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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine,
mit einer Vorkammer zur Aufnahme eines zündfähigen
Mediums, und mit einem Aufnahmebereich für Mittel zur Einkopplung
von Laserstrahlung in die Vorkammer.
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Eine
derartige Zündkerze ist bereits aus der
DE 10 2006 018 973 A1 bekannt.
Das bekannte System hat den Nachteil, dass bei einer Vergrößerung des
Vorkammervolumens zur Erhöhung der Zündenergie
auch eine größere Brennweite für die
Fokussierung der verwendeten Laserstrahlung gewählt werden
muss, sofern der Zündpunkt bei der Volumenvergrößerung
der Vorkammer nach wie vor in dem hierfür bevorzugten Bereich
der Überströmkanäle verbleiben soll,
die eine Fluid- bzw. Plasmaverbindung zu einem Brennraum der zu
zündenden Brennkraftmaschine realisieren. Nachteilig an
der Verwendung der größeren Brennweite ist insbesondere
die Verringerung der optischen Leistungsdichte in dem Zündpunkt,
was u. a. Laserimpulse mit gesteigerter Energie für eine
zuverlässige Zündung erfordert.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgemäß ist
es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zündkerze der
eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine Steigerung
der Zündenergie durch Volumenvergrößerung der
Vorkammer möglich ist, ohne gleichzeitig Einbußen
bei der Leistungsdichte der Laserstrahlung in dem Zündpunkt
hinnehmen zu müssen, die sich bei den bekannten Systemen
durch eine der Volumenvergrößerung der Vorkammer
angepasste Vergrößerung der Brennweite einer entsprechenden
Fokussieroptik ergeben.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass ein einen Hinterkammervolumenbereich definierender Teil der
Vorkammer den Aufnahmebereich in einem brennraumseitigen Endbereich
der Zündkerze zumindest teilweise umgibt.
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Durch
die erfindungsgemäße Konfiguration der Vorkammer
ist vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, das gesamte Vorkammervolumen
und damit auch die Menge des in der Vorkammer enthaltenen zündfähigen
Fluids zu steigern. Gegenüber den herkömmlichen
Vorrichtungen, bei denen sich die Vorkammer – bezogen auf
eine Stirnfläche einer an die Vorkammer grenzenden Zündeinrichtung – im
wesentlichen in eine Raumrichtung erstreckt, wird die erfindungsgemäße
Volumensteigerung der Vorkammer insbesondere durch die erfindungsgemäße
Vorsehung des Hinterkammervolumenbereichs ermöglicht. Der
erfindungsgemäße Hinterkammervolumenbereich stellt
einer zweckmäßigen Definition zufolge denjenigen
Volumenanteil der Vorkammer dar, der sich – bezogen auf
die Stirnfläche der an die Vorkammer grenzenden Zündeinrichtung – nicht
in eine erste Raumrichtung, d. h. von der Zündeinrichtung
weg, erstreckt wie die Vorkammern bekannter Systeme, sondern in
eine zweite, der ersten Raumrichtung im wesentlichen entgegengesetzte
Raumrichtung. Im Ergebnis führt diese erfindungsgemäße
Konfiguration dazu, dass das gesamte Vorkammervolumen den brennraumseitigen
Endbereich der Zündkerze zumindest teilweise umgibt. D.
h., bei der erfindungsgemäßen Zündkerze
ist der Volumenschwerpunkt des Vorkammervolumens im Gegensatz zu
einem herkömmlichen System aufgrund des speziell angeordneten
Hinterkammervolumenbereichs in Richtung auf ein dem Brennraum abgewandtes
Ende der Zündkerze hin verschoben.
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Vorteilhaft
kann bei der Erfindung trotz einer Vergrößerung
des Vorkammervolumens vermöge des hinzutretenden Hinterkammervolumens – und damit
einhergehender Steigerung der möglichen Zündenergie – auf
eine Veränderung der Brennweite der die Laserstrahlung
fokussierenden Fokussieroptik verzichtet werden, weil die erfindunsgemäße
Vorsehung des Hinterkammervolumens per se keine Änderung
der Geometrie der restlichen, konventionell in den Brennraum ragenden,
Vorkammer erfordert.
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Vielmehr
bietet die erfindungsgemäße Konfiguration der
Zündkerze die Volumenvergrößerung und
damit die Steigerung der Zündenergie bei gleichbleibender
Brennweite einer verwendeten Fokussieroptik.
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Eine
besonders effiziente Verbrennung des zündfähigen
Mediums innerhalb der Vorkammer ist einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zufolge dann gegeben, wenn der Hinterkammervolumenbereich
der Vorkammer den Aufnahmebereich ringförmig und/oder torusförmig
umgibt. Der Querschnitt des ringförmig den Aufnahmebereich umgebenden
Hinterkammervolumens kann neben einer Kreis- bzw. Halbkreisform
auch andere Formen aufweisen, die i. d. R. in Abhängigkeit
der gewünschten Strömungsverhältnisse
in der Vorkammer usw. gewählt werden.
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Insbesondere
bei der Vorsehung eines Einlassventils zum Einbringen eines Fluids
wie z. B. dem zündfähigen Medium, direkt in die
Vorkammer (sog. gespülte Vorkammer), kann die genaue Geometrie des
Hinterkammervolumens bzw. der das Hinterkammervolumen begrenzenden
Wandabschnitte der Vorkammer zur speziellen Führung der
Fluidströmung angepasst sein, insbesondere auch unsymmetrisch ausgebildet
sein. Beispielsweise kann sich ein Durchmesser eines ringförmig
ausgebildeten Hinterkammervolumenbereichs ausgehend von dem Ort des
Einlassventils mit zunehmenden Winkelabstand verringern oder auch
aufweiten.
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Einer
weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge ist es auch
möglich, dass sich der erfindungsgemäße
Hinterkammervolumenbereich nicht um den gesamten Umfang des Aufnahmebereichs
der Zündkerze erstreckt, sondern nur über einen
oder mehrere Teile des Umfangs. Insbesondere kann der erfindungsgemäße
Hinterkammervolumenbereich auch in mehrere, entlang einer Umfangsrichtung
des Aufnahmebereichs vorzugsweise um jeweils denselben Winkel zueinander
beabstandete, Segmente unterteilt sein, wobei die Segmente jeweils
gleichsam eine „Erweiterung” einer herkömmlichen
Vorkammergeometrie in Richtung auf ein dem Brennraum abgewandtes
Ende der Zündkerze hin bilden. Bei der Realisierung des
erfindungsgemäßen Hinterkammervolumenbereichs
in Form der mehreren nicht vollumlaufenden Segmente ist vorteilhaft die
Möglichkeit gegeben, in den nicht durch die Segmente beanspruchten
Volumenbereichen der Zündkerze Kühlkanäle
oder dergleichen vorzusehen, um den Aufnahmebereich der Zündkerze
bzw. darin angeordneten Komponenten effizienter kühlen
zu können.
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Eine
besonders bevorzugte Konfiguration der erfindungsgemäßen
Zündkerze schlägt einen Volumenanteil von etwa
30% bis etwa 70% des gesamten Volumens der Vorkammer für
den erfindungsgemäßen Hinterkammervolumenbereich
vor, um das Potential der Erfindung bezüglich der Steigerung
der Zündenergie in der Vorkammer voll auszunutzen. Es ist
jedoch offensichtlich, dass auch kleinere Volumenanteile des erfindungsgemäßen
Hinterkammervolumenbereichs bereits die erfindungsgemäßen
Vorteile (Steigerung der Zündenergie bei gleichzeitiger
Beibehaltung der Brennweite) bieten.
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Eine
effiziente Kühlung der erfindungsgemäßen
Zündkerze und gegebenenfalls in dem Aufnahmebereich angeordneter
Mittel zur Einkopplung von Laserstrahlung in die Vorkammer ist einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zufolge dann gegeben, wenn
den Hinterkammervolumenbereich insbesondere radial, vorzugsweise
radial nach innen, begrenzende Wandabschnitte des Aufnahmebereichs
mindestens einen, vorzugsweise zumindest teilweise umlaufend angeordneten,
Kühlkanal zur Aufnahme eines Kühlfluids aufweisen.
Die erfindungsgemäßen Kühlkanäle
können ganz besonders vorteilhaft mit weiteren bestehenden
Kühlkanälen der Zündkerze oder auch eines
Zylinderkopfes, der zur Aufnahme der erfindungsgemäßen
Zündkerze vorgesehen ist, zusammenwirken.
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Um
ein Fluid, insbesondere das zündfähige Medium,
direkt in die Vorkammer der erfindungsgemäßen
Zündkerze einbringen zu können, kann einer weiteren
vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge mindestens ein Einlassventil
vorgesehen sein. Das Einlassventil kann bevorzugt so angeordnet
sein, insbesondere in einem den Hinterkammervolumenbereich radial
nach außen begrenzenden Wandabschnitt der Zündkerze,
dass es die Einbringung des Fluids direkt in den Hinterkammervolumenbereich
erlaubt. Die Vorsehung weiterer Einlassventile in unterschiedlichen
Abschnitten des Hinterkammervolumenbereichs oder auch der restlichen
Vorkammer ist ebenfalls denkbar.
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Besonders
vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Zündkerze
einer weiteren Ausführungsform zufolge eine Einkoppeloptik
zur Einkopplung der Laserstrahlung in die Vorkammer auf, die in
dem Aufnahmebereich der Zündkerze angeordnet ist. Der Einkoppeloptik
kann die für die Zündung verwendete Laserstrahlung
entweder durch eine Lichtleitereinrichtung von einer entfernt angeordneten
Laserlichtquelle zugeführt werden.
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Alternativ
oder ergänzend kann auch eine einen laseraktiven Festkörper
aufweisende Lasereinrichtung zur lokalen Erzeugung der Laserstrahlung
in der Zündkerze, insbesondere in dem Aufnahmebereich,
angeordnet sein. Bei dieser Konfiguration ist die Lasereinrichtung
vorteilhaft koaxial zu der Zündkerze in deren Aufnahmebereich
vorgesehen. Ganz besonders bevorzugt werden passiv gütegeschaltete Lasereinrichtungen
für den Einbau in die erfindungsgemäße
Zündkerze vorgeschlagen, die insbesondere auch monolithisch
ausgebildet sein können.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorkammer
mit dem besonderen Hinterkammervolumenbereich „ragt” das
brennraumseitige Ende der Lasereinrichtung bzw. die Einkoppeloptik
im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen zumindest um ein gewisses
Maß in das Vorkammervolumen hinein, wodurch die Beibehaltung
einer verhältnismäßig geringen Brennweite
möglich ist, ohne den Zündpunkt zu weit von Überströmkanälen
entfernen zu müssen, die eine Fluidverbindung zwischen
der Vorkammer und einem Brennraum der Brennkraftmaschine herstellen.
Dadurch wird besonders vorteilhaft einerseits die maximal mögliche
Zündenergie im Wege der Volumenvergrößerung
der Vorkammer erhöht, während andererseits die
durch das Ausschieben unverbrannten Gemischs aus der Vorkammer in
den Brennraum resultierenden Verluste minimiert werden. Solche Verluste
ergeben sich nämlich insbesondere dann, wenn der Zündpunkt
weit von den Überströmkanälen entfernt
ist, was durch die vorliegende Erfindung – trotz eines
gesteigerten Vorkammervolumens – vorteilhaft vermieden
wird.
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Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen
Zündkerze ist vorgesehen, dass ein die Vorkammer begrenzender Wandabschnitt
mindestens einen eine Fluidverbindung zu einem Brennraum der Brennkraftmaschine ermöglichenden Überströmkanal
aufweist, und dass die Einkoppeloptik und/oder die Lasereinrichtung
so ausgebildet ist, dass die Laserstrahlung auf mindestens einen
Zündpunkt fokussiert wird, der im Bereich des Überströmkanals
angeordnet ist.
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Eine
noch gleichmäßigere Entflammung des in der Vorkammer
befindlichen zündfähigen Mediums ist einer weiteren
Erfindungsvariante zufolge vorteilhaft dann gegeben, wenn die Einkoppeloptik und/oder
die Lasereinrichtung so ausgebildet ist, dass die Laserstrahlung
auf mindestens einen ersten Zündpunkt im Hinterkammervolumenbereich
und vorzugsweise gleichzeitig auf mindestens einen zweiten Zündpunkt
im Bereich des Überströmkanals fokussiert wird.
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Als
eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist ein Zylinderkopf gemäß Patentanspruch 13 angegeben.
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Obwohl
die Vorkammer der erfindungsgemäßen Zündkerze
insbesondere bei einer Anwendung im Bereich von Stationärmotoren
bzw. Großgasmotoren usw. 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 erfindungsgemäße Vorkammer auszubilden.
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Es
ist insbesondere möglich, dass ein die Vorkammer radial
nach außen begrenzender Wandabschnitt zumindest teilweise
durch den Zylinderkopf selbst gebildet und/oder integraler Bestandteil
des Zylinderkopfes ist.
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Das
erfindungsgemäße Prinzip kann auch in Form einer
separaten Vorkammeranordnung realisiert werden, bei der die erfindungsgemäße
Vorkammer als separates Bauteil die vorstehend beschriebene Form
aufweist. D. h., eine erfindungsgemäß ausgebildete
Vorkammeranordnung weist einen Aufnahmebereich für eine
Zündkerze bzw. für Mittel zur Einkopplung von
Laserstrahlung auf, der zumindest teilweise von dem Hinterkammervolumenbereich
umgeben wird. Die Zündkerze bzw. Mittel zur Einkopplung von
Laserstrahlung können in diesem Fall z. B. in die Vorkammeranordnung
eingeschraubt werden und sind der erfindungsgemäßen
Vorkammergeometrie zufolge zumindest teilweise von dem Hinterkammervolumenbereich
umgeben. Die erfindungsgemäße Vorkammeranordnung
kann ebenfalls über eine Schraubverbindung oder auch steckbar
mit dem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine verbunden werden.
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für
sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig
von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder
deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer
Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise
in der Zeichnung.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 schematisch
eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Zündkerze in einem teilweisen Querschnitt,
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2a einen
teilweisen Querschnitt mit Blick in Längsrichtung der Zündkerze
gemäß 1,
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2b einen
teilweisen Querschnitt mit Blick in Längsrichtung einer
weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Zündkerze,
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2c einen
teilweisen Querschnitt mit Blick in Längsrichtung noch
einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Zündkerze,
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3a einen
teilweisen Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Zylinderkopfes mit einer erfindungsgemäßen
Zündkerze, und
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3b einen
teilweisen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Zylinderkopfes mit einer erfindungsgemäßen Zündkerze.
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1 zeigt
schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Zündkerze 100 in einem teilweisen Querschnitt.
Die Zündkerze 100 wird bevorzugt mit Brennkraftmaschinen
(nicht gezeigt) eingesetzt, die an der Magergrenze betrieben werden,
d. h. mit einer Luftzahl > 1.
Insbesondere stationäre Großgasmotoren werden
an der Magergrenze betrieben, um einen möglichst hohen
thermodynamischen Wirkungsgrad zu erzielen und gleichzeitig Stickoxidemissionen
(NOx) zu minimieren.
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Ein
Nachteil des Betriebs an der Magergrenze ist die geringe Flammengeschwindigkeit
in dem Brennraum und die damit einhergehende lange Brenndauer. Um
trotz des Betriebs im Bereich der Magergrenze möglichst
kurze Brenndauern und damit einen hohen Motorwirkungsgrad zu ermöglichen, werden
die betrachteten Großgasmotoren i. d. R. mit höchst
turbulenten Brennverfahren betrieben. Ab einem gewissen Bohrungsdurchmesser,
beispielsweise etwa 160 mm, ist eine hochenergetische Zündquelle
erforderlich, um die Verbrennung in einem Brennraum des Großgasmotors
zuverlässig und schnell zu starten.
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Daher
weist die erfindungsgemäße Zündkerze 100 eine
Vorkammer 110 auf, in der die Zündung für
einen Brennraum einer die Zündkerze 100 enthaltenden
Brennkraftmaschine eingeleitet wird. Hierzu wird die Vorkammer 110 in
an sich bekannter Weise mit einem zündfähigen
Medium beschickt. Anschließend wird das in der Vorkammer 110 enthaltene zündfähige
Medium durch später näher beschriebene Verfahren
gezündet. Danach treten aus der Vorkammer 110 infolge
der darin ablaufenden Verbrennung hochenergetische Zündfackeln
(nicht gezeigt) durch die eine Fluid- bzw. Plasmaverbindung realisierenden Überströmkanäle 112 in
den Brennraum 300 der Brennkraftmaschine. Die hochenergetischen Zündfackeln
entzünden zuverlässig und schnell das in dem Brennraum 300 vorhandene
magere Gemisch, das u. U. auch durch einen Wertebereich der Luftzahl > 1,9 gekennzeichnet
ist.
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Zur
effizienten, verschleißfreien und schnellen Zündung
des in der Vorkammer 110 befindlichen zündfähigen
Mediums weist die erfindungsgemäße Zündkerze 100 Mittel
zur Einkopplung von Laserstrahlung 135 in die Vorkammer 110 auf.
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Vorliegend
sind die Mittel zur Einkopplung von Laserstrahlung 135 in
die Vorkammer 110 durch eine Lasereinrichtung 130 gebildet,
der an ihrem brennraumseitigen Ende eine Einkoppeloptik 131 zugeordnet
ist, die neben der räumlichen Trennung der Lasereinrichtung 130 von
der Vorkammer 110 gleichzeitig zur Fokussierung der von
der Lasereinrichtung 130 erzeugten Laserstrahlung 135 auf
den Zündpunkt ZP dient, der wie aus 1 ersichtlich
in einem brennraumseitigen Volumensdrittel der Vorkammer 110 angeordnet
ist. Weiters können auch eine Fokussieroptik und ein Brennraumfenster
jeweils separat ausgeführt sein.
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Die
Lasereinrichtung 130 ist bevorzugt als passiv gütegeschalteter
Festkörperlaser ausgeführt, dem zur Erzeugung
von Laserimpulsen mit sehr hoher Spitzenleistung, sog. Riesenimpulsen,
lediglich Pumplicht zum optischen Pumpen in geeigneter Weise zugeführt
werden muss. Das Pumplicht kann der Lasereinrichtung 130 vorliegend
z. B. von einer entfernt angeordneten Pumplichtquelle (nicht gezeigt) über
eine Lichtleitereinrichtung zugeführt werden, die optisch
und ggf. auch mechanisch mit der Zündkerze 100 bzw.
der in ihrem Aufnahmebereich angeordneten Lasereinrichtung 130 verbunden
ist, vorzugsweise an ihrem dem Brennraum 300 abgewandten
Ende. Die Lasereinrichtung 130 ist bevorzugt monolithisch
aufgebaut, d. h. ein laseraktiver Festkörper und die ihm
zugeordnete passive Güteschaltung sowie Ein- und Auskoppelspiegel
sowie ggf. vorhandene optische Verstärker usw. sind alle
in eine bauliche Einheit integriert bzw. in oder auf einem geeigneten optischen
Medium angeordnet.
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Anstelle
der lokalen Erzeugung von Laserimpulsen kann die für eine
Zündung erforderliche Laserstrahlung 135 auch
direkt von einer entfernt angeordneten Laserlichtquelle erzeugt
und der in der Zündkerze 100 vorgesehenen Einkoppeloptik 131 zugeleitet
werden.
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Erfindungsgemäß weist
die Zündkerze 100 eine besonders ausgebildete
Vorkammer 110 aus, die sich – bezogen auf eine
Stirnfläche einer an die Vorkammer 110 grenzenden
Zündeinrichtung 130 – nicht nur im wesentlichen
in eine Raumrichtung, nämlich auf den Brennraum 300 hin,
erstreckt. Dieser von herkömmlichen Zündkerzen
im wesentlichen bekannte Teil der Vorkammer ist in 1 durch
die mit dem Bezugszeichen V bezeichnete geschweifte Klammer gekennzeichnet.
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Vielmehr
weist die erfindungsgemäße Zündkerze 100 bzw.
ihre Vorkammer 110 zusätzlich einen besonderen
Hinterkammervolumenbereich 110a auf, der den Aufnahmebereich 120 der
Zündkerze 100 in einem brennraumseitigen Endbereich 100a der Zündkerze 100 zumindest
teilweise umgibt. Der erfindungsgemäße Hinterkammervolumenbereich 110a bildet
zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Teil V der Vorkammer 110 einen
weiteren Teil H, der sich bezogen auf die Stirnfläche bzw.
vorliegend z. B. eine Oberfläche der Einkoppeloptik 131 in
eine weitere Raumrichtung, nämlich von dem Brennraum 300 weg,
erstreckt.
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Der
erfindungsgemäße Hinterkammervolumenbereich 110a führt
somit zur einer Volumenvergrößerung der Vorkammer 110 gegenüber
herkömmlichen Systemen, die wie aus 1 ersichtlich
durch die beiden zusammenhängenden Bereiche H, V gebildet
ist.
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Gleichzeitig
wird durch die besondere Anordnung des erfindungsgemäßen
Hinterkammervolumenbereichs 110a bewirkt, dass sich ein
Volumenschwerpunkt des Volumens der Vorkammer 110 gegenüber
herkömmlichen Systemen auf ein dem Brennraum 300 abgewandtes
Ende der Zündkerze 100 hin verlagert und das brennraumseitige
Ende der Zündkerze 100 bzw. der Lasereinrichtung 130 in
die Vorkammer 110 hineinragt.
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Dadurch
wird vorteilhaft der zur Steigerung der maximalen Zündenergie
erforderliche Rauminhalt der Vorkammer 110 erhöht,
während gleichzeitig nur eine verhältnismäßig
geringe Brennweite für die Fokussieroptik der Einkoppeloptik 131 erforderlich ist,
um den Zündpunkt ZP im brennraumnahen Volumendrittel der
Vorkammer 110 bzw. direkt im Bereich der Überströmkanäle 112 zu
positionieren, durch die das lasergezündete zündfähige
Medium in den Brennraum 300 der Brennkraftmaschine austritt. Durch
Einsatz der erfindungsgemäßen Vorkammerkonfiguration
kann demnach eine Volumenvergrößerung der Vorkammer 111)
erfolgen und es kann dennoch eine bestehende Fokussieroptik mit
vorgegebener Brennweite, wie sie von herkömmlichen Systemen
bekannt ist, beibehalten werden, ohne den Zündpunkt ZP
von den Überströmkanälen 112 zu entfernen.
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Durch
die in 1 veranschaulichte Wahl des Zündpunkts
ZP im Bereich der Überströmkanäle 112 wird
vorteilhaft weitestgehend vermieden, dass noch unverbranntes zündfähiges
Medium von der sich ausbreitenden Flammenfront ungenutzt durch die Überströmkanäle 112 in
den Brennraum 300 ausgeschoben wird. Generell ist es vorteilhaft,
wenn der Zündpunkt ZP näher an mindestens einem Überströmkanal 112 liegt
als an einem Wandbereich der Vorkammer 110 ohne Überströmkanäle 112.
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Insgesamt
ermöglicht die erfindungsgemäße Zündkerze 100 eine
sehr effiziente Entflammung des zündfähigen Mediums
in der Vorkammer 110 und bietet durch das gesteigerte Vorkammervolumen
ein Höchstmaß an Zündenergie für
die Zündung des i. d. R. mageren Gemischs in dem Brennraum 300.
Aufgrund der erfindungsgemäß verwendbaren geringen Brennweite
der Fokussieroptik ergibt sich durch die damit einhergehende hohe
Leistungsdichte der Laserstrahlung 135 in dem Zünpunkt
ZP eine sichere Zündung in der Vorkammer 110,
und im Vergleich zu herkömmlichen Systemen kann somit auch
die Impulsenergie einzelner Laserimpulse verringert werden, was
die Standzeit der Lasereinrichtung 130 steigert.
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Die
besondere Anordnung der in die Vorkammer 110 „hineinragenden” Lasereinrichtung 130 kann auch
ein automatisches Freibrennen der brennraumseitigen Oberfläche
der Einkoppeloptik 131 begünstigen, da der brennraumseitige
Endbereich 100a der erfindungsgemäßen
Zündkerze 100 im Mittel höheren Temperaturen
ausgesetzt ist, als es bei herkömmlichen Systemen der Fall
ist, bei denen ein Brennraumfenster flächenbündig
zu einer die Vorkammer begrenzenden Wand angeordnet ist.
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Bei
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform umgibt
der Hinterkammervolumenbereich 110a der Vorkammer 110 den
Aufnahmebereich 120 ringförmig, insbesondere torusförmig.
Der Querschnitt des ringförmig den Aufnahmebereich 120 umgebenden
Hinterkammervolumens 110a kann neben einer Kreis- bzw.
Halbkreisform auch andere Formen aufweisen, die i. d. R. in Abhängigkeit
der gewünschten Strömungsverhältnisse
in der Vorkammer 110 usw. gewählt werden.
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Ein
Querschnitt des brennraumseitigen Endbereichs 100a der
Zündkerze 100 aus 1 mit Blick in
Längsrichtung ist in 2a gezeigt.
Aus 2a ist ersichtlich, wie der erfindungsgemäße
Hinterkammervolumenbereich 110a Wandabschnitte 120a des Aufnahmebereichs 120 der
Zündkerze 100 ringförmig umgibt und damit
das Vorkammervolumen im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen
wesentlich steigert.
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Ganz
besonders bevorzugt weist der Hinterkammervolumenbereich 110a einen
Volumenanteil von etwa 30% bis etwa 70% des gesamten Volumens der
Vorkammer 110 auf, um eine in der Vorkammer 110 speicherbare
Zündenergie für die Zündung des in dem
Brennraum 300 (1) befindlichen Gemischs zu
maximieren.
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Die
Lasereinrichtung 130 ist, wie aus 2a ersichtlich,
von einem Wandabschnitt 120a des Aufnahmebereichs 120 (1)
umschlossen, der den erfindungsgemäßen Hinterkammervolumenbereich 110a radial
nach innen begrenzt und vorzugsweise einstückig mit dem
restlichen Körper der Zündkerze 100 ausgeführt
ist.
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Anstelle
der Konfiguration aus 2a ist es ist ferner denkbar,
dass der Hinterkammervolumenbereich 110a sich nur über
einen Teil des gesamten Umfangs des Aufnahmebereichs 120 erstreckt,
wobei der Hinterkammervolumenbereich 110a vorzugsweise
in mehrere, entlang einer Umfangsrichtung des Aufnahmebereichs 120 vorzugsweise
um jeweils denselben Winkel zueinander beabstandete Segmente unterteilt ist. 2b zeigt
einen Querschnitt einer entsprechenden Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Zündkerze, bei
der zwei nierenförmige Segmente zusammen den erfindungsgemäßen Hinterkammervolumenbereich 110a bilden.
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Bei
der Ausführungsform gemäß 2b ist vorteilhaft
die Möglichkeit gegeben, in den nicht durch die Segmente 110a beanspruchten
Volumenbereichen der Zündkerze 100 Kühlkanäle
(nicht gezeigt) oder dergleichen vorzusehen, um den Aufnahmebereich 120 der
Zündkerze 100 bzw. darin angeordneten Komponenten 130, 131 effizienter
kühlen zu können.
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Auch
die den Hinterkammervolumenbereich 110a radial nach innen
begrenzenden Wandabschnitte 120a des Aufnahmebereichs 120 (vgl. 1, 2a, 2b)
können vorzugsweise mindestens einen, vorzugsweise zumindest
teilweise umlaufend angeordneten Kühlkanal (nicht gezeigt) zur
Aufnahme eines Kühlfluids aufweisen. Der Kühlkanal
steht besonders bevorzugt in Fluidverbindung mit weiteren Kühlkanälen
der Zündkerze 100 oder auch eines die Zündkerze 100 aufnehmenden
Zylinderkopfs 200, vgl. 3a.
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Eine
auch als „gespülte Vorkammer” bezeichnete
Konfiguration ergibt sich bei der erfindungsgemäßen
Zündkerze 100 dann, wenn mindestens ein Einlassventil
zum Einbringen eines Fluids, insbesondere des zündfähigen
Mediums, in die Vorkammer 110, vorgesehen ist. 2c zeigt
hierzu einen teilweisen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Zündkerze 100, bei
der das Einlassventil 140 so angeordnet ist, insbesondere
in einem den Hinterkammervolumenbereich 110a radial nach
außen begrenzenden Wandabschnitt 120b der Zündkerze 100,
dass es die Einbringung des Fluids direkt in den Hinterkammervolumenbereich 110a erlaubt.
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Es
ist auch denkbar, mehr als ein Einlassventil 140 zur Beschickung
der Vorkammer 110 mit zündfähigem Medium
vorzusehen. Die dem Einlassventil 140 zugeordneten Abschnitte
des Hinterkammervolumenbereichs 110a können auch
besondere Mittel zur Führung bzw. Beeinflussung der Fluidströmung
aufweisen, z. B. nach Art eines Drallkanals, um für eine
sichere Zündung möglichst günstige Strömungsverhältnisse
einzustellen. Das bzw. mindestens ein Einlassventil 140 kann
auch in einem anderen Bereich der Vorkammer 110 angeordnet
sein, d. h. außerhalb des Hinterkammervolumenbereichs 110a,
z. B. in dem Bereich V gemäß 1.
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Eine
Vorkammer, der kein eigenes Einlassventil 140 zugeordnet
ist, wird auch als „ungespülte Vorkammer” bezeichnet.
Die ungespülte Vorkammer bezieht das zündfähige Medium
durch die Überströmkanäle 112 direkt
aus dem Brennraum 300. Im Gegensatz zu der gespülten
Vorkammer erlaubt die ungespülte Vorkammer keine vorkammerindividuelle Einstellung
der Luftzahl, d. h. unabhängig von der Luftzahl des in
dem Brennraum 300 vorliegenden Gemischs.
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Die
maximale Zündenergie durch die Vorkammerzündung
ist dann gegeben, wenn als zündfähiges Medium
ein nahezu stöchiometrisches Gemisch in der Vorkammer 110 vorliegt.
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Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Zündkerze 100 ist vorgesehen, dass die Einkoppeloptik 131 (1) und/oder
die Lasereinrichtung 130 so ausgebildet ist, dass die Laserstrahlung 135 auf
mindestens einen ersten Zündpunkt im Hinterkammervolumenbereich 110a und,
vorzugsweise gleichzeitig, auf mindestens einen zweiten Zündpunkt
ZP im Bereich des Überströmkanals 112 fokussiert
wird, wodurch eine noch schnellere und gleichmäßigere
Zündung in der Vorkammer 110 gegeben ist.
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Generell
ist es möglich, dass die Vorkammer 110 der erfindungsgemäßen
Zündkerze 100, vgl. 1, insbesondere
für eine Anwendung im Bereich von Stationärmotoren
bzw. Großgasmotoren usw., integraler Bestandteil der Zündkerze 100 bzw.
durch die Zündkerze 100 selbst gebildet ist. Die
Zündkerze 100 verfügt in diesem Fall
z. B. radial außenseitig in ihrem brennraumseitigen Endbereich 100a über
geeignete Befestigungsmittel 150 wie z. B. ein Gewinde,
das eine lösbare Verbindung der Zündkerze 100 mit
einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ermöglicht.
Alternativ oder ergänzend können auch weitere
für eine Verwendung mit dem Zielsystem geeignete Befestigungsmittel
an der Zündkerze 100 vorgesehen sein.
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Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Variante der vorliegenden Erfindung
ist die besondere Gestaltung der Vorkammer durch ein Zuammenwirken
entsprechend geformter Abschnitte der Zündkerze 101, 102 und
eines sie aufnehmenden Zylinderkopfes 200 realisiert.
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3a zeigt
eine Erfindungsvariante, bei der die Zündkerze 101 selbst
durch in ihrem brennraumseitigen Endbereich 100a entsprechend
geformte Wandabschnitte 120a, 120b nur noch den
erfindungsgemäßen Hinterkammervolumenbereich 110a definiert.
Die weiteren Bereiche der Vorkammer 110 sind durch die
Geometrie des Zylinderkopfes 200 vorgegeben, mit dem die
Zündkerze 101 über geeignete Verbindungsmittel 151 wie
z. B. eine Schraubverbindung verbindbar ist.
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Wie
aus 3a ersichtlich weist der Zylinderkopf 200 insbesondere
einen Wandabschnitt 211 auf, der die Geometrie der Vorkammer 110 in
dem Bereich V gemäß 1 definiert
und der die Vorkammer 110 brennraumseitig begrenzt. Der Wandabschnitt 211 ist
wie in 3a angedeutet zumindest teilweise
durch den Zylinderkopf gebildet und/oder als integraler Bestandteil
des Zylinderkopfes 200 ausgebildet. Der Wandabschnitt 211 weist ferner
die Überströmkanäle 212 auf,
die eine Fluidverbindung zwischen der Vorkammer 110 und
dem Brennraum 300 herstellen.
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D.
h., bei der Konfiguration gemäß 3a wirken
Teilbereiche des Zylinderkopfes 200 und der Zündkerze 101 in
geeigneter Weise zusammen, um die erfindungsgemäß geformte
Vorkammer 110 auszubilden.
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Es
ist darüberhinaus insbesondere auch möglich, dass
ein die Vorkammer 110, insbesondere den Hinterkammervolumenbereich 110a,
radial nach außen begrenzender Wandabschnitt 220b zumindest teilweise
durch den Zylinderkopf 200 selbst gebildet und/oder integraler
Bestandteil des Zylinderkopfes 200 ist, vgl. 3b.
Auch bei dieser Erfindungsvariante ist die Zündkerze 102 über
geeignete Verbindungsmittel 152 wie z. B. eine Schraubverbindung mit
dem Zylinderkopf 200 verbindbar.
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Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist die Vorkammer 110 ebenfalls durch das Zusammenwirken entsprechend
geformter Bereiche der Zündkerze und des Zylinderkopfes 200 gebildet.
Entlang der axialen Richtung der Zündkerze 100 ist
eine Schraubverbindung zum Einschrauben der Zündkerze 100 in
den Zyliderkopf 200 vorgesehen. Unter Verwendung unterschiedlich
hoher Dichthülsen, die zwischen der Zündkerze 100 und
dem Zylinderkopf 200 vorgesehen werden können
und eine gasdichte Verbindung der die Vorkammer 110 ausbildenden
Komponenten der Zündkerze 100 und des Zylinderkopfes 200 ermöglichen,
kann das Vorkammervolumen je nach Bedarf angepasst werden. Gleichzeitig
kann auf diese Weise die Lage des Zündpunkts ZP in der
Vorkammer 110 bei gleichbleibender Brennweite der Fokussieroptik
justiert werden.
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Eine
weitere Erfindungsvariante besteht in einer als separates Bauteil
ausgeführten Vorkammeranordnung (nicht gezeigt), die eine
Vorkammer mit der erfindungsgemäßen Geometrie
und einen Aufnahmebereich für eine Zündkerze bzw.
für Mittel zur Einkopplung von Laserstrahlung aufweist,
der zumindest teilweise von dem Hinterkammervolumenbereich umgeben
wird.
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Die Überströmkanäle 112 (1)
können sowohl als gerade Kanäle oder bevorzugt
auch als Drallkanäle ausgelegt sein, um im Wege der Erzeugung
einer Drallströmung eine noch bessere Durchmischung des
Vorkammergemisches zu erzielen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006018973
A1 [0002]