DE102007033809A1

DE102007033809A1 - Laserzündanlage

Info

Publication number: DE102007033809A1
Application number: DE102007033809A
Authority: DE
Inventors: Andy David Scarisbrick; Roy Clissold
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2006-08-22
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2027-07-20
Also published as: GB0616636D0; GB2441145B; DE102007033809B4; GB2441145A

Abstract

Es wird eine Laserzündanlage für einen Verbrennungsmotor beschrieben, die einen zu einem Motorbrennraum führenden Lichtleiter 22 umfasst. Der Lichtleiter 22 wird zum Einleiten eines Laserlichtimpulses in den Brennraum zum Zünden der Füllung genutzt. Zusätzlich leitet der Lichtleiter Laserlichtimpulse in den Brennraum, die von dem Kolben zurück zu einem Sensor 30 reflektiert werden, um das Ermitteln der Position und/oder der Geschwindigkeit des Kolbenbodens zu ermöglichen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserzündanlage.
Es wurde bereits vorgeschlagen, an Stelle einer herkömmlichen Zündkerze einen Laserlichtimpuls zum Zünden der Füllung in einem Verbrennungsmotor zu nutzen. Bisher wurden die Steuerzeiten des Laserimpulses mit Hilfe eines Positionsgebers bestimmt, der auf dem Prinzip des elektromagnetischen Detektierens eines fehlenden Zahns an einem sich synchron mit der Kurbelwelle drehenden Rad arbeitet.
Abgesehen von dem Problem zusätzlicher Kosten hat ein solcher herkömmlicher Geber den Nachteil, dass er mindestens eine volle Umdrehung des Motors benötigt, bevor er die Position des oberen Totpunkts nachprüfen kann.
Im Hinblick auf das Abschwächen dieser Nachteile gibt die vorliegende Erfindung eine Laserzündanlage für einen Verbrennungsmotor an die Hand, die einen zu einem Verbrennungsmotor führenden Lichtleiter, mit dem Lichtleiter verbundene erste Mittel zum Einleiten eines Laserlichtimpulses in den Brennraum, um die Füllung zu zünden, und mit dem Lichtleiter verbundene zweite Mittel zum zusätzlichen Einleiten von Laserlichtimpulsen, um das Ermitteln der Position und/oder der Geschwindigkeit des Kolbenbodens zu ermitteln, umfasst.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es bei einer Laserzündanlage möglich ist, auf einen herkömmlichen Positionsgeber zu verzichten und Lasermessung zum Ermitteln der Position der Kurbelwelle zu nutzen. Dieses Verfahren ermöglicht das Ermitteln der Position des Bodens des Kolbens mit größerer Genauigkeit und kann sogar bei stationärem Motor ausgeführt werden.
Da eine Laserquelle und der Lichtleiter in einer Laserzündanlage bereits vorhanden sind, kann die Erfindung umgesetzt werden, indem nur eine zusätzliche Verarbeitung genutzt wird.
Anlagen, die Laserlicht zum Messen von Position nutzen, sind natürlich bekannt und müssen innerhalb des vorliegenden Zusammenhangs nicht beschrieben werden. In US2008/083826 wird diese Technik auf das Messen der Position des Kolbens im Zylinder angewendet. Das beim Messen von Entfernung genutzte Prinzip beruht auf dem Messen der Zeit zwischen dem Moment der Übermittlung eines Impulses und dem Moment der Detektion seiner Reflektion.
Das von dem Kolbenboden reflektierte Laserlicht kann mit Hilfe des gleichen Lichtleiters, der zum Einleiten des Laserlichts in den Brennraum verwendet wird, detektiert werden, doch ist es alternativ möglich, einen zu einem Sensor führenden zweiten Lichtleiter einzusetzen. Die Verwendung eines zweiten Lichtleiters vermeidet die Notwendigkeit, einen Strahlteiler in den ersten Lichtleiter zu integrieren.
Die Verwendung von Laser im Zylinder zum Messen der Position des Kolbenbodens bietet den zusätzlichen Vorteil, dass sie die Position sowohl des unteren Totpunkts (UT) als auch des oberen Totpunkts (OT) des Kolbens ermitteln kann. Die Messung sowohl der UT- als auch OT-Positionen erlaubt es der Anlage, den Kurbelwinkel für alle Positionen des Kolbens zwischen diesen beiden Grenzwerten zu ermitteln. Weiterhin kann die Messung separat an jedem der Zylinder ausgeführt werden, um eine präzisere Steuerung der Zündzeiten zu ermöglichen.
Ein noch weiterer Vorteil bei der Verwendung von Laser im Zylinder ist, dass sie nicht nur die Position des Kolbenbodens, sondern auch dessen Bewegungsgeschwindigkeit messen kann. Dieses Messverfahren ist ebenfalls bekannt und beruht auf der Tatsache, dass in der Frequenz des reflektierten Lichts eine Dopplerverschiebung vorliegt. Wie JP8121230 lehrt, kann diese Information genutzt werden, um genau zu ermitteln, wann der Kolben die UT- und OT-Positionen erreicht. Eine solche präzise Ermittlung der Kolbengeschwindigkeit würde die Detektion von Fehlzündung und Detonation sowie die Berechnung der Verbrennungsgeschwindigkeit ermöglichen.
Nun wird die Erfindung weiter beispielhaft unter Bezug auf die Begleitzeichnung beschrieben, die ein schematisches Diagramm einer erfindungsgemäßen Laserzündanlage ist.
Die einzelne Figur in der Zeichnung zeigt einen Zylinder 10 mit einem Kolben 12, der durch eine Pleuelstange 14 mit einer (nicht dargestellten) Kurbelwelle verbunden ist. Der Brennraum über dem Kolben 12 weist ein Einlassventil 16, ein Auslassventil 18 und eine mittig zwischen den beiden Ventilen 16 und 18 angeordnete Linse 20 auf.
Die Linse 20 ist mittels eines Lichtleiters 22 mit einer Laserquelle 26 verbunden. Ein Strahlteiler 24 ist in dem Lichtleiter 28 angeordnet, um von dem Kolben reflektierte Strahlung zu einem weiteren Lichtleiter 28 umzulenken, der zu einem optischen Sensor 30 führt.
Eine Verarbeitungseinrichtung 32 empfängt Signale von dem Sensor 30 und betreibt die Laserquelle 26, um bezüglich des Umdrehungswinkels der Motorkurbelwelle korrekt zeitgesteuerte Zündimpulse zu erzeugen.
Der Motor arbeitet in gleicher Weise wie ein herkömmlicher fremdgezündeter Motor, außer dass ein Laserlichtimpuls zum Zünden der Füllung genutzt wird. Der Impuls wird durch die Laserquelle 26 erzeugt und mittels des Lichtleiters 22 zu dem Brennraum übertragen.
Zum Detektieren der Position der Motornockenwelle werden von der Laserquelle 26 Laserlichtimpulse geringerer Leistung erzeugt und durch den gleichen Lichtleiter 22 in den Brennraum übertragen. Das von dem Boden des Kolbens 12 reflektierte Licht läuft wieder den Lichtleiter 22 hinunter zum Strahlteiler 24, der zum Beispiel ein teilweise durchlässiger Spiegel sein kann. Das reflektierte Licht läuft durch den Lichtleiter 28 zu dem Sensor 30, wo dessen Ankunftszeitpunkt und Frequenz analysiert werden, um die Position und Geschwindigkeit des Kolbens 12 zu ermitteln. Diese Informationen werden zu der Verarbeitungseinrichtung 32 weitergeleitet, um es ihr zu ermöglichen, den Zeitpunkt der von der Laserquelle 26 erzeugten Zündimpulse mit der richtigen Position des Kolbens zusammenfallend festzulegen.
Abgesehen von dem Vorteil des Unnötigmachens eines herkömmlichen Positionsgebers gibt die Erfindung eine genauere Angabe zur Position des Kolbens an die Hand und kann weiterhin diese Angabe sogar zur Hand geben, bevor eine vollständige Umdrehung des Motors ausgeführt wurde. Dies trägt zur Beschleunigung des Startens bei, was wiederum Kohlenwasserstoffemissionen während des Motorstartens senkt.
Während es ausreichen sollte, die Position von nur einem der Kolben eines Mehrzylindermotors zu detektieren, ist es alternativ möglich, in allen Zylindern eine Laserpositionserfassung vorzusehen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Daten bezüglich der Geschwindigkeit und Position des Kolbens zum Erfassen von Detonation und Fehlzündung genutzt werden können.
Auch wenn die Erfindung unter Bezug auf eine Ausführung beschrieben wurde, die einen Strahlteiler zum Trennen des durchgelassenen Lichts vom reflektierten Licht einsetzt, wäre es auch möglich, einen zweiten Lichtleiter in dem Brennraum vorzusehen. In diesem Fall liefert der mit der Laserquelle 26 verbundene erste Lichtleiter sowohl die Zündimpulse als auch die zum Ermitteln der Kolbenposition und -geschwindigkeit genutzten Impulse, wogegen der zweite Lichtleiter direkt zu dem Sensor 30 führt, was einen vollständigen Verzicht auf den Strahlteiler 24 ermöglicht. Beide Lichtleiter können an einem gemeinsamen Konnektor angebracht werden, um in die Stelle zu passen, die normalerweise von einer Zündkerze des Motors eingenommen werden würde.

Claims

Laserzündanlage für einen Verbrennungsmotor mit einem zu einem Motorverbrennungsraum führenden Lichtleiter, mit dem Lichtleiter verbundenen ersten Mitteln zum Einleiten eines Laserlichtimpulses in den Brennraum, um die Füllung zu zünden, und mit dem Lichtleiter verbundenen zweiten Mitteln zum zusätzlichen Einleiten von Laserlichtimpulsen, um das Ermitteln der Position und/oder der Geschwindigkeit des Kolbenbodens zu ermöglichen.
Laserzündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter einen Strahlteiler umfasst und zusätzlich zum Leiten von von dem Kolbenboden reflektierten Licht zu einem Sensor dient.
Laserzündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Lichtleiter zum Leiten von von dem Kolbenboden reflektierten Licht zu einem Sensor vorgesehen ist.
Mehrzylinderverbrennungsmotor mit einer Laserzündung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurbelwinkel durch Erfassen der Position nur eines der Kolben ermittelt wird.
Mehrzylinderverbrennungsmotor mit einer Laserzündung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurbelwinkel durch Erfassen der Position von zwei oder mehr Kolben ermittelt wird.
Laserzündanlage, die zum Betrieb wie hierin im Wesentlichen unter Bezug auf die Begleitzeichnung beschrieben und in ihr veranschaulicht aufgebaut und ausgelegt ist.