AT501297B1 - Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

2 AT 501 297 B1

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor umfassend: eine Laserlichterzeugungsvorrichtung und einen Brennraum mit einem Brennraumfenster, durch das Laserlicht in den Brennraum eintreten kann, zur Zündung eines in den Brennraum einbringbaren Kraftstoff-Luft-Gemisches. 5

Herkömmliche Laserlichterzeugungsvorrichtungen, welche im Bereich der Laserzündung von Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, weisen in der Regel einen Laserresonator auf, welcher derart ausgebildet ist, dass das von der Laserlichtquelle abgegebene Laserlicht ein Gaußsches Profil (TEMoo-Profil) aufweist, das heißt, die Intensitätsverteilung fällt radial mit einem io exponentiellen Verlauf ab. Weiters werden insbesondere bei gepulsten Lasern häufig auch Laserlichterzeugungsvorrichtungen mit instabilem Laserresonator verwendet. Auch bei diesem Resonatorkonzept tritt eine sich radial verändernde Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt auf. 15 Ein wesentliches Hindernis für den massentauglichen Einsatz lasergezündeter Verbrennungsmotoren besteht in unerwünschten Wechselwirkungen zwischen dem Laserlicht und dem Brennraumfenster. Wechselwirkungen mit unerwünschten Konsequenzen treten beim Eintritt in das Brennraumfenster, bei der Transmission und beim brennraumseitigen Austritt aus dem Brennraumfenster auf. 20

Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen lasergezündeten Verbrennungsmotor derart weiterzuentwickeln, dass unerwünschte laserinduzierte Veränderungen des Brennraumfensters minimiert werden. 25 Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Laserlichterzeugungsvorrichtung derart ausgebildet ist, dass sie dazu geeignet ist, Laserlicht abzugeben, welches am Brennraumfenster eine solche Intensitätsverteilung aufweist, dass das Maximum der Intensitätsverteilung kleiner ist als der Beschichtungsschwellwert und dass die über die Intensitätsverteilung integrierte Intensität größer ist als der Schwellwert für die Bildung eines laserinduzierten Plasmas im 30 Kraftstoff-Luft-Gemisch.

Versuche der Anmelderin haben gezeigt, dass sich laserinduzierte Veränderungen des Brennraumfensters im Wesentlichen in drei Bereiche unterteilen lassen, die sich durch unterschiedliche Strahlungsenergien pro Flächeneinheit unterscheiden. 35

In einem ersten Bereich geringer Intensität tritt kein laserinduzierter Beschichtungseffekt des Brennraumfensters auf.

In einem zweiten Bereich mittlerer Intensität wirkt das Laserlicht durch fotochemische Prozesse 40 beschichtungsfördernd.

In einem dritten Bereich hoher Intensität wird eine eventuell vorhandene oder durch das Laserlicht geförderte Beschichtung durch Laserablation wieder entfernt. In diesem Bereich ist die Strahlungsdichte jedoch so hoch, dass eine Beschädigung der Oberfläche des Brennraumfens-45 ters auftritt.

Der Übergang zwischen dem Bereich geringer Intensität und dem Bereich mittlerer Intensität wird durch den Beschichtungsschwellwert gekennzeichnet. Sein numerischer Wert lässt sich bei einem gegebenen Verbrennungsmotor leicht durch verschiedene Verfahren bestimmen: 50

Ein erstes Verfahren umfasst den Einsatz von Laserlicht unterschiedlicher Intensität und nachfolgender Untersuchung des Brennraumfensters. Durch Verwendung verschiedener Leistungsdichten in einem homogenen Strahlprofil kann der sich jeweils ergebende Beschichtungseffekt in einer Versuchsreihe unter reproduzierbaren Bedingungen festgestellt werden. Hieraus lässt 55 sich ermitteln, bei welcher Leistungsdichte der laserinduzierte Beschichtungseffekt auftritt. Die 3 AT 501 297 B1 dazugehörige Intensität ist der Beschichtungsschwellwert.

Bei einem weiteren Verfahren kann das Strahlprofil des Lasers vor dem Fenstereintritt mit Hilfe eines Beam-Profilers bestimmt werden. Hierdurch wird eine zweidimensionale Verteilungsfunktion der Intensität, ausgedrückt als Energie pro Flächeneinheit, erhalten. Danach wird dieser Laser bei einem Testverbrennungsmotor eingesetzt. Am resultierenden Beschichtungsmuster des eingesetzten Brennraumfensters sind dann die Bereiche der Ablation, der Beschichtung und der minimal beeinflussten Zonen erkennbar. Da der Intensitätsverlauf des Laserlichts am Brennraumfenster durch den Beam-Profiler genau bekannt ist, kann festgestellt werden, bei welcher Intensität der laserinduzierte Beschichtungseffekt aufgetreten ist. Diese Intensität ist der Beschichtungsschwellwert.

Der Beschichtungsschwellwert hängt ab von der Laserlichtwellenlänge, der Oberflächentemperatur des Brennraumfensters, dem Fenstermaterial und der physikalischen und chemischen Parameter des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Ausbildung des Intensitätsverlaufes werden die Bereiche mittlerer und hoher Intensität und die damit verbundenen negativen Auswirkungen auf das Brennraumfenster vermieden. Dadurch, dass die über die Intensitätsverteilung integrierte Intensität größer ist als der Schwellwert für die Bildung eines laserinduzierten Plasmas im Kraftstoff-Luft-Gemisch, wird eine für die sichere Zündung ausreichende Gesamtenergie sichergestellt.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert:

So ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Intensitätsverteilung eine im Wesentlichen konstante Intensität über den Strahldurchmesser aufweist. In einer grafischen Darstellung der Intensität über den Strahlradius stellt sich eine derartige Intensitätsverteilung im Wesentlichen als Rechteck dar. Die Intensität (Höhe des Rechtecks) ist dabei so gewählt, dass sie unter dem Beschichtungsschwellwert liegt. Die räumliche Ausdehnung (Breite des Rechtecks) ist in etwa durch den doppelten Strahlradius gegeben. Ein derartiges, rechteckiges Profil stellt die Intensitätsverteilung mit maximalem Energieeintrag dar, die erzielt werden kann, ohne dass Intensitätsüberhöhungen mit negativen Konsequenzen befürchtet werden müssen. Die für die Erzeugung eines laserinduzierten Plasmas notwendige Gesamtintensität ist relativ zu einem TEMoo-Profil auf eine größere Durchtrittsfläche verteilt.

Obwohl eine im wesentlichen rechteckige Intensitätsverteilung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, ist die Erfindung nicht auf eine derartige Intensitätsverteilung beschränkt. Denkbar wäre beispielsweise auch ein Gauß'sches Profil mit einer Intensitätsverteilung nach Anspruch 1. Ein derartiges Gauß'sches Profil hat den Vorzug, am leichtesten zu einem laserinduzierten Durchbruch zu führen. Andererseits hat das Rechteckprofil den Vorteil, eine maximale Gesamtenergie bei minimaler Leistungsspitze zu ermöglichen.

Besonders bevorzugt kann weiters vorgesehen sein, dass die Laserlichterzeugungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, gepulstes Laserlicht abzugeben. Der zeitliche Verlauf eines Laserlichtpulses kann dahingehend optimiert werden, dass der Anstieg der Intensität auf das für eine Plasmabildung notwendige Maß in möglichst kurzer Zeit ermöglicht wird. Im Weiteren kann die Intensität konstant gehalten werden, bis die für einen sicheren Laserzündungsvorgang benötigte Energie in das Kraftstoff-Luft-Gemisch transportiert wurde. Anschließend kann die Intensität der Laserstrahlung in möglichst kurzer Zeit wieder reduziert werden, wodurch sich insgesamt ein zeitliches Rechteckprofil ergibt. Die für einen eventuell notwendigen Nachheizprozess benötigte Laserenergie muss natürlich mit einer Intensität eingebracht werden, welche unter dem Beschichtungsschwellwert liegt. 4 AT 501 297 B1

Das erfindungsgemäße Konzept eignet sich für alle Kraftstoff-Luft-Gemische. Besonders eignet sich das erfindungsgemäße Konzept aber für Methan-Luft-Gemische mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ von etwa 1,5 - 2,5 vorzugsweise 1,8 - 2,2. Hierfür ist die Gesamtenergie eines Laserlichtpulses entsprechend groß auszubilden. Gerade bei derartigen mageren Gemischen, 5 deren benötigte Zündenergien signifikant höher liegen als jene von fetten Gemischen, ist das erfindungsgemäße Konzept besonders vorteilhaft ersetzbar. Bisher mussten Laserlichterzeugungsvorrichtungen mit ΤΕΜοο-Profil bei einer derartig hohen Intensität betrieben werden, dass bereits laserablative Effekte auftraten. Durch den radial abfallenden Intensitätsverlauf wird bei einem derartigen Profil auch der mittlere Bereich des Beschichtungseffekts ohne Ablation io durchfahren, wodurch sich typische, eingebrannte Ringstrukturen an den Brennraumfenstern ergeben. Häufig ist vorgesehen, die Laserlichterzeugungsvorrichtung nicht unmittelbar am Brennraumfenster anzuordnen, um das Ausmaß der mechanischen und thermischen Belastung gering zu 15 halten. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass die Laserlichterzeugungsvorrichtung eine Übertragungseinrichtung zur Übertragung des Laserlichts zum Brennraumfenster umfasst. Beispielsweise kann die Übertragungseinrichtung einen Lichtleiter und/oder wenigstens eine Linse umfassen. Wichtig für das Funktionieren der Erfindung ist natürlich, dass das Gesamtsystem der Laserlichterzeugungsvorrichtung so ausgelegt ist, dass die erfindungsgemäß vorgese-20 hene Intensitätsverteilung am Brennraumfenster auftritt.

Eine erfindungsgemäße Intensitätsverteilung kann durch eine geeignete Überlagerung von transversalen Lasermoden realisiert werden. Laserlichterzeugungsvorrichtungen, welche sich für einen erfindungsgemäßen Einsatz eignen, sind allerdings auch bereits kommerziell erhält-25 lieh. Eine Bezugsquelle stellt beispielsweise die Firma LOT Oriel (http://www.lotoriel.com) dar. Anwendbar wäre zum Beispiel deren Nd:YAG-Laser „Brio“.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der Figuren und der Figurenbeschreibung. Dabei zeigen 30 35

Figur 1: in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor Figur 2: in schematischer Darstellung die Intensitätsverteilung eines Laserlichtstrahls nach der Erfindung und

Figur 3: in schematischer Darstellung die Intensitätsverteilung eines Laserlichtstrahls nach dem Stand der Technik.

Figur 1 zeigt einen Zylinder 2 eines (im allgemeinen mehrere Zylinder aufweisenden) erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 1. In den Brennraum 11 wird über ein Brennraumfenster 7 Laserlicht 5 eingebracht und auf das Fokusvolumen 6 fokussiert. Die Laserlichterzeugungsvor-40 richtung 3 umfasst einen Laserresonator 4, einen Lichtleiter 8 sowie eine durch die Linsen 9 und 10 gebildete Aufweite-Optik. Das Brennraumfenster 7 ist brennraumseitig zur Fokussierung des Laserlichts 5 in Form einer Sammellinse ausgebildet.

In Figur 2 ist schematisch die Intensitätsverteilung eines Laserlichtstrahls nach einer Ausfüh-45 rungsform der Erfindung dargestellt. Auf der Ordinate ist die Intensität I und auf der Abszisse die Raumrichtung x rechtwinkelig zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls in unmittelbarer Nähe zum Brennraumfenster 7 dargestellt. (Die Intensitätsverteilung ist in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls drehsymmetrisch ausgebildet. Die Raumrichtung x ist daher repräsentativ für jede beliebige Raumrichtung rechtwinkelig zur Ausbreitungsrichtung des Licht-50 Strahls.) Der Lichtstrahl erstreckt sich transversal über den doppelten Strahlradius r. Im vorliegenden Fall weist der Intensitätsverlauf über den gesamten Strahldurchmesser 2r im Wesentlichen den konstanten Wert l0 auf. Die Abweichungen der Intensität von diesem Wert über den Strahldurchmesser 2r betragen dabei weniger als 5-10 Prozent. Der Abfall der Intensität vom Wert l0 auf den Wert 0 erfolgt in einem Bereich von etwa 10 Prozent des Strahldurchmessers 2r. 55

Claims (7)

1. 5 AT 501 297 B1 Als Vergleich ist in Figur 3 schematisch die Intensitätsverteilung eines Laserlichtstrahls nach dem Stand der Technik dargestellt. Dabei handelt es sich um eine Gauß'sche Intensitätsverteilung (TEMoo-Profil) mit einem exponentiellen Abfall vom Mittelpunkt des Laserlichtstrahls radial nach Außen. Als Radius r des Laserlichtstrahls wird bei einer derartigen Intensitätsverteilung 5 der radiale Abstand definiert, bei dem die Intensität auf 1/e2 der maximalen Intensität abgefallen ist. Patentansprüche: 10 1. Verbrennungsmotor umfassend: eine Laserlichterzeugungsvorrichtung und einen Brennraum mit einem Brennraumfenster, durch das Laserlicht in den Brennraum ein-treten kann, zur Zündung eines in den Brennraum einbringbaren Kraftstoff-Luft-Gemisches, 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichterzeugungsvorrichtung (3) derart ausgebildet ist, dass sie dazu geeignet ist, Laserlicht (5) abzugeben, welches am Brennraumfenster (7) eine solche Intensitätsverteilung aufweist, dass das Maximum der Intensitätsverteilung kleiner ist als der Beschichtungsschwellwert und dass die über die Intensitätsverteilung integrierte Intensität größer ist als der Schwellwert für die Bildung eines laserinduzierten 20 Plasmas im Kraftstoff-Luft-Gemisch.
2. 2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsverteilung eine im Wesentlichen konstante Intensität über den Strahldurchmesser aufweist.
3. 3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser lichterzeugungsvorrichtung (3) dazu ausgebildet ist, gepulstes Laserlicht (5) abzugeben.
4. 4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtenergie eines Laserlichtpulses derart groß ist, dass ein Methan-Luft-Gemisch mit einem Luft- 30 Kraftstoff-Verhältnis (λ) von etwa 1,5 - 2,5, vorzugsweise von etwa 1,8 - 2,2 zündbar ist.
5. 5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichterzeugungsvorrichtung eine Übertragungseinrichtung (8,9,10) zur Übertragung des Laserlichts (5) zum Brennraumfenster (7) umfasst. 35
6. 6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinrichtung (8,9,10) einen Lichtleiter umfasst.
7. 7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertra- 40 gungseinrichtung (8,9,10) wenigstens eine Linse (9,10) umfasst. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 45 50 55