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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Laserzündkerze für eine
Brennkraftmaschine.
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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.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass mindestens ein Volumen-Bragg-Gitterelement in einem Strahlengang
der Laserzündkerze angeordnet ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
Laserzündkerze,
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2 schematisch
eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze aus 1 im Detail,
und
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3a bis 3c weitere
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze.
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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 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.
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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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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004039466
A1 [0003]