist.
17. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (21) an der Kolbenbodenfläche (22) eine im Wesentlichen kreisförmige Mulde aufweist.
18. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben an der Kolbenbodenfläche (22) eine vorstehende Nase (37) aufweist.
19. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde (23) eine zur Mittelachse (X-X) des Kolbens (21) in einem Winkel (ß) geneigte Grundfläche aufweist.
20. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserzündeinrichtung (26) eine fokussierbare Linse (26a) aufweist, um eine Position eines Brennpunkts des Laserstrahls (27) zu verändern.
21. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 14 bis 20, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Laserzündeinrichtungen (26).
22. Brennkraftmaschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (34) die Vielzahl von Laserzündeinrichtungen (26) zu unterschiedlichen Zeitpunkten aktiviert.
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Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006030722A1 (de) * 2006-07-04 2008-01-10 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine
DE102007044004A1 (de) * 2007-09-14 2009-03-19 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Zündeinrichtung
DE102008003842A1 (de) * 2008-01-10 2009-07-16 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Verbrennen von Kraftstoff
PL384721A1 (pl) 2008-03-17 2009-09-28 Wiesław Olędzki Urządzenie zapłonu laserowego do silnika spalinowego w szczegółności silnika czterosuwowego, zasilanego alkoholem etylowym, metylowym oraz benzyną, naftą i benzelem(benzenem)
DE102009000956A1 (de) * 2009-02-18 2010-08-19 Robert Bosch Gmbh Laserzündkerze und Vorkammermodul hierfür
JP2010249125A (ja) * 2009-03-23 2010-11-04 Denso Corp 燃料噴射弁
DE102009003075A1 (de) * 2009-05-13 2010-11-18 Robert Bosch Gmbh Gasmotor mit Laserzündeinrichtung
DE102009026574A1 (de) * 2009-05-29 2010-12-02 Robert Bosch Gmbh Brennkraftmaschine, insbesondere Gasmotor, mit Laserzündeinrichtung
US8939120B1 (en) * 2010-03-23 2015-01-27 Utron Kinetics, LLC Laser ignition of high pressure combustible gas mixtures in a press
DE102010029382A1 (de) * 2010-05-27 2011-12-01 Robert Bosch Gmbh Laserinduzierte Fremdzündung für eine Brennkraftmaschine
DE102011079017A1 (de) * 2011-07-12 2013-01-17 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Laserzündkerze
US20140149018A1 (en) 2012-11-29 2014-05-29 Ford Global Technologies, Llc Engine with laser ignition and measurement
US9217638B2 (en) 2012-11-29 2015-12-22 Ford Global Technologies, Llc Engine with laser ignition and measurement
US20140149023A1 (en) * 2012-11-29 2014-05-29 Ford Global Technologies, Llc Method and system for engine position control
DE102014207921A1 (de) 2013-05-06 2014-11-06 Ford Global Technologies, Llc Verfahren und system zur motorpositionssteuerung
CN103470427B (zh) * 2013-09-30 2016-08-17 清华大学 微波等离子体点火内燃机燃烧系统
US20160237969A1 (en) * 2013-11-07 2016-08-18 Hitachi Automotive Systems, Ltd. Fuel Injection Valve
US9243603B2 (en) * 2014-01-10 2016-01-26 Ford Global Technologies, Llc Laser ignition system based diagnostics
US9548585B1 (en) 2015-07-16 2017-01-17 U.S. Department Of Energy Multi-point laser ignition device
US9951744B2 (en) * 2016-05-26 2018-04-24 Denso International America, Inc. Optimized multiple laser ignition plug
CN106091007B (zh) * 2016-07-01 2018-12-07 天津法斯特科技有限公司 一种激光点火器及使用方法
DE102016009971A1 (de) * 2016-08-16 2018-02-22 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, sowie Verbrennungskraftmaschine

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5587861A (en) 1978-12-23 1980-07-03 Nissan Motor Co Ltd Igniter of internal combustion engine
JPH01193081A (ja) 1988-01-29 1989-08-03 Mitsubishi Motors Corp 内燃機関の着火補助装置
JPH04370319A (ja) * 1991-06-20 1992-12-22 Toyota Motor Corp 筒内噴射式内燃機関
JP3743099B2 (ja) * 1997-01-13 2006-02-08 トヨタ自動車株式会社 内燃機関
EP1395751A1 (de) * 2001-05-24 2004-03-10 Southwest Research Institute Verfahren und vorrichtung für brennkraftmaschine mit laserzündung
JP4023115B2 (ja) * 2001-07-17 2007-12-19 日産自動車株式会社 直噴火花点火式エンジンの制御装置
DE10231582A1 (de) * 2002-07-11 2004-01-29 Daimlerchrysler Ag Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine
AT500692B1 (de) * 2003-01-16 2008-01-15 Ge Jenbacher Gmbh & Co Ohg Verbrennunsmotor mit mindestens einem zylinder
JP2005140083A (ja) * 2003-11-10 2005-06-02 Denso Corp 内燃機関の燃料噴射装置
JP4257420B2 (ja) * 2003-11-20 2009-04-22 独立行政法人産業技術総合研究所 内燃機関用レーザー式多点着火装置
WO2005078256A2 (de) * 2004-02-13 2005-08-25 Avl List Gmbh Otto-brennkraftmaschine mit direkteinspritzung
DE102004008010A1 (de) * 2004-02-19 2005-09-08 Robert Bosch Gmbh Selbst fokussierende Laserzündung für einen Verbrennungsmotor
DE102004053493B4 (de) 2004-11-05 2007-08-09 Siemens Ag Verfahren zum Steuern oder/und Regeln der Laserzündung einer Brennkraftmaschine
JP2008291832A (ja) * 2007-04-26 2008-12-04 Ngk Spark Plug Co Ltd レーザ点火装置およびレーザ点火型内燃機関
JP2009127584A (ja) * 2007-11-27 2009-06-11 Nippon Soken Inc レーザ点火装置
US20090159033A1 (en) * 2007-12-05 2009-06-25 Steigleman Jr Robert Lee Sparkless ignition plug for the internal combustion engine

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2007060046A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN101317003B (zh) 2012-08-08
US7765980B2 (en) 2010-08-03
WO2007060046A1 (de) 2007-05-31
JP2009517590A (ja) 2009-04-30
US20080257294A1 (en) 2008-10-23
KR20080080100A (ko) 2008-09-02
CN101317003A (zh) 2008-12-03
DE102005056520A1 (de) 2007-05-31
JP4740339B2 (ja) 2011-08-03

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