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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Laserzündkerze, insbesondere für
eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einer Vorkammer
und einer Lasereinrichtung zur Einstrahlung von Laserimpulsen in die
Vorkammer.
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Eine
derartige Laserzündkerze ist bereits aus der
DE 10 2006 018 973 A1 bekannt.
Nachteilig an der bekannten Laserzündkerze ist das Erfordernis,
Laserimpulse mit sehr hoher Impulsenergie erzeugen zu müssen,
um eine zuverlässige Generierung eines Zündplasmas
in der Vorkammer zu gewährleisten.
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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 eine Zündung
auch unter Verwendung von Laserimpulsen mit geringerer Impulsenergie
zuverlässig möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Laserzündkerze der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
die Lasereinrichtung und/oder die Vorkammer dazu ausgebildet ist,
die Laserimpulse auf einen Fokuspunkt zu bündeln, der im
Bereich einer Innenoberfläche der Vorkammer liegt. Die
erfindungsgemäße Konfiguration ermöglicht
vorteilhaft eine zuverlässige Zündung durch Laserimpulse
mit im Vergleich zu herkömmlichen Systemen verhältnismäßig
geringer Impulsenergie, weil besonders günstige Strömungsverhältnisse
mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der
Innenoberfläche vorherrschen. Darüber hinaus ergibt
sich durch die erfindungsgemäße Anordnung des
Fokuspunkts eine besonders effiziente Verbrennung des in der Vorkammer
enthaltenen zündfähigen Gemischs, ohne dass eine
wesentliche Menge noch unverbrannten Gases aus der Vorkammer in
den Brennraum ausgetrieben wird. Dies ist insbesondere dann der
Fall, wenn der Fokuspunkt im Bereich der Innenoberfläche
eines brennraumzugewandten Bereichs der Vorkammer liegt oder im
Bereich der Überströmbohrungen.
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Bei
einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Laserzündkerze, bei
der eine weitere Verringerung der für eine zuverlässige
Zündung minimal erforderlichen Impulsenergie der Laserimpulse
möglich ist, ist vorgesehen, dass die Lasereinrichtung
dazu ausgebildet ist, die Laserimpulse direkt auf die Innenoberfläche
der Vorkammer zu bündeln. Hierzu kann die Lasereinrichtung über
eine Fokussieroptik verfügen, deren Brennweite auf die
Geometrie der Vorkammer abgestimmt ist. Untersuchungen der Anmelderin
zufolge kann durch die bei dieser Konfiguration erfolgende Plasmagenerierung
direkt auf der Oberfläche des Vorkammermaterials – im
Gegensatz zur seitherigen Plasmagenerierung in dem Vorkammergas – die
für die Zündung benötigte Laserenergie
besonders gering gewählt werden.
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Besonders
hohe Standzeiten der erfindungsgemäßen Laserzündkerze
können einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
zufolge dadurch erzielt werden, dass die Vorkammer im Bereich des
Fokuspunkts eine Materialanhäufung aufweist. Dadurch wird
dem durch die erfindungsgemäße Auswahl des Fokuspunkts
bedingten Materialverschleiß im Bereich des Fokuspunkts
vorgebeugt.
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Eine
in ihrer Effizienz noch weiter gesteigerte Laserzündung
ist erfindungsgemäß dann möglich, wenn
die Vorkammer im Bereich des Fokuspunkts ein Opfermaterial aufweist,
das sich insbesondere hinsichtlich des Absorptionsvermögens
für die Laserimpulse und/oder einer Schmelztemperatur und/oder
weiterer physikalischer Eigenschaften von dem zur Ausbildung der
restlichen Vorkammer verwendeten Material unterscheidet. Das i.
d. R. metallische Opfermaterial wird bevorzugt so ausgewählt, dass
bereits mit besonders geringen Impulsenergien der Laserimpulse die
Generierung eines Metallplasmas für die Zündung
des Vorkammergases möglich ist. Die Form und Menge des
Opfermaterials ist so zu wählen, dass auch unter der fortwährenden
laserinduzierten Erosion möglichst gleichbleibende günstige
Zündverhältnisse gewährleistet sind.
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Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze ist vorgesehen dass die Vorkammer selbst
Fokussiermittel zur Fokussierung der Laserimpulse aufweist. Hierdurch
kann vorteilhaft darauf verzichtet werden, die Lasereinrichtung
mit einer entsprechenden Fokussieroptik zu versehen. Vielmehr kann
die Lasereinrichtung vorteilhaft dazu ausgebildet sein, die Laserimpulse
im wesentlichen unfokussiert, insbesondere als Parallelstrahl, auf
die Fokussiermittel der Vorkammer einzustrahlen. Auch ein leicht
divergierender Strahl ist gut möglich.
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Alternativ
hierzu ist es auch möglich, die Laserimpulse mittels der
Lasereinrichtung auf einen Punkt zu fokussieren, der außerhalb
der Vorkammer liegt. In diesem Fall trift ein Laserimpuls mit einem nichtverschwindenden
Strahlquerschnitt auf die Fokussiermittel der Vorkammer, die eine
weitere Fokussierung – beispielsweise kombiniert mit einer
Reflexion des Laserimpulses – bewirken. Eine hierfür
in der Lasereinrichtung erforderliche Fokussieroptik mit verhältnismäßig
großer Brennweite kann wesentlich einfacher mit derselben
optischen Güte gefertigt werden, als die bei herkömmlichen
Laserzündkerzen verwendeten Fokussieroptiken mit sehr viel
kleinerer Brennweite. Dadurch kann beispielsweise auf den Einsatz
asphärischer Fokussierlinsen in der Lasereinrichtung verzichtet
werden, was die Fertigungskosten deutlich senkt.
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Eine
besonders effiziente Fokussierung durch die Fokussiermittel der
Vorkammer ist erfindungsgemäß dann gegeben, wenn
die in der Vorkammer angeordneten Fokussiermittel als Hohlspiegel
ausgebildet sind, beispielsweise als Parabolspiegel oder auch als
Kegelspalt.
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Die
erfindungsgemäße Vorsehung der in die Vorkammer
integrierten Fokussiermittel erlaubt vorteilhaft die Auswahl eines
direkt im Bereich einer Innenoberfläche der Vorkammer angeordneten
Fokuspunkts, was zu einer besonders günstigen Verbrennung
innerhalb der Vorkammer führt. Speziell mit Hohlspiegelkonfigurationen
lassen sich extrem kurzbrennweitige Fokussiermittel in der Vorkammer
realisieren.
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Zur
Vermeidung von unerwünschten Glühzündungen
kann die Vorkammer der erfindungsgemäßen Laserzündkerze
thermisch sehr gut an den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angebunden werden.
Beispielsweise ist es hierzu vorteilhaft, die Laserzündkerze
zusammen mit der Vorkammer einstückig auszubilden. Eine
weiter gesteigerte Wärmeableitung aus dem Bereich der Vorkammer
ist dadurch gegeben, dass die Vorkammer ein hochwärmeleitfähiges
Material aufweist, insbesondere Kupfer und/oder Messing.
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Um
eine Verschmutzung eines Brennraumfensters oder sonstiger optischer
Komponenten der Laserzündkerze zu verhindern, die an die
Vorkammer grenzen, können im Bereich der Vorkammer vorteilhaft
Magnetmittel vorgesehen werden, welche während der Laserzündung
entstehende magnetische Partikel binden. Bei dieser Konfiguration
der erfindungsgemäßen Laserzündkerze
ist auf eine effiziente Kühlung zu achten, um den die Magnetmittel aufweisenden
Bereich der Vorkammer unterhalb der Curietemperatur der Magnetmittel
zu halten. Die Magnetmittel können insbesondere Ringmagnete und/oder
mehrere umlaufend um eine Längsachse der Laserzündkerze
angeordnete Einzelmagnete aufweisen, die insbesondere als Seltenerdmagnete (z.
B. Neodym, Samarium-Cobalt) ausgebildet sind, welche Curietemperaturen > 400°C besitzen
können. Der Einsatz von Elektromagneten ist ebenfalls denkbar.
Neben der Bindung von magnetischen Partikeln dienen die erfindungsgemäßen
Magnetmittel auch dazu, elektrisch geladene Partikel, z. B. Ionen
aus der Verbrennung, von dem Brennraumfenster weg abuzulenken.
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Als
eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist ein Vorkammermodul für eine Laserzündkerze
gemäß den Patentansprüchen 11 und 12
angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Vorkammermodul kann als separates
Bauteil vorgesehen sein und beispielsweise während eines
Fertigungsprozesses unlösbar mit der restlichen Laserzündkerze
verbunden werden. Alternativ hierzu kann das erfindungsgemäße
Vorkammermodul auch lösbar mit der Laserzündkerze
verbindbar ausgelegt sein, beispielsweise mittels einer entsprechenden
Schraubverbindung.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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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 und 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 bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 ein
laserbasiertes Zündsystem für eine Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen
Laserzündkerze,
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2a eine
vergrößerte Ansicht eines brennraumzugewandten
Endbereichs der erfindungsgemäßen Laserzündkerze
aus 1,
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2b eine
teilweise Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Laserzündkerze,
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3 eine
weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze,
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4 noch
eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze, bei der die Vorkammer über Fokussiermittel
zur Fokussierung der Laserimpulse verfügt, und
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5 eine
weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze.
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1 zeigt
ein laserbasiertes Zündsystem für eine Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs. Das Zündsystem verfügt über
eine Pumplichtquelle 10, die beispielsweise einen Halbleiter-Diodenlaser aufweist,
um Laserstrahlung zum optischen Pumpen einer Lasereinrichtung zu
erzeugen. Die von der Pumplichtquelle 10 erzeugte Laserstrahlung
wird über eine Lichtleitereinrichtung 11 an eine
in der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 integrierte Lasereinrichtung 120 weitergeleitet.
Bei der Lasereinrichtung 120 kann es sich beispielsweise
um einen laseraktiven Festkörper mit einer passiven Güteschaltung
(nicht gezeigt) handeln, mit dem in an sich bekannter Weise Laserimpulse 20 hoher
Leistung erzeugt werden können.
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Die
Lasereinrichtung 120 verfügt über eine Fokussieroptik 121 zur
Fokussierung der Laserimpulse 20 auf einen in der Vorkammer 110 der
Laserzündkerze 100 angeordneten Fokuspunkt FP.
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Ein
Brennraumfenster 122 ist zwischen der Fokussieroptik 121 und
der Vorkammer 110 angeordnet.
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2a zeigt
einen brennraumzugewandten Endbereich der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze 100 in vergrößerter
Darstellung. Wie aus 2a ersichtlich ist, ist die
erfindungsgemäße Lasereinrichtung 120, 121 (1)
so ausgebildet, dass sie die Laserimpulse 20 auf einen
Fokuspunkt FP bündelt, der im Bereich der Innenoberfläche 110a der
Vorkammer 110, vorliegend direkt auf der Innenoberfläche 110a,
liegt. Durch die direkte Beaufschlagung der Innenoberfläche 110a der
Vorkammer 110 mit Laserimpulsen 20 wird erfindungsgemäß vorteilhaft
ein Metallplasma 20a erzeugt, das zur Zündung
eines in der Vorkammer 110 vorhandenen Luft-/Kraftstoffgemischs
dient. Hierfür sind im Gegensatz zu der (Gas-)Plasmaerzeugung
bei den herkömmlichen Systemen, bei denen der Fokuspunkt
nicht auf einer metallischen Oberfläche liegt, weitaus
geringere Laserleistungsdichten erforderlich.
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Dadurch
können einerseits die Kosten für die Lasereinrichtung 120 reduziert
werden, und andererseits wird die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 gesteigert.
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Die
Vorkammer 110 der Laserzündkerze 100 verfügt über Überströmkanäle 125,
die in an sich bekannter Weise eine Fluidverbindung zwischen der Vorkammer 110 und
dem Brennraum 200 (1) herstellen.
Die Anordnung, Geometrie und Anzahl der Überströmkanäle 125 ist
variabel und kann durch Strömungssimulationen an den Bedarf
der jeweiligen Brennkraftmaschine angepasst werden.
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Für
manche Brennverfahren beziehungsweise Brennraumgeometrien kann es
vorteilhaft sein, dass die Vorkammer 110 einen zentralen Überströmkanal 125' aufweist,
vergleiche 2b. Um dennoch eine zuverlässige
Laserzündung zu ermöglichen, kann die Lasereinrichtung 120 (1)
der Laserzündkerze 100 vorteilhaft so ausgebildet
sein, dass der Fokuspunkt FP wie in 2b gezeigt
bezüglich der optischen Achse A der Laserzündkerze 10 desachsiert
ist, damit die Entflammlung in einem Strömungsbereich mit
verhältnismäßig geringen Strömungsgeschwindigkeiten
starten kann.
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Durch
eine tangentiale Anordnung der Überströmkanäle 125 kann
ferner vorteilhaft in der Vorkammer 110 ein Drall erzeugt
werden, der eine verbesserte Vermischung von Frischgas mit dem in
der Vorkammer 110 befindlichen Restgas gewährleistet.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze 100, bei der im Bereich des Fokuspunkts
FP ein Opfermaterial 111 vorgesehen ist, das sich insbesondere
hinsichtlich seines Absorptionsvermögens für die
Laserimpulse 20 und/oder einer Schmelztemperatur und/oder
weiterer physikalischer Eigenschaften von dem zur Ausbildung der
restlichen Vorkammer 110 verwendeten Material unterscheidet.
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Auf
diese Weise kann neben der reinen Materialvorhaltung, die dem gesteigerten
Verschleiß durch die erfindungsgemäße
Auswahl des Fokuspunkts FP Rechnung trägt, gleichzeitig
eine verbesserte Plasmaerzeugung durch geeignete Materialauswahl
realisiert werden.
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Alternativ
oder ergänzend zu einem separaten Opfermaterial kann im
Bereich des Fokuspunkts FP auch eine Materialanhäufung 111 des
die Vorkammer 110 bildenden Materials vorgesehen werden,
beispielsweise durch eine lokale Vergrößerung der
Wanddicke. Dadurch wird dem durch die laserinduzierte Erosion bedingten
Materialabtrag entgegengewirkt, was sich positiv auf die Standzeit
der Vorkammer 110 bzw. der gesamten Laserzündkerze 100 auswirkt.
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4 zeigt
eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze 100, bei der vorliegend als Hohlspiegel 115 ausgebildete
Fokussiermittel direkt in der Vorkammer 110 angeordnet
sind. Bei dieser Erfindungsvariante kann die Lasereinrichtung 120 (1)
die Laserimpulse 20 im wesentlichen unfokussiert, insbesondere
als Parallelstrahl, auf die Fokussiermittel 115 einstrahlen.
Durch eine geeignete Auswahl der Geometrie des erfindungsgemäßen
Hohlspiegels 115 kann vorteilhaft eine sehr geringe Brennweite
für den Hohlspiegel 115 erzielt werden, so dass
der vorliegend durch die Vorkammer 110 festgelegte Fokuspunkt
FP vergleichbar zu den vorstehend beschriebenen Erfindungsvarianten – zwar
nicht direkt auf der Oberfläche 110a – jedoch
im Bereich der Innenoberfläche eines brennraumzugewandten
Endbereichs der Vorkammer 110 liegt. Der Hohlspiegel 115 kann bevorzugt
eine parabolische Querschnittsform aufweisen oder auch als einfacher
Kegelspalt ausgebildet sein, wodurch eine Fertigung vereinfacht
wird.
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Alternativ
zu der Einstrahlung eines Parallelstrahls auf den Hohlspiegel 115 ist
es auch möglich, die Laserimpulse 20 mittels der
Lasereinrichtung 120, 121 auf einen virtuellen
Fokuspunkt FP' zu fokussieren, der außerhalb der Vorkammer 110 liegt.
In diesem Fall trift der Laserimpuls 20 mit einem nichtverschwindenden
Strahlquerschnitt auf die Fokussiermittel 115 der Vorkammer 110,
die eine weitere Fokussierung kombiniert mit einer Reflexion des
Laserimpulses 20 auf den „internen” Fokuspunkt
FP bewirken. Eine hierfür in der Lasereinrichtung 120 erforderliche
Fokussieroptik 121 mit verhältnismäßig
großer Brennweite kann wesentlich einfacher mit derselben
optischen Güte gefertigt werden, als die bei herkömmlichen
Laserzündkerzen verwendeten Fokussieroptiken mit sehr viel
kleinerer Brennweite. Dadurch kann beispielsweise auf den Einsatz
asphärischer Fokussierlinsen in der Lasereinrichtung 120 verzichtet
werden, was die Fertigungskosten deutlich senkt.
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Eine
weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze 100 ist in 5 abgebildet.
Bei dieser Erfindungsvariante sind im Bereich der Vorkammer 110 Magnetmittel 130 vorgesehen,
die bei der Laserzündung frei werdende magnetische Partikel
anziehen und damit gleichsam binden oder, im Falle elektrisch geladener Partikel,
die Partikel ablenken, so dass sie nicht auf das Fenster gelangen,
wodurch vorteilhaft eine Verschmutzung des Brennraumfensters 122 verringert wird.
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Die
Magnetmittel 130 können insbesondere Ringmagnete
und/oder mehrere umlaufend um eine Längsachse der Laserzündkerze 100 angeordnete Einzelmagnete
aufweisen, die insbesondere als Seltenerdmagnete (z. B. Neodym,
Samarium-Cobalt) ausgebildet sind, welche Curietemperaturen > 400°C besitzen
können. Der Einsatz von Elektromagneten ist ebenfalls denkbar,
sofern die Laserzündkerze 100 über entsprechende
Ansteuerleitungen verfügt. Es ist ferner vorstellbar, die
Magnetmittel 130 so auszubilden und anzuordnen, dass sie
neben der Funktion der Partikelbindung – ggf. zusammen
mit den strömungsformenden Überströmkanälen 125 – die
Formung und Bewegung des Zündplasmas 20a beeinflussen
können.
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Eine
besonders effiziente Wärmeableitung aus der Vorkammer 110 ergibt
sich einerseits durch eine einstückige Ausbildung der Vorkammer 110 mit der
Laserzündkerze 100.
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Es
ist alternativ hierzu jedoch auch denkbar, die erfindungsgemäße
Vorkammer 110 durch ein als ein separates Bauteil ausgebildetes
Vorkammermodul 110 zu realisieren. Das separate Vorkammermodul 110 kann
gleichenfalls über die erfindungsgemäße
Materialanhäufung 111 beziehungsweise ein für die
Laserzündung geeignetes Opfermaterial verfügen.
Es ist ferner ebenfalls möglich, dass ein erfindungsgemäßes
Vorkammermodul 110 die vorstehend unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen Fokussiermittel
aufweist.
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Das
als separates Bauteil ausgeführte Vorkammermodul 110 kann
beispielsweise während eines Fertigungsprozesses unlösbar
mit der restlichen Laserzündkerze 100 verbunden
werden. Alternativ hierzu kann das erfindungsgemäße
Vorkammermodul 110 auch lösbar mit der Laserzündkerze 100 verbindbar
ausgelegt sein, beispielsweise mittels einer entsprechenden Schraubverbindung.
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Die
erfindungsgemäße Laserzündkerze 100 bzw.
das erfindungsgemäße Vorkammermodul 110 kann
vorteilhaft bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen oder auch
bei stationären Großgasmotoren verwendet werden.
Eine zeitliche Mehrpulszündung, bei der innerhalb eines
Zündzyklus mehrere Laserimpulse 20 abgegeben werden,
ist ebenfalls durch die Erfindung realisierbar.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung des Fokuspunkts FP
im Bereich der Innenoberfläche 110a, insbesondere
in einem brennraumzugewandten Endbereich der Vorkammer 110,
ermöglicht eine optimale Entflammung des in dem Hauptbrennraum 200 angeordneten
Luft-/Kraftstoffgemischs, was insgesamt zu einer besseren Verbrennung
und somit einer größeren Leistung der Brennkraftmaschine
und/oder geringeren Emissionen führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006018973
A1 [0002]