DE102008044031A1

DE102008044031A1 - Method for igniting air-fuel mixture in combustion chamber of internal-combustion engine of vehicle or generator, involves carrying-out ignition of air-fuel mixture in combustion chamber through laser impulse train

Info

Publication number: DE102008044031A1
Application number: DE200810044031
Authority: DE
Inventors: Werner Herden; Manfred Vogel; Heiko Ridderbusch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-11-24
Filing date: 2008-11-24
Publication date: 2010-05-27

Abstract

The method involves carrying-out the ignition of the air-fuel mixture (22) in a combustion chamber (14) through a laser impulse train (24) producing by a laser unit (26). The laser impulse train has two laser impulses (24a,24b) which are generated in a temporal distance. An independent claim is included for a laser ignition device for igniting air-fuel mixture in combustion chamber of internal-combustion engine of vehicle or generator.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Verfahrensansprüche sowie eine zugehörige Laserzündeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs.The The invention relates to a method for igniting a fuel-air mixture according to the generic terms of the independent Method claims and an associated Laserzündeinrichtung according to the preamble of the independent Apparatus claim.

Derartige Verfahren basieren auf der Erzeugung von Laserlicht in Form von Laserimpulsen und der Abbildung dieses Laserlichts in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, in dem sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch befindet. Durch die hohe Strahlungsdichte des Laserlichts in dem Brennraum entsteht ein auch als elektrischer Durchbruch oder als Plasma bezeichneter Funken, und durch die in dem Funken deponierte Energie kommt es zur Ausbildung eines sogenannten Flammkerns.such Methods are based on the generation of laser light in the form of Laser pulses and the image of this laser light in the combustion chamber an internal combustion engine, in which the fuel-air mixture located. Due to the high radiation density of the laser light in the Combustion chamber also emerges as an electrical breakthrough or as Plasma designated sparks, and deposited by those in the spark Energy it comes to the formation of a so-called flame kernel.

Vorausgesetzt, dass die durch den Funken in dem Flammkern deponierte Energie ausreicht, kommt es nachfolgend zur weiteren Entflammung des in dem Brennraum befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemischs. Andernfalls, wenn die in dem Flammkern deponierte Energie nicht zur weiteren Entflammung des in dem Brennraum befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemischs ausreicht und wenn dem Flammkern, beispielsweise durch Wärmeleitung, Strahlung und Konvektion, zu rasch Energie entzogen wird, kommt es, typischerweise innerhalb einer Zeit von 100 μs bis 1 ms, zum Erlöschen des Flammkerns, und es erfolgt keine Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs. In der Regel ist die Energie, die zur vollständigen Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in dem Flammkern deponiert werden muss, von vielen Faktoren abhängig, insbesondere von dem, auch durch den Lambda-Wert angegebenem, Verhältnis zwischen Kraftstoff und Luft am Ort der Zündung. In der Regel ist die Fremdzündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs mit hohem Lambda-Wert, zum Beispiel mit einem Lambda-Wert größer als 2, erschwert.Provided, that the energy deposited by the spark in the flame core is sufficient it subsequently comes to further ignition of the in the combustion chamber located fuel-air mixture. Otherwise, if the in Energy deposited in the flame kernel does not cause further ignition of the fuel-air mixture in the combustion chamber is sufficient and if the flame core, for example by heat conduction, Radiation and convection, too quickly deprived of energy, comes it, typically within a time of 100 μs to 1 ms, to extinguish the flame kernel, and none occurs Ignition of the fuel-air mixture. In general it is the energy needed to completely ignite the fuel-air mixture must be deposited in the flame kernel, depending on many factors, in particular of the, also indicated by the lambda value, ratio between fuel and air at the place of ignition. In the The rule is the spark ignition of a fuel-air mixture with a high lambda value, for example with a lambda value greater than 2, difficult.

Aus der DE 10 2006 031 768 A1 ist eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, die eine Lasereinrichtung mit einem laseraktiven Festkörper und mit einer passiven Güteschaltung umfasst. Durch die Zündeinrichtung werden Laserimpulse in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht. Die Zündeinrichtung umfasst ferner eine Pumplichtquelle zum Pumpen des laseraktiven Festkörpers, wobei die Pumplichtquelle und der laseraktive Festkörper über eine Lichtleitereinrichtung optisch miteinander verbunden sind. Aus der DE 10 2006 031 768 A1 ist es ferner bekannt, diese Zündeinrichtung so zu betreiben, dass Laserimpulse mit einem zeitlichen Abstand von 20 μs bis 200 μs erzeugt werden, um mit diesen Laserimpulsen unterschiedliche Bereiche eines sich im Brennraum befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemischs zu treffen und um auf diese Weise die Wahrscheinlichkeit, mit wenigstens einem der Laserimpulse einen entflammbaren Bereich zu treffen, zu steigern. Bei diesem, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren trägt der durch den nachfolgenden Laserimpuls erzeugte nachfolgende Funke nicht zur Erhöhung der in dem Flammkern deponierten Energie bei, da sich der mit einem Laserimpuls erzeugte Flammkern zusammen mit der Strömung im Brennraum, deren Geschwindigkeit typischerweise bis zu 50 m/s beträgt, bewegt, sodass der ein mit einem zeitlichen Abstand von mindestens 20 μs nachfolgender Laserimpuls und der aus diesem Laserimpuls resultierende Funken nebst zugehörigem Flammkern typischerweise 1 mm von dem zuerst erzeugten Flammkern beabstandet ist und damit außerhalb des zuerst erzeugten Flammkerns liegt.From the DE 10 2006 031 768 A1 an ignition device for an internal combustion engine is known which comprises a laser device with a laser-active solid and with a passive Q-switching. By the ignition laser pulses are introduced into the combustion chamber of the internal combustion engine. The ignition device further comprises a pumping light source for pumping the laser-active solid, wherein the pumping light source and the laser-active solid body are optically interconnected via a light guide device. From the DE 10 2006 031 768 A1 It is also known to operate this ignition device so that laser pulses are generated with a time interval of 20 microseconds to 200 microseconds to meet with these laser pulses different areas of a located in the combustion chamber fuel-air mixture and in this way the Probability of hitting a flammable area with at least one of the laser pulses. In this method, known from the prior art, the subsequent spark generated by the subsequent laser pulse does not contribute to increasing the energy deposited in the flame kernel, since the flame kernel generated by a laser pulse coincides with the flow in the combustion chamber, whose velocity is typically up to 50 m / s, moves, so that the one with a time interval of at least 20 μs subsequent laser pulse and resulting from this laser pulse sparks and associated flame core is typically spaced 1 mm from the first flame core and thus located outside of the first generated flame core.

Es ist somit erforderlich, dass zumindest einer der Laserimpulse einen Energiegehalt aufweist, der ausreicht, einen Funken zu generieren, von dem ausgehend es zur weiteren Entflammung des in dem Brennraum befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemischs kommt.It is thus required that at least one of the laser pulses a Energy content sufficient to generate a spark, from which it starts for further ignition of the in the combustion chamber located fuel-air mixture comes.

Nachteilig ergibt es sich aus dieser Anforderung, dass die zur Ausführung des aus diesem Stand der Technik bekannten Verfahrens benötigte Lasereinrichtung vergleichsweise aufwendig ist.adversely it follows from this requirement that to the execution needed the known from this prior art method Laser device is relatively expensive.

In der US 5 756 924 wird vorgeschlagen, zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemischs einen Pulszug aus mehreren kurzen Laserimpulsen zu verwenden, wobei das zeitliche Intervall zwischen zwei kurzen Laserimpulsen des Pulszugs etwa der Lebensdauer eines durch einen Laserimpuls im Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugten Funkens entspricht. Die Lebensdauer des im Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugten Funkens wird in der gleichen Schrift mit 150 ns angegeben. Es wird in der US 5 756 924 ferner vorgeschlagen, einen derartigen Pulszug mit einem modengekoppelten Laser zu erzeugen.In the US 5,756,924 It is proposed to use a pulse train of several short laser pulses for igniting a fuel-air mixture, wherein the time interval between two short laser pulses of the pulse train corresponds approximately to the life of a spark generated by a laser pulse in the fuel-air mixture. The lifetime of the spark generated in the fuel-air mixture is given in the same font as 150 ns. It will be in the US 5,756,924 further proposed to generate such a pulse train with a mode-locked laser.

Auch in diesem, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs wird versucht, in einem einzigen Funken die Energiemenge zu deponieren, die erforderlich ist, um einen Flammkern zu generieren, von dem ausgehend es zur weiteren Entflammung des in dem Brennraum befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemischs kommt. Es ist somit erforderlich, dass die verwendete Lasereinrichtung in kurzer Zeit eine hohe Energiemenge abgibt.Also in this known from the prior art method for igniting a fuel-air mixture is trying to deposit in a single spark, the amount of energy required to generate a flame kernel, from which it starts to further ignite the in the Brenn space-containing fuel-air mixture comes. It is thus necessary that the laser device used emit a large amount of energy in a short time.

Nachteilig ergibt es sich aus dieser Anforderung, dass die zur Ausführung des Verfahrens benötigte Lasereinrichtung vergleichsweise aufwendig ist.adversely it follows from this requirement that to the execution of the method required laser device comparatively is expensive.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Erfindungsgemäße Verfahren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs und erfindungsgemäße Laserzündsysteme mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass lediglich Lasereinrichtungen benötigt werden, die vergleichsweise wenig aufwendig sind.invention Method for igniting a fuel-air mixture and inventive laser ignition systems with have the features of the independent claims In contrast, the advantage that only laser devices are needed, which are relatively inexpensive.

Hierfür ist es vorgesehen, dass mindestens zwei Laserimpulse zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine in einem zeitlichen Abstand erzeugt werden, der mehr als 1 μs und weniger als 15 μs beträgt. Unter dem zeitlichen Abstand von zwei Laserimpulsen wird hierbei die Zeitspanne verstanden, die zwischen dem Ende eines zeitlich vorangehenden und dem Beginn eines zeitlich nachfolgenden Laserimpulses verstreicht. Als Beginn und Ende eines Laserimpulses werden entsprechend der DIN EN ISO 11145 die Zeitpunkte aufgefasst, zu denen die Intensität der Strahlung 50% der Spitzenintensität der Strahlung des Laserimpulses erstmals überschreitet beziehungsweise letztmals unterschreitet.For this purpose, it is provided that at least two laser pulses are generated for igniting a fuel-air mixture in a combustion chamber of an internal combustion engine at a time interval which is more than 1 μs and less than 15 μs. In this case, the time interval between two laser pulses is understood as meaning the time interval which elapses between the end of a chronologically preceding laser pulse and the beginning of a chronologically succeeding laser pulse. As the beginning and end of a laser pulse are in accordance with the DIN EN ISO 11145 the times considered, for which the intensity of the radiation exceeds 50% of the peak intensity of the radiation of the laser pulse for the first time or falls below the last time.

Durch die erfindungsgemäße Wahl des zeitlichen Abstandes der zwei aufeinanderfolgenden Laserimpulse werden zwei Funken nacheinander erzeugt und ausgehend von den Funken bilden sich zwei Flammkerne so, dass sich die zwei Flammkerne räumlich überlappen. Das Überlappen der Flammkerne kann auch als Ausbilden eines gemeinsamen Flammkerns aufgefasst werden. Unter zwei Funken, die nacheinander erzeugt werden, werden dabei ein zeitlich vorangehender und ein zeitlich nachfolgender Funke verstanden, wobei der zeitlich nachfolgende Funke erst beginnt, nachdem der zeitlich vorangehende Funke geendet hat. Als Beginn und Ende eines Funkens werden die Zeitpunkte aufgefasst, zu denen die Intensität des Leuchtens des Funkens 50% der Spitzenintensität des Leuchtens des Funkens erstmals überschreitet beziehungsweise letztmals unterschreitet.By the inventive choice of the time interval The two successive laser pulses will be two sparks in succession generated and from the sparks form two flame kernels so that the two flame cores overlap spatially. The overlapping of the flame kernels can also be considered as forming a be understood common flame kernel. Under two sparks, the are generated one after the other, thereby becoming a temporally preceding and understood a temporally following spark, the time subsequent spark will not start until after the previous one Spark has ended. The beginning and end of a spark are the Timing conceived, including the intensity of lighting 50% of the peak intensity of the lighting of the spark Funk for the first time exceeds or last falls below.

Nach Erlöschen des Funkens vergeht eine gewisse Zeitspanne, der sogenannte Zündverzug, der typischerweise eine bis einige Millisekunden beträgt, bevor es zum Erscheinen einer ersten sichtbaren Entflammung im Brennraum kommt. Gleichzeitig kann ein erster Druckanstieg und eine erste Gemischumsetzung im Brennraum beobachtet werden. In der vorliegenden Erfindung wird diese erste sichtbare Entflammung als Flammkern aufgefasst. Der Flammkern wird im Wesentlichen lediglich die durch den Funken in den Brennraum eingebrachte Energie erzeugt, bevor durch Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs Energie gewonnen wird.To Extinction of the spark takes a certain amount of time, the so-called ignition delay, which is typically one to a few milliseconds before it comes to the appearance of a first visible ignition in the combustion chamber comes. At the same time a first pressure increase and a first mixture conversion in the combustion chamber to be watched. In the present invention, this becomes the first visible flame as a flame kernel. The flame core becomes essentially only those introduced by the spark in the combustion chamber Energy is generated before by combustion of the fuel-air mixture Energy is gained.

Als räumliche Ausdehnung eines Flammkerns wird der Raumbereich aufgefasst, in dem das Leuchten des Flammkerns mindestens 50% der Spitzenintensität des Leuchtens des Flammkerns beträgt. Als Leuchten wird die sichtbare und/oder mit einem optischen Detektor (zum Beispiel einer Silizium-Photodiode) messbare Emission aufgefasst.When spatial extent of a flame kernel becomes the space area understood, in which the lighting of the flame kernel at least 50% of Peak intensity of the lighting of the flame core is. As a luminaire is the visible and / or with an optical detector (For example, a silicon photodiode) measurable emission conceived.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird erreicht, dass eine sichere Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs auch dann möglich ist, wenn lediglich solche Laserimpulse und solche Funken zur Verfügung gestellt werden, deren Energiegehalt einzeln nicht ausreicht, einen Flammkern zu bilden, dessen Energiegehalt zum sicheren Entflammen des Kraftstoff-Luft-Gemischs ausreicht. Zur Erzeugung solcher Laserimpulse werden lediglich Lasereinrichtungen benötigt, die vergleichsweise wenig aufwendig sind. So benötigen Lasereinrichtungen, die lediglich zur Erzeugung von Laserimpulsen mit geringem Energiegehalt ausgelegt sind, lediglich laseraktive Medien, zum Beispiel Kristalle, mit kleinen Abmessungen. Auch sind die thermomechanischen Belastungen, denen optische Komponenten der Lasereinrichtung, zum Beispiel Beschichtungen von Spiegeln oder von Abbildungsoptiken, ausgesetzt sind, geringer, sodass kostengünstigere Materialien verwendet werden können.By the measures according to the invention will Achieved that safe ignition of the fuel-air mixture is possible even if only such laser pulses and such sparks are made available, whose Energy content is not enough to form a flame kernel, its energy content for safe ignition of the fuel-air mixture sufficient. To generate such laser pulses are only laser devices needed, which are relatively inexpensive. So need laser devices that are only for generation are designed by laser pulses with low energy content, only laser-active media, for example crystals, with small dimensions. Also, the thermomechanical loads that are optical components the laser device, for example, coatings of mirrors or of imaging optics, are exposed to lower, so cost-effective Materials can be used.

Merkmale der Unteransprüche und der Beschreibung des Ausführungsbeispiels ermöglichen es, als Weiterbildungen der Erfindung den Aufbau eines erfindungsgemäßen Lasersystems vorteilhaft besonders zweckmäßig und einfach auszubilden.characteristics the dependent claims and the description of the embodiment make it possible, as developments of the invention, the structure a laser system according to the invention advantageous particularly convenient and easy to train.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Laserimpulszug 3 oder mehr, insbesondere zwischen 3 und 20, Laserimpulse aufweist, wobei der zeitliche Abstand zwischen dem ersten und dem letzten Laserimpuls des Laserimpulszugs zwischen 30 μs und 1 ms beträgt. In diesem Fall ist ein besonders einfacher Aufbau eines erfindungsgemäßen Lasersystems auch dann möglich, wenn Kraftstoffluft-Gemische mit einem hohen Luftüberschuss, insbesondere mit einem mit einem Lambda-Wert größer als 2, gezündet werden sollen.It is particularly advantageous if the laser pulse train 3 or more, in particular between 3 and 20, laser pulses, wherein the time interval between the first and the last laser pulse of the laser pulse train is between 30 microseconds and 1 ms. In this case, a particularly simple construction of a he According to the invention laser system also possible if fuel-air mixtures with a high excess of air, especially with one with a lambda value greater than 2, to be ignited.

Weist die Lasereinrichtung einen Festkörperlaser auf, der von einem Zeitpunkt, der vor der Erzeugung des Laserimpulszugs liegt, mindestens bis zu einem Zeitpunkt, der mit der Emission des letzten Laserimpulses des Laserimpulszugs zusammenfällt, von der Emission einer Pumplichtquelle durchgängig optisch angeregt, insbesondere durchgängig optisch gepumpt, wird, so kann der Aufbau des Laserzündsystems weiter vereinfacht werden.has the laser device on a solid state laser, the of a time prior to the generation of the laser pulse train, at least until a time coinciding with the issue of the last Laser pulse of the laser pulse train coincides, from the Emission of a pump light source continuously optically excited, in particular is optically pumped throughout, so can the construction of the Laser ignition system can be further simplified.

Es ist besonders bevorzugt, dass die mindestens zwei Laserimpulse in einem zeitlichen Abstand erzeugt werden, der nicht mehr als 10 μs beträgt, da auf diese Weise der Festkörperlaser weiter vereinfacht werden kann.It It is particularly preferred that the at least two laser pulses in be generated at a time interval of not more than 10 microseconds is, because in this way the solid-state laser can be further simplified.

Ferner ist es besonders bevorzugt, dass die mindestens zwei Laserimpulse in einem zeitlichen Abstand erzeugt werden, der mehr als 2 μs beträgt, da auf diese Weise eine ausreichende Überhöhung der Spitzenleistung des Laserimpulszugs zur mittleren Leistung des Laserimpulszugs besonders einfach erreicht werden kann.Further it is particularly preferred that the at least two laser pulses be generated at a time interval of more than 2 μs is, because in this way a sufficient elevation the peak power of the laser pulse train to the medium power of the Laser pulse train can be achieved particularly easily.

Zeichnungdrawing

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung. 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine with a laser ignition device according to the invention.

2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung im Detail. 2 shows an embodiment of the laser ignition device according to the invention in detail.

3 zeigt einen zeitlichen Verlauf des Pumplichts und der hierdurch erzeugten Laserimpulsen entsprechend einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 shows a time course of the pump light and the laser pulses generated thereby according to an embodiment of the method according to the invention.

4a und 4b zeigen schematisch Lage und Form von im Brennraum erzeugten Flammkernen. 4a and 4b show schematically position and shape of flame cores produced in the combustion chamber.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs oder eines ebenfalls nicht dargestellten Generators. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder 12, von denen in 1 einer gezeigt 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 20 angeschlossen ist.An internal combustion engine carries in 1 Overall, the reference number 10 , It serves to drive a motor vehicle, not shown, or a generator, also not shown. The internal combustion engine 10 includes several cylinders 12 of which in 1 one is shown. A combustion chamber 14 of the cylinder 12 is from a piston 16 limited. Fuel enters the combustion chamber 14 directly through an injector 18 that is connected to a fuel pressure accumulator 20 connected.

In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels eines Laserimpulszugs 24 entzündet, der von einer eine Lasereinrichtung 26 umfassenden Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt und mittels einer Abbildungsoptik 261 fokussiert wird. Die Lasereinrichtung 26 wird 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.In the combustion chamber 14 injected fuel 22 is by means of a laser pulse train 24 ignited by a laser device 26 comprehensive ignition device 27 in the combustion chamber 14 emitted and by means of an imaging optics 261 is focused. The laser device 26 is via a light guide device 28 powered by a pump light, which is from a pump light source 30 provided. The pump light source 30 is controlled by a control device 32 which also controls the injector 18 controls.

Bei der Pumplichtquelle 30 kann es sich beispielsweise um einen Halbleiterlaser handeln, der in Abhängigkeit eines Steuerstroms ein entsprechendes Pumplicht über die Lichtleitereinrichtung 28 an die Lasereinrichtung 26 ausgibt. Obwohl Halbleiterlaser und andere klein bauende Pumplichtquellen 30 bevorzugt für einen Einsatz in dem Kraftfahrzeugbereich verwendet werden, ist für den Betrieb der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung 27 prinzipiell jede Art von Pumplichtquelle 30 verwendbar.At the pump light source 30 it may be, for example, a semiconductor laser, which in response to a control current, a corresponding pumping light via the optical fiber device 28 to the laser device 26 outputs. Although semiconductor lasers and other small pumping light sources 30 is preferably used for use in the automotive sector, is for the operation of the ignition device according to the invention 27 in principle any kind of pump light source 30 usable.

2 zeigt schematisch eine Detailansicht des Festkörperlasers 260 der Lasereinrichtung 26 aus 1. Wie aus 2 ersichtlich, weist der Festkörperlaser 260 einen, nachfolgend als Laserkristall 44 bezeichneten, laseraktiven Festkörper auf, dem ein auch als Q-switch bezeichneter Kristall, der passive Güteschalter 46 optisch nachgeordnet ist. Der Festkörperlaser 260 weist ferner einen Einkoppelspiegel 42 und einen Auskoppelspiegel 48 auf. Die Komponenten des Festkörperlasers 260 sind in diesem Beispiel monolithisch ausgebildet, das heißt, sie sind weitgehend unlösbar miteinander verbunden, zum Beispiel durch Bonden und/oder Beschichten. 2 schematically shows a detailed view of the solid state laser 260 the laser device 26 out 1 , How out 2 can be seen, the solid state laser 260 one, subsequently as a laser crystal 44 referred to, laser-active solid on, which also called a Q-switch crystal, the passive Q-switch 46 is optically subordinate. The solid-state laser 260 also has a coupling mirror 42 and a decoupling mirror 48 on. The components of the solid-state laser 260 are monolithic in this example, that is, they are largely non-detachably connected to each other, for example by bonding and / or coating.

Zur Erzeugung eines auch als Riesenimpuls bezeichneten Laserimpulses wird der Laserkristall 44 durch den Einkoppelspiegel 42 hindurch mit Pumplicht 28a beaufschlagt, sodass es zu einem optischen Pumpen und zur Ausbildung einer Besetzungsinversion in dem Laserkristall 44 kommt. Zunächst befindet sich der passive Güteschalter 46 in seinem Ruhezustand, in dem er eine verhältnismäßig geringe Transmission für das von der Lasereinrichtung 26 zu erzeugende Licht aufweist. Auf diese Weise werden der Prozess der stimulierten Emission und damit die Erzeugung von Laserstrahlung zunächst unterdrückt. Mit steigender Pumpdauer, das heißt während einer Beaufschlagung mit dem Pumplicht 28a, steigt jedoch die Strahlungsintensität in dem Festkörperlaser 260 an, sodass der passive Güteschalter 46 schließlich ausbleicht. Hierbei steigt seine Transmission sprunghaft an, und die Erzeugung von Laserstrahlung setzt ein. Dieser Zustand ist durch den Doppelpfeil 24' symbolisiert. Während des Laserbetriebs erfolgt infolge des Effektes der stimulierten Emission ein rascher Abbau der im Laserkristall 44 vorliegenden Besetzungsinversion, sodass die Emission des Festkörperlasers 260 typischerweise nach einigen Nanosekunden zum Erliegen kommt und nachfolgend sinkt auch die Transmission des Güteschalters 46 typischerweise innerhalb etwa einiger Mikrosekunden wieder auf ihren ursprünglichen, geringen Wert.To generate a laser pulse, also called a giant pulse, the laser crystal is used 44 through the coupling mirror 42 through with pump light 28a so that it turns into an optical pump pen and to form a population inversion in the laser crystal 44 comes. First, there is the passive Q-switch 46 in its idle state in which it has a relatively low transmission for that of the laser device 26 having to be generated light. In this way, the process of stimulated emission and thus the generation of laser radiation are initially suppressed. With increasing pumping time, that is during exposure to the pumping light 28a However, the radiation intensity in the solid-state laser increases 260 so that the passive Q-switch 46 finally fading. In this case, its transmission increases abruptly, and the generation of laser radiation sets in. This condition is indicated by the double arrow 24 ' symbolizes. During laser operation, the effect of the stimulated emission causes a rapid degradation of the laser crystal 44 present population inversion, so that the emission of the solid-state laser 260 typically comes to a halt after a few nanoseconds and subsequently also decreases the transmission of the Q-switch 46 typically back to their original, low value within about a few microseconds.

Auf die vorstehend beschriebene Weise entsteht ein auch als Riesenimpuls bezeichneter Laserimpuls 24a, der eine verhältnismäßig hohe Spitzenleistung aufweist. Der Laserimpuls 24a wird, gegebenenfalls unter Verwendung einer weiteren Lichtleitereinrichtung (nicht gezeigt), oder auch direkt durch ein ebenfalls nicht abgebildetes Brennraumfenster der Lasereinrichtung 26 in den Brennraum 14 (1) der Brennkraftmaschine 10 eingekoppelt, so dass darin vorhandener Kraftstoff 22 bzw. ein Luft/Kraftstoffgemisch entzündet wird.In the manner described above, a laser pulse, also referred to as a giant pulse, is produced 24a which has a relatively high peak power. The laser pulse 24a is optionally using a further optical fiber device (not shown), or directly through a likewise not shown combustion chamber window of the laser device 26 in the combustion chamber 14 ( 1 ) of the internal combustion engine 10 coupled so that it contains fuel 22 or an air / fuel mixture is ignited.

Wird die Beaufschlagung des Laserkristalls 44 mit Pumplicht kontinuierlich fortgesetzt, kommt es einige Zeit später zur Emission eines zweiten Laserimpulses 24b und eventuell zur Emission weiterer Laserimpulse, sodass insgesamt ein Pulszug 24 entsteht.Will the application of the laser crystal 44 continued with pump light continuously, it comes some time later to the emission of a second laser pulse 24b and possibly to the emission of further laser pulses, so that a total of one pulse train 24 arises.

Um Pulszüge 24 mit einer gewünschten Anzahl von Laserimpulsen 24a, 24b, mit gewünschten zeitliche Abständen zwischen den Laserimpulsen 24a, 24b und mit gewünschtem Energiegehalten der Laserimpulse 24a, 24b zu generieren, stimmt der Fachmann routinemäßig insbesondere folgende Größen aufeinander ab: Intensität und Dauer des Pumplichts, Anfangstransmission des Güteschalters 46 und die Transmission des Auskoppelspiegels 48.To pulse trains 24 with a desired number of laser pulses 24a . 24b , with desired time intervals between the laser pulses 24a . 24b and with desired energy levels of the laser pulses 24a . 24b the expert routinely agrees in particular the following quantities: intensity and duration of the pump light, initial transmission of the Q-switch 46 and the transmission of the coupling-out mirror 48 ,

In der 3 ist der zeitliche Verlauf der Intensität des Pumplichts und der Emission des Festkörperlasers 260 in einem ersten Ausführbeispiel der Erfindung aufgetragen. Der Laserkristall 44 wird über eine Zeitdauer T = 60 μs kontinuierlich mit Pumplicht P beaufschlagt, wobei die Leistung des Pumplichtes P während des der Zeitdauer T konstant ca. 300 W beträgt. Bei einer Anfangstransmission des passiven Güteschalters 46 von 60% emittiert der Festkörperlaser 260 während dieser Zeitspanne einen Pulszug 24 aus vier Laserimpulsen, von denen in der 3 die ersten drei mit den Bezugszeichen 24a, 24b und 24c bezeichnet sind, wobei jeder der vier Laserimpulse 24a, 24b, 24c einen Energieinhalt von ca. 1,3 mJ hat. Der zeitliche Abstand zwischen zwei unmittelbar aufeinander folgenden Laserimpulsen 24a, 24b, 24c beträgt etwa 10 μs.In the 3 is the time course of the intensity of the pump light and the emission of the solid-state laser 260 applied in a first embodiment of the invention. The laser crystal 44 Pumplicht P is continuously applied over a period of time T = 60 .mu.s, wherein the power of the pump light P during the time period T is constant about 300 W. At an initial transmission of the passive Q-switch 46 of 60% emitted by the solid-state laser 260 during this time span a pulse train 24 from four laser pulses, of which in the 3 the first three with the reference numbers 24a . 24b and 24c are designated, wherein each of the four laser pulses 24a . 24b . 24c has an energy content of about 1.3 mJ. The time interval between two consecutive laser pulses 24a . 24b . 24c is about 10 μs.

Alternativ kann eine Anfangstransmission des passiven Güteschalters 46 von 70% gewählt werde und die Leistung des Pumplichtes auf 230 W reduziert werden. In diesem Fall ergeben sich bei etwa gleichen zeitlichen Abständen vier Laserimpulse 24a, 24b, 24c einen Energieinhalt von 0,9 mJ.Alternatively, an initial transmission of the passive Q-switch 46 70% and the power of the pump light is reduced to 230W. In this case, four laser pulses result at approximately the same time intervals 24a . 24b . 24c an energy content of 0.9 mJ.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die in diesem Beispiel oder nachfolgend angegebene Parameter beschränkt, vorzugsweise werden jedoch folgende Parameter gewählt: – Anfangstransmission des passiven Güteschalters 46: 30% < T₀ < 98% – Transmission des Auskoppelspiegels 48: 2% < Ts < 70% – Anzahl der Pulse im Laserimpulszug 24: 1 < n ≤ 100 – Energiegehalt der Laserimpulse 24a, 24b, 24c: 0,5 mJ ≤ Es ≤ 20mJ – Pumpdauer des Halbleiterlasers 30: 100 μs ≤ tp ≤ 1 ms – Leistung des Halbleiterlasers 30: 30 W < P < 600 W Of course, the invention is not limited to the parameters given in this example or below, but preferably the following parameters are selected: - Initial transmission of the passive Q-switch 46 : 30% <T ₀ <98% - Transmission of the coupling-out mirror 48 : 2% <Ts <70% - Number of pulses in the laser pulse train 24 : 1 <n ≤ 100 - Energy content of the laser pulses 24a . 24b . 24c : 0.5 mJ ≤ Es ≤ 20 mJ - Pumping time of the semiconductor laser 30 : 100 μs ≤ tp ≤ 1 ms - Power of the semiconductor laser 30 : 30 W <P <600 W

Die vier Laserimpulse 24a, 24b, 24c werden in den Brennraum 14 (1) emittiert, wobei zum Zeitpunkt der Emission am Ort des Brennpunktes der Abbildungsoptik 261 eine Strömung 51, deren Geschwindigkeit ca. 50 m/s beträgt und die in Richtung des Kolbens 16 zeigt, herrscht. Durch jeden der vier Laserimpulse 24a, 24b, 24c wird im Brennraum 14 am Ort des Brennpunktes der Abbildungsoptik 261 jeweils ein Funke erzeugt, wobei jeder nachfolgende Funke erst entsteht, wenn alle vorangehenden Funken bereits erloschen sind.The four laser pulses 24a . 24b . 24c be in the combustion chamber 14 ( 1 ) emitted, wherein at the time of emission at the location of the focal point of the imaging optics 261 a flow 51 whose speed is about 50 m / s and which is in the direction of the piston 16 shows, rules. Through each of the four laser pulses 24a . 24b . 24c is in the combustion chamber 14 at the focal point of the imaging optics 261 each generates a spark, each subsequent spark only arises when all previous sparks have already gone out.

4a zeigt eine Momentaufnahme des entstandenen Flammkerns 23 in dem Brennraum 14 ca. eine Millisekunde nach dem Erlöschen des letzten Funkens. Es ist zu erkennen, dass sich der Flammkern 23 relativ zum Brennpunkt der Abbildungsoptik 261 ca. 50 mm versetzt befindet. Dies ist auf die Strömung 51 im Brennraum 14 in Verbindung mit der zwischen der Entstehung der Funken und der Entstehung des Flammkerns 23 verstrichene Zeit zurückzuführen. 4a shows a snapshot of the resulting flame kernel 23 in the combustion chamber 14 about one Milliseconds after the last spark goes out. It can be seen that the flame kernel 23 relative to the focal point of the imaging optics 261 50 mm offset. This is on the flow 51 in the combustion chamber 14 in connection with the origin of the sparks and the formation of the flame kernel 23 attributed to elapsed time.

Wie in der 4b, die den Flammkern 23 aus der 4a vergrößert zeigt, zu erkennen ist, setzt sich der Flammkern 23 aus vier einzelnen Flammkernen, von den in der 4b drei die Bezugszeichen 23a, 23b, 23c tragen, zusammen, die jeweils einen Durchmesser von ca. 1 mm aufweisen. Jeder der vier einzelnen Flammkerne 23a, 23b, 23c geht auf einen der vier Funken zurück und ist relativ zu seinem Nachbarn um ca. 0,5 mm verschoben. Diese Verschiebung geht ebenfalls auf die Strömung 51 im Brennraum 14 und die zeitlichen Abstände bei der Entstehung der Funken zurück.Like in the 4b that the flame kernel 23 from the 4a shows enlarged, it can be seen, sets the flame kernel 23 from four individual flame kernels, from those in the 4b three the reference numerals 23a . 23b . 23c wear, together, each having a diameter of about 1 mm. Each of the four individual flame kernels 23a . 23b . 23c goes back to one of the four sparks and is shifted relative to its neighbor by about 0.5 mm. This shift also affects the flow 51 in the combustion chamber 14 and the time intervals at the origin of the sparks back.

Wenngleich es in diesem Beispiel der Erfindung durch Betrachtung erkennbar ist, dass der Flammkern 23 aus mehreren einzelnen Flammkernen 23a, 23b, 23c besteht, die sich räumlich überlappen, ist dies nicht wesentlich für die vorliegende Erfindung. Bei niedrigerer Strömungsgeschwindigkeit im Brennraum, kürzeren zeitlichen Abständen zwischen den Laserimpulsen und/oder bei einer höheren Turbulenz der Strömung bildet sich ausgehend von mehreren Funken ein einheitlich erscheinender, gemeinsamer Flammkern 23 aus. Selbstverständlich ist das Verfahren auch in diesem Fall von der Erfindung umfasst.Although in this example of the invention it can be seen by consideration that the flame core 23 from several individual flame kernels 23a . 23b . 23c is spatially overlapping, this is not essential to the present invention. At lower flow velocity in the combustion chamber, shorter time intervals between the laser pulses and / or with a higher turbulence of the flow, starting from a plurality of sparks, a uniform, common flame core is formed 23 out. Of course, the method is also included in this case of the invention.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 102006031768 A1 [0004, 0004]
US 5756924 [0007, 0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

- DIN EN ISO 11145 [0011]

Claims

Method for igniting a fuel-air mixture ( 22 ) in a combustion chamber ( 14 ) an internal combustion engine ( 10 ), in particular an internal combustion engine ( 10 ) of a vehicle or a generator, with a laser device ( 26 ), wherein the ignition of the fuel-air mixture ( 22 ) in the combustion chamber ( 14 ) by one of the laser device ( 26 ) generated laser pulse train ( 24 ), wherein the laser pulse train ( 24 ) from at least two laser pulses ( 24a . 24b ), characterized in that the at least two laser pulses ( 24a . 24b ) are generated at a time interval which is not less than 1 μs and not more than 15 μs.

Method according to Claim 1, characterized in that the at least two laser pulses ( 24a . 24b ) are generated at a time interval which is not less than 2 μs and not more than 10 μs.

Method for igniting a fuel-air mixture ( 22 ) in a combustion chamber ( 14 ) an internal combustion engine ( 10 ), in particular an internal combustion engine ( 10 ) of a vehicle or a generator, with a laser device ( 26 ), preferably according to claim 1 or claim 2, wherein the ignition of the fuel-air mixture ( 22 ) in the combustion chamber ( 14 ) by one of the laser device ( 26 ) generated laser pulse train ( 24 ), wherein the laser pulse train ( 24 ) from at least two laser pulses ( 24a . 24b ), which are generated at a time interval, characterized in that in the fuel-air mixture ( 22 ) by the at least two laser pulses ( 24a . 24b ) at least two sparks are generated in succession and starting from the at least two sparks at least two flame kernels ( 23a . 23b ) spatially overlapping and / or starting from the at least two sparks a common flame kernel ( 23 ).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser device ( 26 ) a solid state laser ( 260 ), wherein the solid-state laser ( 260 ) a laser crystal ( 44 ) and a passive Q-switch ( 46 ), wherein the solid-state laser ( 260 ) before and / or during the generation of the laser pulse train ( 24 ) from the emission of a pumping light source ( 30 ) is optically excited, in particular optically pumped, and wherein a population inversion occurs.

Method according to claim 4, characterized in that the solid state laser ( 260 ) from a time prior to the generation of the laser pulse train ( 24 ), until a time coincident with the emission of the last laser pulse of the laser pulse train ( 24 ), consistently from the emission of a pumping light source ( 30 ) optically excited, in particular optically pumped, is.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the solid-state laser ( 260 ) is formed monolithically, wherein the total optical length of a circulation of light in a resonator ( 42 . 48 ) of the solid state laser ( 260 ) is less than 300 mm.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser pulse train ( 24 ) 3 or more, in particular between 3 and 20, laser pulses ( 24a . 24b ) having.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the time interval between the first and the last laser pulse of the laser pulse train ( 24 ) is between 100 μs and 1 ms and / or that each laser pulse has an energy content of less than 2 mJ, in particular less than 1 mJ.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that ignited fuel-air mixtures be at least locally a lambda value of 2.0 or more exhibit.

Laser ignition device for igniting a fuel-air mixture ( 22 ) in a combustion chamber ( 14 ) an internal combustion engine ( 10 ), in particular an internal combustion engine ( 10 ) of a vehicle or a generator, comprising a laser device ( 26 ) and a pump light source ( 30 ) for optically pumping the laser device ( 26 ), wherein the laser ignition device ( 27 ) for generating a laser pulse train ( 24 ), wherein the laser pulse train ( 24 ) at least two laser pulses ( 24a . 24b ), characterized in that the at least two laser pulses ( 24a . 24b ) have a time interval which is not less than 1 μs and not more than 15 μs.

Laser ignition device according to the preceding claim, characterized in that the laser device ( 26 ) a solid state laser ( 260 ), wherein the solid-state laser ( 260 ) a laser crystal ( 44 ) and a passive Q-switch ( 46 ), wherein the pump light source ( 30 ) is formed as a semiconductor laser.

Laser ignition device according to one of the preceding claims, characterized in that the solid-state laser ( 260 ) is formed monolithically, wherein the total optical length of a circulation of light in a resonator ( 42 . 48 ) of the solid state laser ( 260 ) is less than 300 mm.