AT5307U1

AT5307U1 - Brennkraftmaschine mit fremdzündung

Info

Publication number: AT5307U1
Application number: AT0031401U
Authority: AT
Inventors: Hans Peter Dr Lenz; Markus Dipl Ing Jetzinger; Paul Dr Kapus
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2001-04-23
Publication date: 2002-05-27
Also published as: EP1253316A3; EP1253316A2; ATE303511T1; EP1253316B1; DE50204056D1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, bei der die Zündung des Kraftstoffes durch zumindest einen auf einen Zündort (14, 15) in einem Brennraum (7) fokussierten Laserstrahl (12) erfolgt, mit einer Laserquelle (11) und einer Fokussiereinrichtung (13) zur Bereitstellung und Fokussierung des Laserstrahles (12). Um auf möglichst einfache Weise eine optimale Zündung des Kraftstoffes im Brennraum (7) zu erreichen, ist vorgesehen, dass im Strahlenweg des Laserstrahles (12) eine optische Einrichtung (30) zur Strahlumleitung und/oder Strahlaufteilung angeordnet ist, mittels der der Laserstrahl (12) an zumindest zwei verschiedenen Zündorten (14, 15) im Brennraum (7) fokussierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, bei der die Zündung des Kraftstoffes durch zumindest einen auf einen Zündort in einem Brennraum fokussierten Laserstrahl erfolgt, mit einer Laserquelle und einer Fo- kussiereinrichtung zur Bereitstellung und Fokussierung des Laserstrahles.

Aus der DE 199 11 737 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung be- kannt, bei der die Laserstrahlen über in der Zylinderkopfdichtung angeordnete Lichtleiter in den Brennraum geleitet werden. Am Ende jedes Lichtleiters ist eine Fokussiereinrichtung angeordnet, um den Laserstrahl im Brennraum an einem Punkt zu fokussieren. Pro Laserstrahl kann somit ein Brennpunkt im Brennraum ausgebildet werden.

Die US 4,852,529 A, die US 4,314,530 A und die US 4,416,226 A beschreiben Laserzündeinrichtungen für Brennkraftmaschinen, bei denen der Laserstrahl über eine Öffnung im Zylinderkopf in den Brennraum eingebracht wird. Bei der US 4,416,226 A ist eine Fokussiereinrichtung vorgesehen, um den Laserstrahl in einen Punkt im Brennraum zu fokussieren.

Bei den meisten bekannten Laserzündeinrichtungen für Brennkraftmaschinen kann pro Laserquelle beziehungsweise pro Lichtleiter nur ein einziger Zündort definiert werden. Bekannte Laserzündeinrichtungen ohne Fokussiereinrichtung können darüber hinaus nur mit sehr hohem Energieaufwand die zur Zündung erforderliche Energiedichte im Brennraum realisieren. Ein weiterer Nachteil ist, dass die meisten Laserzündeinrichtungen auf Grund konstruktiver und techni- scher Anforderungen nicht in bestehende Motorkonzepte integriert werden kön- nen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einer Brenn- kraftmaschine der eingangs genannten Art auf möglichst einfache Weise eine optimale Zündung des Kraftstoffes im Brennraum zu erreichen.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch realisiert, dass im Strahlenweg des Laser- strahles eine optische Einrichtung zur Strahlumlenkung und/oder Strahlaufteilung angeordnet ist, mittels der der Laserstrahl an zumindest zwei verschiedenen Zündorten des Brennraumes fokussierbar ist. Somit können mit einem einzigen Laserstrahl mindestens zwei verschiedene Zündorte ausgebildet werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Laserstrahl wahlweise an zumindest zwei verschiedenen Zündorten im Brennraum fokussierbar ist. Die Zündorte des Laserstrahles können sehr einfach

dadurch variiert werden, dass die optische Einrichtung ein im Strahlenweg des
Laserstrahls angeordnetes Spiegelsystem mit zumindest einem, vorzugsweise elektrisch, schaltbaren Spiegel aufweist. Elektrisch schaltbare Spiegel, wie sie etwa aus der US 5,036,042 A bekannt sind, haben gegenüber mechanisch schaltbaren Spiegeln den Vorteil kürzerer Ansprechzeiten, eines geringeren Bau- raumes und der einfacheren Steuerung.

In einer besonders einfachen Ausfüh- rungsvariante der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass der Spiegel zumindest zwei Schaltstellungen mit unterschiedlichen Reflexionswinkeln und/oder Reflexi- onseigenschaften aufweist. Besonders günstig ist es dabei, wenn in einer Schalt- stellung der schaltbare Spiegel optisch durchlässig ist. Das Spiegelsystem ist da- bei der Fokussiereinrichtung vorgeschaltet.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung kann vorge- sehen sein, dass der Laserstrahl gleichzeitig an zumindest zwei verschiedenen
Orten fokussierbar ist, wobei die Fokussiereinrichtung Teil der optischen Einrich- tung ist. Die gleichzeitige Fokussierung des einen Laserstrahles an zumindest zwei verschiedenen Zündorten kann sehr einfach dadurch realisiert werden, dass die Fokussiereinrichtung ein Linsensystem aufweist, welches zumindest zwei
Brennpunkte, vorzugsweise mit unterschiedlicher Brennweite, ausbildet. Um Bau- raum einzusparen ist es besonders vorteilhaft, wenn das Linsensystem zumindest eine Sammellinse mit Spezialschliff aufweist, welche mehrere Brennpunkte aus- bildet.

Eine besonders hohe Flexibilität in der Steuerung der Verbrennung wird erreicht, wenn für jede Schaltstellung des elektrisch schaltbaren Spiegels das Linsensys- tem einen eigenen Brennpunkt ausbildet.

Die vorzugsweise durch einen kompakten Festkörperlaser gebildete Laserquelle kann in einfacher Weise in einem Schacht im Zylinderkopf der Brennkraftmaschi- ne, vorzugsweise im Zündkerzenschacht an Stelle einer Zündkerze angeordnet sein. Dadurch ist eine einfache Adaption an bestehende Motorkonzepte möglich.

Durch die Verwendung eines sehr kompakten Festkörperlasers können Lichtleiter zwischen Laserquelle und Spiegelsystem beziehungsweise Fokussiereinrichtung entfallen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemässe Brennkraftmaschine einem Schnitt durch einen Zylinder, Fig. 2 ein Detail aus Fig. 1 in einer ersten Schaltstellung des
Spiegels, Fig. 3 dieses Detail aus Fig. 1 in einer zweiten Schaltstellung des Spie- gels, Fig. 4 die Fokussiereinrichtung in einer Draufsicht gemäss der Linie IV-IV in
Fig. 2 und 3, Fig. 5 Spiegelsystem und Strahlengang einer erfindungsgemässen

Brennkraftmaschine mit Fremdzündung in einem Schnitt analog zu den Fig. 1 bis 3 in einer zweiten Ausführungsvariante.

Funktionsgleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Zylinderkopf 2 und einem Zy- lindergehäuse 3 in einem Längsschnitt. Im Zylinder 4 ist ein hin- und hergehen- der Kolben 5 angeordnet. Der Kolben 5 bildet mit der Deckfläche 6 des Zylinder- kopfes 2 einen Brennraum 7 aus, in welchen die Gaswechselkanäle 8,9 einmün- den. Im Bereich der Zylinderachse 4a ist in einem Schacht 10 des Zylinderkop- fes 2 eine durch einen kompakten Festkörperlaser gebildete Laserquelle 11 an- geordnet, welche einen Laserstrahl 12 in den Brennraum 7 emitiert.

Im Strah- lenweg des Laserstrahles 12 ist eine optische Einrichtung 30 zur Strahlenumlen- kung und/oder Strahlenaufteilung mittels der der Laserstrahl 12 an zwei ver- schiedenen Zündorten 14,15 fokussiert werden kann. Über eine Fokussierein- richtung 13, welche Teil der optischen Einrichtung 30 zur Strahlumlenkung und/oder Strahlaufteilung ist, wird der Laserstrahl 12 gebündelt.

In der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsvariante weist die optische Einrichtung 30 ein Spiegelsystem 16 auf, welches zwischen der Laserquelle 11 und der Fokussiereinrichtung 13 angeordnet ist und zumindest einen elektrisch schaltbaren Spiegel 17 mit zumindest zwei Reflexionsschaltstellungen A, B bein- haltet. In der in Fig. 2 dargestellten Schaltstellung A ist der Spiegel 17 transpa- rent geschaltet, so dass der Laserstrahl 12 ohne Ablenkung auf die Fokussierein- richtung 13 trifft und auf einen ersten Zündort 14 fokussiert wird. In der in Fig. 3 dargestellten zweiten Schaltstellung B hingegen ist der Spiegel 17 aktiv geschal- tet und reflektiert den Laserstrahl 12 vollständig. Der reflektierte Laserstrahl 12 trifft auf einen zweiten, starr ausgebildeten Spiegel 18 und wird zur Fokussierein- richtung 13 abgelenkt.

Durch die Fokussiereinrichtung 13 wird der zweimal abge- lenkte Laserstrahl 12 an einem zweiten Zündort 15 fokussiert.

Die Fokussiereinrichtung 13 beinhaltet ein Linsensystem 13a, welches für jede
Schaltstellung A, B des Spiegels 17 eine Linse 19,20 aufweist. Vorteilhafterweise können die Linsen 19,20 mit unterschiedlichen Brennweiten ausgeführt sein, wodurch Zündorte 14,15 mit unterschiedlichem Abstand von der Deckfläche 6 realisiert werden können.

Die Steuerung des Spiegels 17 erfolgt in Abhängigkeit des Motorbetriebszustan- des beziehungsweise des Verbrennungsablaufes im Brennraum 7. Zur Erfassung des Verbrennungsvorganges kann ein optischer Sensor 21 in die Fokussierein- richtung 13 integriert werden.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der die Fokussiereinrichtung 13 ein Linsensystem aufweist, welches durch eine Linse 22 mit Spezialschliff gebildet ist, welche den auftreffenden Laserstrahl 12 in zwei Zündorten 14,15 fokussiert.

Die Linse 22 weist dabei zumindest zwei Linsenteile 23,24 mit verschiedenen Brennpunkten und Brennweiten auf. Eine Linse 22 mit Spezialschliff kann auch in der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsvariante anstelle der Einzellin- sen 19,20 eingesetzt werden.

Bei der in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsvariante wird mittels des schalt- baren Spiegels 17 zwischen zwei Zündorten 14,15 umgeschaltet. Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsvariante dagegen wird ein einziger Laserstrahl 12 in zwei verschiedenen Zündorten 14,15 gleichzeitig fokussiert.

Auch eine Kombination der beiden Ausführungsvarianten ist möglich. So kann jede der beiden Linsen 19,20 der in den Fig. 1 bis 4 beschriebenen Ausfüh- rungsvariante durch eine Linse 22 mit Spezialschliff gebildet werden, so dass in jeder der beiden Schaltstellungen A, B des Spiegels 17 jeweils zwei Brennpunkte mit unterschiedlichen Brennweiten realisiert werden können.

Das beschriebene optische System kann weiters zur Verbrennungsdiagnose be- nutzt werden, wobei beispielsweise der Zeitabstand zwischen dem Zündimpuls und der Entflammung durch den optischen Sensor 21 festgestellt und zur weite- ren Motorregelung verwendet wird. Dadurch ist es möglich, beispielsweise un- gleiche Zündverzüge bei verschiedenen Zylindern einer Mehrzylinder- Brennkraftmaschine zu kompensieren und somit einen besseren Gleichlauf zu erreichen.

Claims

ANSPRÜCHE 1. Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, bei der die Zündung des Kraftstof- fes durch zumindest einen auf einen Zündort (14, 15) in einem Brenn- raum (7) fokussierten Laserstrahl (12) erfolgt, mit einer Laserquelle (11) und einer Fokussiereinrichtung (15) zur Bereitstellung und Fokussierung des Laserstrahles (12), dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlenweg des Laserstrahles (12) eine optische Einrichtung (30) zur Strahlumlenkung und/oder Strahlaufteilung angeordnet ist, mittels der der Laserstrahl (12) an zumindest zwei verschiedenen Zündorten (14,15) im Brennraumes (7) fokussierbar ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (12) wahlweise an zumindest zwei verschiedenen Zündor- ten (14,15) im Brennraum (7) fokussierbar ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (30) ein im Strahlenweg des Laserstrahl (12) angeord- netes Spiegelsystem (16) mit zumindest einem, vorzugsweise elektrisch, schaltbaren Spiegel (17) aufweist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (17) zumindest zwei Schaltstellungen (A, B) mit unterschiedlichen Reflexionswinkeln und/oder Reflexionseigenschaften aufweist.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Schaltstellung (A) der schaltbare Spiegel (17) optisch durchlässig ist.
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Spiegelsystem (16) der Fokussiereinrichtung (13) vor- geschaltet ist.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Laserstrahl (12) gleichzeitig an zumindest zwei ver- schiedenen Zündorten (14, 15) im Brennraum (7) fokussierbar ist, wobei die Fokussiereinrichtung (13) Teil der optischen Einrichtung (30) ist.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Fokussiereinrichtung (13) ein Linsensystem (13a, 13b) aufweist, welches zumindest zwei Brennpunkte, vorzugsweise mit unter- schiedlicher Brennweite, ausbildet. <Desc/Clms Page number 6>
9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsensystem (13b) zumindest eine Sammellinse mit Spezialschliff mit zu- mindest zwei Linsenteilen (23,24) aufweist, welche zumindest zwei Brenn- punkte ausbildet.
10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekenn- zeichnet, dass für jede Schaltstellung (A, B) des elektrisch schaltbaren Spiegels (17) das Linsensystem (13a, 13b) zumindest einen eigenen Brenn- punkt ausbildet.
11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn- zeichnet, dass die vorzugsweise durch einen kompakten Festkörperlaser gebildete Laserquelle (11) in einem vorzugsweise durch einen Zündkerzen- schacht gebildeten Schacht (10) eines Zylinderkopfes (2) angeordnet ist.