DE102009026800A1 - Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02PIGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00Other ignition
    • F02P23/04Other physical ignition means, e.g. using laser rays

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze (100) für eine Brennkraftmaschine. Erfindungsgemäß ist mindestens ein Volumen-Bragg-Gitterelement (48, 110) in einem Strahlengang der Laserzündkerze (100) angeordnet.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine.
  • Laserzündkerzen werden vergleichbar zu bei der Hochspannungszündung eingesetzten konventionellen Zündkerzen im Bereich eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine angeordnet und koppeln energiereiche Laserimpulse in einen ihnen zugeordneten Brennraum ein, um ein darin befindliches Luft-/Kraftstoffgemisch zu entzünden. Um einen zuverlässigen Betrieb einer Laserzündkerze mit darin integrierten optischen Komponenten unter den im Bereich des Zylinderkopfes herrschenden Umgebungsbedingungen (u. a. große Temperaturschwankungen, Vibrationen) zu gewährleisten, ist ein erheblicher konstruktiver Aufwand erforderlich.
  • Aus der DE 10 2004 039 466 A1 ist bereits eine laserbasierte Zündvorrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung wird ein konstruktiv aufwendiges Linsenarray verwendet, um Laserstrahlung einer Laserquelle auf mehrere Laserteilstrahlen aufzuteilen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine anzugeben, die einerseits hinsichtlich ihrer Strahlqualität und Temperaturstabilität verbessert ist, und die andererseits einen verhältnismäßig geringen konstruktiven Aufwand erfordert.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Volumen-Bragg-Gitterelement in einem Strahlengang der Laserzündkerze angeordnet ist.
  • Ein englisch auch als volume bragg grating, VBG, bezeichnetes Volumen-Bragg-Gitterelement besteht aus einem räumlich angeordneten optischen Gitter, dessen Transmissions- bzw. Reflektionsverhalten für auftreffende elektromagnetische Strahlung durch Vorgabe u. a. einer Gitterkonstante usw. in an sich bekannter Weise einstellbar ist. Das optische Gitter ist gebildet durch eine periodische Variation des Brechungsindex eines das VBG enthaltenden Materials.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ist vorgesehen, dass das Volumen-Bragg-Gitterelement als Auskoppelspiegel für einen in der Laserzündkerze angeordneten Laserresonator ausgebildet ist. Dadurch kann vorteilhaft auf mechanisch weitaus anfälligere herkömmliche Reflexionsbeschichtungen im Ausgangsbereich des Laserresonators verzichtet werden, und gleichzeitig ergibt sich aufgrund der Wellenlängenselektivität des Volumen-Bragg-Gitterelements vorteilhaft eine Stabilisierung der Ausgangswellenlänge des Laserresonators.
  • Neben der Realisierung von Auskoppelspiegeln kann das Volumen-Bragg-Gitterlement in der erfindungsgemäßen Laserzündkerze z. B. auch vorteilhaft dazu eingesetzt werden, einen geringen Anteil der in der Laserzündkerze geführten Laserstrahlung z. B. zu Messzwecken umzulenken, beispielsweise auf einen optischen Sensor, ohne gleichzeitig die restliche, für die Laserzündung benötigte, Laserstrahlung unerwünscht zu beeinflussen.
  • Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ist vorgesehen, dass das Volumen-Bragg-Gitterelement eine ortsabhängige Gitterkonstante aufweist, mithin als chirped Volumen-Bragg-Gitterelement ausgebildet ist. Durch die Verwendung eines chirped VBG, das vorteilhaft eine gesteigerte spektrale Akzeptanz gegenüber VBGs mit ortsunabhängiger, konstanter Gitterkonstante aufweist, kann den im Bereich der Laserzündkerze auftretenden verhältnismäßig großen Temperaturschwankungen Rechnung getragen werden, die sich üblicherweise negativ auf die Wellenlängenstabilität einer in der Laserzündkerze enthaltenen Lasereinrichtung auswirken.
  • Darüberhinaus kann das Volumen-Bragg-Gitterelement erfindungsgemäß vorteilhaft so hinsichtlich seiner Winkelakzeptanz ausgelegt werden, dass eine Divergenz des durch das VBG hindurchtretenden Laserstrahls begrenzt wird, wodurch eine gesteigerte Strahlqualität erzielt wird. Dies ermöglicht u. a. eine effizientere Plasmabildung im Brennraum und eine gesteigerte Zündleistung.
  • Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ist vorgesehen, dass das Volumen-Bragg-Gitterelement als Strahlteiler ausgebildet ist, um in der Laserzündkerze geführte Laserstrahlung in mehrere Teilstrahlen aufzuteilen. Dadurch ist z. B. eine räumliche Mehrfachzündung realisierbar, ohne dass konstruktiv aufwändige Linsenarrays vorgesehen werden müssen.
  • Das erfindungsgemäße Volumen-Bragg-Gitterelement kann besonders vorteilhaft monolithisch integriert sein in einen laseraktiven Festkörper der Laserzündkerze und/oder weitere in dem Strahlengang der Laserzündkerze angeordnete optische Komponenten, wodurch sich der konstruktive Aufwand weiter verringert.
  • Beispielsweise kann das Volumen-Bragg-Gitterelement auch in eine Aufweitungslinse und/oder eine Fokussierlinse und/oder ein Brennraumfenster der Laserzündkerze integriert werden, insbesondere durch das an sich bekannte optische Einschreiben entsprechender Gitterstrukturen in die betreffenden Komponenten. Neben dem direkten Einschreiben der Gitterstrukturen des VBG in eine optische Komponente kann auch eine das VBG enthaltende optische Komponente z. B. durch Ansprengen oder Bonden monolithisch mit anderen optischen Komponenten integriert werden.
  • Besonders vorteilhaft ist ferner die monolithische Integration eines ersten, als Auskoppelspiegel für den Laserresonator ausgebildeten Volumen-Bragg-Gitterelements und eines zweiten, als Strahlteiler ausgebildeten, Volumen-Bragg-Gitterelements in den laseraktiven Festkörper der Laserzündkerze.
  • Die erfindungsgemäße Laserzündkerze kann bevorzugt über einen laseraktiven Festkörper mit einer, vorzugsweise passiven, Güteschaltung verfügen. Das erfindungsgemäße VBG ist auf einfache Weise in den laseraktiven Festkörper integrierbar und eignet sich insbesondere auch für den Betrieb mit hochenergetischen Laserimpulsen.
  • 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.
  • In der Zeichnung zeigt:
  • 1 Eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze,
  • 2 schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze aus 1 im Detail, und
  • 3a bis 3c weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Laserzündkerze.
  • 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.
  • In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels eines Laserstrahls 24 entzündet, der vorzugsweise in Form eines Laserimpulses 24 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.
  • Die Pumplichtquelle 30 bildet zusammen mit der Lichtleitereinrichtung 28 und der die Lasereinrichtung 26 aufweisenden Laserzündkerze 100 ein laserbasiertes Zündsystem 27 der Brennkraftmaschine 10.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Anstelle der vorstehend beschriebenen passiven Güteschaltung 46 ist auch der Einsatz einer aktiven Güteschaltung denkbar.
  • Erfindungsgemäß ist mindestens ein Volumen-Bragg-Gitterelement in dem Strahlengang der Laserzündkerze 100 angeordnet. Vorliegend ist der Auskoppelspiegel 48 durch ein derartiges Volumen-Bragg-Gitterelement gebildet, so dass an dieser Stelle vorteilhaft auf eine herkömmliche, empfindliche dielektrische Reflexionsbeschichtung verzichtet werden kann.
  • Das den Auskoppelspiegel bildende Volumen-Bragg-Gitterelement 48 kann vorteilhaft direkt in die Lasereinrichtung 26 integriert sein, beispielsweise durch einschreiben eines entsprechenden Gittermusters in die Lasereinrichtung.
  • Das Volumen-Bragg-Gitterelement 48 kann alternativ hierzu auch als separates Bauteil ausgeführt sein, das mit der Lasereinrichtung 26 beispielsweise durch Ansprengen oder Bonden verbindbar ist.
  • 3a zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der ein ebenfalls als Auskoppelspiegel ausgebildetes Volumen-Bragg-Gitterelement 110 monolithisch integriert ist in den laseraktiven Festkörper 44 und die passive Güteschaltung 46. Das Volumen-Bragg-Gitterelement 110 weist vorliegend eine konstante Gitterweite auf und ist so ausgelegt, dass es die Laserstrahlung 24 teilweise reflektiert.
  • 3b zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der das Volumen-Bragg-Gitterelement 110 als chirped Volumen-Bragg-Gitterelement ausgebildet ist, das heißt, es weist eine ortabhängige Gitterkonstante auf, wodurch die spektrale Akzeptanz des Gitterelements 110 gesteigert wird. Dadurch kann den im Bereich der Laserzündkerze 100 auftretenden verhältnismäßig großen Temperaturschwankungen Rechnung getragen werden, die sich üblicherweise negativ auf die Wellenlängenstabilität der in der Laserzündkerze 100 enthaltenen Lasereinrichtung 26 auswirken und zu Variationen der Gitterabstände führen können.
  • 3c zeigt eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der ein erstes, als Auskoppelspiegel ausbildetes, Volumen-Bragg-Gitterelement 110a zusammen mit einem zweiten, als Strahlteiler ausgebildetes, Volumen-Bragg-Gitterelement 110b, monolithisch integriert ist in den laseraktiven Festkörper 44 der Laserzündkerze 100. Diese Erfindungsvariante ermöglicht zusätzlich zu den vorstehend bereits beschriebenen Vorteilen hinsichtlich Wellenlängenstabilisierung und Robustheit gegenüber dielektrischen Spiegelschichten vorteilhaft eine räumliche Mehrfachzündung, d. h. die erzeugten Laserimpulse 24 werden mittels des VBG 110b in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt und können dementsprechend auf mehrere unterschiedliche Zündpunkte ZP (1) in dem Brennraum 14 fokussiert werden.
  • Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante kann das Volumen-Bragg-Gitterelement 110 auch integriert sein in mindestens eine weitere optische Komponente der Laserzündkerze 100, die in dem Strahlengang angeordnet ist, beispielsweise in eine Aufweitungslinse (nicht gezeigt) und/oder eine Sammellinse, die die erzeugte Laserstrahlung 24 auf den in dem Brennraum 14 (1) gelegenen Zündpunkt ZP fokussiert und/oder in ein Brennraumfenster, das einen Innenraum der Laserzündkerze 100 von dem Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 trennt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102004039466 A1 [0003]

Claims (7)

  1. Laserzündkerze (100) für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Volumen-Bragg-Gitterelement (48, 110) in einem Strahlengang der Laserzündkerze (100) angeordnet ist.
  2. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen-Bragg-Gitterelement (110) als Auskoppelspiegel für einen in der Laserzündkerze (100) angeordneten Laserresonator ausgebildet ist.
  3. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen-Bragg-Gitterelement (110) eine ortsabhängige Gitterkonstante aufweist.
  4. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen-Bragg-Gitterlement (110) als Strahteiler ausgebildet ist, um in der Laserzündkerze (100) geführte Laserstrahlung (24) in mehrere Teilstrahlen aufzuteilen.
  5. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen-Bragg-Gitterelement (110) monolithisch integriert ist in einen laseraktiven Festkörper (44) und/oder eine weitere in dem Strahlengang angeordnete optische Komponente.
  6. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes, als Auskoppelspiegel ausgebildetes, Volumen-Bragg-Gitterlement (110a) und ein zweites, als Strahlteiler ausgebildetes, Volumen-Bragg-Gitterelement (110b), monolithisch integriert sind in einen laseraktiven Festkörper (44).
  7. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein laseraktiver Festkörper (44) mit einer passiven Güteschaltung (46) in die Laserzündkerze (100) integriert ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102004039466A1 (de) 2004-08-14 2006-02-23 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung zum Zünden einer Brennkraftmaschine

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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