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.