DE102006024679A1

DE102006024679A1 - Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006024679A1
Application number: DE102006024679A
Authority: DE
Inventors: Manfred Vogel; Werner Herden; Heiko Ridderbusch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2007-11-29
Also published as: EP2029888A1; US20100000486A1; WO2007137914A1; JP2009538402A

Abstract

Eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfasst mindestens eine Pumplichtquelle, welche ein Pumplicht (60, 64) bereitstellt. Ferner ist eine Lasereinrichtung (26) vorgesehen, von der ein Laserlicht (24) zur Abstrahlung in einen Brennraum erzeugt werden kann. Eine Lichtleitereinrichtung (28) überträgt das Pumplicht (60, 64) von der Pumplichtquelle zur Lasereinrichtung (26). Es wird vorgeschlagen, dass die Lasereinrichtung (26) mindestens eine Brechungseinrichtung (40), beispielsweise eine Linse, umfasst, welche das Pumplicht (64) bricht und mit ihr einstückig ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der WO 02/081904 ist bereits eine gattungsgemäße Zündeinrichtung bekannt. Diese ist als Laser-Zündeinrichtung ausgebildet und an einem Zylinder einer Brennkraftmaschine angeordnet. Die eigentliche Lasereinrichtung ist über eine durch eine Glasfaser gebildete Lichtleitereinrichtung mit einer Pumplichtquelle verbunden, welche die Lasereinrichtung optisch pumpt.
Offenbarung der Erfindung
Technische Aufgabe
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Zündeinrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie möglichst preiswert in Großserie eingesetzt werden kann.
Technische Lösung
Die gestellte Aufgabe wird durch eine Zündeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Wichtige erfindungsgemäße Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, wobei die Merkmale auch in ganz unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wesentlich sein können, ohne dass hierauf explizit hingewiesen wird.
Vorteilhafte Wirkungen
Die erfindungsgemäß vorgesehene Brechungseinrichtung kann sehr preiswert, beispielsweise als Spritzgussteil, hergestellt werden. Eine aufwändige Oberflächenbearbeitung, wie sie beispielsweise bei einer Reflektoreinrichtung erforderlich wäre, kann entfallen. Daher werden die Herstellungskosten für die erfindungsgemäße Zündeinrichtung reduziert. Die einstückige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brechungseinrichtung mit der Lasereinrichtung führt darüber hinaus zu einer einfacheren Handhabung beim Einbau der Zündeinrichtung in die Brennkraftmaschine, da die für den Betrieb der Zündeinrichtung wichtige Lage der Brechungseinrichtung innerhalb der Lasereinrichtung trotz der äußeren Belastungen nicht verändert, sondern zuverlässig und präzise sichergestellt ist. Außerdem müssen weniger separate Teile gehandhabt werden, was ebenfalls Montagekosten und -zeiten reduziert.
Eine erste vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Lasereinrichtung einen laseraktiven Festkörper und die Brechungseinrichtung eine Linse umfasst, die an der Einkoppelseite des laseraktiven Festkörpers angeordnet ist. Das von der Brechungseinrichtung gebrochene Pumplicht kann damit sehr gut vor allem transversal in den laseraktiven Festkörper eingekoppelt werden. Es versteht sich, dass dann, wenn die Linse an der Einkoppelseite des laseraktiven Festkörpers direkt befestigt ist, der Befestigungsbereich an der Linse plan poliert ist, um eine Brechung des in den laseraktiven Festkörper longitudinal gelangenden Pumplichtes zu vermeiden.
Die Brechungseinrichtung kann aber auch eine Linse umfassen, die zwischen dem laseraktiven Festkörper und einem optischen Verstärker angeordnet ist. Damit wird der laseraktive Festkörper nur longitudinal oder zumindest weniger transversal gepumpt, wohingegen der optische Verstärker zumindest auch transversal gepumpt wird.
Die Brechungseinrichtung kann ferner eine Linse umfassen, die eine Öffnung aufweist und radial außerhalb des laseraktiven Festkörpers angeordnet ist. Dies hat vor allem dann, wenn seriell zum laseraktiven Festkörper ein optischer Verstärker vorgesehen ist, den Vorteil, dass das vom laseraktiven Festkörper zum Verstärker übertragene Laserlicht durch die Linse nicht absorbiert wird, also der Wirkungsgrad der gesamten Zündeinrichtung vergleichsweise hoch ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung sieht vor, dass eine Reflektionseinrichtung vorgesehen ist, welche von der Brechungseinrichtung gebrochenes Pumplicht zum laseraktiven Festkörper und/oder zum optischen Verstärker hin reflektiert. Damit werden die Freiheitsgrade bei der Auslegung der Zündeinrichtung erhöht. Insbesondere wird hierdurch ermöglicht, dass von der Brechungseinrichtung gebrochenes Licht für ein longitudinales Pumpen des laseraktiven Festkörpers und/oder des optischen Verstärkers verwendet werden kann.
Eine vergleichsweise "schlanke" Zündeinrichtung wird geschaffen, wenn die Reflektionseinrichtung zum laseraktiven Festkörper und/oder zum optischen Verstärker koaxial angeordnet und für Laserlicht wenigstens im Wesentlichen transparent ist. Der Wirkungsgrad wird nochmals verbessert, wenn die Reflektionseinrichtung zum laseraktiven Festkörper und/oder zum optischen Verstärker koaxial ist und eine Öffnung aufweist, durch die das Laserlicht hindurchtreten kann, denn in diesem Fall wird eine Absorption des Laserlichts von der Reflektionseinrichtung vermieden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Lasereinrichtung, einschließlich laseraktivem Festkörper, Einkoppelspiegel, Auskoppelspiegel, Q-Switch, Verstärker und die Linse insgesamt einstückig sind, am besten ein monolithisches Teil bilden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Zündeinrichtung;
2 eine schematische Darstellung der Zündeinrichtung von 1;
3 – 8 verschiedene Ausführungsformen der Zündeinrichtung von 2.
Ausführungsformen der Erfindung
Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in 1 nur einer dargestellt und mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 12 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18, der an einen Kraftstoff-Druckspeicher ("Rail") 20 angeschlossen ist.
In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels eines Laserstrahls beziehungsweise Laserimpulses 24 entzündet, der von einer eine Lasereinrichtung 26 umfassenden Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird die Lasereinrichtung 26 über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit einem Pumplicht gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 32 gesteuert, die auch den Injektor 18 ansteuert.
Wie aus 2 hervorgeht, speist die Pumplichtquelle 30 mehrer Lichtleitereinrichtungen 28 für verschiedene Lasereinrichtungen 26. Hierzu verfügt sie über mehrere Einzel-Lichtquellen 34, die mit einer Pulsstromversorgung 36 verbunden sind.
Die Lasereinrichtung 26 umfasst ein Gehäuse 38, in dem, in Richtung des Pumplichts gesehen, zunächst eine eine Brechungseinrichtung bildende Linse 40, dann ein Einkoppelspiegel 42, weiter ein laseraktiver Festkörper 44, ein passiver Q-Switch 46 und ein Auskoppelspiegel 48 angeordnet sind. Die Elemente 40 – 48 sind als insgesamt einstückig beziehungsweise monolithisches Teil 50 ausgebildet. In 2 links vom Auskoppelspiegel 48 ist eine Fokussierungsoptik 52 vorhanden, durch die der Laserstrahl 24 auf einen gewünschten Punkt 54 fokussiert wird. Ferner weist die Lasereinrichtung 26 ein Brennraumfenster 56 auf, welches das Gehäuse 38 druckdicht gegenüber dem Brennraum 14 abdichtet.
Wesentliche optische Komponenten der Lasereinrichtung 26 sind in 3 stärker im Detail dargestellt, wobei die Seiten gegenüber 2 vertauscht sind. Man erkennt, dass der Außendurchmesser der Linse 40 deutlich größer ist als der Außendurchmesser des laseraktiven Festkörpers 44. Die Linse 40 ist mit dem Einkoppelspiegel 42 fest verbunden, beispielsweise angesprengt oder gebondet. Hierdurch wird eine insgesamt einstückige monolithische Einheit 50 geschaffen, zu der auch die Linse 40 gehört.
Die mit dem Einkoppelspiegel 42 verbundene Grenzfläche (Bezugszeichen 58 in 3) ist plan poliert oder geschliffen mit einer Flächenebenheit < Lambda/4 (Lambda = Wellenlänge), so dass die aus der Linse 40 in den Einkoppelspiegel 42 und weiter in den laseraktiven Festkörper 44 eingeleiteten Pumplichtstrahlen (Bezugszeichen 60 in 3) im Wesentlichen ohne weitere Brechung in den laseraktiven Festkörper 44 gelangen. Als Variante könnte auch ein zentrales Loch in der Linse 40 vorgesehen sein. Man erkennt aus 3, dass der laseraktive Festkörper 44 zum einen longitudinal mit Pumplicht 60 gepumpt wird, welches in einem zentralen Bereich 62 der Linse 40 weitgehend ohne Brechung hindurchtritt, und dass der laseraktive Festkörper 44 zum anderen transversal durch Pumplicht 64 gepumpt wird, welches in einem radial äußeren Randbereich 66 der Linse 40 zum laseraktiven Festkörper 44 hin gebrochen wird.
Weitere Ausführungsformen der optischen Komponenten der Lasereinrichtung 26 sind in den nachfolgenden 4 – 8 stärker im Detail gezeigt. Dabei gilt hier wie nachfolgend, dass solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu Elementen und Bereichen einer vorab beschriebenen Ausführungsform aufweisen, die gleichen Bezugszeichen tragen und nicht nochmals im Detail erläutert sind.
Die in 4 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von jener, die in 3 gezeigt ist, dadurch, dass sie zusätzlich einen optischen Verstärker 68 aufweist, der an den Auskoppelspiegel 48 einstückig angeformt ist. Der optische Verstärker 68 wird zum einen von Pumplicht 60 longitudinal gepumpt, welches vom laseraktiven Festkörper 44 nicht absorbiert wurde. Zusätzlich wird er jedoch transversal gepumpt von Pumplicht 70, welches in einem radial ganz außen liegenden Randbereich 72 der Linse 40 zum optischen Verstärker 68 hin gebrochen wird. Durch eine entsprechende Auslegung der Linse 40 kann bei dieser Ausführungsform das Verhältnis des Pumplichts 60 und 64, welches in den laseraktiven Festkörper 44 eingekoppelt wird, zu dem Pumplicht 70, welches in den Verstärker 68 eingekoppelt wird, auf einfache Art und Weise eingestellt werden.
Die in 5 dargestellte Ausführungsform der wesentlichen optischen Komponenten der Lasereinrichtung 26 unterscheidet sich wiederum von jener der 4 dadurch, dass die Linse 40 zwischen einerseits dem laseraktiven Festkörper 44 mit dem Einkoppelspiegel 42, dem Q-Switch 46 und dem Auskoppelspiegel 48 und andererseits dem Verstärker 68 angeordnet ist. Im laseraktiven Festkörper 44 erzeugtes Laserlicht 24a tritt also durch die Linse 40 hindurch, um zum Verstärker 68 zu gelangen. Der laseraktive Festkörper 44 wird ferner ausschließlich longitudinal durch aus der Lichtleitereinrichtung 28 austretendes Pumplicht 60 gepumpt, die Linse 40 dient also ausschließlich dazu, Pumplicht 70 im radial äußeren Randbereich 72 zum optischen Verstärker 68 hin zu brechen und diesen auf diese Weise transversal zu pumpen.
Auch hier wird wieder ein insgesamt einstückiges oder monolithisches Teil 50 geschaffen, indem der Auskoppelspiegel 48 auf der einen Seite der Linse 40 und der optische Verstärker 68 auf der anderen Seite der Linse 40 an diese einstückig angeformt, beispielsweise angesprengt oder gebondet sind. Hierzu sind wiederum die entsprechenden Kontaktflächen 58a und 58b an der Linse 40 plan poliert oder geschliffen, so dass das aus dem Auskoppelspiegel 48 ausgekoppelte Laserlicht 24a ungebrochen in den optischen Verstärker 68 gelangt. Auch bei dieser Ausführungsform können die optischen Verhältnisse durch die Dimensionierung der einzelnen Teile auf einfache Art und Weise und sehr präzise eingestellt werden.
Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform ist, ähnlich wie bei jener von 4, der optische Verstärker 68 direkt am Auskoppelspiegel 48 am laseraktiven Festkörper 44 angeordnet. Die Linse 40 weist eine zentrale Öffnung 74 auf, in die die aus laseraktivem Festkörper 44 und optischem Verstärker 68 bestehende Einheit eingeschoben ist. Auch hier kann wieder eine insgesamt einstückige Einheit 50 geschaffen werden, indem das aus laseraktivem Festkörper 44 und optischem Verstärker 68 bestehende einstückige Teil 50 mit der Linse 40 verkittet oder verklebt wird. Die in 6 gezeigte Ausführungsform zeichnet sich gegenüber 5 durch einen erhöhten Wirkungsgrad aus, da das vom laseraktiven Festkörper 44 produzierte Laserlicht direkt in den optischen Verstärker 68 gelangt und nicht durch die Linse 40 hindurchtreten muss.
Die in 7 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich aufgebaut wie jene von 6. Sie umfasst jedoch zusätzlich eine Reflektionseinrichtung 76, die in 7 rechts vom optischen Verstärker 68 in der Achse des aus diesem austretenden Laserlichtstrahls 24 angeordnet ist. Die Reflektionseinrichtung 76 ist für das Laserlicht 24 wenigstens im Wesentlichen transparent, für von der Linse 40 gebrochenes Pumplicht 80 jedoch im Wesentlichen reflektierend. Die Linse 40 ist so ausgestaltet, dass sie das Pumplicht 80 nicht oder zumindest nicht nur transversal zum optischen Verstärker 68 bricht, sondern zur Reflektionseinrichtung 76, welche das Pumplicht 80 longitudinal in den optischen Verstärker 68 pumpt. Es versteht sich, dass die in 7 gezeigte grundsätzliche Anordnung auch mit jenen der 4 und 5 kombiniert werden könnte.
Die in 8 gezeigte Ausführungsform einer Lasereinrichtung 26 basiert wiederum auf jener der 7. Einziger Unterschied ist, dass die Reflektionseinrichtung 76 der Ausführungsform von 8 eine zentrale Öffnung 78 aufweist, durch die das vom optischen Verstärker 68 abgestrahlte Laserlicht 24 hindurchtreten kann. Dies hat den Vorteil, dass die Reflektionseinrichtung 76 mit besserem Wirkungsgrad, also höherer Reflektion ausgestattet werden kann und gleichzeitig eine Restabsorption von Laserlicht 24 in der Reflektionseinrichtung 76 ausgeschlossen wird.
Der Reflektor (ohne Bezugszeichen) der Reflektionseinrichtungen 76 der 7 und 8 ist eben. Er könnte aber auch gekrümmt sein, so dass die Reflektionseinrichtungen 76 auch eine Fokussierungsfunktion hätten.

Claims

Zündeinrichtung (27) für eine Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit mindestens einer Pumplichtquelle (30), welche ein Pumplicht (60, 64, 70, 80) bereitstellen kann, mit einer Lasereinrichtung (26), von der ein Laserlicht (24) zur Abstrahlung in einen Brennraum erzeugt werden kann, und mit einer Lichtleitereinrichtung (28), welche das Pumplicht (60, 64, 70, 80) von der Pumplichtquelle (30) zur Lasereinrichtung (26) überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (26) mindestens eine Brechungseinrichtung (40) umfasst, welche mindestens einen Teil des Pumplichts (64, 70, 80) bricht und mit ihr einstückig ist.
Zündeinrichtung (27) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (26) einen laseraktiven Festkörper (44) und die Brechungseinrichtung eine Linse (40) umfasst, die an der Einkoppelseite (42) des laseraktiven Festkörpers (44) angeordnet ist.
Zündeinrichtung (27) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungseinrichtung eine Linse (40) umfasst, die zwischen dem laseraktiven Festkörper (44) und einem optischen Verstärker (68) angeordnet ist.
Zündeinrichtung (27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungseinrichtung eine Linse (40) umfasst, die radial außerhalb des laseraktiven Festkörpers (44) und/oder des Verstärkers (68) angeordnet ist.
Zündeinrichtung (27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungseinrichtung (40) das Pumplicht (64) so zum laseraktiven Festkörper (44) hin bricht, dass dieser zumindest auch transversal gepumpt wird.
Zündeinrichtung (27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (40) das Pumplicht (70) so zu einem optischen Verstärker (68) hin bricht, dass dieser zumindest auch transversal gepumpt wird.
Zündeinrichtung (27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (26) eine Reflektionseinrichtung (76) umfasst, welche von der Brechungseinrichtung (40) gebrochenes Pumplicht (80) zum laseraktiven Festkörper und/oder zum optischen Verstärker (68) hin reflektiert.
Zündeinrichtung (27) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionseinrichtung (76) zum laseraktiven Festkörper (44) und/oder zum optischen Verstärker (68) koaxial angeordnet und für Laserlicht (24) wenigstens im Wesentlichen transparent ist.
Zündeinrichtung (27) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionseinrichtung (76) zum laseraktiven Festkörper (44) und/oder zum optischen Verstärker (68) koaxial angeordnet und eine Öffnung (78) aufweist, durch die das Laserlicht (24) hindurchtreten kann.
Zündeinrichtung (27) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionseinrichtung (76) das Pumplicht (80) so reflektiert, dass der laseraktive Festkörper und/oder der optische Verstärker (68) zumindest auch longitudinal gepumpt werden.
Zündeinrichtung (27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (26) ein insgesamt einstückiges Teil bildet.
Zündeinrichtung (27) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (40) ein Spritzgussteil ist.