DE102004008010A1

DE102004008010A1 - Selbst fokussierende Laserzündung für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102004008010A1
Application number: DE200410008010
Authority: DE
Inventors: Manfred Vogel; Werner Herden
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2005-09-08
Also published as: WO2005080788A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem Laserelement, das einen Laserstrahl in einen Brennraum des Verbrennungsmotors emittiert. DOLLAR A Die Zündeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine außerhalb des Brennraums (4) angeordnete ortsfeste Optik (5) zur Führung des Laserstrahls (3) zu einem definierten Punkt innerhalb des Brennraums (4) vorgesehen ist, um einen Einspritzstrahl (A, B), der in einem Brennraum injiziert wird, zu entzünden.

Description

Die Erfindung geht von einer Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem Laserelement, das ein Laserstrahl in einen Brennraum des Verbrennungsmotors emittiert, aus.
Diese Zündeinrichtung kann als kontinuierlich arbeitendes Zündsystem bei Ottomotoren als auch als Starthilfemittel bei Dieselmotoren eingesetzt werden.

Aus der JP 101 96 508 A ist ein Startsteuerungsverfahren für einen Verbrennungsmotor bekannt, in dem ein Laserstrahl verwendet wird.

Zudem sind solche Zündeinrichtungen bekannt, bei denen die Laserwellenlängen nahe oder auf den Absorptionskennlinien des zu ent flammenden Kraftstoffes liegen. Liegt die Laserlänge außerhalb der Absorptionskennlinien, so erfolgt die Entflammung über laserinduzierte Luftfunken. So ist beispielsweise aus der WO 02/095220 A1 eine einstellbare Optik, zum Beispiel mit piezoelektrischen Aktoren und Spiegeloptiken, vorgeschlagen, bei denen sich der Fokus des Laserstrahls adaptiv an die Erfordernisse eines optimalen Verbrennungsortes anpasst.

Nachteile des Standes der Technik

Insbesondere bei Laserwellenlängen, die nah oder auf der Absorptionslinie des zu entflammenden Kraftstoffes liegen, erfolgt die Zündung direkt am Fenster an der Brennraumwand. Dies ist sehr ungünstig für die Verbrennung und führt zu ungünstigen Laufeigen schaften des Verbrennungsmotors. Zwar können durch Maßnahmen, wie sie beispielsweise in der DE-A 28 49 458 beschrieben werden, die Zündorte tief in den Brennraum gelegt werden. Dies erfordert jedoch eine spezielle optische Anordnung und eine Abstimmung der Laserwellenlänge auf die Kraftstoffabsorption.

Bei strahlgeführten Direkteinspritzsystemen in Ottomotoren mit Mehrlochventilen oder nach außen öffnenden Ventilen mit Kegelstrahl ergeben sich aufgrund von mechanischen Toleranzen des Einspritzventils, des Zylinderkopfes und der Komponenten der Zündung (beispielsweise Zündkerze) Zündorte mit unterschiedlicher Lagen.

Auch die Lage des zu entflammenden Einspritzstrahls bzw. Einspritzkegels, der in dem Brennraum durch Einspritzdüsen injektiert wird, unterliegt Veränderungen und damit Schwankungen, bedingt durch Toleranzen und sich ändernden Brennraumbedingungen.

Bei Direkteinspritzung in Dieselmotoren mit Mehrlochventilen ist es von Vorteil, beim Start der Brennstoffkraftmaschine gezielt einen einzelnen Einspritzstrahl zu entflammen. Dies bringt mit sich, dass ein schnellerer und sicherer Start gewährleistet ist, weniger Emission beim Start auftreten und, dass das Verdichtungsverhältnis abgesenkt werden kann, wodurch ein wesentlich besserer Wirkungsgrad erreicht wird.

Die Problematik, die hier besteht, ist in der sehr genauen Zuordnung von Glühkerze und Einspritzstrahl zu sehen. Wird eine Zündkerze verwendet, so ist der hohe Zündspannungsbedarf ein großes Hindernis für eine praktische Realisierung und ebenso, wie oben beschrieben, die geometrische Zuordnung wegen unvermeidlicher Toleranzen.

Aufgabe der Erfindung

Daher ergibt sich die Aufgabe der Erfindung darin, eine zuverlässige Zündung und Entflammung von Einspritzstrahlen oder Einspritzkegeln darzustellen bei gegebenen geometrischen Toleranzen der Komponenten Einspritzventil, Zylinderkopf und Zündeinrichtung und bei Einspritzstrahlschwankungen.

Lösung der Aufgabe

Die Erfindung beschreibt eine Anordnung, mittels der mit Laserstrahl und einer festen Optik zuverlässig an einem vorgegebenen Ort innerhalb des Brennraums ein Einspritzstrahl oder Einspritzke gel zu entflammen ist. Die Lösung wird durch die Merkmale von Anspruch 1 vorgeschlagen.

Vorteile der Erfindung

Eine optimale Zündung wird dadurch erreicht, dass die Laserwellenlänge des hier eingesetzten Laserstrahls zur Erzielung eines Zündortes innerhalb des Brennraums des Verbrennungsmotors in einen nicht absorbierenden Wellenlängenbereich des Kraftstoffs liegt. Dies ist beispielsweise zu erreichen mit einem Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm.

Des weiteren ist die Leistungsdichte des Lasers derart einzustellen, dass durch Lichtbrechung an Tröpfchen des injizierten Einspritzstrahls oder Einspritzkegels es durch höhere Dichte und damit durch einen höheren Brechungsindex am Rande des Einspritzstrahls sicher zu einer Funkenentladung in der entflammungsfähigen Zone kommt.

Das Fokussieren des Laserstrahls mit fester Optik auf den zu entflammenden Einspritzstrahl bzw. Kegel ist dahin auszulegen, dass der Fokus tiefer liegt (mindestens auf der Einspritzstrahlachse eines Einzelstrahls oder tiefer) als die dem Laser zugewandte zu entflammende Zone am Rande eines Einspritzstrahls oder Einspritzkegels.

Eine weitere alternative Ausführung der Erzeugung eines Zündpunktes besteht darin, einen nicht fokussierten Laserstrahl mit ausreichender Leistung einzustrahlen, so dass durch die Fokussierung an Tröpfchen und/oder durch Brechung am Rand an der Oberfläche des Einspritzstrahls ein Funken generiert wird. Dies ist auch gleichzeitig der Ort, an dem der Funke mit größter Wahrscheinlichkeit zur Entflammung des Kraftstoffnebels führt.

Eine weitere Ausbildung kann darin bestehen, die optische Zuordnung eines Laserstrahls auf einen Einspritzstrahl zentral in die Mitte eines Einspritzstrahlbündels zu richten.

Bei engerer Anordnung von Einspritzstrahlen ist es dabei vorteilhaft, ein oder mehrere äußere Einspritzstrahlen auszusparen (so dass an diesem kein Funke eintritt), um mit dem Laserstrahl zentrale Einspritzstrahlen erreichen zu können und dort am Strahlrand zünden und zu entflammen. Daraus ergeben sich kurze Flammwege und somit eine schnellere Verbrennung und reduzierte Klopfneigung.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei Teileinspritzung in der Ansaugphase und Resteinspritzung in der Kompressionsphase der Laserstrahl nicht vom Gemisch der Teileinspritzung absorbiert wird und bis zu Einspritzimpulsen in der Kompressionsphase eindringen kann und wie oben beschrieben am Rand eines Einspritzstrahls durch den Funken eine Zündung und eine Entflammung erfolgt.

Im sogenannten Homogen-Betrieb erfolgt die Zündung im Laserfokus durch Luftfunken.

Die erfindungsgemäße Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber dem Bekannten den Vorteil, dass trotz unvermeidlichen Toleranzen der Verbrennungsvorgang ohne Nachführen der Zündeinrichtung immer an der ent flammbaren äußeren Zone des Einspritzstrahls oder -kegels sicher eingeleitet wird. Somit lässt sich die Verbrennung des Gasgemisches im Brennraum einleiten, wobei jedoch für die Entflammung nicht die herkömmlichen Zünd- und Starthilfemittel wie Zündkerzen, Glühstiftkerzen, Glühdrahtkerzen, Flansch-Startanlagen usw. zum Einsatz kommen, sondern ein Laser.

Dies hat auch zum anderen den Vorteil, dass die Energiebereitstellung mittels des Lasers außerhalb des Verbrennungsmotors erfolgen kann. Die Energiesteuerung selbst kann ebenfalls außerhalb des Verbrennungsmotors erfolgen. Da es sich bei der zugeführten Energie um Laserlicht handelt, entfällt das Kurzschlussrisiko, da kein elektrisch isoliertes Kabel mit dem Pluspol der Spannung nahe des Motorblocks, der das Bezugspotential darstellt, verlegt werden muss. Insbesondere ist die Montage der Energiezuführung unter der Ventilabdeckung vorteilhaft, da dieser Raum Ölnebel mit erhöhten Temperaturen aufweist und somit die Isolation eines stromgeführten Kabels beeinträchtigen kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen hervor.

Zeichnung
Es zeigen:
1 ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung, angebracht an einem Zylinderkopf mit einem Mehrlochventil und einem Zündlaser mit Sammellinse und Glasfenster;
2 eine schematische Darstellung der Einstellung des Laserfokus auf die Achse eines Einspritzstrahls;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einstellung des Laserfokus auf der Achse eines Einspritzstrahls mit bevorzugter Lage zum Einspritzventil;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einstellung eines parallel ausgerichteten Laserstrahls;
5 Darstellung der Relationen von Fokus und Entflammung im Zentrum des Einspritzstrahlkegels.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist das erfindungsgemäße Zündmittel 1 dargestellt. Es besteht im wesentlichen aus einem Laser 2 und einem Strahlmittel, wobei das Strahlmittel dafür vorgesehen ist, den von dem Laser emittierenden Laserstrahl 3 an einen Brennraum 4 heranzuführen. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich eine Sammellinse 5 vorgesehen, die den emittierten Laserstrahl 6 fokussiert und zwar innerhalb des Brennraums 4. Damit der Laserstrahl 6 in den Brennraum 4 emittieren kann, ist zusätzlich in der Brennraumwandung 7 ein Glasfenster 8 vorgesehen. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein in dem Brennraum hineinragendes Mehrlochventil 9 vorgesehen, das in unterschiedliche Richtungen innerhalb des Brennraums 4 Kraftstoff in Form von Einspritzstrahlen 10 injiziert.
In 2 ist die Fokussierung des Laserstrahls dargestellt. Hierbei sind zwei unterschiedliche Einspritzstrahlen A und B vorgesehen, wobei der Fokus F des Lasers 2 bzw. des Laserstrahls 3 durch die Sammellinse 5 gebündelt wird, so dass dieser immer fest auf der Strahlachse S positioniert ist. Je nach Lage des Strahlrandes (11A, 11B) bildet sich dort durch die Fokussierung an Tröpfchen und optischer Brechung am Rand der Oberfläche des Einspritzstrahls A und B jeweils ein Funke 12A, 12B, der in diesem am besten entflammbaren Bereich zur Entflammung und der folgenden Verbrennung führt.
In 3 ist die bevorzugte Lage des Laserstrahls 3 und dessen Fokus F dargestellt. Der Fokus F ist derart ausgestaltet, dass dieser von einer Einspritzdüse 13 in einem Bereich von a2 bis a1 angeordnet ist, und a1 ca. 5 mm und a2 ca. 20 mm beträgt. Die Strahldichte ist dabei bis zu einem Abstand b (bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ca. 8 mm) am Außenrand 11A, 11B des Einspritzstrahls A B derart hoch, dass sich im Randbereich des Einspritzstrahls ein Luftfunke 12A und 12B bildet und dieser dann zur Entflammung und zur folgenden Verbrennung führt.
In 4 ist die im Vergleich zu 3 gleiche Ausführung dargestellt, jedoch mit dem Unterschied, dass der Laserstrahl 3 des Lasers 2 nicht fokussiert ist, sondern durch eine entsprechende Optik 14 parallel ausgerichtet ist. Die Fokussierung erfolgt ebenfalls wieder durch Interaktion mit Tröpfchen oder/und Brechung am Rand an der Oberfläche 11A und B der jeweiligen Einspritzstrahlen A, B, so dass an den jeweiligen Rändern der Einspritzstrahlen eine derart hohe Leistungsdichte vorhanden ist, dass diese ausreicht, um einen Laserfunken 12A und 12B zu erzeugen.
In 5 ist prinzipiell dargestellt, wie ein fokussierter oder paralleler Laserstrahl 3 (über eine Optik 5) auf einen Einspritzstrahl A im Zentrum eines Einspritzstrahlenbündels ausgerichtet wird. Damit der Laserstrahl 3 ungehindert eindringen kann, werden beispielsweise einzelne Einspritzstrahlen C durch besondere Formgebung der Einspritzdüsen ausgeblendet.

Claims

Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem Laserelement, das einen Laserstrahl in einen Brennraum des Verbrennungsmotors emittiert, dadurch gekennzeichnet, dass eine außerhalb des Brennraums (4) angeordnete ortsfeste Optik zur Führung des Laserstrahls (3) zu einem definierten Punkt innerhalb des Brennraums (4) vorgesehen ist, um einen Einspritzstrahl (A, B), der in einem Brennraum injiziert wird, zu entzünden.
Zündeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (3) eine Wellenlänge aufweist, die in dem nicht absorbierenden Bereich von Kraftstoffen liegt.
Zündeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte des Laserstrahls (3) derart gewählt ist, dass durch Brechung am Tröpfchen am Rand des Einspritzstrahls oder -kegels (A, B) ein Luftfunke und eine Ent flammung ausgelöst wird.
Zündeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichte des Laserstrahls (3) derart gewählt ist, dass durch Fokussieren des Laserstrahls (3) eine Entflammung in homogenen Gemischen ausgelöst wird.
Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einstrahlung eines nicht fokussierten Laserstrahls (3) auf den Einspritzstrahl oder -kegel (A, B) am Rande (11A, 11B) des Einspritzspritzstrahls (A, B) ein Funken (12A, 12B) erzeugt wird.
Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einsstrahlung eines Laserstrahls der innerste Strahl eines Strahlenbündels entflammt wird.