EP2414660A1 - Kolben für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Kolben für eine brennkraftmaschine

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Publication number
EP2414660A1
EP2414660A1 EP10705869A EP10705869A EP2414660A1 EP 2414660 A1 EP2414660 A1 EP 2414660A1 EP 10705869 A EP10705869 A EP 10705869A EP 10705869 A EP10705869 A EP 10705869A EP 2414660 A1 EP2414660 A1 EP 2414660A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
target element
cavern
laser
internal combustion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10705869A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Herden
Manfred Vogel
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2414660A1 publication Critical patent/EP2414660A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/26—Pistons  having combustion chamber in piston head
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/28—Other pistons with specially-shaped head
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/28—Other pistons with specially-shaped head
    • F02F3/285—Other pistons with specially-shaped head the head being provided with an insert located in or on the combustion-gas-swept surface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a piston for an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle, with a piston head.
  • the piston according to the invention is characterized in that a cavern (cavity) is arranged in the region of the piston crown.
  • the cavern according to the invention advantageously makes it possible to ignite the ignitable mixture within the flow-protected region located in the cavern. This provides greater stability in flame kernel formation than in conventional systems.
  • the cavern according to the invention can, like the target element according to the invention, be arranged in a piston recess of the piston crown.
  • the cavity according to the invention has a smaller volume than the piston recess, preferably only about five percent to about forty percent of the volume of the piston recess.
  • the cavern according to the invention may preferably be rotationally symmetrical. An at least partial coating of the cavern walls with ceramic materials or the at least partial formation of the cavern in the form of a ceramic insert which is inserted into a corresponding recess in the piston according to the invention is also conceivable.
  • a target element for the laser radiation of the laser-based ignition system of the internal combustion engine is arranged in the cavern, whereby the advantages of the two systems are combined.
  • the cavern can also be designed as an antechamber, the cavern being separated from a combustion chamber or a piston recess by at least one wall section. That is, the prechamber is opened to a lesser extent toward the piston cavity or combustion chamber than the cavern described above.
  • Vorschtama which is realized according to the present invention in the piston area, allows a safe ignition of the flammable mixture located in the prechamber.
  • overflow channels which establish a fluid connection between the pre-chamber and the piston recess or the combustion chamber, after ignition of the ignitable mixture in the prechamber high-energy ignition flares from the antechamber in the piston recess or the remaining combustion chamber of the respective cylinder of the internal combustion engine exit.
  • an optical component in particular a focusing optics, is arranged in the region of the cavern, wherein the optical component is preferably arranged between the cavern and the combustion chamber or the piston recess.
  • the focusing optics advantageously makes it possible, under exposure to substantially unbundled laser radiation, to focus the incident laser radiation on an ignition location located in the prechamber. Characterized in that the focusing of the laser radiation according to the invention locally in Area of arranged in the piston pre-chamber, the inventively made possible laser-based prechamber ignition works regardless of a position of the piston or the ignition timing.
  • a target element for laser radiation of a laser-based ignition system of the internal combustion engine is arranged in the region of the piston head.
  • the target element according to the invention heats up when exposed to laser ignition pulses and thus enables ignition of the air / fuel mixture located in a combustion chamber starting from the installation location of the target element in the region of the piston crown.
  • the flame core formation made possible according to the invention, starting from the piston crown advantageously causes lower heat losses, in particular wall heat losses, than conventional ignition strategies.
  • Another advantage of the configuration of the piston according to the invention is that always the most favorable ignition can take place starting from the region of the piston crown - in particular independently of a position of the piston. Specially at different speeds and loads of the internal combustion engine and correspondingly different ignition angles and consequently piston positions, ignition is advantageously ensured starting from the piston head, without the need for an adjustable focusing optics for irradiating the laser ignition pulses with a variable focus position.
  • the target element according to the invention can be arranged in a piston recess of the piston, wherein the target element is preferably arranged centrally with respect to the piston recess in order to allow a uniform ignition.
  • the target element is designed such that it has a substantially cylindrical basic shape, wherein the target element is preferably arranged so that its longitudinal axis is aligned substantially parallel to a direction of movement of the piston.
  • a particularly efficient ignition of the ignitable mixture is given according to a further embodiment of the invention, when the intended target for laser exposure comprises material consisting of carbides and / or silicides and / or nitrides and / or borides, preferably the fourth to eighth group of the periodic table Elements, and / or of boron and / or carbon and / or silicon and / or nitrogen compounds.
  • a porous design of the target element according to the invention also has an advantageous effect on the ignition.
  • a minimal influence on the combustion chamber geometry by the target element according to the invention is advantageously given when the target element, preferably completely, is embedded in the piston head.
  • the internal combustion engine has a laser-based ignition system which is designed to irradiate laser radiation onto the target element according to the invention and / or into the cavern or prechamber according to the invention.
  • the laser radiation can, as described above, either be irradiated substantially unbundled or be bundled on the target element or in the cavern or antechamber.
  • FIG. 1 shows a partial cross-section of a first embodiment of the piston according to the invention
  • FIG. 2a shows a partial cross-section of a further embodiment of the piston according to the invention in a first operating position
  • FIG. 2b shows the piston according to FIG. 2a in a second operating position
  • FIG. 3 a shows a further embodiment of the piston according to the invention
  • FIG. 3b is a detail view of a piston recess of the piston of Figure 3a
  • FIG. 4 shows a plan view of a partial region of the piston crown of FIG
  • Figure 5a is a detail view of another embodiment of the piston according to the invention in a partial cross section.
  • FIG. 5b is a plan view of a partial region of the piston crown of FIG.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the piston 10 according to the invention in a partial cross section.
  • the piston 10 is for example part of a not shown internal combustion engine of a motor vehicle and limited in a conventional manner a combustion chamber 30 of a cylinder of the internal combustion engine. Gas exchange valves of the cylinder under consideration are not shown for the sake of clarity.
  • the internal combustion engine has a laser-based ignition system with a laser spark plug 20, which is designed to laser radiation 20a in the Combustion chamber 30 to ignite an air / fuel mixture therein.
  • the piston head 11 of the piston 10 has a piston recess 12.
  • a target element 15 is arranged in the region of the piston head 11, in the present case centrally with respect to the piston recess 12.
  • the target element 15 may preferably be porous and serves to absorb the laser radiation 20a emitted by the laser spark plug 20 and to convert it into thermal energy. As a result of this laser-induced heating of the target element 15, an ignitable mixture located in the combustion chamber 30 is ignited. The ignition of the mixture takes place advantageously starting from the target element 15, so that there are particularly low wall heat losses.
  • the target element 15 according to the invention is preferably completely embedded in the piston head 1 1 or in the piston recess 12, so that there is no impairment of a fluid flow in the piston recess 12.
  • the target element 15 may have a substantially cylindrical basic shape and be arranged such that its longitudinal axis coincides with the direction of movement or longitudinal axis of the piston 10 or is orthogonal thereto.
  • Suitable materials for forming the target element 15 integrated in the piston 10 according to the invention are, for example, carbides and / or silicides and / or nitrides and / or borides, preferably the fourth to eighth group of the Periodic Table of the Elements, and / or boron and / or Carbon and / or silicon and / or nitrogen compounds existing materials.
  • the laser radiation 20a emitted by the laser spark plug 20 does not essentially require the target element 15 be focused to allow effective heating of the target element 15 and thus the ignition of the ignitable mixture. Rather, it is already sufficient if the laser spark plug 20 is designed to focus the laser radiation 20a on a virtual focal point (not shown), which is for example a few tens of centimeters away from the combustion chamber 30. It is also conceivable according to the invention to apply the target element 15 with completely unbundled laser radiation 20a, ie with a parallel beam. As a result, regardless of the position of the piston 10 in the cylinder of the internal combustion engine, an efficient ignition of the ignitable mixture is always possible. At the same time thereby the service life of the target element 15 is maximized, which would be significantly shorter in a direct focusing of the laser radiation 20a on the target element 15.
  • Figure 1 shows the piston 10 in a position corresponding to about 50 ° crankshaft angle before top dead center (TDC).
  • TDC top dead center
  • the reference numeral 10 ' a portion of the contour of the piston 10 is indicated in its position in the TDC. From Figure 1 it can be seen that in both piston layers - as well as in all other operating points in between - a safe impact of the laser radiation 20a on the target element 15 according to the invention and thus a reliable ignition of the ignitable mixture is possible.
  • a particular advantage of the laser target 15 according to the invention in the bulb 10 is that - in particular with only weakly focused laser radiation 20a - a significantly lower laser pulse energy is required for reliable ignition than in systems in which a laser-induced gas plasma is generated for ignition.
  • the ignition of the mixture according to the invention is effected either thermally via the heating of the laser target 15 or via a micro (metal) vapor plasma, which is formed when the laser target 15 is exposed to the laser radiation 20a.
  • FIG. 2 a shows a further embodiment of the invention, in which a cavern 16 is provided in the piston recess 12 instead of a target element 15 (FIG. 1).
  • the cavity 16 essentially represents a recess in the piston recess 12 and thus forms a flow-protected region in a special way, which offers ideal conditions for the laser ignition.
  • the cavity 16 according to the invention has a smaller volume than the piston recess 12, preferably only about five percent to about forty percent of the volume of the piston recess 12.
  • the cavern 16 according to the invention may preferably be rotationally symmetrical.
  • the laser-based ignition system or the laser spark plug 20 is configured such that the laser radiation 20a is focused onto the ignition location Z0 designated in FIG. 2a.
  • the ignition location ZO should be chosen so that the laser plasma induced there can not damage the cavern bottom.
  • the distance of the ignition location ZO from the cavern floor should be 1 to 5 mm.
  • FIG. 2b shows a further operating position of the piston 10.
  • a previous ignition angle is selected than in the configuration according to FIG. 2a, so that the cavern 16 integrated into the piston 10 according to the invention does not already surround the ignition location ZO.
  • the fixed set ignition ZO is in a relatively favorable position in the region of the piston recess 12, so that compared to conventional arrangements reduced wall heat losses result.
  • FIG. 3 a shows a further embodiment of the piston 10 according to the invention, in which the cavern is designed as an antechamber 16 a.
  • the prechamber 16a according to the invention is formed in the piston 10 in that wall sections 165 substantially continue the surface contour 12 'of the piston recess 12 also in the region of the cavity 16, thereby increasing the extent flow-protected prechamber region 16a results.
  • the prechamber 16a is fluidically connected to the piston recess 12 or the remaining combustion chamber 30 (FIG. 3a) of the internal combustion engine via flow channels 161, 162.
  • high-energy ignition flares 161a, 162a can emerge into the combustion chamber 30 and ignite the mixture present in the combustion chamber.
  • the Zündfackeln 161 a, 162 a allow a particularly fast burning of the mixture located in the combustion chamber 30 due to the short flame paths.
  • the laser spark plug 20 (FIG. 3 a) is designed such that it concentrates the laser radiation 20 a at an ignition location ZO, which is at a position of the piston 10 at top dead center (FIG. 3 a) or generally at late ignition angles inside the prechamber 16 a.
  • a firing angle range can thus be defined as it were, in which an antechamber ignition takes place.
  • firing angles results in a conventional ignition, i. outside of the piston internal prechamber 16a according to the invention, cf. the contour indicated by a dashed line of the piston 10th
  • the laser radiation 20a is radiated through the central overflow channel 162 into the prechamber 16a.
  • FIG. 4 shows a plan view of a subregion of the piston recess 12 according to FIG. 3b, which contains the overflow channels 161, 162 or the prechamber 16a. Also indicated in FIG. 4 is a contour 16a 'of the antechamber 16a arranged in the piston 10. Other sizes and arrangements of the overflow channels 161, 162 are also conceivable and allow, for example, an adaptation of the system to the type of fuel or gas used.
  • FIG. 5a shows a further embodiment of the piston 10 according to the invention, in which the prechamber 16a according to the invention has a focusing optics 163 which is provided instead of the central overflow channel 162 (FIG. 4).
  • the presence of the relatively short focal length focusing optics 163 advantageously makes it possible to irradiate substantially unbanded laser radiation 20a into the combustion chamber 30 or onto the antechamber 16a in the manner illustrated in FIG. 5a.
  • the laser radiation 20a is advantageously focused "locally" by the focusing optics 163 onto an ignition location located in the prechamber 16a.
  • the possibility of prechamber ignition, independently of an ignition angle or the position of the piston 10 at the ignition point, is also advantageously given due to the "local" focusing by the focusing optics 163.
  • FIG. 5b shows a plan view of the piston head 12 according to FIG. 5a.
  • the invention advantageously makes it possible to ignite the ignitable mixture present in the combustion chamber 30 starting from the piston head 12, in particular i.w. independent of the piston position or the ignition point. It is also particularly advantageous that no laser spark plug with variable focus must be used for this purpose, which reduces the manufacturing costs of a corresponding ignition system.
  • the present invention is particularly well suited for use in stationary large gas engines.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (10) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Kolbenboden (11). Erfindungsgemass ist im Bereich des Kolbenbodens (11) ein Targetelement (15) für Laserstrahlung (20a) eines laserbasierten Zündsystems der Brennkraftmaschine angeordnet.

Description

Beschreibung
Titel
Kolben für eine Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Kolbenboden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben für eine Brennkraftmaschine anzugeben, der für den Betrieb mit laserbasierten Zündeinrichtungen optimiert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kolben gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Kolben ist dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Kolbenbodens eine Kaverne (Hohlraum) angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Kaverne ermöglicht bei geeigneter Auslegung des laserbasierten Zündsystems vorteilhaft eine Entflammung des zündfähigen Gemischs innerhalb des in der Kaverne liegenden strömungsgeschützten Bereichs. Dadurch ist eine größere Stabilität bei der Flammkernbildung gegeben als bei herkömmlichen Systemen.
Die erfindungsgemäße Kaverne kann, ebenso wie das erfindungsgemäße Targetelement, in einer Kolbenmulde des Kolbenbodens angeordnet sein. Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Kaverne ein geringeres Volumen auf als die Kolbenmulde, vorzugsweise nur etwa fünf Prozent bis etwa vierzig Prozent des Volumens der Kolbenmulde. Die erfindungsgemäße Kaverne kann bevorzugt rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Eine zumindest teilweise Beschichtung der Kavernenwände mit keramischen Werkstoffen oder die zumindest teilweise Ausbildung der Kaverne in Form eines keramischen Einsatzes, der in eine entsprechende Aussparung in dem erfindungsgemäßen Kolben eingesetzt wird, ist ebenso denkbar.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Targetelement für die Laserstrahlung des laserbasierten Zündsystems der Brennkraftmaschine in der Kaverne angeordnet, wodurch die Vorteile der beiden Systeme miteinander kombiniert werden.
Einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge kann die Kaverne auch als Vorkammer ausgebildet sein, wobei die Kaverne durch mindestens einen Wandabschnitt von einem Brennraum beziehungsweise einer Kolbenmulde getrennt ist. D.h., die Vorkammer ist in geringerem Maße zu der Kolbenmulde bzw. dem Brennraum hin geöffnet, als die vorstehend beschriebene Kaverne.
Das an sich bekannte Vorkammerprinzip, das vorliegend erfindungsgemäß im Kolbenbereich realisiert ist, ermöglicht eine sichere Entflammung des in der Vorkammer befindlichen zündfähigen Gemischs. Durch einen oder mehrere Überströmkanäle, die eine Fluidverbindung zwischen der Vorkammer und der Kolbenmulde beziehungsweise dem Brennraum herstellen, können nach einer Entflammung des zündfähigen Gemischs in der Vorkammer energiereiche Zündfackeln aus der Vorkammer in die Kolbenmulde beziehungsweise den restlichen Brennraum des betreffenden Zylinders der Brennkraftmaschine austreten.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens ist eine optische Komponente, insbesondere eine Fokussieroptik, im Bereich der Kaverne angeordnet, wobei die optische Komponente vorzugsweise zwischen der Kaverne und dem Brennraum beziehungsweise der Kolbenmulde angeordnet ist. Die Fokussieroptik ermöglicht vorteilhaft unter Beaufschlagung mit im Wesentlichen ungebündelter Laserstrahlung eine Fokussierung der eintreffenden Laserstrahlung auf einen in der Vorkammer befindlichen Zündort. Dadurch, dass die Fokussierung der Laserstrahlung erfindungsgemäß lokal im Bereich der in dem Kolben angeordneten Vorkammer erfolgt, funktioniert die erfindungsgemäß ermöglichte laserbasierte Vorkammerzündung unabhängig von einer Position des Kolbens beziehungsweise dem Zündzeitpunkt.
In einer alternativen Lösung der eingangs genannten Aufgabe oder als Weiterbildung der Erfindung ist im Bereich des Kolbenbodens ein Targetelement für Laserstrahlung eines laserbasierten Zündsystems der Brennkraftmaschine angeordnet. Das erfindungsgemäße Targetelement erhitzt sich unter Beaufschlagung mit Laserzündimpulsen und ermöglicht somit eine Entflammung des in einem Brennraum befindlichen Luft-/Kraftstoffgemischs ausgehend von dem Einbauort des Targetelements im Bereich des Kolbenbodens. Die erfindungsgemäß ermöglichte Flammkernbildung ausgehend von dem Kolbenboden bedingt vorteilhaft geringere Wärmeverluste, insbesondere Wandwärmeverluste, als herkömmliche Zündstrategien.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Konfiguration des Kolbens besteht darin, dass stets die besonders günstige Entflammung ausgehend von dem Bereich des Kolbenbodens - insbesondere unabhängig von einer Position des Kolbens - stattfinden kann. Speziell bei unterschiedlichen Drehzahlen und Lasten der Brennkraftmaschine und dementsprechend unterschiedlichen Zündwinkeln und folglich Kolbenstellungen ist vorteilhaft eine Entflammung ausgehend von dem Kolbenboden gewährleistet, ohne dass hierzu eine verstellbare Fokussieroptik zur Einstrahlung der Laserzündimpulse mit variabler Fokuslage erforderlich ist.
Einer Erfindungsvariante zufolge kann das erfindungsgemäße Targetelement in einer Kolbenmulde des Kolbens angeordnet sein, wobei das Targetelement bevorzugt mittig bezüglich der Kolbenmulde angeordnet ist, um eine gleichmäßige Entflammung zu ermöglichen.
Um eine hohe Standzeit zu erzielen, ist das Targetelement bei einer weiteren Erfindungsvariante so ausgebildet, dass es eine im Wesentlichen zylindrische Grundform aufweist, wobei das Targetelement vorzugsweise so angeordnet ist, dass seine Längsachse im Wesentlichen parallel zu einer Bewegungsrichtung des Kolbens ausgerichtet ist. Eine besonders effiziente Entflammung des zündfähigen Gemischs ist einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zufolge gegeben, wenn das zur Laserbeaufschlagung vorgesehene Targetelement Material aufweist, das aus Carbiden und/oder Siliciden und/oder Nitriden und/oder Boriden, vorzugsweise der vierten bis achten Gruppe des Periodensystems der Elemente, und/oder aus Bor- und/oder Kohlenstoff- und/oder Silizium- und/oder Stickstoffverbindungen besteht.
Eine poröse Ausbildung des erfindungsgemäßen Targetelements wirkt sich ebenfalls vorteilhaft auf die Entflammung aus.
Ein minimaler Einfluss auf die Brennraumgeometrie durch das erfindungsgemäße Targetelement ist vorteilhaft dann gegeben, wenn das Targetelement, vorzugsweise vollständig, in den Kolbenboden eingelassen ist.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 14 angegeben.
Die Brennkraftmaschine weist ein laserbasiertes Zündsystem auf, das dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung auf das erfindungsgemäße Targetelement und/oder in die erfindungsgemäße Kaverne beziehungsweise Vorkammer einzustrahlen. Die Laserstrahlung kann, wie vorstehend beschrieben, entweder im Wesentlichen ungebündelt eingestrahlt werden oder auch auf das Targetelement beziehungsweise in die Kaverne beziehungsweise Vorkammer gebündelt werden.
Als noch eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß Patentanspruch 17 angegeben.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen und dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 einen teilweisen Querschnitt einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens,
Figur 2a einen teilweisen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens in einer ersten Betriebsposition,
Figur 2b den Kolben gemäß Figur 2a in einer zweiten Betriebsposition,
Figur 3a eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens,
Figur 3b eine Detailansicht einer Kolbenmulde des Kolbens aus Figur 3a,
Figur 4 eine Draufsicht auf einen Teilbereich des Kolbenbodens des
Kolbens gemäß Figur 3a,
Figur 5a eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens in einem teilweisen Querschnitt, und
Figur 5b eine Draufsicht auf einen Teilbereich des Kolbenbodens des
Kolbens gemäß Figur 5a.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens 10 in einem teilweisen Querschnitt. Der Kolben 10 ist beispielsweise Bestandteil einer nicht abgebildeten Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und begrenzt in an sich bekannter Weise einen Brennraum 30 eines Zylinders der Brennkraftmaschine. Gaswechselventile des betrachteten Zylinders sind der Übersichtlichkeit halber nicht abgebildet.
Die Brennkraftmaschine verfügt über ein laserbasiertes Zündsystem mit einer Laserzündkerze 20, die dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung 20a in den Brennraum 30 einzustrahlen, um ein darin befindliches Luft-/Kraftstoffgemisch zu zünden.
Der Kolbenboden 11 des Kolbens 10 weist eine Kolbenmulde 12 auf. Erfindungsgemäß ist ein Targetelement 15 im Bereich des Kolbenbodens 1 1 , vorliegend mittig bezüglich der Kolbenmulde 12, angeordnet.
Das Targetelement 15 kann bevorzugt porös ausgebildet sein und dient dazu, die von der Laserzündkerze 20 abgegebene Laserstrahlung 20a zu absorbieren und in thermische Energie umzuwandeln. Durch diese laserinduzierte Erhitzung des Targetelements 15 wird ein in dem Brennraum 30 befindliches zündfähiges Gemisch entzündet. Die Entflammung des Gemischs erfolgt dabei vorteilhaft von dem Targetelement 15 ausgehend, so dass sich besonders geringe Wandwärmeverluste ergeben.
Das erfindungsgemäße Targetelement 15 ist - wie in Figur 1 abgebildet - bevorzugt vollständig in den Kolbenboden 1 1 beziehungsweise in die Kolbenmulde 12 eingelassen, so dass sich keine Beeinträchtigung einer Fluidströmung in der Kolbenmulde 12 ergibt.
Um die Standzeit des erfindungsgemäßen Kolbens 10 beziehungsweise des Targetelements 15 zu erhöhen, kann das Targetelement 15 eine im Wesentlichen zylindrische Grundform aufweisen und so angeordnet sein, dass seine Längsachse mit der Bewegungsrichtung beziehungsweise Längsachse des Kolbens 10 übereinstimmt oder orthogonal hierzu ist.
Geeignete Materialien zur Ausbildung des erfindungsgemäß in den Kolben 10 integrierten Targetelements 15 sind beispielsweise aus Carbiden und/oder Siliciden und/oder Nitriden und/oder Boriden, vorzugsweise der vierten bis achten Gruppe des Periodensystems der Elemente, und/oder aus Bor- und/oder Kohlenstoff- und/oder Silizium- und/oder Stickstoffverbindungen bestehende Materialien.
Aufgrund des verhältnismäßig hohen Absorptionsvermögens des erfindungsgemäßen Targetelements 15 braucht die von der Laserzündkerze 20 abgestrahlte Laserstrahlung 20a nicht wesentlich auf das Targetelement 15 fokussiert werden, um eine wirksame Erhitzung des Targetelements 15 und damit die Entflammung des zündfähigen Gemischs zu ermöglichen. Vielmehr reicht es bereits aus, wenn die Laserzündkerze 20 dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlung 20a auf einen virtuellen Fokuspunkt (nicht gezeigt) zu bündeln, der beispielsweise einige zehn Zentimeter entfernt von dem Brennraum 30 liegt. Es ist erfindungsgemäß auch denkbar, das Targetelement 15 mit vollständig ungebündelter Laserstrahlung 20a, d.h. mit einem Parallelstrahl, zu beaufschlagen. Dadurch ist unabhängig von der Position des Kolbens 10 in dem Zylinder der Brennkraftmaschine stets eine effiziente Entflammung des zündfähigen Gemischs möglich. Gleichzeitig wird hierdurch die Standzeit des Targetelements 15 maximiert, die bei einer direkten Fokussierung der Laserstrahlung 20a auf das Targetelement 15 deutlich kürzer wäre.
Figur 1 zeigt den Kolben 10 in einer Lage, die etwa 50° Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt (OT) entspricht. Zusätzlich ist mit dem Bezugszeichen 10' ein Teil der Kontur des Kolbens 10 bei seiner Lage im OT angedeutet. Aus Figur 1 ist ersichtlich, dass in beiden Kolbenlagen - ebenso wie in allen anderen Betriebspunkten dazwischen - ein sicheres Auftreffen der Laserstrahlung 20a auf das erfindungsgemäße Targetelement 15 und damit eine zuverlässige Entflammung des zündfähigen Gemischs möglich ist.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Lasertargets 15 in dem Kolben 10 besteht darin, dass - insbesondere auch mit nur schwach fokussierter Laserstrahlung 20a - eine wesentlich geringere Laserimpulsenergie für eine zuverlässige Zündung erforderlich ist als bei Systemen, bei denen ein laserinduziertes Gasplasma zur Zündung erzeugt wird. Je nach Fokuslage der Laserstrahlung 20a wird die Zündung des Gemischs erfindungsgemäß entweder thermisch über die Erhitzung des Lasertargets 15 bewirkt oder über ein Mikro(metall)dampfplasma, das bei der Beaufschlagung des Lasertargets 15 mit der Laserstrahlung 20a entsteht.
Figur 2a zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der in der Kolbenmulde 12 anstelle eines Targetelements 15 (Figur 1 ) eine Kaverne 16 vorgesehen ist. Die Kaverne 16 stellt im Wesentlichen eine Vertiefung in der Kolbenmulde 12 dar und bildet damit einen in besonderer Weise strömungsgeschützten Bereich, der ideale Bedingungen für die Laserzündung bietet. Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Kaverne 16 ein geringeres Volumen auf als die Kolbenmulde 12, vorzugsweise nur etwa fünf Prozent bis etwa vierzig Prozent des Volumens der Kolbenmulde 12.
Die erfindungsgemäße Kaverne 16 kann bevorzugt rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Eine zumindest teilweise Beschichtung der Kavernenwände mit keramischen Werkstoffen oder die zumindest teilweise Ausbildung der Kaverne 16 in Form eines keramischen Einsatzes (nicht gezeigt), der in eine entsprechende Aussparung in dem erfindungsgemäßen Kolben 10 eingesetzt wird, ist ebenso denkbar.
Das laserbasierte Zündsystem beziehungsweise die Laserzündkerze 20 ist vorliegend so konfiguriert, dass die Laserstrahlung 20a auf den in Figur 2a bezeichneten Zündort ZO gebündelt wird. Dadurch ist - zumindest bei einem Zündzeitpunkt, der einer Kolbenlage in dem OT entspricht - vorteilhaft eine besonders sichere Entzündung des zündfähigen Gemischs innerhalb der Kaverne 16 möglich. In OT, also der oberen Extremposition des Kolbens, ist der Zündort ZO so zu wählen, dass das dort induzierte Laserplasma den Kavernenboden nicht schädigen kann. Hierzu sollte der Abstand des Zündorts ZO vom Kavernenboden 1 bis 5 mm betragen.
Figur 2b zeigt eine weitere Betriebsposition des Kolbens 10. Vorliegend ist ein früherer Zündwinkel als bei der Konfiguration gemäß Figur 2a gewählt, so dass die erfindungsgemäß in den Kolben 10 integrierte Kaverne 16 nicht bereits den Zündort ZO umgibt. Dennoch befindet sich der fest eingestellte Zündort ZO in einer verhältnismäßig günstigen Lage im Bereich der Kolbenmulde 12, so dass sich gegenüber herkömmlichen Anordnungen verringerte Wandwärmeverluste ergeben.
Figur 3a zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens 10, bei dem die Kaverne als Vorkammer 16a ausgebildet ist. Wie aus der vergrößerten Ansicht gemäß Figur 3b ersichtlich ist, wird die erfindungsgemäße Vorkammer 16a in dem Kolben 10 dadurch gebildet, dass Wandabschnitte 165 im Wesentlichen die Oberflächenkontur 12' der Kolbenmulde 12 auch im Bereich der Kaverne 16 fortsetzen, wodurch sich ein in noch höherem Maße strömungsgeschützter Vorkammerbereich 16a ergibt.
Die erfindungsgemäße Vorkammer 16a ist über Strömungskanäle 161 , 162 fluidverbunden mit der Kolbenmulde 12 beziehungsweise dem restlichen Brennraum 30 (Figur 3a) der Brennkraftmaschine. Dadurch können nach einer Entzündung des in der Vorkammer 16a vorliegenden zündfähigen Gemischs energiereiche Zündfackeln 161 a, 162a wie in Figur 3b angedeutet, in den Brennraum 30 austreten und das in dem Brennraum vorliegende Gemisch zünden. Die Zündfackeln 161 a, 162a ermöglichen ein besonders schnelles Durchbrennen des in dem Brennraum 30 befindlichen Gemischs aufgrund der kurzen Flammwege.
Die Laserzündkerze 20 (Figur 3a) ist vorliegend so ausgebildet, dass sie die Laserstrahlung 20a auf einen Zündort ZO bündelt, der bei einer Lage des Kolbens 10 im oberen Totpunkt (Figur 3a) oder generell bei späten Zündwinkeln im Inneren der Vorkammer 16a liegt. Durch die Vorgabe der Brennweite einer Fokussieroptik der Laserzündkerze 20 kann somit gleichsam ein Zündwinkelbereich definiert werden, in dem eine Vorkammerzündung stattfindet. Für andere, beispielsweise frühere, Zündwinkel ergibt sich eine herkömmliche Zündung, d.h. außerhalb der erfindungsgemäßen kolbeninternen Vorkammer 16a, vgl. die mit einer gestrichelten Linie angedeutete Kontur des Kolbens 10.
Die Laserstrahlung 20a wird, wie aus Figur 3b ersichtlich, durch den zentralen Überströmkanal 162 in die Vorkammer 16a eingestrahlt.
Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf einen die Überströmkanäle 161 , 162 beziehungsweise die Vorkammer 16a enthaltenden Teilbereich der Kolbenmulde 12 gemäß Figur 3b. Ebenfalls in Figur 4 angedeutet ist eine Kontur 16a' der in dem Kolben 10 angeordneten Vorkammer 16a. Andere Größen und Anordnungen der Überströmkanäle 161 , 162 sind ebenfalls denkbar und erlauben beispielsweise eine Anpassung des Systems an die verwendete Kraftstoff- bzw. Gasart.
Figur 5a zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens 10, bei dem die erfindungsgemäße Vorkammer 16a über eine Fokussieroptik 163 verfügt, die anstelle des zentralen Überströmkanals 162 (Figur 4) vorgesehen ist. Das Vorhandensein der verhältnismäßig kurzbrennweitigen Fokussieroptik 163 ermöglicht es vorteilhaft, im Wesentlichen ungebündelte Laserstrahlung 20a in den Brennraum 30 beziehungsweise auf die Vorkammer 16a in der in Figur 5a abgebildeten Weise einzustrahlen. Die Laserstrahlung 20a wird durch die Fokussieroptik 163 vorteilhaft „lokal" auf einen in der Vorkammer 16a befindlichen Zündort fokussiert.
Bei der in Figur 5a abgebildeten Erfindungsvariante ist aufgrund der „lokalen" Fokussierung durch die Fokussieroptik 163 ebenfalls vorteilhaft die Möglichkeit zur Vorkammerzündung unabhängig von einem Zündwinkel beziehungsweise der Position des Kolbens 10 zu dem Zündzeitpunkt gegeben.
Figur 5b zeigt eine Draufsicht auf den Kolbenboden 12 gemäß Figur 5a.
Die Erfindung ermöglicht vorteilhaft eine Entflammung des in dem Brennraum 30 vorliegenden zündfähigen Gemischs ausgehend von dem Kolbenboden 12, insbesondere i.w. unabhängig von der Kolbenlage bzw. dem Zündzeitpunkt. Besonders vorteilhaft ist weiter, dass hierzu keine Laserzündkerze mit variabler Fokussierung verwendet werden muss, wodurch sich die Fertigungskosten eines entsprechenden Zündsystems verringern.
Es ist ferner denkbar, die Kaverne 16 mit einem darin angeordneten Targetelement 15 vorzusehen.
Neben dem Einsatz in Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen eignet sich die vorliegende Erfindung besonders gut zum Einsatz bei stationären Großgasmotoren.

Claims

Ansprüche
1. Kolben (10) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Kolbenboden (1 1 ), dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Kolbenbodens (1 1 ) eine Kaverne (16) angeordnet ist.
2. Kolben (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne (16) in einer Kolbenmulde (12) des Kolbenbodens (11 ) angeordnet ist.
3. Kolben (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne (16) ein geringeres Volumen aufweist als die Kolbenmulde (12).
4. Kolben (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Targetelement (15) für Laserstrahlung (20a) eines laserbasierten Zündsystems der Brennkraftmaschine in der Kaverne (16) angeordnet ist.
5. Kolben (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne (16) als Vorkammer (16a) ausgebildet ist, wobei die Kaverne (16) durch mindestens einen Wandabschnitt (165) von einem Brennraum (30) bzw. einer Kolbenmulde (12) getrennt ist.
6. Kolben (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Überströmkanal (161 , 162) in dem Wandabschnitt (165) vorgesehen ist, der eine optische Verbindung zwischen der Vorkammer (16a) und dem Brennraum (30) bzw. der Kolbenmulde (12) ermöglicht.
7. Kolben (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Komponente (163), insbesondere eine Fokussieroptik, im Bereich der Kaverne (16) angeordnet ist, wobei die optische Komponente (163) vorzugsweise zwischen der Kaverne (16) und dem Brennraum (30) bzw. der Kolbenmulde (12) angeordnet ist.
8. Kolben (10) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Kolbenboden (1 1 ), dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Kolbenbodens (1 1 ) ein Targetelement (15) für Laserstrahlung (20a) eines laserbasierten Zündsystems der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
9. Kolben (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (10) eine Kolbenmulde (12) aufweist, und dass das Targetelement (15) in der Kolbenmulde, vorzugsweise mittig, angeordnet ist.
10. Kolben (10) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Targetelement (15) eine im Wesentlichen zylindrische Grundform aufweist, wobei das Targetelement (15) vorzugsweise so angeordnet ist, dass seine Längsachse im Wesentlichen parallel zu einer Bewegungsrichtung des Kolbens (10) ist.
1 1. Kolben (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Targetelement (15) im Wesentlichen porös ausgebildet ist.
12. Kolben (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Targetelement (15) Material aufweist, das aus Carbiden und/oder Siliciden und/oder Nitriden und/oder Boriden, vorzugsweise der vierten bis achten Gruppe des Periodensystems der Elemente, und/oder aus Bor- und/oder Kohlenstoff- und/oder Silizium- und/oder Stickstoffverbindungen besteht.
13. Kolben (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Targetelement (15), vorzugsweise vollständig, in den Kolbenboden (1 1 ) eingelassen ist.
14. Brennkraftmaschine mit einem laserbasierten Zündsystem und mindestens einem Kolben (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das laserbasierte Zündsystem dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung (20a) auf ein Targetelement (15) und/oder in eine Kaverne (16) bzw. Vorkammer (16a) des Kolbens (10) einzustrahlen, insbesondere zu bündeln.
16. Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das laserbasierte Zündsystem dazu ausgebildet ist, im wesentlichen ungebündelte Laserstrahlung (20a) auf ein Targetelement (15) und/oder in eine Kaverne (16) bzw. Vorkammer (16a) des Kolbens (10) einzustrahlen.
17. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem laserbasierten Zündsystem, dadurch gekennzeichnet, dass das laserbasierte Zündsystem Laserstrahlung (20a) auf einen Kolbenboden (11 ) eines Kolbens (10) der Brennkraftmaschine einstrahlt und/oder auf ein Targetelement (15) und/oder in eine Kaverne (16) bzw. Vorkammer (16a) eines Kolbens (10) der Brennkraftmaschine einstrahlt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass es durch die Einstrahlung der Laserstrahlung (20a) im Bereich des Kolbenbodens (11 ) und/oder im Bereich des Targetelements (15) und/oder in der Kaverne (16) bzw. der Vorkammer (16a) zur Zündung eines Plasmas und nachfolgend zur Entflammung eines Kraftstoff-Luftgemischs kommt.
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