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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Laserzündkerze, insbesondere für
eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit mindestens einer
Kühleinrichtung zur Kühlung der Laserzündkerze
und/oder einzelner Komponenten der Laserzündkerze.
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Eine
derartige Laserzündkerze ist beispielsweise aus der
EP 1 519 038 A1 bekannt.
Die bekannte Laserzündkerze weist drei verschiedene Kühlsysteme
auf, die eine thermische Stabilisierung eines in der Laserzündkerze
enthaltenen Laserresonators gewährleisten sollen. Die Kühlsysteme
der bekannten Anordnung beruhen auf dem Prinzip der Zwangskühlung.
Die hierfür erforderlichen Kühlmittelkreisläufe
erfordern einen komplexen Aufbau der bekannten Laserzündkerze
und bedingen demnach hohe Fertigungskosten.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgemäß ist
es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündkerze
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein weniger
komplexer und damit eine höhere Betriebssicherheit aufweisender
Aufbau und damit einhergehend auch geringere Fertigungskosten möglich
sind.
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Diese
Aufgabe wird bei der Laserzündkerze der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
die Kühleinrichtung mindestens einen passiven Kühlkörper
aufweist, der nach dem Konvektionsprinzip arbeitet.
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Die
erfindungsgemäße Vorsehung eines passiven Kühlkörpers
ermöglicht es vorteilhaft, auf die von herkömmlichen
Systemen bekannte Flüssigkeitskühlung zu verzichten,
so dass Einsparungen bei den Fertigungs- und Betriebskosten der
Laserzündkerze möglich sind. Ferner erhöht
sich durch die Verwendung von passiven Komponenten die Betriebssicherheit
der Kühleinrichtung.
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Eine
besonders effiziente Ableitung von Wärme aus der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze ist einer vorteilhaften Variante zufolge
dadurch gegeben, dass der Kühlkörper integraler
Bestandteil einer Komponente der Laserzündkerze, insbesondere
eines Gehäuseteils, ist. Eine einstückige Ausbildung des
Kühlkörpers zusammen mit einem Gehäuseteil der
Laserzündkerze vermeidet vorteilhaft die Notwendigkeit,
separate Mittel zur thermischen Verbindung des Kühlkörpers
mit dem Gehäuse vorzusehen.
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Alternativ
oder ergänzend sind auch Ausführungsformen denkbar,
bei denen der Kühlkörper lösbar mit der
Laserzündkerze verbindbar ist, beispielsweise um die Konfiguration
individuell an besondere Betriebsbedingungen, wie beispielsweise
eine abzuführende Wärmemenge und/oder unterschiedliche Einbausituationen
und dergleichen, anzupassen.
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Erfindungsgemäß können
ferner beide Typen passiver Kühlkörper, d. h.
in die Laserzündkerze integrierte und auch lösbar
mit der Laserzündkerze verbindbare Kühlkörper,
zusammen vorgesehen werden, um eine maximale Kühlleistung
bei gleichzeitig hoher Flexibilität zu ermöglichen.
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Um
trotz des Verzichts auf eine Zwangskühlung beziehungsweise
Flüssigkeitskühlung eine effiziente Wärmeabfuhr
aus der Laserzündkerze zu ermöglichen, ist bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante vorgesehen,
dass der Kühlkörper Kühlrippen und/oder
Kühlstifte und/oder sonstige eine Oberfläche des
Kühlkörpers vergrößernde Strukturen,
insbesondere eine Rillenstruktur, aufweist, wobei sich die Kühlrippen
und/oder Kühlstifte vorzugsweise radial von einer Längsachse
der Laserzündkerze weg erstrecken. Die erfindungsgemäße Rillenstruktur
kann auch direkt einen Bestandteil einer Außenoberfläche
des Gehäuses der Laserzündkerze bilden.
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Eine
weitere Steigerung bei der Wärmeableitung aus der Laserzündkerze
an ein umgebendes Medium, insbesondere die Umgebungsluft, ist dadurch
gegeben, dass die Kühlrippen, insbesondere entlang einer
zu der Längsachse der Laserzündkerze parallelen
Richtung, segmentiert sind, das heißt, in Längsrichtung
der Laserzündkerze sind Abstände zwischen einzelnen
Lamellen beziehungsweise Kühlrippen der erfindungsgemäßen
Kühleinrichtung vorgesehen.
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Eine
noch weiter verbesserte Wärmeableitung aus der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze ist ferner dann gegeben, wenn der Kühlkörper
und/oder das Gehäuse der Laserzündkerze ein Material
aufweist, das Aluminium und/oder Kupfer und/oder Silber und/oder
Messing und/oder eine Legierung hieraus enthält. Kühlrippen
eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers
können bevorzugt beispielsweise aus dünnem Kupferblech
bestehen. Das Gehäuse der Laserzündkerze kann
ebenfalls vorteilhaft zumindest überwiegend aus den vorstehend
genannten gut wärmeleitfähigen Materialien bestehen.
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In
besonderen Fällen kann auch die Verwendung von hochwärmeleitfähigen
Spezialwerkstoffen, wie beispielsweise Diamant oder Kohlenstoffnanoröhren
enthaltendem Material, vorgesehen sein, wobei derartige Materialien
insbesondere zur Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit
zwischen in die Laserzündkerze integrierten Komponenten
verwendet werden, beispielsweise zur Wärmeableitung aus einem
Halbleiterlaser der Laserzündkerze in eine den Halbleiterlaser
umgebende Hülle beziehungsweise direkt in das Gehäuse
der Laserzündkerze.
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Um
eine gute Wärmeleitung zwischen einem in der Laserzündkerze
enthaltenen Festkörperlaser und der erfindungsgemäßen
Kühleinrichtung zu erzielen, kann zwischen dem Festkörperlaser
und einer diesen aufnehmenden Hülse auch eine wärmeleitende
Folie vorgesehen sein, die bevorzugt aus Indium beziehungsweise
Indium-Verbindungen besteht.
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Ein
verminderter Wärmeeintrag von einem brennraumzugewandten
Gehäuseteil der Laserzündkerze in ein brennraumabgewandtes
Gehäuseteil der Laserzündkerze kann bei einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft dadurch
erreicht werden, dass das Gehäuse der Laserzündkerze mehrteilig
aufgebaut ist, und dass das brennraumzugewandte Gehäuseteil
und das brennraumabgewandte Gehäuseteil miteinander über
ein Zwischenteil verbunden sind, wobei das Zwischenteil eine geringere
thermische Leitfähigkeit aufweist als das brennraumabgewandte
Gehäuseteil und/oder das brennraumzugewandte Gehäuseteil.
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Bevorzugt
ist das Zwischenteil zumindest teilweise aus Keramik und/oder Glas
und/oder Edelstahl ausgebildet.
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Das
brennraumabgewandte Gehäuseteil kann beispielsweise aus
unlegiertem Stahl bestehen.
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Eine
Wiederverwendbarkeit einzelner Komponenten der Laserzündkerze
wird erfindungsgemäß vorteilhaft dadurch erreicht,
dass die Gehäuseteile und/oder das Zwischenteil lösbar
miteinander verbindbar sind, beispielsweise durch die Verwendung von
Schraub- und/oder Steckverbindungen.
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Eine
weitere Steigerung der Wärmeabfuhr aus der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze ist vorteilhaft dadurch gegeben, dass ein
außenseitig angeordnetes Mitnahmeprofil der Laserzündkerze,
das insbesondere als Sechskant oder als Zwölfkant ausgebildet
ist, eine sich vorzugsweise senkrecht zur Längsachse der
Laserzündkerze erstreckende Schlitzung aufweist. Untersuchungen
der Anmelderin haben ergeben, dass die eine oberflächenvergrößernde
Maßnahme darstellende Schlitzung des üblicherweise
als Sechskant ausgebildeten Mitnahmeprofils eine deutlich verbesserte
Wärmeableitung aus dem brennraumzugewandten Gehäuseteil
der Laserzündkerze ermöglicht, ohne die mechanischen
Eigenschaften des Mitnahmeprofils wesentlich zu beeinträchtigen.
Bei dieser Erfindungsvariante realisiert das Mitnahmeprofil neben
seiner mechanischen Funktion gleichzeitig die Funktion des erfindungsgemäßen
passiven Kühlkörpers. Diese Maßnahme
ist unter anderem deshalb besonders zweckmäßig,
weil das Mitnahmeprofil üblicherweise in direkter räumlicher
Nähe zu einem Dichtsitz der Laserzündkerze angeordnet
ist, in dessen Bereich die höchste Temperatur herrscht.
Durch die verbesserte Kühlwirkung des erfindungsgemäß ausgebildeten
Mitnahmeprofils wird die eingebrachte Wärme direkt vor
Ort zumindest teilweise von der Laserzündkerze an die Umgebungsluft
abgegeben.
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Ergänzend
zu der erfindungsgemäßen passiven Kühleinrichtung
kann eine weitere Kühleinrichtung vorgesehen sein, die
beispielsweise thermoelektrische Elemente aufweist und/oder generell
nach dem Prinzip der Zwangskühlung arbeitet.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene
Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei
können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung
erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder
in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1a einen
teilweisen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Laserzündkerze,
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1b einen
weiteren teilweisen Querschnitt der Laserzündkerze gemäß 1a,
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2 eine
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze mit Kühlstiften,
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3 eine
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze mit entlang einer Längsrichtung
segmentierten Kühlrippen,
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4 eine
Detailansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze mit einem geschlitzten Mitnahmeprofil, und
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5 eine
weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze mit einer geriffelten Oberfläche.
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1a zeigt
schematisch einen teilweisen Querschnitt einer ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100.
Die Laserzündkerze 100 kann beispielsweise in
einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs oder auch in einem
stationären Großgasmotor zur Zündung
eines brennbaren Gemischs verwendet werden. Hierzu verfügt
die Laserzündkerze 100 über eine nicht
abgebildete Lasereinrichtung, die in einem brennraumabgewandten
Gehäuseteil 101b angeordnet ist. Die Laserzündkerze 100 wird
in an sich bekannter Weise mit ihrem brennraumzugewandten Gehäuseteil 101a in
eine entsprechende Bohrung eines Zylinderkopfes (nicht gezeigt)
einer Brennkraftmaschine eingeschraubt. Hierzu weist der brennraumzugewandte Gehäuseteil 101a das
in 1a abgebildete Gewinde 102 auf.
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Ferner
verfügt die Laserzündkerze 100 erfindungsgemäß über
eine passive Kühleinrichtung, die vorliegend durch einen
Kühlkörper 111 gebildet ist. Der Kühlkörper 111 bewirkt
eine Kühlung der mit ihm in thermischem Kontakt stehenden
Gehäuseteile 101b, 101c nach dem Konvektionsprinzip,
wobei ein den Kühlkörper 111 umgebendes
Medium, insbesondere die Umgebungsluft, erwärmt wird.
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Bei
der in 1a abgebildeten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist der Kühlkörper 111 mehrere
sich radial weg von einer Längsachse L der Laserzündkerze 100 erstreckende
Kühlrippen 111a auf. Die Kühlrippen 111a sind
auch aus 1b ersichtlich und bestehen
beispielsweise aus Kupferblech.
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Eine
besonders effiziente Kühlung der Laserzündkerze 100 durch
die erfindungsgemäße Kühleinrichtung
ist dann gegeben, wenn der Kühlkörper 111 integraler
Bestandteil einer Komponente der Laserzündkerze 100,
insbesondere eines Gehäuseteils 101b, ist. Die
einstückige Ausbildung des Kühlkörpers 111 zusammen
mit dem Gehäuseteil 101b der Laserzündkerze 100 ermöglicht
eine optimale Wärmeableitung von der Laserzündkerze 100 an
die Umgebung.
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Alternativ
kann der Kühlkörper 111 lösbar
mit der Laserzündkerze 100 verbunden sein, wodurch eine
gesteigerte Flexibilität bei der Applikation der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze 100 an unterschiedliche Brennkraftmaschinen
sowie Betriebsarten gegeben ist. Erfindungsgemäß können
ferner sowohl baulich in die Laserzündkerze 100 integrierte als
auch lösbar mit der Laserzündkerze 100 verbindbare
Kühlkörper zusammen vorgesehen werden, um eine
maximale Kühlleistung bei gleichzeitig hoher Flexibilität
zu ermöglichen.
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Generell
weist der Kühlkörper 111 bevorzugt ein
Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit auf, insbesondere
Aluminium und/oder Kupfer und/oder Silber und/oder Messing oder
eine Legierung hieraus. Sofern die mechanischen und sonstigen Anforderungen
es zulassen, können die Gehäuseteile 101a, 101b ebenfalls
zumindest teilweise aus den vorstehend genannten Materialien bestehen.
Es ist auch denkbar, die Gehäuseteile 101a, 101b aus
unlegiertem Stahl zu fertigen.
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Das
brennraumabgewandte Gehäuseteil 101b ist über
ein Zwischenteil 101c mit dem brennraumzugewandten Gehäuseteil 101a verbunden.
Um eine thermische Isolation zwischen den Gehäuseteilen 101a, 101b und
damit einen geringen Wärmeeintrag aus dem Brennraum in
das brennraumabgewandte Gehäuseteil 101b zu erzielen,
ist das Zwischenteil 101c erfindungsgemäß so
ausgebildet, dass es eine geringere thermische Leitfähigkeit
aufweist als die anderen beiden Gehäuseteile 101a, 101b,
insbesondere als das brennraumabgewandte Gehäuseteil 101b.
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Das
Zwischenteil 101c ist bevorzugt aus Keramik (Kerzenstein,
Al2O3) oder Glas
oder auch aus Edelstahl (V2A) ausgebildet.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze 100, bei der ein Kühlkörper 111 im
Bereich des brennraumabgewandten Gehäuseteils 101b vorgesehen
ist, der mehrere sich radial von der Laserzündkerze 100 weg erstreckende
Kühlstifte 111b aufweist. Die Kühlstifte 111b sind
bevorzugt einstückig mit dem brennraumabgewandten Gehäuseteil 101b ausgebildet.
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3 zeigt
eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze 100, bei der die Kühlrippen 111a entlang
der Längsachse L (1a) der
Laserzündkerze 100 segmentiert angeordnet sind,
so dass eine Wärmeleitung in Längsrichtung über
die gesamte Länge der Laserzündkerze 100 durch
die Kühleinrichtung selbst nicht möglich ist.
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4 zeigt
eine Detailansicht einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100,
bei der ein zum Herein- beziehungsweise Herausschrauben der Laserzündkerze 100 in
eine Bohrung eines Zylinderkopfes vorgesehenes und vorliegend als
Sechskant ausgebildetes Mitnahmeprofil 120 eine Schlitzung 121 aufweist.
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Die
Schlitzung 121 ist vorliegend durch Materialausnehmungen
in mehreren sich im wesentlichen senkrecht zu der Längsachse
L erstreckenden Ebenen im Bereich des Sechskants 120 realisiert
und bewirkt vergleichbar zu den vorstehend beschriebenen Kühlkörpern 111 eine
Oberflächenvergrößerung des brennraumzugewandten
Gehäuseteils 101a, mit der eine entsprechend verbesserte
Wärmeabfuhr an die Umgebung einhergeht.
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4 zeigt
zusätzlich schematisch angedeutete Backen 201, 202 eines
Sechskantschlüssels, wie sie bei dem Herein- beziehungsweise
Herausschrauben der Laserzündkerze 100 relativ
zu dem erfindungsgemäß geschlitzten Sechskant 120 zu
liegen kommen.
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Die
erfindungsgemäße Schlitzung 121 ist besonders
vorteilhaft, weil sich im Bereich des Mitnahmeprofils 120 üblicherweise
auch ein Dichtsitz 125 befindet, der den Ort des größten
Wärmeeintrags aus dem Brennraum in die Laserzündkerze 100 darstellt. Durch
die erfindungsgemäße Schlitzung 121 ist
demnach direkt im Bereich des größten Wärmeeintrags
in die Laserzündkerze 100 eine optimierte Wärmeabfuhr
an die Umgebung gegeben.
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5 zeigt
eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze 100. Bei dieser Erfindungsvariante
weist das Zwischenteil 101c eine geriffelte Oberfläche
auf, was ebenfalls eine gesteigerte Wärmeabfuhr an die
Umgebung ermöglicht. Neben Querrillen können u.
a. auch Längsrillen sowie ggf. regellose Oberflächenstrukturen
für die Gehäuseteile 101a, 101b und
das Zwischenteil 101c verwendet werden, um die der Konvektionskühlung
dienende Oberflächenvergrößerung zu bewirken.
Die verschiedenen erfindungsgemäßen Maßnahmen
sind auch miteinander kombinierbar.
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Zusätzlich
zu den erfindungsgemäß vorgesehenen Mitteln zur
passiven beziehungsweise Konvektionskühlung der Laserzündkerze 100 können auch weitere
Kühleinrichtungen vorgesehen sein, die beispielsweise thermoelektrische
Elemente oder sonstige Mittel zur Zwangskühlung aufweisen.
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Bei
einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 ist
vorgesehen, dass die Gehäuseteile 101a, 101b und/oder
das Zwischenteil 101c lösbar miteinander verbindbar
sind, beispielsweise mittels Schraubverbindungen und/oder Steckverbindungen. Dadurch
ist es vorteilhaft möglich, im Falle eines Defekts zum
Beispiel einer in dem brennraumabgewandten Gehäuseteil 101b enthaltenen
Lasereinrichtung lediglich das brennraumabgewandte Gehäuseteil 101b von
den restlichen Komponenten der Laserzündkerze 100 zu
trennen und durch einen neuen Gehäuseteil 101b mit
funktionierender Lasereinrichtung zu ersetzen.
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Ferner
kann durch eine Schraubverbindung beispielsweise zwischen dem brennraumzugewandten
Gehäuseteil 101a und dem Zwischenteil 101c durch
den Grad der Einschraubtiefe in gewissen Grenzen mindestens ein
Parameter des in der Laserzündkerze 100 angeordneten
Strahlengangs der erzeugten Laserstrahlung beeinflusst werden.
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Bei
einer Ausbildung des Zwischenteils 101c aus Glas beziehungsweise
aus Glaskeramik, wobei zumindest ein geringer Flächenbereich
transparent für die in der Laserzündkerze 100 geführte
Laserstrahlung ausgebildet ist, kann erfindungsgemäß vorteilhaft
eine Funktionsdiagnose der Laserzündkerze 100 ohne
deren Ausbau aus dem Zylinderkopf erfolgen, indem eine entsprechende
optische Sensorik während des Betriebs der Laserzündkerze 100 außenseitig
des transparenten Bereichs angeordnet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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