-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung, insbesondere
für eine
Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einer Lasereinrichtung
zur Erzeugung von Laserimpulsen, und mit einer mit der Lasereinrichtung
zumindest optisch verbundenen Lichtleitereinrichtung zur Versorgung
der Lasereinrichtung mit Pumplicht.
-
Die
Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren für eine derartige
Zündeinrichtung.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zündeinrichtung und ein Herstellungsverfahren hierfür derart
zu verbessern, dass eine einfache Fertigung und ein zuverlässiger und
flexibler Betrieb der Zündeinrichtung
möglich
sind.
-
Diese
Aufgabe wird bei der Zündeinrichtung der
eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
die Lichtleitereinrichtung so ausgebildet und in dem Bereich der
Lasereinrichtung angeordnet ist, dass im Bereich der Lasereinrichtung und/oder
im Bereich eines der Lasereinrichtung zugeordneten Brennraums auftretende
Strahlung in die Lichtleitereinrichtung einkoppelbar ist.
-
Die
erfindungsgemäße Ausbildung
und Anordnung der Lichtleitereinrichtung ermöglicht vorteilhaft die Analyse
der in die Lichtleitereinrichtung eingekoppelten Strahlung, insbesondere durch
einen entfernt angeordneten Detektor, ohne dass zusätzliche,
separate Lichtleitereinrichtungen für die zu analysierende Strahlung
vorzusehen sind, weil die zu analysierende Strahlung direkt über denselben
Lichtleiter geführt
werden kann, der bereits für
die Pumplichtversorgung verwendet wird. Dadurch ergibt sich eine
besonders einfache Konfiguration und entsprechend geringe Fertigungskosten.
-
Besonders
vorteilhaft ist bei einer Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen, dass die Lasereinrichtung zumindest teilweise
durchlässig
ist für Wellenlängen der
Strahlung, so dass zu analysierende Strahlung z. B. von dem Brennraum
direkt durch die Lasereinrichtung hindurch in die Lichtleitereinrichtung
einkoppelbar ist.
-
Bei
der Verwendung einer Lichtleitereinrichtung mit nur einer einzigen
Lichtleitfaser ergibt sich vorteilhaft ebenfalls eine besonders
einfache mechanische Konfiguration.
-
Die
erfindungsgemäß ebenfalls
vorgeschlagene Verwendung einer aus mehreren einzelnen Lichtleitfasern
gebildeten Lichtleitereinrichtung ermöglicht vorteilhaft eine flexible
Anordnung der Lichtleitfasern insbesondere im Bereich der Lasereinrichtung,
sodass eine Vielzahl von unterschiedlichen Konfigurationen allein
aufgrund der Aufteilung und Anordnung der einzelnen Lichtleitfasern
im Bereich der Lasereinrichtung gegeben ist. Insbesondere ist hierbei
mindestens ein erster Teil der die Lichtleitereinrichtung bildenden
Lichtleitfasern unter anderem auch zur Übertragung der interessierenden
Strahlung aus der Lasereinrichtung an eine entfernt angeordnete
Auswerteinheit verwendbar. Ein weiterer Teil der die Lichtleitereinrichtung
bildenden Lichtleitfasern kann z. B. auch ausschließlich zur Übertragung von
Pumplicht an die Lasereinrichtung vorgesehen sein und dementsprechend
so im Bereich der Lasereinrichtung angeordnet werden, dass eine
möglichst effiziente
Einstrahlung von Pumplicht in die Lasereinrichtung ermöglicht ist,
während
die Einkopplung anderer Strahlung von dem Bereich der Lasereinrichtung
in diesen weiteren Teil nicht oder nur eingeschränkt möglich ist.
-
Die
mehreren einzelnen Lichtleitfasern bilden bevorzugt einen einzigen
Strang, der ggf. ummantelt sein kann und – gegenüber einer Einzelfaser – eine entsprechend
gesteigerte mechanische Stabilität
aufweist.
-
Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung ist
vorgesehen, dass an einem von der Lasereinrichtung entfernt angeordneten
Ende der Lichtleitereinrichtung eine erste Anzahl von Lichtleitfasern
der Lichtleitereinrichtung einer Auswerteinheit zur Auswertung der
Strahlung zugeordnet ist. Auf diese Weise kann die im Bereich der
Lasereinrichtung in den betreffenden Teil der Lichtleitfasern eingekoppelte Strahlung
von der entfernt angeordneten Auswerteinheit ausgewertet werden.
-
Eine
ganz besonders einfache und effiziente Fertigung der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung ergibt
sich erfindungsgemäß dann,
wenn die erste Anzahl von Lichtleitfasern, die der Auswerteinheit
zugeordnet wird, beliebig ausgewählt
ist, d. h. insbesondere nicht daraufhin ausgewählt ist, dass sie zu dem ersten
Teil gehört,
also zu denjenigen Lichtleitfasern, die im Bereich der Lasereinrichtung
z. B. bewusst derart angeordnet sind, dass die interessierende Strahlung
in die Lichtleitfasern dieses ersten Teils einkoppelbar ist. Erfindungemäß ist erkannt
worden, dass auch ein statistischer Auswahlprozess von Lichtleitfasern
aus der Lichtleitereinrichtung in der Regel sicherstellt, dass hinreichend
viele von denjenigen einzelnen Lichtleitfasern der Auswerteinheit zugeordnet
werden, in deren andere Enden im Bereich der Lasereinrichtung auch
die interessierende Strahlung eingekoppelt wird. Durch diese erfindungsgemäße Konfiguration
entfällt
vorteilhaft das Erfordernis, während
der Fertigung der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung
spezielle einzelne Lichtleitfasern aus der Lichtleitereinrichtung
zu ermitteln, in die auch die interessierende Strahlung eingekoppelt wird.
Vielmehr kann erfindungsgemäß einfach
ein gewisser Anteil der insgesamt vorhandenen Lichtleitfasern der
Auswerteinheit zugeordnet werden, wobei aufgrund des statistischen
Charakters des Auswahlprozesses sichergestellt ist, dass stets zumindest
einige Lichtleitfasern mit ausgewählt werden, die die interessierende
Strahlung von dem Bereich der Lasereinrichtung der Auswerteinheit
zuführen
können.
Die nicht ausgewählten
Lichtleitfasern verbleiben bei dieser Erfindungsvariante zur Versorgung
der Lasereinrichtung mit Pumplicht.
-
Eine
weitere Vereinfachung eines Fertigungsprozesses der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung
ist vorteilhaft dadurch gegeben, dass mindestens eine Lichtleitfaser
eine von der Geometrie der weiteren Lichtleitfasern der Lichtleitereinrichtung abweichende
Geometrie aufweist. Insbesondere kann die abweichende Geometrie
einen von der Mehrzahl der Lichtleitfasern abweichenden Querschnitt
bzw. Durchmesser aufweisen, sodass eine entsprechend einfache Unterscheidung
zwischen Lichtleitfasern mit normaler Geometrie und Lichtleitfasern
mit erfindungsgemäß abweichender
Geometrie getroffen werden kann.
-
Besonders
bevorzugt kann beispielsweise eine einzige Lichtleitfaser der erfindungsgemäßen Lichtleitereinrichtung
mit einem verhältnismäßig großen Durchmesser
ausgebildet werden, die dementsprechend beispielsweise zur Übertragung
des Pumplichts von einer Pumplichtquelle an die Lasereinrichtung
verwendet werden kann, während
weitere, einen geringeren Durchmesser aufweisende Lichtleitfasern
beispielsweise für
die Rückleitung
von interessierender Strahlung aus dem Bereich der Lasereinrichtung
zu der Auswerteinheit verwendet werden können.
-
Alternativ
oder ergänzend
ist es auch möglich,
zumindest einen Teil der Lichtleitfasern mit kleinem Querschnitt
bzw. Durchmesser zusätzlich
zur Übertragung
von Pumplicht zu verwenden. Eine hierzu inverse Konfiguration ist
ebenfalls denkbar, d. h., es kann beispielsweise eine einzige Lichtleitfaser
mit verhältnismäßig großem Querschnitt
bzw. Durchmesser vorgesehen sein, die zur Übertragung von interessierender
Strahlung von der Lasereinrichtung zu der Auswerteinheit dient,
während
weitere, mit kleinerem Querschnitt bzw. Durchmesser versehene Lichtleitfasern
für die
Zuführung
von Pumplicht an die Lasereinrichtung sorgen.
-
Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung ist
vorgesehen, dass die Lichtleitereinrichtung in einem Teilbereich
ihrer Gesamtlänge
einen Biegeradius aufweist, der so gewählt ist, dass von der Lichtleitereinrichtung
geführte
Strahlung in dem Teilbereich zumindest teilweise aus der Lichtleitereinrichtung auskoppelbar
ist. Bei der ausgekoppelten Strahlung kann es sich einerseits um
von einer Pumplichtquelle zugeführtes
Pumplicht handeln, bevorzugt wird jedoch die in dem Bereich der
Lasereinrichtung in die Lichtleitereinrichtung eingekoppelte interessierende Strahlung
an dem erfindungsgemäß gebogenen
Bereich der Lichtleitereinrichtung ausgekoppelt, um sie zum Zwecke
einer Analyse einer entsprechenden Auswerteinheit zu zuführen.
-
Ganz
besonders vorteilhaft kann ferner vorgesehen sein, dass der Biegeradius
so gewählt
ist, dass das Pumplicht einer ersten Wellenlänge nicht in dem Teilbereich
auskoppelbar ist, dass Strahlung mit von der ersten Wellenlänge des
Pumplichts verschiedenen Wellenlängen
jedoch in dem Teilbereich auskoppelbar ist. Hierbei wird erfindungsgemäß vorteilhaft
die Wellenlängenabhängigkeit
des die Lichtleitung in der Lichtleitereinrichtung bzw. ihren einzelnen Lichtleitfasern
ermöglichenden
Prinzips der Totalreflexion ausgenutzt. Besonders vorteilhaft ist
die Wellenlänge
des verwendeten Pumplichts so auf die Zündeinrichtung bzw. den Biegeradius
der Lichtleitereinrichtung und die Wellenlängen der zu analysierenden
Strahlung abgestimmt, dass über
eine entsprechende Krümmung
der Lichtleiterleitereinrichtung selektiv lediglich die interessierende
Strahlung auskoppelbar ist, während
das Pumplicht nicht bereits aufgrund der erfindungsgemäßen Krümmung der
Lichtleitereinrichtung ausgekoppelt wird und somit vollständig an
die Lasereinrichtung übertragen
werden kann.
-
Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Konfiguration der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung
ist vorgesehen, dass die Lichtleitereinrichtung mehrere Teilbereiche
mit unterschiedlichen Biegeradien aufweist, in denen jeweils Strahlung
verschiedener Wellenlängen
auskoppelbar ist. Hierdurch wird gleichsam eine optische Filterschaltung
realisiert, die über die
Festlegung der entsprechenden Biegeradien hiermit korrespondierende
Wellenlängenbereiche der
in der Lichtleitereinrichtung geführten Strahlung auskoppeln
kann.
-
Die
entsprechenden Biegeradien sind u. a. in Abhängigkeit der Anzahl der einzelnen
Lichtleitfasern entsprechend so zu wählen, dass zumindest bei einem
bestimmten Teil der Lichtleitfasern die Totalreflexion der interessierenden
Wellenlängen
teilweise beeinträchtigt
wird, um die Strahlung auskoppeln zu können.
-
Besonders
bevorzugt weist die Lichtleitereinrichtung erfindungsgemäß in den
Teilbereichen, in denen Strahlung ausgekoppelt werden soll, eine Öffnung in
einem sie umgebenden Mantel oder auch einen für die auszukoppelnde Strahlung
zumindest teilweise transparenten Bereich des Mantels auf.
-
Darüberhinaus
kann erfindungsgemäß vorteilhaft
vorgesehen sein, dass die Lichtleitereinrichtung in den interessierenden
Teilbereichen eine integrierte Auswerteinheit, zumindest jedoch
einen optoelektrischen Wandler aufweist, sodass das erfindungsgemäß aus der
Lichtleitereinrichtung ausgekoppelte Signal bzw. die entsprechende
Strahlung direkt vor Ort auswertet und in ein elektrisches Signal umgewandelt
werden kann. Die zur Weiterleitung des elektrischen Signals an eine
Auswertschaltung bzw. Steuereinheit oder dergleichen erforderlichen
elektrischen Verbindungen wie beispielsweise Kabel sind erfindungsgemäß vorteilhaft
integrierbar in die Lichtleitereinrichtung, beispielsweise indem
sie zusammen mit den einzelnen Lichtleitfasern durch einen gemeinsamen
Mantel umschlossen werden.
-
Erfindungsgemäß kann alternativ
oder zusätzlich
zu dem vor Ort vorgesehenen optoelektrischen Wandler auch eine weitere
Lichtleitfaser vorgesehen sein, die im Wesentlichen räumlich getrennt ist
von den restlichen Lichtleitfasern. Diese weitere Lichtleitfaser
kann die erfindungsgemäß aus der Lichtleitereinrichtung
ausgekoppelte Strahlung an einen entfernt angeordneten optoelektrischen
Wandler oder eine Auswerteinheit weiterleiten und ist ebenfalls
vorteilhaft in einen Mantel der Lichtleitereinrichtung integrierbar.
Aufgrund ihrer räumlichen
Trennung von den restlichen Lichtleitfasern der Lichtleitereinrichtung
kann sie auch während
der Fertigung der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung
auf einfache Weise von den restlichen Lichtleitfasern unterschieden
werden und somit gezielt mit einer Auswerteinheit verbunden werden,
während
die restlichen Lichtleitfasern beispielsweise optisch verbunden werden
mit einer Pumplichtquelle. Diese weitere, für Analysezwecke verwendbare
Lichtleitfaser kann alternativ oder zusätzlich mittels eines abweichenden Querschnitts
oder dergleichen von den restlichen Lichtleitfasern unterscheidbar
ausgelegt sein.
-
Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung ist
vorgesehen, dass an einem von der Lasereinrichtung entfernt angeordneten
Ende der Lichtleitereinrichtung eine Pumplichtquelle zur Erzeugung
des Pumplichts und eine Auswerteinheit zur Auswertung der Strahlung
vorgesehen ist, wobei die Pumplichtquelle räumlich zwischen dem Ende der
Lichtleitereinrichtung und der Auswerteinheit angeordnet und zumindest
teilweise transparent für
die Strahlung ist. Erfindungsgemäß ist erkannt
worden, dass einige als Halbleiterlaser ausgebildete Pumplichtquellen
im Wesentlichen transparent sind für interessierende Wellenlängen der
im Bereich der Lasereinrichtung in die Lichtleitereinrichtung eingekoppelten
Strahlung. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, die gesamte erfindungsgemäße Lichtleitereinrichtung
einerseits zur Übertragung
von Pumplicht an die Lasereinrichtung zu verwenden, und andererseits
die im Bereich der Lasereinrichtung in zumindest einen Teil der
Lichtleitfasern der Lichtleitereinrichtung eingekoppelte Strahlung
in Rückrichtung
zu der Pumplichtquelle zu übertragen,
durch diese hindurchzustrahlen, und sie auf diese Weise der der
Pumplichtquelle nachgeordneten Auswerteinheit zuzuführen.
-
Sowohl
die erfindungsgemäße Variante,
die eine Krümmung
der Lichtleitereinrichtung mit dem Ziel des Auskoppelns eines Teils
der zu analysierenden Strahlung ermöglicht, als auch die weitere
Variante, bei der eine Auswerteinheit der Pumplichtquelle optisch
nachgeordnet ist ermöglichen
vorteilhaft die Nutzung des gesamten Querschnitts der Lichtleitereinrichtung
zur Übertragung
des Pumplichts an die Lasereinrichtung und der zu analysierenden
Strahlung von der Lasereinrichtung an eine Auswerteinheit.
-
Eine
besonders gute Anpassung eines Querschnitts der Lichtleitereinrichtung
an weitere optische Elemente ist erfindungsgemäß dadurch gegeben, dass an
einem von der Lasereinrichtung entfernt angeordneten Ende der Lichtleitereinrichtung
ein optischer Querschnittswandler vorgesehen ist, der die einzelnen
Lichtleitfasern der Lichtleiteranordnung in einer vorgebbaren Weise
relativ zueinander angeordnet fixiert, insbesondere so, dass die
einzelnen Lichtleitfasern in dem optischen Querschnittswandler zusammen
einen Querschnitt bilden, der von dem Querschnitt der Lichtleiteranordnung
abweicht. Auf diese Weise ist es erfindungsgemäß beispielsweise möglich, einen
im wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt der Lichtleitereinrichtung zu transformieren in einen
im Wesentlichen rechteck- bzw. linienförmigen Querschnitt, wie er
beispielsweise bei häufig
verwendeten Halbleiter-Pumplichtquellen
gegeben ist, die durch eine Linienanordnung mehrerer Laseremitter nebeneinander
entsteht.
-
Alternativ
oder ergänzend
zu der vorstehend beschriebenen Konfiguration, bei der die zu analysierende
Strahlung durch die Pumplichtquelle hindurchgestrahlt wird, bevor
sie auf die Auswerteinheit gelangt, kann ein die zu analysierende
Strahlung führender
Teil der Lichtleitfasern der Lichtleitereinrichtung auch durch den
optischen Querschnittswandler in einen Querschnitt transformiert
werden, der optimal angepasst ist für die nachgeordnete Auswerteinheit.
-
Das
erfindungsgemäße Prinzip
ist vorteilhaft verwendbar bei Zündeinrichtungen
für Brennkraftmaschinen,
insbesondere von Kraftfahrzeugen, kann jedoch auch sehr vorteilhaft
in Verbindung mit Stationärmotoren,
insbesondere Großgasmotoren,
oder auch Turbinen oder dergleichen eingesetzt werden.
-
Als
eine weitere Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer
Zündeinrichtung
gemäß Patentanspruch
18 angegeben.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
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 beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung
beziehungsweise in der Zeichnung.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnung
-
In
der Zeichnung zeigt:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung,
-
2 eine
Ausführungsform
der Zündeinrichtung
aus 1 im Detail,
-
3a–3d unterschiedliche
Konfigurationen der erfindungsgemäßen Lichtleitereinrichtung im
Querschnitt,
-
3e schematisch
eine erfindungsgemäß zweifach
definiert gebogene Lichtleitereinrichtung,
-
4 eine
Komponente der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung
zur definierten Biegung einer Lichtleitereinrichtung mit integriertem
Detektor,
-
5a und 5b weitere
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung,
und
-
6 eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung
mit einem optischen Querschnittswandler.
-
Ausführungsformen
der Erfindung
-
Eine
Brennkraftmaschine trägt
in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie
dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs oder
zum Antrieb eines Generators. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst
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 beziehungsweise
Common-Rail bezeichneten Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen
ist. Eine externe Gemischbildung ist ebenfalls möglich In den Brennraum 14 eingespritzter
Kraftstoff 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 280 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.
-
Beispielsweise
kann es sich bei der Pumplichtquelle 30 um eine Halbleiter-Laserdiode handeln,
die in Abhängigkeit
eines Steuerstroms ein entsprechendes Pumplicht über die Lichtleitereinrichtung 28 an
die Lasereinrichtung 26 ausgibt. Obwohl Halbleiter-Laserdioden
und andere klein bauende Pumplichtquellen bevorzugt für einen
Einsatz in dem Kraftfahrzeugbereich verwendet werden, ist für den Betrieb
der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung 27 prinzipiell
jede Art von Pumplichtquelle verwendbar.
-
2 zeigt
schematisch eine Detailansicht der Zündeinrichtung 27 aus 1.
-
Wie
aus 2 ersichtlich, weist die Lasereinrichtung 26 einen
laseraktiven Festkörper 44 auf, dem
eine auch als Q-switch bezeichnete passive Güteschaltung 46 optisch
nachgeordnet ist. Der laseraktive Festkörper 44 bildet hierbei
zusammen mit der passiven Güteschaltung 46 sowie
dem in 2 links hiervon angeordneten Einkoppelspiegel 42 und
dem Auskoppelspiegel 48 einen Laser-Oszillator aus, dessen
Schwingverhalten von der passiven Güteschaltung 46 abhängt und
damit zumindest mittelbar in an sich bekannter Weise steuerbar ist.
-
Bei
der in 2 abgebildeten Konfiguration der Lasereinrichtung 26 wird
Pumplicht 60 durch die bereits unter Bezugnahme auf 1 beschriebene Lichtleitereinrichtung 280 von
der ebenfalls bereits beschriebenen Pumplichtquelle 30 auf
den Einkoppelspiegel 42 geleitet. Da der Einkoppelspiegel 42 für die Wellenlängen des
Pumplichts 60 durchsichtig ist, dringt das Pumplicht 60 in
den laseraktiven Festkörper 44 ein
und führt
darin zu einer an sich bekannten Besetzungsinversion.
-
Während die
passive Güteschaltung 46 ihren Grundzustand
aufweist, in dem sie einen verhältnismäßig kleinen
Transmissionskoeffizienten besitzt, wird ein Laserbetrieb in dem
laseraktiven Festkörper 44 beziehungsweise
in dem durch den Einkoppelspiegel 42 und den Auskoppelspiegel 48 begrenzten Festkörper 44, 46 vermieden.
Mit steigender Pumpdauer steigt jedoch die Strahlungsdichte in dem
Laser-Oszillator 42, 44, 46, 48 an,
so dass die passive Güteschaltung 46 ausbleicht,
d. h. einen größeren Transmissionskoeffizienten
annimmt, und der Laserbetrieb beginnen kann.
-
Auf
diese Weise entsteht ein auch als Riesenimpuls bezeichneter Laserimpuls 24,
der eine verhältnismäßig hohe
Spitzenleistung aufweist. Der Laserimpuls 24 wird gegebenenfalls
unter Verwendung einer weiteren Lichtleitereinrichtung oder auch
direkt durch ein nicht abgebildetes Brennraumfenster der Lasereinrichtung 26 in
den Brennraum 14 (1) der Brennkraftmaschine 10 eingekoppelt,
so dass darin vorhandener Kraftstoff 22 entzündet wird.
-
Erfindungsgemäß ist die
Lichtleitereinrichtung 280 so ausgebildet und in dem Bereich
der Lasereinrichtung 26 angeordnet, dass im Bereich der Lasereinrichtung 26 und/oder
im Bereich des der Lasereinrichtung 26 zugeordneten Brennraums 14 (1)
auftretende Strahlung in die Lichtleitereinrichtung 280 einkoppelbar
ist, so dass ohne Vorsehung separater Lichtleiteranordnungen allein
mittels der Lichtleitereinrichtung 280 eine zu analysierende Strahlung
von der Lasereinrichtung an eine entfernt angeordnete Auswerteinheit übertragbar
ist.
-
1 zeigt
beispielhaft eine derartige Auswerteinheit 100, die an
einem von der Lasereinrichtung 26 entfernt angeordneten
Ende 281a der Lichtleitereinrichtung 280 und vorliegend
in räumlicher Nähe zu der
Pumplichtquelle 30 angeordnet ist.
-
Die
erfindungsgemäße Lichtleitereinrichtung 280 kann
einer ersten Erfindungsvariante zufolge eine einzige Lichtleitfaser
zur Führung
des Pumplichts 60 (2) und zur
Führung
von zu analysierender Strahlung wie z. B. Brennraumlicht und dergleichen
aufweisen, wodurch eine besonders einfache, kleinbauende und kostengünstige Konfiguration
gegeben ist.
-
Besonders
bevorzugt ist die erfindungsgemäße Lichtleitereinrichtung 280 jedoch
aus mehreren, insbesondere zu einem Strang zusammengefassten, einzelnen
Lichtleitfasern gebildet, von denen zumindest ein erster Teil 280a,
vgl. 5a, so im Bereich der Lasereinrichtung 26 angeordnet
ist, dass im Bereich der Lasereinrichtung 26 und/oder im
Bereich des der Lasereinrichtung 26 zugeordneten Brennraums 14 auftretende
Strahlung 70 in diesen Teil 280a der Lichtleitfasern
einkoppelbar ist.
-
Bei
der Strahlung 70 kann es sich beispielsweise um Pumplicht 60 handeln,
das der Lasereinrichtung 26 über die Lichtleitereinrichtung 280 zugeführt und
in der Lasereinrichtung 26 gestreut worden ist, oder auch
um Laserlicht 24, das z. B. in einem Gehäuse 26' der Lasereinrichtung 26 an
Komponenten 49, 50 gestreut wird. Primär handelt
es sich bei der zu analysierenden Strahlung 70 jedoch bevorzugt
um eine solche Strahlung, die infolge von in dem Brennraum 14 ablaufenden
Verbrennungsprozessen entsteht. 5a zeigt
hierzu beispielhaft einen gestrichelten Pfeil 70, der aus
dem Brennraum 14 durch das Brennraumfenster 50 in
das Gehäuse 26' der Lasereinrichtung 26 eintretende
Strahlung repräsentiert.
Die Strahlung 70 kann beispielsweise einen Wellenlängenbereich
im Bereich des sichtbaren Lichts und des UV-Lichts aufweisen.
-
Wie
in 5a ebenfalls abgebildet, kann auch ein beispielsweise
an der Fokussieroptik 49 gestreuter Anteil 70' des zu dem
Laserimpuls 24 gehörenden
Lichts in die erfindungsgemäß angeordnete Lichtleitfaser 280a eingekoppelt
werden.
-
Erfindungsgemäß kann weiter
vorteilhaft eine in 5a nicht näher bezeichnete Einkoppeloptik
vorgesehen sein, die die interessierende Strahlung 70, 70' in die Lichtleitfaser 280a bündelt.
-
Bei
der in 5a abgebildeten Konfiguration bildet
allein die Lichtleitfaser 280a den ersten Teil der Lichtleitfasern
im Sinne der vorliegenden Erfindung, während der zweite Teil 280b der
die Lichtleitereinrichtung 280 bildenden Lichtleitfasern
allein zur Übertragung
von Pumplicht 60 an die Lasereinrichtung 26 dient.
-
Eine
alternative Konfiguration der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung 27 ist
in 5b abgebildet. Im Gegensatz zu der Konfiguration
gemäß 5a weist
die Erfindungsvariante nach 5b eine
Lichtleitereinrichtung 280 auf, deren Lichtleitfasern sämtlich gegenüber einem
Einkoppelspiegel 42 der Lasereinrichtung 26 angeordnet
sind. Bei dieser Konfiguration ist die Lasereinrichtung 26 vorteilhaft zumindest
teilweise transparent für
die aus dem Brennraum 14 in das Gehäuse 26' eingestrahlte Strahlung 70,
sodass diese Strahlung 70 vorteilhaft durch die Lasereinrichtung 26 hindurch
in die Lichtleitereinrichtung 280 eingekoppelt und einer
entfernt angeordneten Auswerteinheit (nicht abgebildet) zugeführt werden
kann. Hierbei ist vorteilhaft der gesamte optisch wirksame Querschnitt
der Lichtleitereinrichtung 280 gleichzeitig zur Übertragung
von Pumplicht 60 (5a) an
die Lasereinrichtung 26 und zur Übertragung der Strahlung 70 von
der Lasereinrichtung 26 zu einer entfernt angeordneten
Auswerteinheit nutzbar. Im Unterschied hierzu ist bei der in 5a abgebildeten
Konfiguration der optische Querschnitt der Lichtleitfaser 280a nicht
zur effizienten Beaufschlagung der Lasereinrichtung 26 mit Pumplicht 60 nutzbar.
-
Erfindungsgemäß kann vorteilhaft
vorgesehen sein, dass ein erster Teil 280a (vgl. 3a)
der mehreren Lichtleitfasern der Lichtleitereinrichtung 280 exklusiv
zur Übertragung
von im Bereich der Lasereinrichtung 26 eingekoppelter Strahlung 70 an
die Auswerteinheit 100 (1) verwendet
wird. Der die restlichen Lichtleitfasern der Lichtleitereinrichtung 280 umfassende
zweite Teil 280b kann hierbei zur Übertragung von Pumplicht 60 an
die Lasereinrichtung 26 verwendet werden.
-
Die
vorstehend beschriebene Konfiguration der Lichtleitereinrichtung 280 gemäß 3a ermöglicht zwar
vorteilhaft eine Doppelnutzung der Lichtleitereinrichtung 280 zur gleichzeitigen Übertragung von
Pumplicht 60 und von zu analysierender Strahlung 70.
Allerdings erfordert die Konfiguration gemäß 3a eine
Unterscheidung der einzelnen Lichtleitfasern 280a, 280b während der
Fertigung der Zündeinrichtung 27,
um die Lichtleitfasern des ersten Teils 280a gezielt mit
der Auswerteinheit 100 und die Lichtleitfasern des zweiten
Teils 280b gezielt mit der Pumplichtquelle 30 verbinden
zu können.
-
Das
Erfordernis, eine derartige Unterscheidung einzelner Lichtleitfasern
zu treffen, wird bei einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante, die
nachfolgend unter Bezugnahme auf 3b beschrieben
ist, vermieden. Diese Erfindungsvariante sieht vor, dass eine gewisse
Anzahl der Lichtleitfasern der Lichtleitereinrichtung 280 vorzugsweise
an einem von der Lasereinrichtung 26 entfernt angeordneten
Ende 281a (vgl. 1) der ebenfalls dort angeordneten
Auswerteinheit 100 zugeordnet wird. Beispielsweise können die
entsprechenden Lichtleitfasern mechanisch von den restlichen Lichtleitfasern der
Lichtleitereinrichtung 280 separiert und optisch und mechanisch
mit der Auswerteinheit 100 verbunden werden.
-
Erfindungsgemäß ist hierbei
jedoch vorteilhaft vorgesehen, dass nicht etwa spezielle einzelne Lichtleitfasern
der Lichtleitereinrichtung 280 herausgesucht werden, um
mit der Auswerteinheit 100 optisch bzw. mechanisch verbunden
zu werden. Vielmehr wird erfindungsgemäß eine beliebige Auswahl unter
allen Lichtleitfasern der Lichtleitereinrichtung 280 getroffen,
um diejenigen Lichtleitfasern zu wählen, die mit der Auswerteinheit 100 verbunden
werden. Der statistische Charakter dieses Auswahlverfahrens stellt
hierbei sicher, dass üblicherweise
mehrere solche Lichtleitfasern der Auswerteinheit 100 zugeordnet
werden, in die im Bereich der Lasereinrichtung 26 tatsächlich auch
die zu analysierende interessierende Strahlung 70 eingekoppelt
wird. Solche Lichtleitfasern sind in 3b schraffiert
dargestellt. Die restlichen, nicht zur Verbindung mit der Auswerteinheit 100 ausgewählten einzelnen
Lichtleitfasern der Lichtleitereinrichtung 280 werden dementsprechend
nicht mit der Auswerteinheit 100 (1) verbunden
und stehen zur Verfügung
für die Übertragung
von Pumplicht 60 von der Pumplichtquelle 30 zu
der Lasereinrichtung 26. Bei dieser Erfindungsvariante
wird zugunsten eines vereinfachten Fertigungsprozesses bewusst in
Kauf genommen, dass durch den statistischen Auswahlprozess auch
eine oder mehrere solche Lichtleitfasern mit der Auswerteinheit 100 verbunden
werden, in die gar keine zu analysierende Strahlung 70 eingekoppelt
wird. Diese Lichtleitfasern tragen dementsprechend nicht zur Auswertung
bei. Ebenso können
hierbei auch eine oder mehrere solche Lichtleitfasern mit der Pumplichtquelle 30 verbunden
werden, die eigentlich zu analysierende Strahlung führen.
-
Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung 27 ist
vorgesehen, dass mindestens eine Lichtleitfaser 280_1 eine
von der Geometrie der weiteren Lichtleitfasern 280_2 der
Lichtleitereinrichtung 280 abweichende Geometrie aufweist.
Eine derartige Konfiguration ist in 3c abgebildet.
Wie aus 3c ersichtlich ist, weist die
mindestens eine Lichtleitfaser 280_1 einen wesentlich größeren Durchmesser
auf als die weiteren Lichtleitfasern 280_2 der Lichtleitereinrichtung 280,
die in 3c schraffiert abgebildet sind.
-
Eine
derartige unterschiedliche Geometrie ermöglicht während eines Fertigungsprozesses
der Zündeinrichtung 27 eine
einfache mechanische Separierung der mindestens einen Lichtleitfaser 280_1 von
den weiteren Lichtleitfasern 280_2 und dementsprechend
beispielsweise eine Zuordnung der mindestens einen Lichtleitfaser 280_1 zu
der Pumplichtquelle 30, während die weiteren Lichtleitfasern 280_2 nicht
mit der Pumplichtquelle 30, sondern beispielsweise mit
der Auswerteinheit 100 (1) verbunden werden.
-
Ein
inverse Konfiguration ist ebenfalls möglich, bei der beispielsweise
die Lichtleitfaser 280_1 zur Übertragung von Strahlung 70 von
der Lasereinrichtung 26 an die Auswerteinheit 100 verwendet wird,
während
die Lichtleitfasern 280_2 zur Übertragung von Pumplicht 60 an
die Lasereinrichtung 26 dienen.
-
Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung 27 ist
vorgesehen, dass die Lichtleitereinrichtung 280 in einem
Teilbereich 282 ihrer Gesamtlänge einen Biegeradius r aufweist,
der so gewählt
ist, dass von der Lichtleitereinrichtung 280 geführte Strahlung 60, 70 in
dem Teilbereich 282 zumindest teilweise aus der Lichtleitereinrichtung 280 auskoppelbar
ist.
-
Eine
entsprechende erfindungsgemäße Anordnung
zur Realisierung des Biegungsradius r ist aus 4 ersichtlich. 4 zeigt
in einem teilweisen Querschnitt ein Gehäuse 100', das einen optischen Detektor 101 aufweist
und somit eine zu der in 1 abgebildeten Auswerteinrichtung 100 vergleichbare Funktionalität bietet.
Erfindungsgemäß weist
die Auswerteinheit 100 nach 4 darüberhinaus
vorteilhaft einen Kanal 102 auf, durch den der zu biegende
Teilbereich 282 der Lichtleitereinrichtung 280 hindurchführbar ist.
Der Kanal 102 weist wie aus 4 ersichtlich
einen gekrümmten
Abschnitt auf, der den vorgegebenen Biegeradius r realisiert. Bei
hinreichend klein gewähltem
Biegeradius r sind die für
die Führung
von Strahlung in der Lichtleitereinrichtung 280 erforderlichen
Bedingungen für
die Totalreflexion der Strahlung in den Lichtleitfasern nicht mehr
vollständig
gegeben, sodass zumindest ein Teil der in der Lichtleitereinrichtung 280 geführten Strahlung aus
der Lichtleitereinrichtung 280 ausgekoppelt wird, vgl.
den Pfeil 71.
-
Im
Bereich 282 der Biegung der Lichtleitereinrichtung 280 ist
dementsprechend der vorstehend bereits beschriebene Detektor 101 angeordnet,
um die erfindungsgemäß aus der
Lichtleitereinrichtung 280 ausgekoppelte Strahlung 71 aufzunehmen
und beispielsweise in ein elektrisches Signal zu wandeln.
-
Die
in 4 abgebildete Auswerteinheit weist vorteilhaft
ein beispielsweise zweiteiliges Gehäuse auf, wobei die entsprechenden
Gehäusehälften bevorzugt
lösbar
miteinander verbindbar sind, sodass bei geöffnetem Gehäuse 100' die Lichtleitereinrichtung 280 einlegbar
ist in den Kanal 102. Durch das nachfolgende Schließen des
Gehäuses 100' wird die Lichtleitereinrichtung 280 mechanisch
in der Auswerteinheit 100 fixiert, wodurch sichergestellt
ist, dass der vorgegebene Biegeradius r eingehalten und damit Strahlung 71 definiert
aus der Lichtleitereinrichtung 280 ausgekoppelt wird.
-
Das
Gehäuse 100' der Auswerteinheit 100 gemäß 4 kann
beispielsweise auch angeformt sein an ein die Pumplichtquelle 30 (1)
aufweisendes Gehäuse.
Ferner sind alternative Konfigurationen denkbar, bei denen separate
Mittel zur Realisierung des Biegeradius r vorgesehen sind, die insbesondere
nicht in das Gehäuse 100' der Auswerteinheit 100 integriert
sind.
-
3e zeigt
eine Prinzipskizze einer weiteren erfindungsgemäßen Konfiguration, bei der
die Lichtleitereinrichtung 280 gleich an zwei Bereichen 282a, 282b erfindungsgemäß gekrümmt ist,
um Strahlung 71a, 71b auszukoppeln. Da die Bedingung für die Totalreflexion
in der Lichtleitereinrichtung 280 bzw. den in ihr enthaltenen
Lichtleitfasern wellenlängenabhängig ist,
kann durch eine geeignete Wahl des Biegeradius ra, rb vorgegeben
werden, welche Wellenlängen über die
erfindungsgemäße Krümmung der
Lichtleitereinrichtung 280 aus dieser auskoppelbar sind.
Beispielsweise kann ein erster Krümmungsradius ra in dem Bereich 282a so
gewählt
sein, dass nur Strahlung 71a eines ersten Wellenlängenbereichs
aus der Lichtleitereinrichtung 280 ausgekoppelt wird. Der
Krümmungsradius
rb des weiteren Bereichs 282b ist anders gewählt, sodass
dementsprechend Strahlung 71b eines anderen Wellenlängenbereichs
von dem Bereich 282b der Lichtleitereinrichtung 280 ausgekoppelt
wird.
-
Ganz
besonders vorteilhaft ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Biegeradius
r so gewählt ist,
dass möglichst
kein Pumplicht 60 aus der Lichtleitereinrichtung 280 ausgekoppelt
wird, um ein effizientes Pumpen der Lasereinrichtung 26 zu
ermöglichen. Vielmehr
sollte allein ein vorgebbarer Anteil der zu analysierenden Strahlung 70, 71a, 71b aus
der Lichtleitereinrichtung 280 ausgekoppelt werden. Hierzu sind
die Pumplichtquelle 30, die Lasereinrichtung 26 und
die entsprechenden Biegeradien r, ra, rb entsprechend aufeinander
abzustimmen.
-
6 zeigt
eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung 27,
bei der einerseits eine Auswerteinheit gemäß 4 in Form
eines gestrichelten Rechtsecks 100 angedeutet ist. Diese
Auswerteinheit 100 dient zur Auskopplung eines ersten Teils 70a von
zu analysierender Strahlung.
-
Darüberhinaus
verfügt
die Konfiguration gemäß 6 über eine
weitere Auswerteinheit 105, die einer Pumplichtquelle 30 optisch
nachgeordnet ist.
-
Die
in 6 abgebildete Konfiguration weist ferner einen
optischen Querschnittswandler 290 auf, der den im Wesentlichen
linien- bzw. rechteckförmigen
Strahlquerschnitt der Pumplichtquelle 30 in einen kreisförmigen Querschnitt
der Lichtleitereinrichtung 280 transformiert. Dies kann
beispielsweise dadurch erfolgen, dass der optische Querschnittswandler 290 die
einzelnen Lichtleitfasern der Lichtleiteranordnung 280 in
vorgebbarer Weise relativ zueinander angeordnet fixiert, so dass
sich beispielsweise eine Konfiguration ergibt, die mit dem Strahlquerschnitt der
Pumplichtquelle 30 vergleichbar ist. In dem weiteren Verlauf
der Lichtleitereinrichtung 280 sind die einzelnen Lichtleitfasern
vorzugsweise zu einem einzigen Strang zusammen gefasst, der gegebenenfalls durch
einen schützenden
Mantel, beispielsweise ein Metallgeflecht oder dergleichen, umgeben
sein kann.
-
Die
Lasereinrichtung 26 aus 6 wird in
an sich bekannter Weise über
die Pumplichtquelle 30, den optischen Querschnittswandler 290 und
die Lichtleitereinrichtung 280 mit Pumplicht 60 versorgt. Im
Bereich der Lasereinrichtung 26 in die Lichtleitereinrichtung 280 bzw.
einzelne Lichtleitfasern hiervon eingekoppelte Strahlung kann in
Form des ersten Teils 70a durch die Auswerteinrichtung 100 extrahiert werden.
Ein weiterer Teil 70a' der
zu analysierenden Strahlung tritt durch den optischen Querschnittswandler 290 und
durch die Pumplichtquelle 30 hindurch, und gelangt auf
diese Weise zu der weiteren Auswerteinheit 105. Dies wird
vorteilhaft dadurch ermöglicht,
dass ein die Pumplichtquelle 30 bildender Halbleiterlaser
im Wesentlichen transparent ist für die Wellenlängen des
Teils 70a' der
zu analysierenden Strahlung.
-
Obwohl
in der Ausführungsform
gemäß 6 beide
Auswerteinheiten 100, 105 abgebildet sind, ist
es selbstverständlich,
dass die Vorsehung bereits einer dieser beiden Auswerteinheiten
eine effiziente Auswertung der Strahlung 70 ermöglicht.
-
Bei
denjenigen Varianten der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung 27,
bei denen durch kontrollierte Biegung der Lichtleitereinrichtung 280 um
einen vorgebbaren Biegeradius r die Auskopplung von Strahlung 70 aus
der Lichtleitereinrichtung 280 ermöglicht wird, kann erfindungsgemäß ferner
vorteilhaft vorgesehen sein, dass ein optoelektrischer Wandler,
eine Auswerteinheit oder dergleichen direkt integriert sind in die
Lichtleitereinrichtung 280. 3d zeigt
beispielhaft einen teilweisen Querschnitt einer derartigen Lichtleitereinrichtung 280. Aus 3d ist
ersichtlich, dass ein optoelektrischer Wandler 106 innerhalb
eines Mantels 283 der Lichtleitereinrichtung 280 angeordnet
ist, der damit direkt optisch verbunden ist mit mindestens einer
Lichtleitfaser der Lichtleitereinrichtung 280, vorliegend
bevorzugt mit der zentralen Lichtleitfaser, die einen verhältnismäßig großen Querschnitt
aufweist. Der optoelektrische Wandler 106 ist direkt im
Bereich der geplanten Biegung der Lichtleitereinrichtung 280 vorzusehen,
wobei auch auf eine korrekte Winkellage zu achten ist, um eine effiziente
Einkopplung von Strahlung in den Wandler 106 zu ermöglichen.
Vorteilhaft kann auch ein ringförmiger
Wandler vorgesehen sein, der beispielsweise radial beabstandet mehrere Fotodetektoren
usw. aufweist und die Lichtleitereinrichtung 280 zumindest
teilweise umgreift, wodurch das Einhalten einer korrekten Winkellage
bei dem Biegen der Lichtleitereinrichtung 280 nicht mehr
erforderlich ist.
-
Erfindungsgemäß können vorteilhaft
elektrische Verbindungsleitungen für den optoelektrischen Wandler 106 ebenfalls
in die Lichtleitereinrichtung 280 derart integriert werden,
dass sie beispielsweise parallel zu den weiteren Lichtleitfasern
geführt
und durch den gemeinsamen Mantel 283 geschützt sind. Anstelle
eines optoelektrischen Wandlers 106 kann erfindungsgemäß auch eine
weitere Lichtleitfaser vorgesehen sein, die in dem zu biegenden
Bereich derart angeordnet ist, dass aufgrund der Biegung aus der
betrachteten Lichtleitfaser austretende Strahlung in die weitere
Lichtleitfaser einkoppelt und von dieser an einen entfernt angeordneten
Detektor geleitet wird.
-
Das
erfindungsgemäße Prinzip
der Auskopplung von Strahlung aus der Lichtleitereinrichtung 280 durch
eine erzwungene Krümmung
bzw. Biegung der Lichtleitereinrichtung 280 in dem betreffenden
Bereich kann vorteilhaft auch bei solchen Lichtleitereinrichtungen 280 angewandt
werden, die über eine
einzige Lichtleitfaser verfügen.
Auch die Rückleitung
von Strahlung 70 aus der Lasereinrichtung 26 zu
dem optoelektrischen Wandler bzw. der Auswerteinheit 105 gemäß 6 kann
erfindungsgemäß ebenfalls
durch eine Lichtleitereinrichtung 280 mit einer einzigen
Lichtleitfaser bewerkstelligt werden.