WO2010130675A1 - Gasmotor mit laserzündeinrichtung - Google Patents

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WO2010130675A1
WO2010130675A1 PCT/EP2010/056338 EP2010056338W WO2010130675A1 WO 2010130675 A1 WO2010130675 A1 WO 2010130675A1 EP 2010056338 W EP2010056338 W EP 2010056338W WO 2010130675 A1 WO2010130675 A1 WO 2010130675A1
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WO
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combustion chamber
ignition
piston
internal combustion
combustion engine
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/056338
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English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Herden
Martin Weinrotter
Pascal Woerner
Juergen Raimann
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
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Priority to US13/258,833 priority Critical patent/US20120024251A1/en
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    • 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
    • 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
    • F02B23/10—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder
    • F02B23/101—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder the injector being placed on or close to the cylinder centre axis, e.g. with mixture formation using spray guided concepts
    • 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
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/12—Engines characterised by precombustion chambers with positive ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • F02M21/0218—Details on the gaseous fuel supply system, e.g. tanks, valves, pipes, pumps, rails, injectors or mixers
    • F02M21/0248—Injectors
    • F02M21/0275—Injectors for in-cylinder direct injection, e.g. injector combined with spark plug
    • 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 an internal combustion engine equipped with a laser ignition device, in particular a gas engine, according to the preamble of claim 1.
  • a laser ignition device for igniting an air-fuel mixture in an internal combustion engine is known, wherein an ignition laser of the laser ignition device protrudes into a combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the ignition laser is optically powered by a light source from a pump light source.
  • the burning period is defined as the period within which between 10% and 90% of the energy conversion takes place.
  • the ignition location is forcibly in the vicinity of the combustion chamber roof, so that the flame propagates approximately hemispherically into the combustion chamber in the direction of the piston crown.
  • the object of the invention is to develop an internal combustion engine with laser ignition device, so that a safe and low-emission combustion in different operating points, especially in a lean
  • the combustion chamber is designed to be similar to a sphere.
  • the combustion chamber at the time of ignition of the fuel-air mixture located in the combustion chamber ball-like, in particular spherical and in particular point symmetrical to the ignition of the ignition laser to design, the terms of the flame front to
  • a ball-like geometry of the combustion chamber is given in particular when the combustion chamber comprises a spherical volume which is not less than 50%, in particular not less than 67%, in particular not less than 80% of the total volume of the combustion chamber.
  • a ball-like geometry of the combustion chamber is also given in particular even if the combustion chamber has an overall surface and a total volume, wherein the total surface is not greater than that 1, 5 times, in particular not greater than 1, 25 times, in particular not is greater than 1, 15 times, the surface of a sphere whose volume is equal to the total volume of the combustion chamber.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that a combustion chamber roof formed in the cylinder head and a piston head of the piston have the same shape.
  • Advantageous embodiments of the invention provide that the combustion chamber roof and the piston crown are flat, frusto-conical and / or dome-shaped.
  • the ignition laser has an antechamber with at least one opening, preferably at least one bore, and that a firing location of the ignition laser is located in the antechamber.
  • the pre-chamber openings preferably holes, which are directed into the combustion chamber. This ensures that the ignited in the prechamber fuel-air mixture passes through the opening in the form of a Zündfackel in the combustion chamber according to the invention and there ensures rapid burning of the fuel mixture located in the combustion chamber.
  • the geometries of the combustion chamber according to the invention are advantageous.
  • Figure 1 a is a schematic diagram of an internal combustion engine with a laser-based ignition device
  • Figure 1 b is a schematic representation of the ignition device of Figure 1 a;
  • FIG. 2 to 4 detailed representations of internal combustion engines according to the invention.
  • An internal combustion engine carries in FIG. 1a as a whole the reference numeral 10. It can be used to drive a motor vehicle, not shown.
  • FIG. 10 usually comprises a plurality of cylinders, of which only one is designated by the reference numeral 12 in FIG. 1a.
  • a combustion chamber 14 of the cylinder 12 is limited by a piston 16.
  • Fuel enters the combustion chamber 14 directly through an injector 18, which is connected to a designated also as a rail fuel pressure accumulator 20.
  • the fuel-air mixture can also outside the
  • Combustion chamber 14 for example, in a suction pipe formed.
  • the fuel-air mixture 22 present in the combustion chamber 14 is ignited by means of a laser pulse 24 which is radiated into the combustion chamber 14 by a laser ignition device 27 comprising an ignition laser 26.
  • Combustion chamber 14 can also be prepared in an antechamber (not shown in FIG. 1) upstream of the combustion chamber.
  • the ignition laser 26 is fed via a light guide device 28 with a pumping light, which is provided by a pumping light source 30.
  • the pumping light source 30 is controlled by a control unit 32, which can also control the injector 18.
  • the pumping light source 30 feeds a plurality of optical waveguide devices 28 for different ignition lasers 26, which are each assigned to a cylinder 12 of the internal combustion engine 10.
  • the pumping light source 30 has a plurality of individual pump laser light sources 34, which are connected to a pulse power supply 36. Due to the presence of a plurality of individual pump laser light sources 34, the pumping light is distributed as it were "dormant" to the various laser devices 26, so that no optical distributor or the like between the pumping light source 30 and the ignition lasers 26 are required.
  • the ignition laser 26 has, for example, a laser-active solid 44 with a passive Q-switching circuit 46, which forms an optical resonator together with a coupling mirror 42 and a Auskoppelapt 48.
  • the ignition laser 26 Upon application of a pumping light generated by the pumping light source 30, the ignition laser 26 generates a laser pulse 24 in a manner known per se, which is focused by focusing optics 52 onto an ignition point ZP located in the combustion chamber 14 (or in an antechamber, not shown).
  • the components present in the housing 38 of the ignition laser 26 are separated from the combustion chamber 14 by an exit window 58 for the laser beams 24.
  • a cylinder head 17 with indicated gas exchange valves 19 and a screwed ignition laser 27 is visible.
  • the ignition ZP of the ignition laser 27 is located in the center of the combustion chamber 14 at the ignition.
  • the combustion chamber 14 is similar to a sphere and also point-symmetrical with respect to the ignition ZP. It is thus realized a very short burning time and achieved at the same time a very favorable ratio between the surface and the volume of the combustion chamber.
  • the height of the combustion chamber at the ignition point is indicated by the reference symbol H in FIG.
  • a bore diameter B of the cylinder 12 and the piston 16 is greater than the height of the combustion chamber H at the time. It is now also possible according to the invention to reduce the diameter B of the piston 16 and at the same time to increase the stroke of the piston. This would make the design of the internal combustion engine longer stroke and the combustion chamber geometry even more compact.
  • both the combustion chamber roof 69 and the piston head 15 are flat. Nevertheless, there is a very short burning time, since the distance between the ignition ZP and the combustion chamber 14 limiting Walls (in particular the cylinder bore of the cylinder 12, the combustion chamber roof 69 and the piston head 15) are very short.
  • FIG. 3 shows a further optimized exemplary embodiment of an internal combustion engine according to the invention. In this embodiment, both the
  • Combustion chamber roof 69 and the piston head 15 is frusto-conical, so that in longitudinal section, a diamond-shaped combustion chamber 14 results, which is approximated even closer to the ideal shape of a spherical combustion chamber.
  • the gas exchange valves 19 and thus the inlet and outlet channels (without reference numeral) very cheap and easy in the
  • Combustion chamber geometry to be integrated.
  • combustion chamber roof 69 and a piston crown 15 in the form of a hemisphere or a dome, so that a further approximation to the ideal shape of a completely spherical
  • Combustion chamber is achieved. This embodiment is not shown.
  • the ignition location ZP is placed in the antechamber 63 of the ignition laser 26.
  • the laser ignition device 27 shown in FIG. 4 comprises the ignition laser 26 with the housing 38, the exit window 58 for the
  • the housing 38 of the ignition laser 26 is screwed by a thread 60 in a designated opening of a cylinder head of the internal combustion engine 10.
  • Alternative mounting options such as. By a bayonet lock or a clamping claw, are also possible.
  • the ignition ZP of the ignition laser 26 is located in a cylindrical insert 62, which in Figure 2 in the housing 38 of the ignition laser 26 is installed and / or integrated.
  • the insert 62 is an integral part of the ignition laser 26th
  • the insert 62 delimits an antechamber 63 to the combustion chamber 14.
  • the insert 62 in this case comprises a cylindrical side region 64, which is closed in FIG. 4 downwards by a bottom plate 66, wherein the bottom plate 66 has bores 68 running obliquely downwards in an edge region.
  • the bottom plate 66 is flush with the region of the cylinder head facing the combustion chamber 14.
  • the combustion chamber 14 is partially formed by a frusto-conical combustion chamber roof 69 formed in the cylinder head and a frusto-conical recess 15 of the piston
  • the piston 16 of the internal combustion engine 10 is formed.
  • the piston 16 is guided in the cylinder 12 and has piston rings 74 on the circumference.
  • ignition holes 76 are blown out of the already burning fuel-air mixture into the combustion chamber through the bores 68.
  • These ignition torches ensure rapid burning through of the fuel-air mixture in the combustion chamber 14 according to the invention. Since it is possible to provide a plurality of obliquely extending bores 68, the ignition torches can be aligned so that the combustion paths starting from the ignition torches 76 to the outermost angles of the combustion chamber are as short as possible. For this reason, the holes 68 are arranged with respect to the longitudinal axis of the cylinder 12 angle pivoted outwards.
  • the combustion chamber 14 has a spherical shape.
  • the laser ignition device 27 works as follows:
  • the ignition laser 26 emits a laser pulse 24, which focuses in the insert 62 close to the bottom plate 66 in the ignition ZP.
  • a laser pulse 24 which focuses in the insert 62 close to the bottom plate 66 in the ignition ZP.
  • an ignitable air-fuel mixture which is ignited in the ignition ZP.
  • a stable flame core which is able to ignite the air-fuel mixture in the combustion chamber 14, is formed in the prechamber 63.
  • the flame core escapes through the bores 68 in the form of torches 76.
  • the outflow direction and the shape of the torches 76 are determined by the design of the bores 68 and are adapted to the design of the combustion chamber 14.
  • the torches 76 are preferably aligned so that the torches 76 can spread in the largest possible area of the combustion chamber 14. In determining the desired direction and size of the torches 76, the flow conditions in the combustion chamber 14 are also taken into account. The larger the end face 72 of the piston 12, the greater also so-called. Squish and swirl flows 80 in the combustion chamber 14 when the piston is in the vicinity of the top dead center OT. To take this into account, depending on the configuration of the combustion chamber 14 and the
  • the insert 62 can be designed as a separate component, depending on
  • Embodiment of the combustion chamber 14 in the internal combustion engine 10 of the insert 62 are selected or exchanged.
  • the insert 62 can therefore be replaceable. This makes it possible to adjust the ignition laser 26 by replacing the insert 62 to different conditions of use.

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Abstract

Es wird eine Brennkraftmaschine, insbesondere ein Gasmotor vorgeschlagen, der mit einer Laserzündeinrichtung (27) ausgerüstet ist und bei dem der Brennraum (14) zum Zündzeitpunkt eine im Wesentlichen punktsymmetrische Form hat.

Description

Beschreibung
Titel
Gasmotor mit Laserzündeinrichtung
Die Erfindung betrifft einen mit einer Laserzündeinrichtung ausgerüstete Brennkraftmaschine, insbesondere einen Gasmotor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2004 001 554 A1 ist eine Laserzündeinrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei ein Zündlaser der Laserzündeinrichtung in einen Brennraum der Brennkraftmaschine hineinragt. Der Zündlaser wird über einen Lichtleiter von einer Pumplichtquelle optisch versorgt.
Großgasmotoren werden üblicherweise dicht an der Magergrenze eines Luft- Kraftstoff-Gemischs betrieben, um einen guten Wirkungsgrad zu erreichen. Dabei muss beim Zünden ein stabiler Flammkern gebildet werden, damit danach das im Brennraum befindliche Luft-Kraftstoff-Gemisch möglichst rasch verbrannt werden kann. Speziell bei extrem mager betriebenen Gasmotoren ist es von höchster Bedeutung, die Brenndauer zu reduzieren und somit den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen. Als Brenndauer wird der Zeitraum, innerhalb dessen zwischen 10% und 90% der Energieumsetzung stattfindet, definiert.
Bei konventionellen Hochspannungszündungen mit Zündkerzen ist der Zündort zwangsweise in der Nähe des Brennraumdachs, so dass sich die Flamme etwa halbkugelförmig in den Brennraum in Richtung des Kolbenbodens ausbreitet.
Dadurch ist die Brenndauer vergleichsweise lang. Um dieser langen Brenndauer entgegen zu wirken, werden heutzutage Brennkraftmaschinen oft als Kurzhuber, das heißt mit einem Bohrungsdurchmesser, der größer ist als der Hub des Kolbens ist, ausgebildet. Dadurch werden die Flammwege in Richtung des Kolbens verkürzt. Damit trotzdem ein schneller Durchbrand des Gemischs erreicht wird, muss eine hohe Strömungsgeschwindigkeit und daraus resultierend eine hohe Turbulenz im Brennraum herrschen. Dies wird bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen durch Drall- und Quetschströmungen erreicht.
Um diese Strömungen und die daraus resultierenden Turbulenzen zu erzeugen, entstehen erhebliche Ladungswechselverluste und/oder es werden ungünstige
Brennraumgeometrien benötigt, bei denen das Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen groß ist, so dass hohe Wandwärmeverluste entstehen. Sowohl die Ladungswechselverluste als auch die Wandwärmeverluste verringern den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine mit Laserzündeinrichtung, so weiterzuentwickeln, dass eine sichere und emissionsarme Verbrennung in verschiedenen Betriebspunkten, insbesondere auch bei einem mageren
Kraftstoff-Luft-Gemisch, bei gleichzeitig sehr gutem Wirkungsgrad gewährleistet ist.
Die Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit Zündlaser mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf jeweils explizit hingewiesen wird. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Brennraum kugelähnlich auszugestalten.
Dadurch ist es möglich, dass sich die Flammfront in Form einer Kugel in alle Raumesrichtungen ausbreitet, so dass die Flammwege und die Brenndauer deutlich verkürzt werden. Infolgedessen steigt auch der Wirkungsgrad der
Brennkraftmaschine an. Da erfindungsgemäß vorgesehen ist, den Brennraum zum Zeitpunkt der Zündung des im Brennraum befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches kugelähnlich, insbesondere kugelförmig und insbesondere punktsymmetrisch zum Zündort des Zündlasers, auszugestalten, werden auch die Laufzeiten der Flammfront bis zum
Erreichen der Brennraumwand nahezu überall gleich kurz sein. Es ergibt sich eine sehr kompakte Brennraumform und ein günstiges Oberflächen-Volumen- Verhältnis des Brennraums. Dadurch werden die Wandwärmeverluste reduziert und der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine weiter erhöht. Auch ist die Gefahr einer sogenannten klopfenden Verbrennung verringert und die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kommt häufig ohne Drall- und Quetschströmungen aus.
Es liegt auf der Hand, dass wegen der oszillierenden Bewegung des Kolbens die Brennraumform naturgemäß von der Stellung der Kurbelwelle bzw. der Position des Kolbens im Zylinder abhängt. Daher wird bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine auf die Brennraumform zu Beginn der Zündung abgehoben. Dann ist nämlich auch während der darauf folgenden sehr kurzen Brenndauer gewährleistet, dass der Brennraum eine für den Verbrennungsvorgang günstige Geometrie aufweist.
Eine kugelähnliche Geometrie des Brennraums ist insbesondere dann gegeben, wenn der Brennraum ein kugelförmiges Volumen umfasst, das nicht weniger als 50%, insbesondere nicht weniger als 67%, insbesondere nicht weniger als 80% des Gesamtvolumens des Brennraums ausmacht.
Eine kugelähnliche Geometrie des Brennraums ist ferner insbesondere auch dann gegeben, wenn der Brennraum eine Gesamtoberfläche und ein Gesamtvolumen aufweist, wobei die Gesamtoberfläche nicht größer ist als das 1 ,5-fache, insbesondere nicht größer ist als das 1 ,25-fache, insbesondere nicht größer ist als das 1 ,15-fache, der Oberfläche einer Kugel, deren Volumen gleich dem Gesamtvolumen des Brennraums ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein im Zylinderkopf ausgebildetes Brennraumdach und ein Kolbenboden des Kolbens die gleiche Form aufweisen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass das Brennraumdach und der Kolbenboden eben, kegelstumpfförmig und/oder kalottenförmig sind. Durch diese Geometrien können die erfindungsgemäßen Vorteile auf einfache Weise realisiert werden.
Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn zum Zündzeitpunkt der maximale Abstand zwischen Brennraumdach und Kolbenboden etwa dem Durchmesser des Kolbens entspricht. Dadurch wird eine sehr kompakte Brennraumform gewährleistet.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zündlaser eine Vorkammer mit mindestens einer Öffnung, vorzugsweise mindestens einer Bohrung, aufweist, und dass ein Zündort des Zündlasers in der Vorkammer liegt.
Weiter ist vorgesehen, dass die Vorkammer Öffnungen, bevorzugt Bohrungen aufweist, die in den Brennraum gerichtet sind. Dadurch wird erreicht, dass das in der Vorkammer gezündete Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die Öffnung in Form einer Zündfackel in den erfindungsgemäßen Brennraum gelangt und dort für ein schnelles Durchbrennen des sich im Brennraum befindlichen Kraftstoffgemisches sorgt. Auch hier sind die erfindungsgemäßen Geometrien des Brennraums vorteilhaft.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung in den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln, als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Kurzbeschreibung der Figuren
Nachfolgend werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft erläutert. Es zeigen: Figur 1 a eine schematische Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine mit einer laserbasierten Zündeinrichtung;
Figur 1 b eine schematische Darstellung der Zündeinrichtung aus Figur 1 a;
Figuren 2 bis 4 detaillierte Darstellungen erfindungsgemäßer Brennkraftmaschinen.
Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur 1a insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie kann zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs dienen. Die Brennkraftmaschine
10 umfasst üblicherweise mehrere Zylinder, von denen in Figur 1 a nur einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 12 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18, der an einen auch als Rail bezeichneten Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen ist. Alternativ kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch auch außerhalb des
Brennraums 14, zum Beispiel in einem Saugrohr, gebildet werden.
Das im Brennraum 14 vorhandene Kraftstoff-Luft-Gemisch 22 wird mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der von einer einen Zündlaser 26 umfassenden Laserzündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Die Zündung im
Brennraum 14 kann auch in einer dem Brennraum vorgelagerten Vorkammer (in Figur 1 nicht dargestellt) vorbereitet werden. Der Zündlaser 26 wird über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit einem Pumplicht gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einem Steuergerät 32 gesteuert, das auch den Injektor 18 ansteuern kann.
Wie aus Figur 1 b hervorgeht, speist die Pumplichtquelle 30 mehrere Lichtleitereinrichtungen 28 für verschiedene Zündlaser 26, die jeweils einem Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 10 zugeordnet sind. Hierzu weist die Pumplichtquelle 30 mehrere einzelne Pumplaserlichtquellen 34 auf, die mit einer Pulsstromversorgung 36 verbunden sind. Durch das Vorhandensein mehrerer einzelner Pumplaserlichtquellen 34 wird das Pumplicht gleichsam „ruhend" an die verschiedenen Lasereinrichtungen 26 verteilt, so dass keine optischen Verteiler oder dergleichen zwischen der Pumplichtquelle 30 und den Zündlasern 26 erforderlich sind. Der Zündlaser 26 weist beispielsweise einen laseraktiven Festkörper 44 mit einer passiven Güteschaltung 46 auf, die zusammen mit einem Einkoppelspiegel 42 und einem Auskoppelspiegel 48 einen optischen Resonator bildet. Unter Beaufschlagung mit von der Pumplichtquelle 30 erzeugtem Pumplicht erzeugt der Zündlaser 26 in an sich bekannter Weise einen Laserimpuls 24, der durch eine Fokussieroptik 52 auf einen in dem Brennraum 14 (oder in einer nicht dargestellten Vorkammer) befindlichen Zündort ZP fokussiert ist. Die in dem Gehäuse 38 des Zündlasers 26 vorhandenen Komponenten sind durch ein Austrittsfenster 58 für die Laserstrahlen 24 von dem Brennraum 14 getrennt.
In Figur 2 ist ein Zylinderkopf 17 mit angedeuteten Gaswechselventilen 19 und einem eingeschraubten Zündlaser 27 sichtbar. Der Zündort ZP des Zündlasers 27 liegt in der Mitte des Brennraums 14 zum Zündzeitpunkt.
In Figur 2 ist durch strichpunktiert gezeichnete Ringe, die bei der erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine mögliche kugelförmige Ausbreitung der Flammfront angedeutet. Da in Fig. 2 die Flammfront schon ein Drittel des Brennraums 14 erreicht hat, ist somit eine Situation dargestellt, bei der sich der Kolbenboden 15 verglichen zum Zündzeitpunkt weiter in Richtung OT bzw. in Richtung des Brennraumdachs 69 bewegt hat. Durch eine gestrichelte Linie 15' ist die Position des Kolbenbodens 15 zum
Zündzeitpunkt angedeutet. In dieser Position ist der Brennraum 14 kugelähnlich und ferner auch punktsymmetrisch bezüglich des Zündorts ZP. Es wird somit eine sehr kurze Brenndauer realisiert und gleichzeitig ein sehr günstiges Verhältnis zwischen Oberfläche und dem Volumen des Brennraums erreicht.
Die Höhe des Brennraums zum Zündzeitpunkt ist in Figur 2 durch das Bezugszeichen H angedeutet. Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Bohrungsdurchmesser B des Zylinders 12 bzw. des Kolbens 16 größer als die Höhe des Brennraums H zum Zeitpunkt. Es ist nun erfindungsgemäß auch möglich, den Durchmesser B des Kolbens 16 zu reduzieren und gleichzeitig den Hub des Kolbens zu erhöhen. Dadurch würde die Auslegung der Brennkraftmaschine langhubiger und die Brennraumgeometrie noch kompakter.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 sind sowohl das Brennraumdach 69 als auch der Kolbenboden 15 eben. Trotzdem ergibt sich eine sehr kurze Brenndauer, da der Abstand zwischen dem Zündort ZP und den den Brennraum 14 begrenzenden Wänden (insbesondere die Zylinderbohrung des Zylinders 12, das Brennraumdach 69 und den Kolbenboden 15) sehr kurz sind.
In Figur 3 ist ein noch weiter optimiertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl das
Brennraumdach 69 als auch der Kolbenboden 15 kegelstumpfförmig ausgebildet, so dass sich im Längsschnitt ein rautenförmiger Brennraum 14 ergibt, der noch näher an die Idealform eines kugelförmigen Brennraums angenähert ist. Bei dieser Brennraumgeometrie können die Gaswechselventile 19 und damit die Ein- und Auslasskanäle (ohne Bezugszeichen) sehr günstig und einfach in die
Brennraumgeometrie integriert werden.
In dem in Figur 3 dargestellten Zeitpunkt befindet sich der Kolben 16 im oberen Totpunkt und der Brennraum 14 wird nahezu ausschließlich von dem Brennraumdach 69 und dem Kolbenboden 15 begrenzt. Lediglich ein sehr schmaler Ring des Zylinders
12 begrenzt ebenfalls noch zwischen Zylinderkopf 17 und dem Kolbenboden 15 begrenzt noch den Brennraum 14. Die Wärmeabfuhr über die Zylinderwand wird dadurch sehr klein. Auch hier wird wieder deutlich, dass die Flammfront, die sich vom Zündort ZP ausbreitet, sehr kurze Wege hat und nahezu zeitgleich sowohl am Brennraumdach 69 als auch am Kolbenboden 15 auftrifft. Dadurch lassen sich die erfindungsgemäßen Vorteile ebenfalls realisieren.
Es ist natürlich auch möglich, ein Brennraumdach 69 und einen Kolbenboden 15 in Form einer Halbkugel oder einer Kalotte auszubilden, so dass eine noch weitergehende Annäherung an die Idealform eines vollständig kugelförmigen
Brennraums erreicht wird. Dieses Ausführungsbeispiel ist nicht dargestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 ist der Zündort ZP in die Vorkammer 63 des Zündlasers 26 gelegt. Die in Figur 4 dargestellte Laserzündeinrichtung 27 umfasst den Zündlaser 26 mit dem Gehäuse 38, dem Austrittsfenster 58 für die
Laserstrahlen 24 und der Fokussieroptik 52. Das Gehäuse 38 des Zündlasers 26 ist dabei durch ein Gewinde 60 in eine dafür vorgesehene Öffnung eines Zylinderkopfs der Brennkraftmaschine 10 eingedreht. Alternative Befestigungsmöglichkeiten, wie bspw. durch einen Bajonettverschluss oder eine Spannpratze, sind auch möglich. Der Zündort ZP des Zündlasers 26 liegt in einem zylindrischen Einsatz 62, der in Figur 2 in das Gehäuse 38 des Zündlasers 26 eingebaut und/oder integriert ist. Damit ist der Einsatz 62 integraler Bestandteil des Zündlasers 26.
Der Einsatz 62 begrenzt eine Vorkammer 63 zum Brennraum 14. Der Einsatz 62 umfasst dabei einen zylindrischen Seitenbereich 64, der in Figur 4 nach unten von einer Bodenplatte 66 abgeschlossen ist, wobei die Bodenplatte 66 in einem Randbereich schräg nach unten verlaufende Bohrungen 68 aufweist. Die Bodenplatte 66 schließt mit dem zum Brennraum 14 zeigenden Bereich des Zylinderkopfs eben ab. Der Brennraum 14 wird teilweise durch ein kegelstumpfförmiges im Zylinderkopf ausgebildetes Brennraumdach 69 und eine kegelstumpfförmige Mulde 15 des Kolbens
16 der Brennkraftmaschine 10 gebildet. Der Kolben 16 ist im Zylinder 12 geführt und weist am Umfang Kolbenringe 74 auf.
Wenn in der Vorkammer 63 das dort befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, beginnt dort die Verbrennung und es werden durch die Bohrungen 68 Zündfackeln 76 aus schon brennendem Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum geblasen. Diese Zündfackeln sorgen für ein rasches Durchbrennen des im erfindungsgemäßen Brennraum 14 befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches. Da es möglich ist, mehrere auch schräg verlaufende Bohrungen 68 vorzusehen, können die Zündfackeln so ausgerichtet werden, dass die Brennwege ausgehend von den Zündfackeln 76 bis in die äußersten Winkel des Brennraums möglichst kurz werden. Aus diesem Grund sind die Bohrungen 68 gegenüber der Längsachse des Zylinders 12 Winkel nach außen geschwenkt angeordnet.
Selbstverständlich ist es möglich, über diesen Winkel und die Zahl der Bohrungen 68 das Brennverhalten der Brennkraftmaschine weiter zu optimieren. Auch hier ist jedoch von Bedeutung, dass zum Zeitpunkt, zu dem die Zündfackeln 76 aus der Vorkammer 63 in den Brennraum 14 eintreten, der Brennraum 14 eine kugelähnliche Form hat.
Die Laserzündeinrichtung 27 funktioniert folgendermaßen:
Der Zündlaser 26 sendet einen Laserimpuls 24 aus, der im Einsatz 62 nahe an der Bodenplatte 66 im Zündort ZP fokussiert. In der Vorkammer 63 befindet sich ebenso wie im Brennraum 14 ein zündfähiges Luft-Kraftstoff-Gemisch, das im Zündort ZP gezündet wird. Dadurch bildet sich in der Vorkammer 63 ein stabiler Flammkern, der in der Lage ist, das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum 14 zu entzünden. Dazu entweicht der Flammkern durch die Bohrungen 68 in Form von Fackeln 76. Die Ausströmrichtung und die Form der Fackeln 76 werden durch die Ausgestaltung der Bohrungen 68 bestimmt und sind an die Ausgestaltung des Brennraums 14 angepasst. Die Fackeln 76 sind bevorzugt so ausgerichtet, dass sich die Fackeln 76 in einem möglichst großen Bereich des Brennraums 14 ausbreiten können. Bei der Festlegung der gewünschten Richtung und Größe der Fackeln 76 werden außerdem die Strömungsverhältnisse im Brennraum 14 berücksichtigt. Je größer die Stirnfläche 72 des Kolbens 12 ist, desto größer sind auch sog. Quetsch- und Drallströmungen 80 im Brennraum 14, wenn sich der Kolben in der Nähe des Oberen Totpunkts OT befindet. Um dies zu berücksichtigen, sind je nach Ausgestaltung des Brennraums 14 und der
Mulde 15 in der Bodenplatte 66 und/oder im Seitenbereich 64 des Zündlasers 26 beziehungsweise des Einsatzes 62 entsprechend ausgerichtete Bohrungen 68 nötig. Dies ermöglicht dann eine rasche Verbrennung der Ladung im Brennraum 14.
Da der Einsatz 62 als separates Bauteil ausgeführt sein kann, kann je nach
Ausgestaltung des Brennraums 14 in der Brennkraftmaschine 10 der Einsatz 62 ausgewählt oder getauscht werden. Der Einsatz 62 kann also auswechselbar sein. Damit wird es möglich, den Zündlaser 26 durch Auswechseln des Einsatzes 62 an verschiedene Einsatzbedingungen anzupassen.

Claims

Ansprüche
1. Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder (12), einem Kolben (16) und einem Zylinderkopf (17), wobei der Zylinder (12) und der Kolben (16) einen Brennraum (14) begrenzen, mit einer Laserzündeinrichtung (27), umfassend einen Zündlaser (26), dadurch gekennzeichnet, dass der
Brennraum (14) zum Zündzeitpunkt kugelähnlich ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (14) zum Zündzeitpunkt ein kugelförmiges Volumen umfasst, das nicht weniger als 50%, insbesondere nicht weniger als 67%, insbesondere nicht weniger als 80%, des Gesamtvolumens des Brennraums (14) ausmacht.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (14) zum Zündzeitpunkt eine Gesamtoberfläche und ein Gesamtvolumen aufweist, wobei die Gesamtoberfläche nicht größer ist als das 1 ,5-fache, insbesondere nicht größer ist als das 1 ,25-fache, insbesondere nicht größer ist als das 1 ,15-fache, der Oberfläche einer Kugel, deren Volumen gleich dem Gesamtvolumen des Brennraums ist.
4. Brennkraftmaschine nach nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Zylinderkopf (17) ausgebildetes Brennraumdach (69) und ein Kolbenboden (15) des Kolbens (16) die gleiche oder annährend gleiche Form aufweisen.
5. Brennkraftmaschine nach nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Zylinderkopf (17) ausgebildetes Brennraumdach (69) und ein Kolbenboden (15) des Kolbens (16) eben sind.
6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Zylinderkopf (17) ausgebildetes Brennraumdach (69) und ein Kolbenboden (15) des Kolbens (16) kegelstumpfförmig sind.
7. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zylinderkopf (17) ein Brennraumdach (69) ausgebildet ist und dass der Kolben (16) einen Kolbenboden (15) aufweist und dass zum Zündzeitpunkt der maximale Abstand (H) zwischen Brennraumdach (69) und Kolbenboden (15) etwa dem Durchmesser (B) des
Kolbens (16) entspricht.
8. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt in einem Bereich zwischen 30° KW vor OT und 5° KW vor OT liegt.
9. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zündort (ZP) des Zündlasers (26) zum Zündzeitpunkt in dem Volumenschwerpunkt liegt oder von dem Volumenschwerpunkts des Brennraums (14) weniger als 20%, insbesondere weniger als 10%, der größten Erstreckung des Brennraums entfernt liegt.
10. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündlaser (26) eine Vorkammer (63) mit mindestens einer Öffnung, vorzugsweise mindestens einer Bohrung (68), aufweist und dass ein Zündort (ZP) des Zündlasers (26) in der Vorkammer (63) liegt.
1 1. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (14) zum Zündzeitpunkt im Wesentlichen punktsymmetrisch ist.
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