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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Laserzündeinrichtung für
eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit
einem laseraktiven Festkörper und mit einer Pumpvorrichtung
zum optischen Pumpen des laseraktiven Festkörpers.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Betriebsverfahren für eine
derartige Laserzündeinrichtung.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündeinrichtung
und ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend
zu verbessern, dass mehr Freiheitsgrade für die Laserzündung eines
brennbaren Gemischs gegeben sind, ohne gleichzeitig einen wesentlich
komplexeren Aufbau als bei den herkömmlichen Systemen zu
erfordern.
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Diese
Aufgabe wird bei der Laserzündeinrichtung der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die Pumpvorrichtung dazu ausgebildet ist, mehrere unterschiedliche
Volumenbereiche des laseraktiven Festkörpers, vorzugsweise getrennt
voneinander, optisch zu pumpen.
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Die
erfindungsgemäße Einteilung des laseraktiven Festkörpers
in die verschiedenen Volumenbereiche und die durch die spezielle
Konfiguration der Pumpvorrichtung bereitgestellte Möglichkeit,
diese verschiedenen Volumenbereiche unabhängig voneinander
optisch zu pumpen, ermöglicht vorteilhaft gleichsam einen
Parallelbetrieb der verschiedenen Volumenbereiche, so dass mehrere
Laserzündimpulse – entweder gleichzeitig oder
auch zeitlich zueinander versetzt – durch einen einzigen
laseraktiven Festkörper erzeugt werden können.
D. h., im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen ist es bei
der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich, mehrere Festkörperlaser
bereitzustellen, um mehrere Laserzündimpulse erzeugen zu
können. Auch kann vorteilhaft auf den ebenfalls bekannten
Einsatz von verlustbehafteten Strahlteilern ausgangs des laseraktiven Festkörpers
verzichtet werden.
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Bei
einer entsprechenden Auswahl der individuell mit Pumpstrahlung beaufschlagten
Volumenbereiche weisen die aus dem laseraktiven Festkörper austretenden
Laserzündimpulse beziehungsweise die hiermit korrespondierende
Laserstrahlung Abstände ihrer Strahlachsen zueinander auf,
die einige Millimeter oder mehr betragen, so dass die einzelnen Laserstrahlen
mittels einer entsprechenden Optik sehr effektiv auf verschiedene
Zündpunkte fokussiert werden können.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündeinrichtung ist die Pumpvorrichtung dazu ausgebildet,
die mehreren unterschiedlichen Volumenbereiche longitudinal optisch zu
pumpen, wodurch sich aufgrund der großen Überlappung
zwischen dem gepumpten Volumenanteil des laseraktiven Festkörpers
mit einer entsprechenden Lasermode ein besonders effizienter Pumpprozess
ergibt. Ferner eröffnet das longitudinale optische Pumpen
eine besonders einfache Möglichkeit, gezielt jeweils nur
einen bestimmten Volumenbereich optisch zu pumpen. Alternativ oder
ergänzend zu dem longitudinalen optischen Pumpen kann die Pumpvorrichtung
auch dazu ausgebildet sein, einen oder mehrere der unterschiedlichen
Volumenbereiche transversal optisch zu pumpen.
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Bei
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung
weisen die Volumenbereiche jeweils etwa Zylinderform auf und sind
mindestens etwa einen Millimeter, vorzugsweise etwa drei Millimeter, seitlich,
bei longitudinaler Pumpanordnung also transversal, voneinander beabstandet.
Eine derartige räumliche Trennung der verschiedenen Volumenbereiche
resultiert in entsprechend voneinander räumlich getrennten
Pumporten und stellt vorteilhaft sicher, dass die infolge des optischen
Pumpens erzeugten Laserimpulse beziehungsweise die hiermit korrespondierenden Laserstrahlen
einen entsprechend großen Abstand voneinander haben. Durch diesen
Abstand ist eine besonders effiziente Umleitung der einzelnen Laserstrahlen
in verschiedene Raumrichtungen mittels einer einzigen Optik möglich,
wodurch vorteilhaft in einem Brennraum weit voneinander entfernt
liegende Zündpunkte realisiert werden können.
Dadurch bietet die erfindungsgemäße Laserzündeinrichtung
die Möglichkeit, den thermodynamischen Wirkungsgrad der
Brennkraftmaschine beziehungsweise einzelner Verbrennungen zu steigern.
Erstens wird durch die Vorsehung mehrerer voneinander beabstandeter
Zündpunkte in dem Brennraum die Klopfgrenze angehoben,
und zweitens ergibt sich aufgrund des schnelleren Durchbrennens
des in dem Brennraum befindlichen Luft-/Kraftstoffgemischs eine
höhere Abmagerbarkeit.
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Ein
weiterer Vorteil der mehreren voneinander getrennten Zündpunkte
besteht in einer gesteigerten Entflammungswahrscheinlichkeit, die
insbesondere bei der Entflammung inhomogener Gemische, wie sie bei
strahlgeführten Einspritzverfahren, beispielsweise bei
der Benzindirekteinspritzung, vorliegt, von Bedeutung ist.
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Optional
ist dem laseraktiven Festkörper eine Güteschaltung
zugeordnet.
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Weitere
Freiheitsgrade hinsichtlich der Laserzündung sind einer
weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
zufolge gegeben, wenn die Pumpvorrichtung dazu ausgebildet ist,
die mehreren unterschiedlichen Volumenbereiche zu unterschiedlichen
Zeiten und/oder mit verschiedener Pumpleistung zu beaufschlagen.
Durch unterschiedliche Pumpzeiten beziehungsweise Pumpdauern und Pumpleistung
kann bei passiv gütegeschalteten Lasersystemen der Zeitpunkt
der Erzeugung des gütegeschalteten Laserzündimpulses
beeinflusst werden. Es ist auch denkbar, die mehreren unterschiedlichen Volumenbereiche
mit unterschiedlichen Pumpleistungsprofilen zu beaufschlagen, d.
h. jeweils einem unterschiedlichen zeitlichen Verlauf der Pumpleistung.
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Weitere
Freiheitsgrade ergeben sich erfindungsgemäß dadurch,
dass mehrere Volumenbereiche voneinander verschiedene Volumina aufweisen und/oder
unterschiedliche Konzentrationen eines Dotierungsmaterials aufweisen.
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Durch
die Festlegung von unterschiedlichen Pumpvolumina der einzelnen
Volumenbereiche kann die aus den betreffenden Volumina gelieferte
Strahlungsenergie in Form der Laserzündimpulse beeinflusst
werden, wodurch beispielsweise an einem ersten Zündpunkt
Laserzündimpulse höherer Energie bereitgestellt
werden können, als an einem zweiten Zündpunkt,
der einem geringeren Pumpvolumen zugeordnet ist.
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Die
erfindungsgemäße Laserzündeinrichtung
verfügt einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
zufolge über eine Auskoppeloptik, die dazu ausgebildet
ist, die in den mehreren unterschiedlichen Volumenbereichen erzeugte
Laserstrahlung auf jeweils unterschiedliche Zündpunkte
zu bündeln. Die Auskoppeloptik kann hierzu insbesondere
Linsen, diffraktive Optiken und dergleichen enthalten und auch monolithisch
in den laseraktiven Festkörper integriert sein.
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Eine
besonders große Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrads
der Verbrennung kann bei der erfindungsgemäßen
Laserzündeinrichtung dadurch bewirkt werden, dass die Pumpvorrichtung
und/oder die Volumenbereiche und/oder die Auskoppeloptik so ausgebildet
und/oder aufeinander abgestimmt sind, dass mindestens zwei Zündpunkte einen
Abstand von mehr als etwa zehn Millimeter zueinander aufweisen.
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Generell
wird durch die Auslegung der Pumpvorrichtung und damit der durch
sie mit Pumpstrahlung beaufschlagten Volumenbereiche der Austrittsort
der in dem laseraktiven Festkörper erzeugten Laserstrahlung
beziehungsweise der Abstand einzelner Strahlen untereinander festgelegt.
Durch die Auskoppeloptik kann der Ort der Zündpunkte und
damit auch ihr Abstand weiter beeinflusst werden.
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Bei
einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung weist die Pumpvorrichtung mehrere, vorzugsweise als
Halbleiterlaser ausgebildete, Pumplichtemitter auf, die jeweils
unterschiedlichen Volumenbereichen zugeordnet sind. Dadurch kann
gezielt ein bestimmter Volumenbereich des laseraktiven Festkörpers
optisch gepumpt werden, beispielsweise indem die entsprechenden Pumplichtemitter
aktiviert werden.
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Eine
besonders effiziente Einstrahlung des Pumplichts auf den laseraktiven
Festkörper ist einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante
zufolge dann gegeben, wenn die Pumplichtemitter im Bereich einer
Stirnseite des laseraktiven Festkörpers angeordnet sind,
wobei die Pumplichtemitter insbesondere in eine den laseraktiven
Festkörper aufweisende Laserzündkerze integriert
sind.
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Um
die Pumplichtemitter vor den im Bereich der Laserzündkerze
auftretenden hohen Temperaturen zu schützen, kann einer
weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge auch vorgesehen
sein, dass die Pumplichtemitter extern zu einer den laseraktiven Festkörper
aufweisenden Laserzündkerze angeordnet und über
ein thermisch isolierendes Verbindungselement optisch mit dem laseraktiven
Festkörper verbunden sind. Dadurch ist es vorteilhaft möglich,
die Pumplichtemitter räumlich verhältnismäßig
nah bei der Laserzündkerze anzuordnen, und gleichzeitig
einen Wärmeeintrag von der Laserzündkerze in die Pumplichtemitter
zu vermeiden. Das Verbindungselement kann hierzu bevorzugt aus Glas
oder Kristallmaterial bestehen. Es ist ebenfalls möglich,
den Pumplichtemittern eine lokale Steuerelektronik zuzuordnen, welche
von einer entfernt angeordneten zentralen Motorsteuerung mit Ansteuersignalen
beaufschlagt wird.
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Als
eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist ein Verfahren gemäß Patentanspruch 13 angegeben.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Unter
einem optisch gepumpten Volumenbereich wird dabei ein Volumen verstanden,
das dem räumlichen Überlapp des Pumplichts mit
dem laseraktiven Festkörper entspricht. Es kann beispielsweise
als der Bereich innerhalb des laseraktiven Festkörpers
bestimmt werden, in dem es zur Emission von spontaner oder stimulierter
Emission kommt, insbesondere als der Bereich innerhalb des laseraktiven Festkörpers
bestimmt werden, in dem es zur Emission von spontaner oder stimulierter
Emission mit einer Intensität kommt, die höher
ist als 13% der höchsten in dem laseraktiven Festkörper
feststellbaren spontanen oder stimulierten Emission.
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Erfolgt
die Zuführung von Pumplicht in Form von mindestens einem
Laserstrahl gemäß DIN EN ISO 11145,
so kann als Pumpvolumen im Rahmen dieser Erfindung auch der räumliche Überlapp
aus dem mindestens einem Laserstrahl und dem laseraktiven Festkörper
erachtet 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 eine
Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen
Laserzündeinrichtung,
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2 schematisch
eine erste Ausführungsform einer Lasereinrichtung der Laserzündeinrichtung
aus 1,
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3 eine
Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung,
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4a, 4b eine
Draufsicht auf eine Stirnseite einer Lasereinrichtung mit jeweils
unterschiedlichen erfindungsgemäßen Volumenbereichen,
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5a, 5b verschiedene
Anordnungen von Pumplichtemittern zur Realisierung der erfindungsgemäßen
individuell gepumpten Volumenbereiche,
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6 eine
erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Laserzündkerze mit integrierter Lasereinrichtung und integrierter
Pumpvorrichtung, und
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7 eine
zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Laserzündkerze mit extern angeordneter Pumpvorrichtung.
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Eine
Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt
das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Antrieb eines nicht
dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst
mehrere Zylinder, von denen in 1 nur einer
mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des
Zylinders 12 wird von einem Kolben 16 begrenzt.
Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen
Injektor 18, der an einen auch als Rail bezeichneten Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen
ist.
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In
den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird
mittels eines Laserstrahls 24 entzündet, der vorzugsweise
in Form eines Laserimpulses von einer eine Lasereinrichtung 26 aufweisenden
Laserzündkerze 100 in den Brennraum 14 abgestrahlt
wird. Hierzu wird die Lasereinrichtung 26 über
eine Lichtleitereinrichtung 28 mit einem Pumplicht gespeist, welches
von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird
von einem Steuergerät 32 gesteuert, das auch den
Injektor 18 ansteuert.
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Die
Pumplichtquelle 30 bildet zusammen mit der Lichtleitereinrichtung 28 und
der die Lasereinrichtung 26 aufweisenden Laserzündkerze 100 ein
laserbasiertes Zündsystem 27 der Brennkraftmaschine 10.
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Wie
aus 2 ersichtlich ist, weist die Lasereinrichtung 26 neben
einem laseraktiven Festkörper 44 erfindungsgemäß auch
eine passive Güteschaltung 46 auf, so dass die
Komponenten 44, 46 zusammen mit einem Einkoppelspiegel 42 und
einem Auskoppelspiegel 48 einen Laser-Oszillator bilden.
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Die
grundsätzliche Funktionsweise der Lasereinrichtung 26 ist
folgende: Pumplicht 60, das der Lasereinrichtung 26 über
die Lichtleitereinrichtung 28 zugeführt wird,
tritt durch den für eine Wellenlänge des Pumplichts 60 durchsichtigen
Einkoppelspiegel 42 in den laseraktiven Festkörper 44 ein.
Dort wird das Pumplicht 60 absorbiert, was zu einer Besetzungsinversion
führt. Die zunächst hohen Transmissionsverluste
der passiven Güteschaltung 46 verhindern eine
Laser-Oszillation in der Lasereinrichtung 26. Mit steigender Pumpdauer
steigt jedoch auch die Strahlungsdichte in dem Inneren des durch
den laseraktiven Festkörper 44 und die passive
Güteschaltung 46 sowie die Spiegel 42, 48 gebildeten
Resonators. Ab einer gewissen Strahlungsdichte bleicht die passive
Güteschaltung 46 beziehungsweise ein sättigbarer
Absorber der passiven Güteschaltung 46 aus, so
dass eine Laser-Oszillation in dem Resonator zustande kommt.
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Durch
diesen Mechanismus wird ein Laserstrahl 24 in Form eines
sog. Riesenimpulses erzeugt, der durch den Auskoppelspiegel 48 hindurchtritt
und nachfolgend als Laserzündimpuls bezeichnet wird.
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Anstelle
der vorstehend beschriebenen passiven Güteschaltung 46 ist
auch der Einsatz einer aktiven Güteschaltung denkbar.
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Im
Unterschied zu herkömmlichen Systemen, welche eine im wesentlichen
homogene Beaufschlagung des laseraktiven Festkörpers 44 mit
dem Pumplicht 60 vorsehen, verfügt die Pumplichtquelle 30 erfindungsgemäß über
eine Pumpvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, mehrere unterschiedliche
Volumenbereiche des laseraktiven Festkörpers 44,
vorzugsweise getrennt voneinander, optisch zu pumpen.
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Das
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Prinzip ist in der
nachstehend näher beschriebenen 3 veranschaulicht.
Erfindungsgemäß wird das von der Pumplichtquelle 30 (1)
bereitgestellte Pumplicht 60 so auf die Lasereinrichtung 26 beziehungsweise
den laseraktiven Festkörper 44 (2)
geleitet, dass mehrere unterschiedliche, insbesondere räumlich
voneinander getrennte, Volumenbereiche des laseraktiven Festkörpers 44 jeweils mit
einem eigenen Pumplichtstrahl beaufschlagt werden. Dies ist in 3 durch
die Aufteilung des Pumplichts 60 mittels der optischen
Komponenten 41 veranschaulicht.
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Das
Pumplicht 60 wird vorliegend in vier Teilstrahlen 60a, 60b, 60c, 60d zerlegt,
deren Abstand d voneinander jeweils vorteilhaft so groß gewählt
ist, dass sich in der Lasereinrichtung 26 insgesamt vier voneinander
getrennte, optische gepumpte Volumenbereiche ergeben. Aus der Draufsicht
gemäß 4a, die
eine in 3 linke Stirnseite der Lasereinrichtung 26 wiedergibt,
ist ersichtlich, dass die unterschiedlichen Volumenbereiche 44a, 44b, 44c, 44d jeweils
etwa kreiszylindrische Form haben und räumlich voneinander
getrennt sind. Dadurch ist sichergestellt, dass bei dem Ausbleichen
des sättigbaren Absorbers der passiven Güteschaltung 46 (2)
einzelne, voneinander getrennte, Laserzündimpulse 24a, 24b,
... (3) erzeugt werden, deren Abstand voneinander in
etwa dem Abstand d der eingestrahlten Pumpstrahlung 60a, 60b, 60c, 60d entspricht.
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Durch
die verhältnismäßig großen Abstände d
zwischen den Laserzündimpulsen 24a, 24b,
... können die Laserzündimpulse 24a, 24b,
... besonders effizient mittels einer der Lasereinrichtung 26 nachgeordneten
Optik 49, beispielsweise einer diffraktiven Optik und/oder
ein oder mehrerer Linsen und/oder Spiegel, wie aus 3 ersichtlich
in unterschiedliche Raumrichtungen abgelenkt werden. Anschließend erfolgt
in an sich bekannter Weise eine Fokussierung der einzelnen Laserzündimpulse 24a, 24b,
... mittels der Fokussieroptik 50, wodurch die Laserzündimpulse 24, 24b,
... auf die in dem Brennraum 14 gelegenen Zündpunkte
ZPa, ZPb, ... gebündelt werden.
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Bei
einem hinreichend groß gewählten Abstand d der
eingestrahlten Pumpstrahlung 60a, 60b, ... voneinander
und bei entsprechender Ausbildung der Optik 49 sowie der
Wahl einer geeigneten Brennweite für die Fokussieroptik 50 kann
erfindungsgemäß vorteilhaft ein Abstand der Zündpunkte
ZPa, ZPb, ... untereinander von über zehn Millimetern erzielt
werden, so dass sich – bei einer gleichzeitigen Beaufschlagung
der Zündpunkte ZPa, ZPb, ... mit Laserzündimpulsen 24a, 24b,
... aufgrund der unterschiedlichen Entflammungsorte ein schnelleres Durchbrennen
des in dem Brennraum 14 befindlichen Gemischs und damit
ein gesteigerter thermodynamischer Wirkungsgrad ergibt.
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Damit
einhergehend kann ferner die Klopfgrenze angehoben werden, und eine
höhere Abmagerbarkeit des Gemischs ist ebenfalls gegeben.
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Die
erfindungsgemäße Laserzündeinrichtung
eignet sich insbesondere für den Einsatz bei strahlgeführten
Direkteinspritzverfahren, bei denen üblicherweise verhältnismäßig
inhomogene Luft-/Kraftstoffgemische zu zünden sind, weil
die erfindungsgemäß ermöglichten, weit
entfernt voneinander liegenden Zündpunkte ZPa, ZPb, ...
die Entflammungswahrscheinlichkeit deutlich steigern.
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4b zeigt – analog
zu 4a in einer Draufsicht auf die in 3 linke
Stirnseite der Lasereinrichtung 26 – eine weitere
mögliche Einteilung des laseraktiven Festkörpers 44 beziehungsweise
der Lasereinrichtung 26 in insgesamt drei verschiedene Volumenbereiche 44a, 44b, 44c.
Wie aus 4b ersichtlich ist, weist der
Volumenbereich 44a, ausgehend von einer zylindrischen Grundform
mit einer der Gesamtlänge der Lasereinrichtung 26 entsprechenden
Länge, aufgrund seines größeren Durchmessers ein
entsprechend größeres Volumen auf, als die weiteren
Volumenbereiche 44b, 44c. Dadurch ist bei dem
optischen Pumpen des ersten Volumenbereichs 44a mehr Pumpenergie
in dem ersten Volumenbereich 44a speicherbar als in den
beiden anderen Volumenbereichen 44b, 44c, so dass
ein in dem ersten Volumenbereich 44a erzeugter Laserzündimpuls 24a eine
größere Impulsenergie aufweisen kann, als die von
den weiteren Volumenbereichen 44b, 44c erzeugten
Laserzündimpulse.
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Generell
kann jede beliebige Anzahl von unterschiedlichen Volumenbereichen
gewählt werden, die eine effiziente Einbringung von Pumplicht 60 (3)
in den betreffenden Volumenbereich sowie eine Umlenkung und/oder
Fokussierung erzeugter Laserzündimpulse 24a, 24b,
... durch eine nachgeordnete Optik 49, 50 ermöglicht,
solange jeder Volumenbereich unter Verwirklichung des erfindungsgemäßen
Prinzips gleichsam autark, d. h. getrennt von anderen Volumenbereichen,
als Laserresonator arbeiten kann.
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Der
Abstand d wird bevorzugt zu mindestens etwa einem Millimeter, vorzugsweise
etwa drei Millimeter, gewählt.
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Eine
besonders effiziente Einstrahlung von Pumplicht in die in den 4a, 4b veranschaulichten
Volumenbereiche 44a, 44b, 44c, 44d ist
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zufolge durch
Pumpvorrichtungen 31 gewährleistet, wie sie schematisch
in den 5a, 5b abgebildet
sind.
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Die
in 5a gezeigte Pumpvorrichtung 31 weist
insgesamt vier vorliegend nicht näher bezeichnete Gruppen
bestehend aus einzelnen Pumplichtemittern 32a, 32b,
... auf, welche vorzugsweise als Halbleiterlaserdioden ausgebildet
und auf einem gemeinsamen Trägerelement wie z. B. einer
Platine oder einem Substrat angeordnet sind. Wie aus 5a ersichtlich
ist, sind die einzelnen Pumplichtemitter 32a, 32b,
... räumlich so zueinander angeordnet, dass sie den in 4a veranschaulichten
Volumenbereichen 44a, 44b, 44c, 44d zugeordnet
werden können. Das heißt, die Pumpvorrichtung 31 gemäß 5a kann
so relativ zu der Lasereinrichtung 26 angeordnet werden,
dass jeweils eine Gruppe der Pumplichtemitter 32a, 32b,
... einem der vier Volumenbereiche 44a, 44b, ...
gegenüberliegt und bevorzugt fest zugeordnet ist. Durch
diese Konfiguration kann jeder der insgesamt vier Volumenbereiche 44a, 44b, 44c, 44d der
Lasereinrichtung 26 individuell gepumpt werden, indem Pumplichtemitter 32a, 32b,
... der betreffenden Pumplichtemittergruppe aktiviert werden. Dadurch
ist es vorteilhaft möglich, einen oder mehrere oder auch
alle der vier Volumenbereiche 44a, 44b, 44c, 44d gleichzeitig
oder zu verschiedenen Zeiten optisch zu pumpen.
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5b zeigt
eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung 31,
wie sie beispielsweise in Verbindung mit der insgesamt drei unterschiedliche
Volumenbereiche 44a, 44b, 44c aufweisenden
Lasereinrichtung 26 gemäß 4b verwendet
werden kann.
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6 zeigt
eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Laserzündkerze 100, bei der die Lasereinrichtung 26 zusammen
mit einer sie mit Pumplicht versorgenden Pumpvorrichtung 31 in
dem Gehäuse der Laserzündkerze 100 integriert
ist. Die optischen Komponenten 49, 50 sind ebenfalls
in die Laserzündkerze 100 integriert, wobei die
Fokussieroptik 50 gleichzeitig die Funktion eines Brennraumfensters
erfüllt.
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Wie
bereits vorstehend beschrieben, sind die Komponenten 31, 26, 49, 50 bevorzugt
so aufeinander abgestimmt, dass ein Abstand d2 zwischen benachbarten
Zündpunkten ZPa, ZPb, ... in dem Brennraum 14 mehr
als etwa zehn Millimeter beträgt.
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Ein
verbesserter Schutz der Pumpvorrichtung 31 vor einem unerwünschten
Wärmeeintrag aus dem Brennraum 14 beziehungsweise
aus der Laserzündkerze 100 ist gemäß 7 dadurch
gegeben, dass die Pumpvorrichtung 31 in einem separaten Pumplichtquellenmodul 30 vorgesehen
ist, das extern zu der Laserzündkerze 100 angeordnet
ist.
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Um
dennoch eine effiziente Einkopplung von Pumplicht in die Lasereinrichtung 26 zu
ermöglichen, ist das Pumplichtquellenmodul 30 über
ein thermisch isolierendes Verbindungselement 28' optisch
mit dem laseraktiven Festkörper beziehungsweise der Lasereinrichtung 26 und
damit auch mit der Laserzündkerze 100 verbunden.
In diesem Fall realisiert das Verbindungselement 28 sowohl
die mechanische Verbindung des Pumplichtquellenmoduls 30 mit
der Laserzündkerze 100, die optische Verbindung
zwischen der Pumpvorrichtung 31 und der Lasereinrichtung 26,
und eine thermische Isolation der Pumpvorrichtung 31 von
der Laserzündkerze 100.
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Das
Pumplichtquellenmodul 30 kann bei einer weiteren bevorzugten
Erfindungsvariante vorteilhaft auch über eine integrierte
Steuerelektronik verfügen, welche beispielsweise von einer
entfernt angeordneten Motorsteuerung 32 (1)
mit Ansteuersignalen beaufschlagt wird. Die in das Pumplichtquellenmodul 30 integrierte
Steuerelektronik kann beispielsweise zur Realisierung fest vorgegebener
oder auch applizierbarer Ansteuermuster für die einzelnen Pumplichtemitter 32a, 32b,
... verwendet werden.
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Durch
eine Ansteuerung der den verschiedenen Volumenbereichen 44a, 44b,
... zugeordneten Pumplichtemitter 32a, 32b, ...
zu unterschiedlichen Zeiten und/oder mit unterschiedlichen Ansteuerströmen
kann eine zeitlich variable Erzeugung von Laserzündimpulsen 24a, 24b,
..., die auf die Zündpunkte ZPa, ZPb, ... fokussiert sind,
realisiert werden.
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Der
laseraktive Festkörper 44 (2) kann bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung unterschiedliche Volumenbereiche 44a, 44b,
... aufweisen, die jeweils über eine andere Konzentration
eines Dotierungsmaterials verfügen. Beispielsweise können
unterschiedliche Volumenbereiche 44a, 44b, ...
unterschiedliche Konzentrationen von Ionen eines laseraktiven Materials
aufweisen, so dass auch hierdurch weitere Freiheitsgrade bei der
Erzeugung von auf unterschiedliche Zündpunkte ZPa, ZPb,
... gebündelten Laserzündimpulsen 24a, 24b,
... gegeben sind. Auch charakteristische Eigenschaften der passiven
Güteschaltung 46 (2) können über
die Volumenbereiche 44a, 44b, ... variiert werden,
beispielsweise ebenfalls durch die Vorgabe unterschiedlicher Dotierstoffkonzentrationen.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht vorteilhaft eine Laserzündung,
die gleichzeitig oder auch zu verschiedenen Zeiten an mehreren unterschiedlichen
Zündpunkten ZPa, ZPb, ... in dem Brennraum 14 der
Brennkraftmaschine 10 erfolgen kann. Dadurch wird der thermodynamische
Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 10 gesteigert, und
die Klopfgrenze und Abmagerbarkeit wird ebenfalls erhöht. Durch
die mit der räumlichen Mehrfachzündung gesteigerte
Entflammungswahrscheinlichkeit eignet sich die erfindungsgemäße
Zündeinrichtung 27 insbesondere auch in Verbindung
mit strahlgeführten Einspritzverfahren.
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Neben
dem in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen diskutierten
longitudinalen optischen Pumpen ist zusätzlich oder alternativ
auch ein transversales optisches Pumpen des laseraktiven Festkörpers 44 (2)
möglich.
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Die
Pumplichtemitter 32a, 32b, ... (6) können
bei einer weiteren bevorzugten Erfindungsvariante auch direkt auf
einer Stirnfläche der Lasereinrichtung 26 angeordnet
sein.
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Eine
monolithische Integration der optischen Komponenten 49, 50 (6)
zusammen mit der restlichen Lasereinrichtung 26 ist ebenfalls
möglich.
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Neben
der durch die Verwendung einer einzigen Lasereinrichtung 26 kostengünstigen
Realisierung einer sowohl räumlichen als auch zeitlichen Mehrfachzündung
bietet die erfindungsgemäße Laserzündeinrichtung
den besonderen Vorteil, unterschiedliche Zündpunkte ZPa,
ZPb, ... mit Laserzündimpulsen 24a, 24b,
... unterschiedlicher Energie bestrahlen zu können, so
dass die jeweilige Impulsenergie beispielsweise an die in dem Brennraum 14 (6)
vorherrschenden Strömungsverhältnisse angepasst
werden kann. Auf diese Weise kann ein erster Zündpunkt
ZPa, der in einem Bereich mit höheren Strömungsgeschwindigkeiten
während der Zündung liegt, mit energiereicheren
Laserzündimpulsen beaufschlagt werden als ein zweiter Zündpunkt
ZPb, der in einem Bereich mit niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten
während der Zündung liegt, so dass in beiden Situationen
bzw. Zündpunkten ZPa, ZPb eine sichere Entzündung
des Gemischs gewährleistet ist. Gleichzeitig ergibt sich
hierdurch eine Vergrößerung der Lebensdauer der
Laserzündeinrichtung, weil stets mit der optimalen Laserimpulsenergie
gezündet werden kann.
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Anstelle
der Vorsehung einer lokalen Pumpvorrichtung 31 (6, 7)
kann der laseraktive Festkörper 44 (2)
auch über eine entfernt zu der Laserzündkerze 100 angeordnete
Pumplichtquelle auf die erfindungsgemäße Weise
optisch gepumpt werden, beispielsweise durch eine Mehrzahl von den einzelnen,
individuell zu pumpenden, Volumenbereichen 44a, 44b,
... fest zugeordneten Lichtleitern (nicht gezeigt), oder durch eine
Aufteilung von zentral zugeführter Pumpstrahlung 60 nach
dem in 3 veranschaulichten Prinzip, d. h. mittels einer
entsprechenden Optik 41.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - DIN EN ISO
11145 [0023]