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Die vorliegende Erfindung beruht auf und beansprucht die Priorität der
japanischen Patentanmeldung 2005-132191 , die am 28. April 2005 eingereicht wurde, und es wird der Inhalt dieser Anmeldung hier einbezogen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laser-Maschinenzündvorrichtung zum Zünden eines Luft-Brennstoffgemischs, das einer Brennkammer der Maschine zugeführt wird, mittels eines Lasers.
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Bekanntermaßen verändern sich die Zündbedingungen in der Brennkammer erheblich in Abhängigkeit von den Maschinenbetriebsbedingungen, dem Druck, der Temperatur, der Maschinendrehzahl, der Maschinenbelastung und dergleichen. Obwohl es erforderlich ist, in angemessener weise die Laserschwingung zu steuern zum Sicherstellen einer vollständigen Zündung und einer ausreichenden Verbrennungsgeschwindigkeit, kann eine bekannte Laser-Zündvorrichtung, wie sie beispielsweise in der japanischen Druckschrift
JP-A-10 196471 offenbart ist, nicht in angemessener Weise die Laserschwingung steuern, so dass eine vollständige Zündung oder eine Verbrennungsgeschwindigkeit nicht bereitgestellt werden kann.
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Erreicht die Energiedichte des Laserstrahls bei einer Kondensationsposition einen Schwellenwert, dann tritt ein Zusammenbruch auf und führt zu einer Erzeugung von Plasma, wodurch die Brennstoffverbrennung bewirkt wird.
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Als eine Einrichtung zur Vergrößerung der Laserspitzenleistung ist eine Schalttechnologie bekannt zum Erzeugen kurzer Impulse. Insbesondere ist ein Festkörperlaseroszillator, der einen sättigbaren Absorber als ein Q-Schaltelement (Güte-Schaltelement) für eine Stimulation mittels einer Laserdiode verwendet, beachtenswert. Ein derartiger Festkörperlaseroszillator ist in der japanischen Druckschrift
JP-A-2003-198019 offenbart. Jedoch ist die Laserausgangsleistung eines derartigen Festkörperlaseroszillators noch immer für einen stabilen Maschinenbetrieb nicht ausreichend.
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Dokument
US 2003/0138005 offenbart eine Laserlichtquelle zur Ausgabe von Pulsen hoher Leistung und kurzer Dauer unter Verwendung der Q-Switching Technologie.
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Dokument
US 2005/0063646 offenbart ein Laser basiertes Zündsystem für stationäre Erdgasmotoren.
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Dokument
US 6,394,788 offenbart ein Laser basiertes Zündsystem mit einem Anregungslaser und einem Zündlaser.
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Dokument
EP 1 329 631 offenbart einen Verbrennungsmotor, bei dem eine Fremdzündung durch eine Laserlichtquelle erfolgt, deren Licht durch eine optische Übertragungseinrichtung und eine Einkopplungsoptik in einem Brennraum fokussiert wird.
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B. Geringer et al. zeigen in VDI Fortschrittsberichte des 24. Internationalen Wiener Motorensymposiums (Mai 2003), Seiten 87–109, Grundlagen der Laserzündung auf.
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Dokument
EP 0 816 674 offenbart eine Zündvorrichtung mit einer Breitbandlaserenergiequelle mit zumindest zwei fundamentalen Wellenlängen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Laser-Maschinenzündvorrichtung derart auszugestalten, dass eine ausreichende Steuerung der Laseroszillation in Abhängigkeit von verschiedenen Maschinenbetriebsbedingungen möglich ist, wobei eine vollständige Zündung und eine angemessene Verbrennungsgeschwindigkeit gewährleistet sind.
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Die vorliegende Erfindung stellt dazu eine Laserzündvorrichtung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen bereit. Details dazu sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
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Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung umfasst eine Laser-Zündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eine Leistungsquelle, einen Laseroszillator und eine Steuerungseinheit zur Steuerung einer Größe eines Zuführungsstroms (Versorgungsstrom) zu dem Laseroszillator in Abhängigkeit von der Maschinenbetriebsbedingung.
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Somit kann die Zündeinrichtung stets einen gewünschten Maschinenbetrieb in Abhängigkeit von unterschiedlichen Maschinenbedingungen bereitstellen.
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Vorzugsweise steuert die Steuerungseinheit die Leistungsquelle zum Zuführen des Stroms in Abhängigkeit von dem Druck in der Brennkammer, wobei die Steuerungseinheit die Leistungsquelle steuern kann zum Vergrößern der Größe des Stroms, wenn der Druck abnimmt.
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Die Laser-Zündvorrichtung kann ferner eine Anordnung aufweisen zum Erfassen der Dichte des Luft-Brennstoffgemisches. Die Anordnung erfasst die Dichte in Abhängigkeit von der Dichte eines gestreuten Lichts in der Brennkammer, und die Steuerungseinheit steuert die Leistungsquelle zum Zuführen des Stroms, dessen Größe in Abhängigkeit von der Dichte des Luft-Brennstoffgemisches veränderlich ist. Die Steuerungseinheit steuert vorzugsweise die Leistungsquelle in der Weise, dass die Größe des Stroms ansteigt, wenn die Dichte abnimmt.
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Ferner kann die Steuerungseinheit die Leistungsquelle und den Laseroszillator zum Bereitstellen mehrfacher Laserstrahlen steuern, wenn die Größe des zugeführten Stroms einen Schwellenwert erreicht.
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Ferner kann die Steuerungseinheit die Leistungsquelle und den Laseroszillator steuern zum Bereitstellen eines ergänzenden (zusätzlichen) Laserstrahls nach der Zündzeit zum Verbrennen verbleibender Gase.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Laser-Maschinenzündsystems zum effektiven Zünden eines Luft-Brennstoffgemisches durch Vermindern der Laserpulsdauer zum Vergrößern der Spitzenleistungsdichte.
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Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung umfasst eine Laser-Zündvorrichtung eine Leistungsquelle, einen Laseroszillator mit einer Pumpquelle und einem Licht-Resonator zum Ausgeben eines Laserstrahls zu einem Luft-Brennstoffgemisch in der Brennkammer, und eine Steuerungsschaltung zum Steuern des Laseroszillators in Abhängigkeit von der Maschinenbetriebsbedingung, wobei der Laserresonator aus einer Pumpquelle zum Erzeugen von Pumplicht besteht, einem Lasermedium zum Abstrahlen von Licht, wenn das Pumplicht empfangen wird, eine auf dem Lichteintrittsende desselben angeordnete Beschichtung zum Weiterleiten des einfallenden Pumplichts und zum Totalreflektieren des darin eingestrahlten Lichts, einen sättigbaren Absorber, der nahe bei dem Lasermedium angeordnet ist zum um so weniger Absorbieren des von dem Lasermedium übertragenen Lichts, wenn die Leistung des Lichts ansteigt und wobei dieser transparent wird, wenn die Leistung des von dem Lasermedium übertragenen Lichts höher als ein Schwellenwert wird, und eine Reflexionseinrichtung zum Reflektieren eines Teils des übertragenen Lichts von dem sättigbaren Absorber und Durchlassen des verbleibenden Lichts.
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In Verbindung mit der vorstehenden Kombination kann die Länge des Lichtresonators verkürzt werden, wodurch die Pulsdauer des Laserstrahls verkürzt und die Leistungsdichte bei dem Luft-Brennstoffgemisch an dem Brennpunkt vergrößert wird.
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In der vorstehenden Laser-Zündvorrichtung kann das Lasermedium eine Reflexionsbeschichtung am einen Ende desselben gegenüber dem Lichteintrittsende aufweisen; der sättigbare Absorber kann aus Cr:YAG zur Verminderung der Länge des Lichtresonators bestehen; das Lasermedium und der sättigbare Absorber können nahe beieinander angeordnet sein; der sättigbare Absorber kann eine Reflexionsbeschichtung an dem Ende desselben gegenüber dem Lichteintrittsende aufweisen zum Vermeiden eines Spiegels; das Lasermedium kann aus Nd:YAG gebildet werden mit einer Beschichtung zum Reflektieren von 99% eines Lichts mit einer Wellenlänge von 1064 nm und einer Beschichtung zum Durchlassen von 95% des Pumplichts mit einer Wellenlänge von 808 nm, wobei diese Beschichtung bei dem Lichteintrittsende des Lasermediums vorgesehen ist.
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In der Laser-Zündvorrichtung mit dem sättigbaren Absorber aus Cr:YAG wird die Konzentration des Chroms und die Dicke des sättigbaren Absorbers in der Weise angepasst, dass eine vorbestimmte Durchlässigkeit von 20 bis 50% mit einer Wellenlänge von 1064 nm erreicht wird, und eine Beschichtung zum Reflektieren von 50 bis 70% des Lichts mit der Wellenlänge von 1064 nm kann an dem Ausgabeende desselben vorgesehen sein.
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Weitere Aufgaben, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sowie die auf die Funktionen bezogenen Teile der vorliegenden Erfindung werden aus einer Betrachtung der nachstehenden Beschreibung, der zugehörigen Patentansprüche und der Figuren verständlich. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Laser-Zündvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in einer Brennkraftmaschine angeordnet ist,
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2 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs der Laser-Zündvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
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3 eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen einer an dem Laseroszillator angelegten Spannung bezüglich der Ausgangsenergie und der Oszillationszeiten des Laseroszillators,
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4 eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen der Ausgangsenergie eines Laserstrahls und des Drucks in der Maschinenbrennkammer,
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5 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung einer Zeitbeziehung zwischen Zündsignalen, einem dem Laseroszillator zugeführten Strom und Laserausgaben, wenn die Maschinenbelastung relativ hoch ist,
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5B ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung einer Zeitbeziehung zwischen Zündsignalen, einem dem Laseroszillator zugeführten Strom und Laserausgaben, wenn die Maschinenbelastung relativ niedrig ist,
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6 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung einer Zeitbeziehung zwischen Maschinentakten, Zündsignalen, einem dem Laseroszillator zugeführten Strom und Laserausgaben, wenn eine modifizierte Laser-Zündvorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel angewendet wird,
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7 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Laser-Zündvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei diese in einer Brennkraftmaschine angeordnet ist,
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8 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs der Laser-Zündvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
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9A ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung einer Zeitbeziehung zwischen einem dem Laseroszillator zugeführten Strom und Laserausgaben, wenn die Dichte eines Luft-Brennstoffgemisches vor der Zündung vergleichsweise hoch ist, und 9B ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung einer Zeitbeziehung zwischen dem dem Laseroszillator zugeführten Strom und Laserausgaben, wenn die Dichte des Luft-Brennstoffgemisches vor der Zündung vergleichsweise niedrig ist,
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10 eine schematische Längsschnittansicht eines Ausführungsbeispiels des Laseroszillators der Laser-Zündvorrichtung gemäß den vorstehend angegebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung,
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11 eine schematische Längsschnittansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels des Laseroszillators der Laser-Zündvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, und
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12 eine schematische Längsschnittansicht eines weiteren modifizierten Ausführungsbeispiels des Laseroszillators der Laser-Zündvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Eine Laser-Zündvorrichtung 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 beschrieben.
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Die Laser-Zündvorrichtung 100 ist an einem Teil eines Maschinenzylinderkopfs 200 in der Nähe einer Brennkammer 201 angeordnet, wie es in 1 gezeigt ist. Bezugszeichen 205, 206, 207, 208 und 209 bezeichnen jeweils einen Ansaugkrümmer, ein Luft-Brennstoffgemisch, einen Brennstoffinjektor (Brennstoffeinspritzeinrichtung) und einen Kolben. Die Laser-Zündvorrichtung 100 umfasst einen Laseroszillator 10, der einen Laserstrahl L1 bereitstellt, eine elektrische Leistungsquelle 20 (Leistungsversorgungseinrichtung), eine elektronische Steuerungseinheit ECU 30 zum Steuern des dem Laseroszillator 10 zugeführten Stroms, sowie verschiedene Sensoren 31 bis 36 zur Erfassung der Maschinenbedingungen.
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Gemäß der Darstellung in den 1, 2 und 10 umfasst der Laseroszillator 10 eine Lasereinheit 11, eine Laserdiode (Stimulationspumpquelle) 12 und einen Lichtresonator 13. Die Laserdiode 12 und der Lichtresonator 13 sind in einem Lasereinheitgehäuse 11 angeordnet. Der Laseroszillator 10 umfasst ebenfalls verschiedene optische Elemente zum Ausrichten und Leiten des Laserstrahls L1 zu der Brennkammer 201, wie einen Strahlexpander und eine Linse zum Fokussieren des Laserstrahls L1 auf einen Brennpunkt 202. Das Lasereinheitgehäuse 11 besteht aus einem Harz, aus Metall oder Keramik und weist eine hohle zylindrische Form auf, so dass die Laserdiode 12 und der Lichtresonator 13 darin gehalten bzw. angeordnet werden können. Der Laseroszillator 10 ist in eine in dem Zylinderkopf 200 bezüglich jeder Brennkammer 201 angeordnete Öffnung 204 eingesetzt und mittels eines Schraubgewindes an dem Zylinderkopf 200 befestigt.
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Die Laserdiode 12 erzeugt ein Pumplicht 14, wenn ein Zündsignal von der elektronischen Steuerungseinheit ECU 30 gesendet und ferner durch die Leistungsquelle 20 dem Laseroszillator 10 ein Strom zugeführt wird. Der Lichtresonator 13 erzeugt einen Laserstrahl L1, wenn ein Pumpen vorliegt.
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Die Leistungsquelle 20 ist eine Ansteuerungsschaltung, die auf einer Schaltungsplatine angeordnet ist. Die Leistungsquelle 20 wird durch die elektronische Steuerungseinheit ECU 30 gesteuert zum Ansteuern der Laserdiode 12. Mit anderen Worten, die elektronische Steuerungseinheit ECU 30 sendet ein Zündsignal zu der Leistungsquelle 20 zum Zuführen eines Stroms zu dem Laseroszillator 10. Der dem Laseroszillator 10 zugeführte Stromwert wird in Abhängigkeit von einer Maschinenbedingung (Maschinenbetriebsbedingung) wie eines Drucks in der Maschinenbrennkammer 201 gesteuert.
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Die Laserdiode 12 besteht aus einer Laserdiode oder einer Blitzlampe. Der Lichtresonator 13 ist in einem hohlen Teil des Einheitgehäuses 11 unter der Laserdiode 12 angeordnet. Der Lichtresonator 13 besteht aus einem Lasermedium 15, wie einem Medium aus Nd:YAG-Kristall, und einem sättigbaren Absorber 16, wie einem Absorber bestehend aus Cr:YAG-Kristall, die in dem Resonanzlichtpfad angeordnet sind, sowie einem an dem Ende gegenüber dem Lichteintrittsende desselben angeordneten Spiegel 17. Diese Einheiten sind an geeigneten Stellen angeordnet zum Sicherstellen eines Parallelismus, wobei dies mittels einer Parallelismus-Anpassungseinrichtung angepasst wird. Das Lasermedium 15 umfasst eine Totalreflexionsbeschichtung 19 bei dem Lichteintrittsende desselben. Die Totalreflexionsbeschichtung 19 bewirkt eine Resonanz des Lichts zusammen mit dem Spiegel 17. Das Lasermedium 15 gibt Licht ab, wenn ein Pumpen durch das Pumplicht der Laserdiode 12 vorliegt. Beispielsweise gibt die Laserdiode 12 ein Pumplicht von etwa 810 nm zum Stimulieren des Neodym-Ions (Nd-Ion) ab, das in dem Nd:YAG-Kristall-Laseqrmedium vorgesehen ist.
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Der sättigbare Absorber 16 dient als ein passives Q-Schaltelement (Güte-Schaltelement). Der sättigbare Absorber 16 absorbiert eine um so geringere Menge einfallenden Lichts, wenn die Leistung des einfallenden Lichts größer wird. Mit anderen Worten, der sättigbare Absorber 16 absorbiert ein einfallendes Licht, wenn die Leistung des einfallenden Lichts nicht höher als ein Schwellenwert der Übersättigung ist, und wird gesättigt und transparent, falls die Leistung des einfallenden Lichts höher als der Schwellenwert wird. Der Lichtresonator 13 resoniert das Licht, das den sättigbaren Absorber 16 durchlaufen hat, wenn der sättigbare Absorber 16 transparent ist, und gibt von dem sättigbaren Absorber 16 einen Laserstrahl L1 ab, der Teil des resonierten Lichts ist.
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Wenn der Wert des der Leistungsquelle 20 zugeführten Stroms ansteigt, gibt der Laseroszillator 10 mehrfache Laserstrahlen aus, wie es nachstehend noch beschrieben wird.
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Ein Teil des Lichts, das das Lasermedium 15 durchlaufen hat, durchläuft den Spiegel 17, während der Rest des Lichts mittels des Spiegels 17 reflektiert wird.
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Die Sensoren 31 bis 36 erfassen unterschiedliche Maschinenbetriebsbedingungen: Ein Drucksensor 31 erfasst einen Druck in der Brennkammer 201; ein Drosselventilsensor 32 (Drosselklappensensor) misst die Drosselöffnung; ein Ansaugluftsensor 33 misst die Ansaugluftmenge der Maschine; ein Ansaugdrucksensor 34 misst den Druck in dem Ansaugkrümmer; ein EGR-Sensor 35 misst die EGR-Rate (Abgasrückführungsrate, EGR: exhaust gas recirculation); und ein Ansauglufttemperatursensor 36 misst die Temperatur der Ansaugluft der Maschine. Die elektronische Steuerungseinheit ECU 30 steuert die Leistungsquelle 20 in Abhängigkeit von einer Maschinenbedingung oder einigen der Maschinenbedingungen zur Steuerung der Leistung des Laserstrahls L1, der in dem Luft-Brennstoffgemisch 207 in der Brennkammer 201 fokussiert wird. Die elektronische Steuereinheit ECU 30 steuert ebenfalls auf der Basis der Signale der unterschiedlichen Sensoren 32 bis 36 die einzuspritzende Brennstoffmenge, die Position des Brennpunkts 203 und die Leistung des Laserstrahls L1, und stellt ein Einspritzsignal und ein Zündsignal bereit.
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Sendet die elektronische Steuerungseinheit ECU 30 das Einspritzsignal zu dem Injektor 208 (Einspritzeinrichtung), dann bewirkt der Injektor 208 eine Brennstoffeinspritzung in die Brennkammer 201 zur Bildung des Luft-Brennstoffgemischs 207. Gleichzeitig sendet die elektronische Steuerungseinheit ECU 30 ein Zündsignal und Druckdaten zu der Leistungsquelle 20, die einen durch die elektronische Steuerungseinheit ECU 30 berechneten elektrischen Stromwert dem Laseroszillator 10 zuführt.
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In dem Laseroszillator 10 wird das Pumplicht 14 von der Laserdiode 12 ausgesendet. Das Pumplicht durchläuft das Lasermedium 15 und den sättigbaren Absorber 16. Das Pumplicht wird wiederholt mittels des Spiegels 17 und der Beschichtung reflektiert, die jeweils an einander gegenüberliegenden Enden des Lichtresonators 13 angeordnet sind, zum Vergrößern der Ausgangsleistung desselben. Ist die Leistung des Pumplichts kleiner als ein Schwellenwert, dann ist der sättigbare Absorber lichtundurchlässig, so dass der Q-Wert (Güte-Wert) für den Lichtresonator 13 zu klein für eine Laseroszillation ist. Steigt die Leistung des Pumplichts allmählich an, dann wird das Lasermedium 15 stärker stimuliert. Erreicht die Leistung des Pumplichts einen Schwellenwert, dann wird die Absorption des sättigbaren Absorbers 16 plötzlich vermindert und dieser wird transparent, so dass der Q-Wert des Lichtresonators 13 ansteigt. In der Folge tritt eine Laseroszillation auf, und es wird der pulsierende Laserstrahl L1 von dem Lichtresonator 13 emittiert bzw. abgegeben. Der Laserstrahl L1 wird zu dem Brennpunkt 203 in der Brennkammer 201 zum Zünden des Luft-Brennstoffgemisches 207 geführt, wie es in 1 gezeigt ist.
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Der Laseroszillator 10 gibt mehrfache Strahlen aus, wenn die Größe bzw. der Wert des zugeführten Stroms gemäß der Darstellung in 3 einen Schwellenwert erreicht. Die Ausgangsenergie, die Anzahl der Laserstrahlen und die Periode, in der die Laserstrahlen ausgegeben werden, vergrößert sich schrittweise, wenn der Wert des dem Laseroszillator 10 zugeführten Stroms ansteigt.
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Der Wert des dem Laseroszillator 10 zugeführten Stroms wird mittels der elektronischen Steuerungseinheit ECU 30 in Abhängigkeit von dem Druck in der Brennkammer 201 gesteuert. Es wurde ermittelt, dass der Wert des dem Laseroszillator 10 zugeführten Stroms zum Zünden des Luft-Brennstoffgemisches 207 vermindert wird, wenn der Druck in der Brennkammer 201 ansteigt, wie es in 4 gezeigt ist.
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Der dem Laseroszillator 10 zugeführte elektrische Strom beginnt, wenn das pulsförmige Zündsignal mit seiner vorderen Flanke abfällt. Ist eine Maschinenbelastung größer und ist der Druck in der Brennkammer 201 höher, dann ist die Leistung des Laserstrahls, die zum Zünden des Luft-Brennstoffgemisches 207 erforderlich ist, niedriger, wie es in 5A gezeigt ist (Einzelstrahlzündung). Andererseits ist die zum Zünden des Luft-Brennstoffgemisches 207 erforderliche Leistung des Laserstrahls so groß, dass mehrfache Laserstrahlen erforderlich sind, wenn die Maschinenbelastung kleiner ist, wie es in 5B gezeigt ist (Mehrfachstrahlzündung). Die mehrfachen Laserstrahlen oder die Mehrfachstrahlzündung können vollständig das Luft-Brennstoffgemisch 207 zünden, auch wenn die Dichte des Luft-Brennstoffgemischs bei dem Brennpunkt 203 nicht einheitlich ist.
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Bekanntermaßen wird die der Brennkraftmaschine zugeführte Brennstoffmenge vergrößert, wenn die Maschine gestartet wird. Somit kann ein unverbranntes Luft-Brennstoffgemisch oder können verbleibende Gase in der Brennkammer zurückbleiben, falls die Laserstrahlzündung einmal je Maschinenzyklus durchgeführt wird.
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Zur Verbesserung dieses Problems wird eine ergänzende (zusätzliche) Mehrfachstrahlzündung in dem Arbeitstakt (Expansionstakt) des Maschinenzyklus durchgeführt, wie es in 6 gezeigt ist. Diese erganzende Mehrfachstrahlzündung ist wirksam zum Verbrennen von Kohlenstoff und verbleibenden Gasen in der Brennkammer und zum Vergrößern der Temperatur des Abgases zum Aktivieren eines katalytischen Umsetzers. Da der Druck in der Brennkammer im Arbeitstakt vermindert wird, ist die Mehrfachstrahlzündung mit einer höheren Ausgangsleistung wirksamer.
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Eine Laser-Zündvorrichtung 110 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 7, 8 und 9 beschrieben.
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Insbesondere bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie beim ersten Ausführungsbeispiel gleiche oder gleichartige Teile, Einrichtungen oder Komponenten wie beim ersten Ausführungsbeispiel auch im folgenden.
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Die Laser-Zündvorrichtung 110 umfasst eine Anordnung zur Erfassung der Luft-Brennstoffgemischdichte. Diese Anordnung besteht aus einem Beobachtungsfenster 40, einem Bandpassfilter 41 und einem Fotodetektor 42. Das Beobachtungsfenster 40 ist in einem Bereich des Maschinenzylinderkopfs 200 angeordnet, bei dem der Brennpunkt 203 beobachtet werden kann, und ist durch eine transparente Glasplatte geschlossen. Das Bandpassfilter 41 und der Fotodetektor 42 sind in dem Fenster gemäß der Darstellung in 7 angeordnet. Die vorstehende Gemischdichteerfassungseinrichtung kann mit dem Laseroszillator 10 integriert werden und in dem Gehäuse 11 desselben angeordnet sein. In diesem Fall ist keine derartige Glasplatte erforderlich.
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Der Laseroszillator 11 gibt vor der Ausgabe des Zündlaserstrahls L1 einen Test- bzw. einen Prüflaserstrahl aus, dessen Leistung kleiner als diejenige des Zündlaserstrahls L1 ist. Gemäß der Darstellung in 8 wird der Prüflaserstrahl auf den Brennpunkt 203 gemäß S110 fokussiert, und erfasst der Fotodetektor 42 die Intensität des gestreuten Lichts, das von dem Brennpunkt 203 kommt bzw. ausgeht, durch das Beobachtungsfenster 40 und das Bandpassfilter 41 gemäß S120. Sodann wird das Ausgangssignal des Fotodetektors 42 zu der elektronischen Steuerungseinheit ECU 30 als Daten der Luft-Brennstoffgemischdichte gesendet zur Bestimmung der Luft-Brennstoffgemischdichte bei S130, da sich die Intensität des gestreuten Lichts mit einer Änderung der Dichte des Luft-Brennstoffgemischs ändert. Die elektronische Steuerungseinheit ECU 30 bestimmt gemäß S140 die Größe bzw. den Wert des dem Laseroszillator 10 zuzuführenden elektrischen Stroms. Die Leistung des zum Zünden des Luft-Brennstoffgemischs 207 erforderlichen Lasers und die Luft-Brennstoffgemischdichte weisen eine Beziehung auf, die gleichartig ist zu der Beziehung zwischen der zum Zünden des Luft-Brennstoffgemischs 207 erforderlichen Leistung des Lasers und des Drucks in der Brennkammer gemäß der Darstellung in 4. Mit anderen Worten, der Wert des dem Laseroszillator 10 zuzuführenden Stroms zum Zünden des Luft-Brennstoffgemischs 207 vergrößert sich, wenn die Dichte des Luft-Brennstoffgemischs 207 abnimmt.
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Ist das Ausgangssignal des Fotodetektors 42 vergleichsweise klein, wie es in 9A gezeigt ist, dann ist die Dichte des Luft-Brennstoffgemischs hoch, sodass ein Strom mit einem kleineren Wert dem Laseroszillator 10 zugeführt wird. Andererseits ist die Dichte des Luft-Brennstoffgemischs niedrig, wenn das Ausgangssignal des Fotodetektors 42 klein ist, sodass gemäß der Darstellung in 9B ein Strom mit einem großen Wert dem Laseroszillator 10 zugeführt wird. Da das Bandpassfilter 41 lediglich Licht derselben Wellenlänge wie diejenige des Laserstrahls durchlasst, kann Licht mit einer anderen Wellenlänge und kann ein Rauschen aus den Daten beseitigt werden. Das Bandpassfilter 41 schützt ebenfalls den Fotodetektor 42 vor einer übergroßen Lichtmenge.
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Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele des Laseroszillators 10 werden nachstehend unter Bezugnahme auf die 10 und 11 beschrieben.
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Eine Lichtreflexionsbeschichtung 20 kann an dem anderen Ende des Lasermediums 15 gegenüber dem Lichteintrittsende gemäß der Darstellung in 10 vorgesehen sein. Die Lichtreflexionsbeschichtung 20 bewirkt, dass ein Pumplicht erneut in das Lasermedium 15 eintritt und die Intensität des Pumplichts ohne zusätzliche Leistung vergrößert.
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Das Lasermedium 15, der sättigbare Absorber 16 und der Spiegel 17 sind linienförmig dicht zueinander angeordnet, wie es in 11 gezeigt ist, um auf diese Weise die Länge des Laserresonators 13 zu vermindern.
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Der Spiegel 17 wird durch eine Reflexionsbeschichtung 21 ersetzt, die an dem Ende des sättigbaren Absorbers 16 gegenüber dem Lichteintrittsende vorgesehen ist, wie es in 12 gezeigt ist. Auf diese Weise wird die Länge des Laserresonators 13 vermindert.
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Falls das Lasermedium 15 und der sättigbare Absorber 16 jeweils aus Nd:YAG und Cr:YAG gebildet werden, sind die folgenden Beschichtungen bevorzugt:
Eine Beschichtung, die 99% eines Lichts mit der Wellenlänge von 1064 nm reflektiert und eine Beschichtung zum Durchlassen von 95% des Pumplichts mit der Wellenlänge von 808 nm werden an dem Lichteintrittsende des Lasermediums 15 durch Beschichtung aufgebracht,
eine Beschichtung zum Reflektieren von 95% des Pumplichts mit einer Wellenlänge von 808 nm und einer Beschichtung zum Durchlassen von 95% des Lichts mit einer Wellenlänge von 1064 nm sind an dem Ende des Lasermediums 15 gegenüber dem Lichteintrittsende beschichtet,
die Konzentration des Chroms und die Dicke des sättigbaren Absorbers werden angepasst, um eine vorbestimmte Durchlässigkeit von 20 bis 50% mit einer Wellenlänge von 1064 nm zu erreichen, und
eine Beschichtung zum Reflektieren von 50 bis 70% des Lichts mit einer Wellenlänge von 1064 nm wird auf den Spiegel 17 aufgebracht.
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Auf diese Weise kann die Länge des Lasermediums 15 auf die Hälfte im Vergleich zu der Anordnung ohne die Beschichtungen vermindert werden, sodass die Pulsdauer des Laserstrahls auf 2 ns oder kleiner vermindert werden kann.
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In der vorstehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde die Erfindung in Verbindung mit speziellen Ausführungsbeispielen derselben beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, dass unterschiedliche Abwandlungen und Änderungen der speziellen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden können, ohne von dem Bereich der Erfindung gemäß den zugehörigen Patentansprüchen abzuweichen.
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Somit umfasst eine Laser-Zündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine einen Laseroszillator 10, der in der Brennkraftmaschine angeordnet ist, zum Fokussieren seines Laserstrahls auf ein einer Brennkammer 201 zugeführtes Luft-Brennstoffgemisch, einen Druckssensor zur Erfassung des Drucks in der Brennkammer 201, eine Leistungsquelle 20 für den Laseroszillator 10 und eine Steuerungseinheit 30 zum Steuern der Leistungsquelle 20 zum Versorgen des Laseroszillators 10 mit einem Strom, dessen Wert in Abhängigkeit von dem Druck in der Brennkammer 201 veränderlich ist. Die Leistung des Laserstrahls 10 vergrößert sich, wenn der Druck in der Brennkammer 201 vermindert wird, zum vollständigen Zünden des Luft-Brennstoffgemischs.
