DE102009004059A1

DE102009004059A1 - Glühkerze

Info

Publication number: DE102009004059A1
Application number: DE102009004059A
Authority: DE
Inventors: Erhard Giese
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-01-08
Filing date: 2009-01-08
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2029-01-09
Also published as: DE102009004059B4

Abstract

Glühkerze mit einem Laserlicht absorbierenden, in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine ragenden Glühelement (13), einer Laserquelle (30) und einem das Licht von der Laserquelle (30) zu dem Glühelement (13) leitenden Lichtleiter (12), mit einem an der dem Brennraum fernen Seite der Glühkerze angeordneten, die von dem Glühelement (13) abgegebene Wärmestrahlung erfassenden Fotodetektor (33) und einer Schaltung (60), die die Energie des von der Laserquelle (30) abgegebenen Laserlichts in Abhängigkeit von der von dem Glühelement abgegebenen Wärmestrahlung regelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Glühkerze mit einer Laserlicht absorbierenden, in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine ragenden Glühelement, einer Laserquelle und einem das Licht von der Laserquelle zu dem Glühelement leitenden Lichtleiter.
Aus der WO 2004/001221 A1 ist eine solche Glühkerze zum Kaltstarten eines Dieselmotors bekannt, die mit einer Laserlicht absorbierenden, in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine ragenden Glühelement, einer Laserquelle und einem das Licht von der Laserquelle zu dem Glühelement leitenden Lichtleiter versehen ist.
Diese Ausbildung hat gegenüber herkömmlichen Glühkerzen den Vorteil, dass das Glühelement sehr schnell gesteuert auf eine sehr hohe Temperatur gebracht werden kann.
Es ist nun erwünscht, bei einer derartigen Glühkerze den jeweiligen Temperaturverlauf des Glühelements zu erfassen, um die das Glühelement erwärmende Laserlichtquelle entsprechend (und damit das Verbrennungsverhalten der Maschine) regeln zu können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch wenigstens einen an der dem Brennraum fernen Seite der Glühkerze angeordneten, die von dem Glühelement abgegebene Wärmestrahlung über den oder einen weiteren Lichtleiter erfassenden Fotodektor und eine Schaltung, die die Energie des von der Laserquelle abgegebenen Laserlichts in Abhängigkeit von der von dem Glühelement abgegeben Wärmestrahlung regelt.
Eine erste Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Glühelement als Beschichtung der Stirnfläche eines sich über den Körper hinaus in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine erstreckenden Abschnitts des Lichtleiters ausgebildet ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Glühelement aus einem Absorberelement und dieses mit dem zu dem Brennraum weisenden Ende des Körpers der Glühkerze verbindenden Drähten gebildet ist, wobei das zu dem Brennraum weisende Ende des Körpers der Glühkerze mit einem optischen Fenster verschlossen ist, wobei das Absorberelement mit Bereichen mit unterschiedlichem Emissionsgrad und das Fenster mit zwei auf jeweils einen der Bereiche ausgerichteten Linsen versehen ist, die von den Linsen aufgefangene Wärmestrahlung über jeweils einen Lichtleiter zu jeweils einem Fotodetektor geführt wird und eine Schaltung vorgesehen ist, die die Differenz der Signale der Fotodetektoren bildet und so ein gesondertes Ermitteln der Wärmestrahlung des Absorberelements ermöglicht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:
1a ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
1b eine Variante des ersten Ausführungsbeispiels,
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
3 ein bevorzugte Ausgestaltung des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels.
Die in 1a dargestellte Glühkerze besteht aus dem Einschraubkörper 10, der Bohrung 11 und dem Glühstiftrohr 20, das an seinem Frontende mit einem Boden 21 zum Brennraum hin gasdicht verschlossen ist. Eine Laserlichtquelle 30 am oberen Ende der Glühkerze gibt einen parallelen energiereichen axialen Lichtstrahl 31 in Richtung des Glühstiftbodens ab, der an diesem absorbiert wird und damit das Glühelement bis zum Glühen erhitzt. Der Körper 10 21 kann aus Metall, aber vorzugsweise auch aus einer Hochtemperaturkeramik bestehen.
Im Einschraubkörper 10 ist axial ein Lichtleiterstab 12 gasdicht und druckfest eingebaut, der mit seinem brennraumseitigen Ende 14 in den Brennraum hineinragt und dessen Endfläche mit einer Laserlicht-Absorberschicht 13 beschichtet ist. Das Licht 31 eines Lasers 30 wird über einen Lichtleiter 12 zum Absorber- und Heizelement 13 geführt, das durch seine geringe Wärmekapazität in sehr kurzer Zeit durch den Laser 30 zum Glühen gebracht werden kann.
Der Lichtleiter 12 soll hier vorzugsweise aus Saphir bestehen. Das Ende 14 des Lichtleiters 12 soll an seiner Endfläche vorzugsweise mit einer durch Sputtern erzeugten dünnen Absorberschicht aus einer Keramik oder einem Metalloxid belegt sein, die das Laserlicht 31 möglichst vollständig absorbiert.
Der Laser 30 strahlt das Laserlicht 31 in den Lichtleiter 12. Am brennraumseitigen Ende des Lichtleiters 12 tritt das Laserlicht 31 aus, wird von der Absorberschicht 13 absorbiert und heizt diese bis zum Glühen auf. Die Wärmestrahlung 32 der heißen Absorberschicht 13 koppelt teilweise in den Lichtleiter 12 ein, wird zur brennraumfernen Seite der Glühkerze geleitet und gelangt über den angeschlossenen Lichtleiter 15 auf den Fotodetektor 33, der die vom Bodenstück 21 abgegebene Wärmestrahlung 32 in ein elektrisches Signal wandelt. Die Elektronik 60 bildet zusammen mit dem Detektor 32 und dem Laser 30 einen Regelkreis, mit dem die Glühspitze 21 auf eine vorbestimmte konstante Temperatur geregelt werden kann.
1a zeigt eine Variante, bei der das Glühelement an der Stirnfläche 22 des Abschnitts 14 als mikromechanisch strukturiertes Element 20 mit konzentrischen Nuten 21, die zur Verringerung der Kontaktfläche des Elements 20 mit der Stirnfläche 22 des Abschnitts 14 dienen.
In 2 ist das brennraumseitige Ende des Einschraubkörpers 10 und der Bohrung 11 mit einem optischen Fenster 40 gasdicht verschlossen, das für die Laserstrahlung 31 durchlässig ist. Dabei soll das Fenster 40 mit der Brennraumwand abschließen. Der in den Brennraum hineinragende Teil besteht aus einem dünnen Absorberelement 50, das mit mehreren Drähten 51 vor dem Fenster 40 befestigt ist. Die Laserstrahlung 31 trifft auf das Absorberelement 50 und heizt dieses bis zum Glühen auf. Bei diesem Aufbau der Glühkerze ist die Wärmeleitung des Glühelementes 50 zum Grundkörper 10 hin geringer als in der in 1 beschriebenen Ausführung, was die Heizleistung der Glühkerze verbessert. Die Drähte 50 bilden einen Käfig, so dass die Brennraumgase den Raum 52 zwischen Fenster 40 und Absorber 50 frei durchströmen können.
Der erste Lichtleiter 12 leitet das Laserlicht 31 zum Glühelement 50 leitet, andererseits aber die Wärmestrahlung des Glühelementes 50 und das Verbrennungslicht 35 aus dem Brennraum für messtechnische Zwecke über den den Lichtleiter 15 zu einem Strahlungsdetektor 33.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, die es ermöglicht, auch die Temperatur des über Drähte 51 frei in den Brennraum ragenden Absorberelementes 50 für Meß- und Regelzwecke zu erfassen. Dabei sind in den Glühkerzengrundkörper 10 drei Lichtleiter vorgesehen. Der Lichtleiter 18 dient zum Übertragen der Heizstrahlung 31 auf das Absorberelement 50. An der Querschnittsfläche 55 sind der Lichtleiter 18 und zwei Kollimatorlinsen 56 und 57 gasdicht mit dem Grundkörper 10 verbunden. Die zur brennraumfernen Seite der Glühkerze zeigende Fläche weist zwei unterschiedliche Emissionsgrade für die Bereiche aufweisen, wo die Wärmestrahlung 59 und die Wärmestrahlung 58 auf, die Wärmestrahlungem 58 und 59 gelangen über die Linsen 56 und 57 in die Lichtleiter 16 und 17 und werden von den Detektoren 61 und 62 erfasst.
Die Wärmestrahlung des Heizelementes 50 ist die Brennraumstrahlung aus dem Käfigraum 52 überlagert. Durch Differenzbildung der Detektorsignale 61 und 62 bleibt die reine Wärmestrahlung des Absorberelementes übrig und steht für Messzwecke und zum Zweck der elektronischen Temperaturregelung des Absorberelements zur Verfügung.
Der Detektor 33 kann abhängig von der Kurbelwellenstellung der Verbrennungskraftmaschine betrieben werden und in allen Betriebsphasen der Motors ohne Verbrennungslicht ausschließlich die Wärmestrahlung des das Heizelement 50 erfassen und die Temperaturmessung des Heizelements 50 ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2004/001221 A1 [0002]

Claims

Glühkerze mit einer Laserlicht absorbierenden, in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine ragenden Glühelement (13, 21, 50), einer Laserquelle (30) und einem das Licht von der Laserquelle (30) zu dem Glühelement (21, 50) leitenden Lichtleiter (12), gekennzeichnet durch einen an der dem Brennraum fernen Seite der Glühkerze angeordneten, die von dem Glühelement (13, 21, 50) abgegebene Wärmestrahlung erfassenden Fotodektor (33) und eine Schaltung (60), die die Energie des von der Laserquelle (30) abgegebenen Laserlichts in Abhängigkeit von der von dem Glühelement abgegeben Wärmestrahlung regelt.
Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glühelement (13) als Beschichtung der Stirnfläche eines sich über den Körper (10) hinaus in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine erstreckenden Abschnitts (14) des Lichtleiters (12) ausgebildet ist.
Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glühelement (13) als mikromechanisches strukturiertes Element auf der Stirnfläche eines sich über den Körper (10) hinaus in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine erstreckenden Abschnitts (14) des Lichtleiters (12) ausgebildet ist.
Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glühelement aus einem Absorberelement (50) und dieses mit dem zu dem Brennraum weisenden Ende des Körpers (10) der Glühkerze verbindenden Drähten (51) gebildet ist, wobei das zu dem Brennraum weisende Ende des Körpers (10) der Glühkerze mit einem optischen Fenster (40) verschlossen ist.
Glühkerze nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorberelement (50) mit Bereichen (58, 59) mit unterschiedlichem Emissionsgrad und das Fenster (40) mit zwei auf jeweils einen der Bereiche (58, 59) ausgerichteten Linsen (56, 57) versehen ist, die von den Linsen (56, 57) aufgefangene Wärmestrahlung über jeweils einen Lichtleiter (17, 18) zu jeweils einem Fotodetektor (61, 62) geführt wird und eine Schaltung vorgesehen ist, die die Differenz der Signale der Fotodetektoren (61, 62) bildet und so ein gesondertes Ermitteln der Wärmestrahlung des Absorberelements (50) ermöglicht.