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Stand der Technik
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So
genannte Laserzündungen
sind bereits bekannt. Sie umfassen eine Pumplichtquelle, eine Lichtleitereinrichtung
und eine Lasereinrichtung. Die Lasereinrichtung erzeugt einen Laserimpuls,
der auf den so genannten Zündpunkt
fokussiert ist. Dieser Zündpunkt
liegt innerhalb des Brennraums der Brennkraftmaschine. Da bei einer
für die
Zukunft geplanten Serienfertigung von Laserzündeinrichtungen sehr große Stückzahlen
produziert werden sollen, ist die kostengünstige Herstellung der Lasereinrichtung, aber
auch anderer Komponenten der Laserzündung, von großer wirtschaftlicher
Bedeutung.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lasereinrichtung bereitzustellen,
die hinsichtlich Bauteilzahl, Herstellungskosten der einzelnen Bauteile,
aber auch der Montagekosten eine Verbesserung des Standes der Technik
darstellt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer
Lasereinrichtung für
eine Zündeinrichtung
einer Brennkraftmaschine umfassend einen laseraktiven Festkörper, einen
Einkoppelspiegel, einen Auskoppelspiegel, eine passive Güteschaltung
und ein fokussierendes Brennraumfenster dadurch gelöst, dass
das Brennraumfenster aus gepresstem Glas besteht.
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Dadurch
dass das erfindungsgemäße Brennraumfenster
fokussierend ist, kann es zwei Aufgaben, nämlich einerseits die Fokussierung
des Laserimpulses und die Trennung der Lasereinrichtung vom Brennraum
und den dort herrschenden Drücken
und Temperaturen übernehmen.
Dadurch ergibt sich eine Reduktion der Bauteilezahl, was sich naturgemäß nicht
nur in den Produktionskosten, sondern auch in den Montagekosten
positiv niederschlägt.
Außerdem
kann dadurch die Lasereinrichtung kompakter gebaut werden, was in
den beengten Bauraumverhältnissen
im Bereich des Zylinderkopfs moderner Brennkraftmaschinen stets
vorteilhaft ist. Allerdings werden an ein fokussierendes Brennraumfenster
erhöhte
Anforderungen hinsichtlich der optischen Eigenschaften gestellt.
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Da
das Brennraumfenster sehr großen
thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, kann es
nur aus sehr wenigen Werkstoffen, wie zum Beispiel Quarzglas hergestellt
werden. Da Quarzglas bislang lediglich durch Schleifen und Polieren
bearbeitet werden kann, sind fokussierenden Brennraumfenster aus
Quarzglas sehr teuer in der Herstellung und daher für eine Serienfertigung
mit großen
Stückzahlen
nicht geeignet.
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Erfindungsgemäß ist nun
vorgesehen, das Brennraumfenster aus gepresstem Glas, insbesondere
aus gepresstem Quarzglas herzustellen. Dadurch ist es möglich, die
Herstellungskosten für
das fokussierende Brennraumfenster deutlich zu reduzieren, ohne
dass die optischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Brennraumfensters
leiden würden.
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Die
optischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Brennraumfensters aus gepresstem
Glas können
weiter dadurch verbessert werden, dass das Brennraumfenster als
asphärische
Linse ausgebildet ist. Hier kommt ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäß beanspruchten
Herstellungsverfahren zum Tragen, da, anders als beim Schleifen
und Polieren von Linsen, die Form der Linse beim Pressformen nahezu
keinen Einfluss auf die Herstellungskosten hat. Dies liegt darin
begründet,
dass eventuelle Mehrkosten, die sich durch eine kompliziertere Geometrie
der Linse ergeben, lediglich bei der Herstellung der Pressform auswirken
und diese Mehrkosten auf eine Vielzahl von Brennraumfenstern, die
mit dieser Pressform hergestellt werden, umgelegt werden können. Dadurch
ist es einerseits möglich,
komplizierte und damit optisch sehr leistungsfähige Linsengeometrien zu realisieren
und gleichzeitig die Herstellungskosten auf einem sehr niedrigen
Niveau zu halten.
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Bevorzugt
wird das erfindungsgemäße Brennraumfenster
aus Quarzglas hergestellt, da dieses Material für das Hochtemperaturpressen
geeignet ist und gleichzeitig auch die an ein Brennraumfenster gestellten
Anforderungen hinsichtlich Druck- und Temperaturbeständigkeit
erfüllt.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur
Herstellung eines fokussierenden Brennraumfensters einer Lasereinrichtung
für eine
Zündeinrichtung
einer Brennkraftmaschine, bei der eine ausreichende Menge Glas in
eine Pressform eingelegt wird, eine Schutzgasatmosphäre aufgebaut
wird, welche Pressform und Glas umgibt, und in einem weiteren Schritt
Glas und Pressform auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der das Glas
formbar ist. Anschließend
wird die Pressform geschlossen und dadurch dem Glas die gewünschte Form
gegeben.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren kann,
in einer chemisch inerten Schutzgasatmosphäre das Glas, aus dem später ein
fokussierendes Brennraumfenster gepresst wird, auf die gewünschte und
erforderliche Temperatur gebracht werden und durch Schließen der
Pressform können
anschließend beide
Seiten des Brennraumfensters die nötige und gewünschte Form
erhalten. Dieser Pressvorgang ist deutlich schneller als ein Schleifen
und anschließendes
Polieren beider Oberflächen
des Brennraumfensters. Außerdem
ist es möglich,
in einer Pressform mehrere, beispielsweise 16, 25, 36 oder 49 Gesenke
für erfindungsgemäße Brennraumfenster
vorzusehen, so dass in einem Pressvorgang eine Vielzahl erfindungsgemäßer Brennraumfenster
gleichzeitig hergestellt werden können. Dadurch ergibt sich nochmals
eine erhebliche Kostenreduktion und Erhöhung der Produktionskapazität.
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder
in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig
von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw.
in der Zeichnung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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In
der Zeichnung zeigt:
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1a eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer laserbasierten
Zündeinrichtung;
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1b eine
schematische Darstellung der Zündeinrichtung
aus 1 und
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2 ein
Ablaufdiagramm einer Verfahren zur Herstellung eines fokussierenden
Brennraumfensters.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Eine
Brennkraftmaschine trägt
in 1a insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie
kann zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs dienen.
Die Brennkraftmaschine 10 umfasst einen oder mehrere Zylinder,
von denen in 1 nur einer 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 auch als Rail bezeichneten
Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen
ist. Alternativ kann die Gemischbildung auch außerhalb des Brennraums 14,
zum Beispiel im Saugrohr, erfolgen.
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Das
in dem Brennraum 14 vorhanden Kraftstoff-Luft-Gemisch 22 wird
mittels eines 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 einem Steuergerät 32 gesteuert, das
auch den Injektor 18 ansteuert.
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Wie
aus 1b hervorgeht, speist die Pumplichtquelle 30 mehrere
Lichtleitereinrichtungen 28 für verschiedene Lasereinrichtungen 26,
die jeweils einem Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 10 zugeordnet
sind. Hierzu weist die Pumplichtquelle 30 mehrere einzelne
Laserlichtquellen 34 auf, die mit einer Pulsstromversorgung 36 verbunden
sind. Durch das Vorhandensein der mehreren einzelnen Laserlichtquellen 34 ist
gleichsam eine „ruhende" Verteilung von Pumplicht
an die verschiedenen Lasereinrichtungen 26 realisiert,
so dass keine optischen Verteiler oder dergleichen zwischen der
Pumplichtquelle 30 und den Lasereinrichtungen 26 erforderlich
sind.
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Die
Lasereinrichtung 26 weist beispielsweise einen laseraktiven
Festkörper 44 mit
einer passiven Güteschaltung 46 auf,
die zusammen mit einem Einkoppelspiegel 42 und einem Auskoppelspiegel 48 einen
optischen Resonator bildet. Unter Beaufschlagung mit von der Pumplichtquelle 30 erzeugtem Pumplicht
erzeugt die Lasereinrichtung 26 in an sich bekannter Weise
einen Laserimpuls 24, der durch ein fokussierendes Brennraumfenster 58 auf
einen in dem Brennraum 14 befindlichen Zündpunkt
ZP fokussiert ist. Die in dem Gehäuse 38 der Lasereinrichtung 26 vorhandenen
Komponenten sind durch das Brennraumfenster 58 von dem
Brennraum 14 getrennt. Da das Brennraumfenster 58 während des Betriebs
der Brennkraftmaschine hohen Drücken
und Temperaturen standhalten und gleichzeitig durchlässig für das Laserlicht
sein muss, gibt es nur wenige geeignete Werkstoffe, wie zum Beispiel
Quarzglas oder Saphir.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1b übernimmt
das Brennraumfenster 58 zwei Aufgaben. Die erste Aufgabe
besteht darin, das Innere der Lasereinrichtung 26 von den
im Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 herrschenden
Drücken,
Temperaturen und Rauchgasen zu trennen. Daher muss das Brennraumfenster 58 aus
extrem druck- und temperaturbeständigem
Material hergestellt werden.
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Die
zweite Aufgabe des in 1b dargestellten Brennraumfensters 58 besteht
darin, von dem laseraktiven Festkörper 44 ausgekoppelten
Laserimpuls 24 auf einen Zündpunkt ZP zu fokussieren.
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Zu
diesem Zweck ist das in 1b dargestellte erfindungsgemäße fokussierende
Brennraumfenster 58 auf der dem laseraktiven Festkörper 44 zugewandten
Seite als Planfläche
ausgebildet.
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Selbstverständlich wäre es auch
möglich,
die Planfläche
des Brennraumfensters 58 auf der dem Brennraum 14 zugewandten
Seite anzuordnen. Es ist aber genauso möglich, dass beide Seiten des Brennraumfensters 58 gekrümmte Flächen aufweisen.
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Durch
die Doppelfunktion des Brennraumfensters 58 ergibt sich
neben einer erheblichen Kosteneinsparung, durch die Reduktion der
Zahl der Bauteile auch eine Einsparung an Bauraumbedarf.
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In 2 ist
ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung des erfindungsgemäßen fokussierenden Brennraumfensters 58 dargestellt.
In einem ersten Schritt 60 wird eine Pressform geöffnet und
eine zur Herstellung eines Brennraumfensters 58 erforderliche
Menge Glas in festem Zustand in die Pressform eingelegt.
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In
einem zweiten Schritt 62 wird eine Schutzgasatmosphäre gebildet,
welche Pressform und das in der Pressform befindliche Glas umgibt.
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In
einem dritten Schritt 64 werden das Glas und die Pressform
auf eine geeignete Verarbeitungstemperatur erwärmt. Dies kann bevorzugt durch
Infrarotstrahlen erfolgen. Für
das Umformen von Quarzglas durch Pressen haben sich Temperaturen von
etwa 1.500° Celsius
als geeignet erwiesen.
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Anschließend wird
in einem vierten Schritt 66 die Pressform geöffnet und
die gepressten erfindungsgemäßen Brennraumfenster 58 werden
durch Schutzgas, insbesondere Stickstoff so weit abgekühlt, dass
sie aus der Pressform entnommen werden können. Danach beginnt das Herstellungsverfahren
von neuem. Es ist offensichtlich, dass die Produktivität der Pressform
drastisch erhöht
werden kann, wenn in der Pressform die Formen für mehrere Brennraumfenster 58 vorgesehen
sind. Dann nämlich
ist es möglich,
mehrere Brennraumfenster gleichzeitig herzustellen.