DE102008062572A1

DE102008062572A1 - Zündkerze

Info

Publication number: DE102008062572A1
Application number: DE102008062572A
Authority: DE
Inventors: Markus Kraus; Friedrich Gruber; Pascal Woerner; Juergen Raimann; Martin Weinrotter
Original assignee: GE Jenbacher GmbH and Co OHG; Robert Bosch GmbH
Current assignee: Innio Jenbacher GmbH and Co OG; Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2010-06-17
Also published as: WO2010072520A1; US20110297121A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze (100) für eine Brennkraftmaschine, mit einer Vorkammer (110) zur Aufnahme eines zündfähigen Mediums und mit einer Lasereinrichtung (120) zur Beaufschlagung eines in der Vorkammer (110) angeordneten Zündpunkts (ZP) mit Laserstrahlung (130). Erfindungsgemäß weist die Lasereinrichtung (120) einen laseraktiven Festkörper (124) mit einer passiven Güteschaltung (126) auf.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine, mit einer Vorkammer zur Aufnahme eines zündfähigen Mediums und mit einer Lasereinrichtung zur Beaufschlagung eines in der Vorkammer angeordneten Zündpunkts mit Laserstrahlung.
Eine Zündkerze des vorstehend genannten Typs ist beispielsweise aus der DE 10 2006 018 973 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zündkerze der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein flexiblerer Betrieb und gleichzeitig eine zuverlässige Zündung eines zündfähigen Mediums gewährleistet sind.
Diese Aufgabe wird bei einer Zündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Lasereinrichtung einen laseraktiven Festkörper mit einer passiven Güteschaltung aufweist. Durch diese Konfiguration ermöglicht die erfindungsgemäße Zündkerze die Erzeugung von hochenergetischen Laserimpulsen direkt vor Ort, das heißt in der Zündkerze selbst, so dass die für eine Zündung erforderlichen hochenergetischen Laserimpulse nicht von einer entfernt angeordneten Quelle über entsprechende Lichtleiter zu der Zündkerze geleitet werden müssen und damit einhergehende Verluste entfallen.
Vielmehr ist es bei der erfindungsgemäßen Konfiguration der Zündkerze völlig ausreichend, die Zündkerze beziehungsweise die darin angeordnete passiv gütegeschaltete Lasereinrichtung mit Pumplicht zu versorgen, das im Vergleich zu den für die Zündung erforderlichen Laserimpulsen eine verhältnismäßig geringe Spitzenleistung hat und besonders wirtschaftlich beispielsweise von einer entfernt angeordneten Pumplichtquelle bereitgestellt werden kann.
Erfindungsgemäß kann der in die Zündkerze integrierten Lasereinrichtung vorteilhaft eine Einkoppeloptik zur Einkopplung der lokal erzeugten Laserstrahlung in die Vorkammer zugeordnet sein.
Die Einkoppeloptik kann eine Fokussieroptik zur Fokussierung der lokal in der erfindungsgemäßen Zündkerze erzeugten Laserstrahlung auf mindestens einen in der Vorkammer angeordneten Zündpunkt enthalten und/oder ein Brennraumfenster. Eine Integration der Fokussieroptik in das Brennraumfenster ist ebenfalls möglich.
Ganz besonders vorteilhaft kann einer weiteren erfindungsgemäßen Variante der Zündkerze zufolge eine Fokussieroptik mit einstellbarer Brennweite vorgesehen sein. Die einstellbare Fokussieroptik ist hierbei vorzugsweise so ausgelegt, dass die Brennweite auch im eingebauten Zustand verstellt werden kann, das heißt wenn die erfindungsgemäße Zündkerze beispielsweise in den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine eingeschraubt ist.
Alternativ hierzu kann bei der erfindungsgemäßen Zündkerze auch eine Fokussieroptik mit fester Brennweite verwendet werden. Durch eine entsprechende Auswahl der festen Brennweite kann somit zumindest bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Zündkerze Einfluss auf die genaue Lage des Zündpunkts innerhalb der Vorkammer genommen werden.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündkerze ist vorgesehen, dass die Fokussieroptik so ausgebildet ist, dass die Laserstrahlung auf einen Zündpunkt fokussiert wird, der bei einer Einteilung der Vorkammer in drei etwa volumengleiche Teilbereiche, die sich von einer an die Vorkammer angrenzenden Stirnfläche der Lasereinrichtung axial von dieser wegerstrecken und durch gedachte im wesentlichen zu der Stirnfläche parallelen Ebenen voneinander getrennt sind, in dem am weitesten von der Stirnfläche entfernt angeordneten Teilbereich liegt. Bei einer derartigen Konfiguration ist Untersuchungen der Anmelder zufolge eine größtmögliche Effizienz und Zuverlässigkeit der Zündung des brennbaren Mediums in dem Hauptbrennraum gegeben durch eine optimierte Umsetzung der in der Vorkammer gespeicherten chemischen Energie. Insbesondere wird hierbei die Gasmenge, welche durch die bei der Zündung in der Vorkammer entstehende Flammenfront noch unverbrannt und daher ungenutzt aus der Vorkammer in den Brennraum ausgeschoben wird, minimiert.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündkerze weist einen Anschluss für eine Lichtleitereinrichtung auf, über die der Lasereinrichtung Pumplicht von einer, vorzugsweise entfernt angeordneten, Pumplichtquelle zuführbar ist. Der Anschluss für die Lichtleitereinrichtung kann vorzugsweise als Rast- und/oder Schraub- und/oder Steckverbindung ausgelegt sein. Es ist ferner denkbar, dass die Lichtleitereinrichtung über den Anschluss unlösbar mit der Lasereinrichtung verbunden ist und gemeinsam mit dieser bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Zündkerze in diese integriert wird.
Eine besonders einfache Herstellung der erfindungsgemäßen Zündkerze und eine hohe Betriebssicherheit ist dann gegeben, wenn die Lasereinrichtung monolithisch ausgebildet ist. Das heißt, der laseraktive Festkörper, die passive Güteschaltung, Ein- und Auskoppelspiegel sowie gegebenenfalls vorhandene Ein- und/oder Auskoppeloptiken oder auch optische Verstärker sind im wesentlichen einstückig ausgebildet beziehungsweise zu einem monolithischen Aufbau miteinander verbunden.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Zündkerze weist ein die Vorkammer begrenzender Wandabschnitt mindestens einen eine Fluidverbindung zu einem Brennraum der Brennkraftmaschine ermöglichenden Überströmkanal auf. Durch diesen Überströmkanal kann einerseits das zündfähige Medium von dem Brennraum in die Vorkammer einströmen. Andererseits erlaubt der Überströmkanal nach einer Zündung des in der Vorkammer befindlichen zündfähigen Mediums das Austreten von hochenergetischen Zündfackeln von der Vorkammer in den Brennraum der Brennkraftmaschine, wodurch auch ein verhältnismäßig mageres Gemisch in dem Brennraum der Brennkraftmaschine sicher entzündbar ist.
Vorteilhaft kann mindestens ein Überströmkanal der erfindungsgemäßen Zündkerze als Drallkanal ausgebildet sein, um einem durchströmenden Fluid eine tangentiale Bewegungskomponente bezogen auf eine Längsachse der Vorkammer aufzuprägen, wodurch sich insbesondere bei dem Beschicken der Vorkammer eine relativ gute Vermischung des von dem Brennraum der Brennkraftmaschine in die Vorkammer hereinströmenden Mediums mit dem bereits in der Vorkammer befindlichen Medium ergibt.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündkerze ist vorgesehen, dass mindestens ein Einlassventil zum Einbringen eines Fluids, insbesondere des zündfähigen Mediums, in die Vorkammer vorgesehen ist. Bei dieser Erfindungsvariante kann die Vorkammer demnach direkt mit dem zündfähigen Medium beaufschlagt werden („gespülte Vorkammer”), so dass beispielsweise kein Ansaugen eines zündfähigen Gemischs von einem Brennraum der Brennkraftmaschine durch die Überströmkanäle in die Vorkammer erforderlich ist, um auch dort ein zündfähiges Gemisch auszubilden. Allein über die Überströmkanäle mit zündfähigem Gemisch aus dem Brennraum versorgte Vorkammern werden demgegenüber auch als „ungespülte Vorkammer” bezeichnet.
Obwohl die Vorkammer der erfindungsgemäßen Zündkerze insbesondere bei einer Anwendung im Bereich von Stationärmotoren bzw. Großgasmotoren usw. bevorzugt integraler Bestandteil der Zündkerze bzw. durch die Zündkerze selbst gebildet ist, kann einer weiteren Erfindungsvariante zufolge auch vorgesehen sein, dass ein die Vorkammer, insbesondere brennraumseitig, begrenzender Wandabschnitt zumindest teilweise durch den Zylinderkopf gebildet und/oder integraler Bestandteil des Zylinderkopfes ist. D. h., in diesem Falle wirken Teilbereiche des Zylinderkopfes und der Zündkerze in geeigneter Weise zusammen, um die Vorkammer der erfindungsgemäßen Zündkerze auszubilden.
Die Vorkammer kann auch als separates Bauteil ausgebildet sein. In diesem Fall ist die Vorkammer z. B. über eine Schraubverbindung mit der Zündkerze verbindbar. Ebenso kann die Vorkammer eine Schraubverbindung zur Verbindung mit einem Zylinderkopf aufweisen.
Es ist ferner denkbar, die Vorkammer einstückig auszuführen mit der Zündkerze bzw. einem Gehäuse der Zündkerze.
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.
In der Zeichnung zeigt:
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündkerze in einem teilweisen Querschnitt, und
2 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Zündkerze gemäß 1.
1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündkerze 100.
Die Zündkerze 100 weist eine Vorkammer 110 auf, die über ein Einlassventil 140 mit einem zündfähigen Gemisch beschickt werden kann. Zur Entzündung des zündfähigen Gemischs in der Vorkammer 110 weist die Zündkerze 100 eine Lasereinrichtung 120 auf, die vorliegend monolithisch ausgebildet ist und einen laseraktiven Festkörper 124 mit einer passiven Güteschaltung 126 aufweist.
Über einen Anschluss 128a ist die Zündkerze 100 mit einer Lichtleitereinrichtung 128 verbunden, die der in die Zündkerze 100 integrierten Lasereinrichtung 120 Pumplicht von einer entfernt angeordneten Pumplichtquelle 129 zuführt. Unter Beaufschlagung des laseraktiven Festkörpers 124 beziehungsweise der passiven Güteschaltung 126 mit dem Pumplicht der Pumplichtquelle 129 wird in an sich bekannter Weise ein Laserimpuls 130 erzeugt, der von der Lasereinrichtung 120 über eine Einkoppeloptik 128a, 128b in die Vorkammer 110 eingekoppelt wird. Die Einkoppeloptik umfasst vorzugsweise eine Fokussieroptik 128a zur Fokussierung der Laserstrahlung 130 auf den Zündpunkt ZP. Ferner weist die Einkoppeloptik ein Brennraumfenster 128b auf, das die Lasereinrichtung 120 der Zündkerze 100 stirnseitig zu der Vorkammer 110 hin abschließt.
Durch die vorliegend in 1 veranschaulichte Lage des Zündpunkts ZP in der Vorkammer 110 in einem Abstand X, vergleiche den Doppelpfeil aus 1, zu der brennraumseitigen Stirnfläche der Lasereinrichtung 120, ist vorteilhaft gewährleistet, dass ein möglichst großer Anteil des in der Vorkammer 110 enthaltenen zündfähigen Gemischs durch die Laserstrahlung 130 in der Vorkammer 110 entzündet wird. Dieser Anteil ist in 1 mit dem Bezugszeichen 110a bezeichnet und trägt zu der durch die Vorkammer 110 bereitgestellten Zündenergie bei.
Ein verhältnismäßig geringer Anteil des in der Vorkammer 110 enthaltenen Mediums, der in der Regel unverbrannt aus der Vorkammer 110 über die Überströmkanäle 112 in den Brennraum 300 der Brennkraftmaschine ausgeschoben wird, ist in 1 mit dem Bezugszeichen 110b bezeichnet und trägt zu den sog. Überströmverlusten bei.
Durch die erfindungsgemäße Wahl der Lage des Zündpunkts ZP in der Vorkammer 110 ist wie aus 1 ersichtlich sichergestellt, dass eine größtmögliche Menge 110a des in der Vorkammer 110 enthaltenen zündfähigen Gemischs verbrannt wird und nur ein verhältnismäßig geringer Anteil 110b unverbrannt aus der Vorkammer 110 in den Brennraum 300 ausgeschoben wird.
Die Lage des Zündpunkts ZP in der Vorkammer 110 kann aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung der Lasereinrichtung 120 vorteilhaft z. B. durch die Auswahl der Brennweite der Fokussieroptik 128a festgelegt werden. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, in Abhängigkeit weiterer Parameter stets den günstigsten Ort für den Zündpunkt ZP zu wählen.
Ganz besonders vorteilhaft kann einer weiteren erfindungsgemäßen Variante der Zündkerze 100 zufolge eine Fokussieroptik 128a mit einstellbarer Brennweite vorgesehen sein. Die einstellbare Fokussieroptik ist hierbei vorzugsweise so ausgelegt, dass die Brennweite auch im eingebauten Zustand verstellt werden kann, das heißt wenn die erfindungsgemäße Zündkerze beispielsweise in den Zylinderkopf 200 einer Brennkraftmaschine eingeschraubt ist.
Obwohl die Vorkammer 110 der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 insbesondere bei einer Anwendung im Bereich von Stationärmotoren bzw. Großgasmotoren usw. bevorzugt integraler Bestandteil der Zündkerze 100 bzw. durch die Zündkerze 100 selbst gebildet ist, kann einer weiteren Erfindungsvariante zufolge auch vorgesehen sein, dass ein die Vorkammer 110, insbesondere brennraumseitig, begrenzender Wandabschnitt 111 zumindest teilweise durch den Zylinderkopf 200 gebildet und/oder integraler Bestandteil des Zylinderkopfes 200 ist. D. h., in diesem Falle wirken Teilbereiche des Zylinderkopfes 200 und der Zündkerze 100 in geeigneter Weise zusammen, um die Vorkammer 110 der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 auszubilden.
2 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Zündkerze 100 aus 1.
Erfindungsgemäß ist das gesamte Volumen der Vorkammer 110 durch zu der Stirnfläche 120a der Lasereinrichtung 120 (1) im wesentlichen parallel angeordnete gedachte Ebenen in drei etwa volumengleiche Bereiche 110_1, 110_2, 110_3 eingeteilt. Diese Bereiche 110_1, 110_2, 110_3 erstrecken sich wie aus 2 ersichtlich in axialer Richtung weg von der Stirnfläche 120a der Lasereinrichtung 120 (1).
Um einen optimalen Betrieb der Zündkerze 100 sicherzustellen, wird die Brennweite der Fokussieroptik 128a bei der bevorzugten Erfindungsvariante so gewählt, dass der Zündpunkt ZP etwa in der Mitte des dritten Bereichs 110_3 liegt, das heißt in demjenigen der drei Bereiche 110_1, 110_2, 110_3, der am weitesten von der Stirnfläche 120a entfernt ist. Zur Bestimmung der Mitte des dritten Bereichs 110_3 kann beispielsweise der Volumenschwerpunkt des hierdurch definierten Volumens betrachtet werden.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante kann mindestens ein Überströmkanal 112 der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 als Drallkanal ausgebildet sein, um einem durchströmenden Fluid eine tangentiale Bewegungskomponente bezogen auf eine Längsachse der Vorkammer 110 aufzuprägen, wodurch sich insbesondere bei dem Beschicken der Vorkammer 110 eine relativ gute Vermischung des von dem Brennraum 300 der Brennkraftmaschine in die Vorkammer 110 hereinströmenden Mediums mit dem bereits in der Vorkammer 110 befindlichen Medium ergibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006018973 A1 [0002]

Claims

Zündkerze (100) für eine Brennkraftmaschine, mit einer Vorkammer (110) zur Aufnahme eines zündfähigen Mediums und mit einer Lasereinrichtung (120) zur Beaufschlagung eines in der Vorkammer (110) angeordneten Zündpunkts (ZP) mit Laserstrahlung (130), dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (120) einen laseraktiven Festkörper (124) mit einer passiven Güteschaltung (126) aufweist.
Zündkerze (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lasereinrichtung (120) eine Einkoppeloptik (128a, 128b) zur Einkopplung der Laserstrahlung (130) in die Vorkammer (110) zugeordnet ist.
Zündkerze (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (128a, 128b) eine Fokussieroptik (128a) zur Fokussierung der Laserstrahlung (130) auf mindestens einen in der Vorkammer (110) angeordneten Zündpunkt (ZP) und/oder ein Brennraumfenster (128b) aufweist.
Zündkerze (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (128a) eine einstellbare Brennweite aufweist.
Zündkerze (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (128a) so ausgebildet ist, dass die Laserstrahlung (130) auf einen Zündpunkt (ZP) fokussiert wird, der bei einer Einteilung der Vorkammer (110) in drei etwa volumengleiche Teilbereiche (110_1, 110_2, 110_3), die sich von einer an die Vorkammer (110) angrenzenden Stirnfläche (120a) der Lasereinrichtung (120) axial von dieser weg erstrecken und durch gedachte im wesentlichen zu der Stirnfläche (120a) parallele Ebenen voneinander getrennt sind, in dem am weitesten von der Stirnfläche (120a) entfernt angeordneten Teilbereich (110_3) liegt.
Zündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss (128a) für eine Lichtleitereinrichtung (128) vorgesehen ist, über die der Lasereinrichtung (120) Pumplicht von einer, vorzugsweise entfernt angeordneten, Pumplichtquelle (129) zuführbar ist.
Zündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (120) monolithisch ausgebildet ist.
Zündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Vorkammer (110) begrenzender Wandabschnitt (111) mindestens einen eine Fluidverbindung zu einem Brennraum (300) der Brennkraftmaschine ermöglichenden Überströmkanal (112) aufweist
Zündkerze (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Überströmkanal (112) als Drallkanal ausgebildet ist, um einem durchströmenden Fluid eine tangentiale Bewegungskomponente bezogen auf eine Längsachse (112a) des Überströmkanals (112) aufzuprägen.
Zündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Einlassventil (140) zum Einbringen eines Fluids, insbesondere des zündfähigen Mediums, in die Vorkammer (110), vorgesehen ist.