DE102009029479A1

DE102009029479A1 - Brennraumfenster

Info

Publication number: DE102009029479A1
Application number: DE200910029479
Authority: DE
Inventors: Werner Herden; Pascal Woerner; Juergen Raimann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2011-03-24
Also published as: WO2011032776A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Brennraumfester zur Transmission von Licht in einen oder aus einem Brennraum (14) einer Brennkraftmaschine (109), zum Beispiel zum Einsatz in einer Laserzündkerze (11), das eine hohe Verschmutzungsbeständigkeit aufweist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Brennraumfenster gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs und ein Verfahren zur Herstellung des Brennraumfensters. Die Erfindung betrifft ferner eine Laserzündkerze und eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Brennraumfenster.
Derartige Brennraumfenster kommen beispielsweise zur optischen Analyse der Verbrennung in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine zum Einsatz, andererseits kommen solche Brennraumfenster im Rahmen von Laserzündsystemen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, in Stationärmotoren oder in Turbinen, zum Einsatz.
Eine zentrale Problematik im Zusammenhang mit der Verwendung von Brennraumfenstern zur Transmission von Licht in einen oder aus einem Brennraum einer Brennkraftmaschine ist, dass es bei Betrieb der Brennkraftmaschinen zur Ablagerung von Verbrennungsrückständen, beispielsweise von Ölaschen und deren Hauptbestandteilen Kalziumsulfat und Kalziumphosphat, auf den Brennraumfenstern kommt und dass diese Rückstände die Transmission von Licht durch das Brennraumfenster herabsetzen. Bei der beispielhaft genannten Verwendung des Brennraumfensters zur Analyse der Verbrennung in dem Brennraum kommt es somit zu einer Verfälschung des Brennraumleuchtens, bei der ferner beispielhaft genannten Verwendung des Brennraumfensters im Rahmen eines Laserzündsystems kommt es durch die Ablagerung von Verbrennungsrückständen zu einer Verschlechterung des Zündverhaltens der Brennkraftmaschine.
Zur Lösung dieser Problematik und zur Vermeidung von Verbrennungsrückständen auf dem Brennraumfenster wurde in der Europäischen Patentanmeldung EP 1887218 vorgeschlagen, auf die dem Brennraum zugewandte Seite des Brennraumfensters Laserlicht einzubringen, dessen Intensität außerhalb eines angegebenen Intervalls liegt.
Nachteilig an der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung ist es, dass die Intensität des durch das Brennraumfenster transmittierten Lichts nicht mehr frei gewählt werden kann.
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Brennraumfenster gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs haben hingegen den Vorteil, dass eine Verschmutzung des Brennraumfensters stets und unabhängig von der Intensität einer äußeren Beleuchtung vermieden werden kann.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis der Anmelderin zugrunde, dass ein Großteil der Beläge, die sich auf Brennraumfenstern bei Betrieb der zugehörigen Brennkraftmaschine bilden, auf Verbrennungsrückstände, zum Beispiel Ölaschen, zurück geht. Insbesondere bei hohen Temperaturen kommt es hierbei zu festen Anhaftungen, insbesondere von Phosphaten und Sulfaten, auf der Oberfläche des Brennraumfensters.
Untersuchungen der Anmelderin zufolge erfolgt die Anlagerung zahlreicher Verbrennungsrückstände, beispielsweise von Sulfaten und Phosphaten, auf ein zuvor sauberes Brennraumfenster aus dem Stand der Technik bei Betrieb der zugehörigen Brennkraftmaschine in der Art und Weise, dass sich in einer ersten Phase über das Brennraumfenster verteilte, aus den Verbrennungsrückständen bestehende Ablagerungskeime ausbilden. Es wurde ferner beobachtet, dass es gleichzeitig und im Anschluss hieran zunächst vor allem zu einem flächigen Wachstum dieser Ablagerungskeime kommt, solange, bis im Wesentlichen die gesamte dem Brennraum ausgesetzte Oberfläche des Brennraumfensters mit einer weitgehend homogenen Schicht bedeckt ist. Infolge der zunehmenden Bedeckung des Brennraumfensters nimmt die Transmission durch das Brennraumfenster in dieser Phase relativ rasch ab, beispielsweise auf 30% der ursprüngliche Transmission innerhalb der ersten 200 h Betriebsstunden der Brennkraftmaschine. Es hat sich ferner erwiesen, dass, wenn auf diese Weise eine weitgehende Bedeckung des Brennraumfensters erreicht ist, weitere Anlagerungen von Verbrennungsrückständen kaum noch in flächiger Art und Weise erfolgen, sondern dergestalt, dass sich auf der bestehenden Schicht dendritenartige Strukturen bilden, und weitere Ablagerungen auf diesen Dendriten in die Höhe wachsen. In dieser Phase bleibt die Transmission durch das Brennraumfenster, beispielsweise bei einem Wert von 30% der ursprünglichen Transmission, über eine lange Betriebszeit der Brennkraftmaschine weitgehend konstant.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Idee zugrunde, bereits im Herstellungsprozess eine Mikrostruktur auf das Brennraumfenster aufzubringen, die zum einen eine vergleichsweise hohe Transmission für sichtbares und/oder nahinfrarotes Licht aufweist, beispielsweise 70%, und die ferner so beschaffen ist, dass ausgehend von ihr eine Anlagerungen von Verbrennungsrückständen, beispielsweise von Sulfaten und Phosphaten, primär nicht in flächiger Art und Weise erfolgt, sondern in der zur Oberfläche des Brennraumfensters senkrechten Richtung, auf der Struktur. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Transmission des Brennraumfensters über eine lange Betriebszeit der Brennkraftmaschine bei einem hohen Wert weitgehend konstant ist.
Mit Brennraumfenstern gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 wurden in Kolbenmotoren und in Turbinen hohe Standzeiten realisiert, die durch die in den Ansprüchen 2 bis 13 genannten Maßnahmen optimiert werden konnten.
Als besonders günstig hat es sich erwiesen, auf dem Brennraumfenster Mikrostrukturen aus einem Material aufzubringen, dass den Ölaschen chemisch verwandt ist und/oder dass Anteile von Sulfaten oder Phosphaten aufweist, insbesondere Sulfat und Phosphate, hierbei insbesondere Kalziumsulfat und/oder Kalziumphosphat.
Rationelle Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Brennraumfenster sind in dem unabhängigen Verfahrensanspruch angegeben.
Durch ein optional vorgesehenes Erhitzen der aufgebrachten Mikrostruktur im Rahmen des Herstellungsprozesses lässt sich deren Beständigkeit verbessern, beispielsweise lässt sich deren Wasserlöslichkeit herabsetzen. Hierbei resultiert beispielsweise für Strukturen aus Kalziumsulfat (Gips) aus einer Erhitzung auf 300°C bis 500°C eine in Wasser schwer lösliche Struktur, aus einer Erhitzung auf 500°C bis 700°C eine in Wasser unlösliche Struktur und eine Erhitzung auf über 1180°C hat zur Folge, dass eine Hochtemperaturmodifikation erfolgt, bei der sich ein sogenannter Anhydrit I bildet, ein besonders widerstandsfähiges Material.
Zeichnung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Laserzündeinrichtung.
2a, b, c zeigen schematisch erfindungsgemäße Brennraumfenster
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 109. Sie dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs oder eines ebenfalls nicht dargestellten Stationärmotors. Die Brennkraftmaschine 109 umfasst mehrere Zylinder 129, von denen in 1 einer gezeigt ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 129 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff 229 gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18, der an einen Kraftstoff-Druckspeicher 209 angeschlossen ist.
In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 229 wird mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der von einer eine Laserzündkerze 11 umfassenden Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt und mittels einer Fokussieroptik 261 fokussiert wird. Die Fokussieroptik 261 ragt unmittelbar in den Brennraum 14 und stellt somit gleichzeitig das Brennraumfenster 141, der Laserzündkerze 11 beziehungsweise der Brennkraftmaschine 109 dar, das die Transmission von Licht in den Brennraum 14 ermöglicht. Die Laserzündkerze 11 wird von einer Lichtquelle 10 über eine Lichtleiteinrichtung 12 mit einem Pumplicht gespeist. Die Lichtquelle 10 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 32 gesteuert, die auch den Injektor 18 ansteuert.
Die Lichtquelle 10 umfasst neben der Lichtleiteinrichtung 12 auch einen Diodenlaser 13, der in Abhängigkeit eines Steuerstroms ein entsprechendes Pumplicht über die Lichtleiteinrichtung 12 an die Laserzündkerze 11 ausgibt.
Die Laserzündkerze 11 umfasst neben dem Brennraumfenster beispielsweise einen monolithischen passiv gütegeschalteten Festkörperlaser (nicht gezeichnet).
In 2a ist das Brennraumfenster 141 schematisch dargestellt, wobei auf einer Seite des Brennraumfensters 141, der Seite, die für den unmittelbaren Kontakt mit Brenngasen vorgesehen ist, Mikrostrukturen 70 aus Kalziumsulfat und/oder Kalziumphosphat aufweisendem Material vorgesehen sind. In diesem Beispiel sind die Strukturen gleichsam schachbrettmusterartig angeordnet, das heißt, die Strukturen bestehen aus diskreten quadratischen Strukturelementen 71 wobei zwischen den Strukturelementen 71 ebenfalls quadratische und gleichgroße Bereiche angeordnet sind, in denen kein Kalziumsulfat und/oder Kalziumphosphathaltiges Material vorgesehen ist. Die Seitenlänge der quadratischen Bereiche beträgt in diesem Beispiel 1 μm. Die Höhe der Strukturelemente beträgt ca. 250 nm.
Die 2b und 2c zeigen alternative Ausführungsformen der Mikrostruktur 70 in Form eines rechtwinkligen Gitters und in Form einer Mikrostruktur 70 mit Strukturelementen 71 mit runder Grundfläche. Weitere Geometrien der Mikrostrukturen 70 beziehungsweise der Strukturelemente 71 sind möglich. Die Mikrostrukturen 70 bzw. Strukturelemente 71 weisen Strukturgrößen (z. B. Seitenlängen, Durchmesser, Dicken von Linien etc.) im Bereich von 0,3 bis 5 μm auf. In dieser Größenordnung liegen auch offene Bereiche innerhalb zusammenhängender Mikrostrukturen 70 beziehungsweise typische Abstände benachbarter Strukturelemente 71.
Nachfolgend sind beispielhaft Parameter weiterer Mikrostrukturen 70 angegeben, die auf Brennraumfenstern 141 appliziert wurden, wobei mit diesen Brennraumfenstern 141 gute Resultate erzielt wurden.
In einem ersten weiteren Beispiel wurde eine Seite eines Brennraumfensters 141 mit einer Mikrostruktur 70 aus Kalziumsulfat schachbrettmusterartig mit einer Mikrostruktur versehen (Strukturhöhe: 200 nm, durch Mikrostruktur bedeckte Oberfläche: 50%, in den Zwischenräume der Struktur war kein Kalziumsulfat nachweisbar (Höhe < 10 nm)).
In zweiten weiteren Beispiel wurde ein Teil einer eine Seite eines Brennraumfensters 141 mit einer Mikrostruktur 70 aus Kalziumphosphat gittermusterartig mit einer Mikrostruktur versehen (Strukturhöhe: 150 nm, durch Mikrostruktur bedeckte Oberfläche: 25%, in den Zwischenräume der Struktur war kein Kalziumsulfat nachweisbar (Höhe < 10 nm)).
In einem dritten weiteren Beispiel wurde eine Seite eines Brennraumfensters 141 mit einer Mikrostruktur 70 aus einem Gemisch, enthaltend aus 50% Kalziumsulfat und 50% Kalziumphosphat mit einer Mikrostruktur versehen, die runde Strukturelemente 71 aufweist. (Strukturhöhe: 400 nm, durch Mikrostruktur bedeckte Oberfläche: 40%, in den Zwischenräume der Struktur war kein Material der Mikrostruktur nachweisbar (Höhe < 10 nm)).
In einem vierten weiteren Beispiel wurde ein Teil einer Seite eines Brennraumfensters 141 mit einer Mikrostruktur 70 aus einem Gemisch, enthaltend aus 50% Kalziumsulfat und 50% Aluminiumoxid mit einer Mikrostruktur versehen, die unregelmäßige Strukturelemente 71 aufweist. (Strukturhöhe: 300 nm, durch Mikrostruktur bedeckte Oberfläche: 15%, in den Zwischenräume der Struktur war kein Material der Mikrostruktur nachweisbar (Höhe < 10 nm)).
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Brennraumfenster 141 ist vorgesehen, dass auf dem Brennraumfenster, das beispielsweise aus Saphir oder aus Quarzglas besteht, zunächst eine zusammenhängende Grundbeschichtung aus einer Flüssigphase auf dem Brennraumfenster abgeschieden wird. Es ist vorgesehen, dass anschließend, beispielsweise mittels fokussierter Laserstrahlung, Material selektiv so abgetragen wird, dass die Mikrostrukturen 70 auf dem Brennraumfenster verbleiben.
Abschließend kann durch ein Erhitzen der Mikrostruktur 70 auf 300°C bis 500°C und/oder auf 500°C bis 700°C und/oder auf über 700°C, insbesondere auf über 1180°C die Wasserlöslichkeit der Mikrostruktur herabgesetzt werden.
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

EP 1887218 [0004]

Claims

Brennraumfenster zur Transmission von Licht in einen oder aus einem Brennraum (14) einer Brennkraftmaschine (109), dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest auf einem Teil der Oberfläche des Brennraumfensters (141) Mikrostrukturen (70) aus einem Material befinden, wobei die Mikrostrukturen (70) eine Höhe von mindestens 100 nm aufweisen und nicht weniger als 5% und nicht mehr als 50% des Teils der Oberfläche des Brennraumfensters (141) bedecken und wobei auf nicht mehr als 95% und nicht weniger als 50% des Teils der Oberfläche des Brennraumfensters (141) das Material höchstens mit einer Schichtdicke von 25 nm, insbesondere höchstens mit einer Schichtdicke von 10 nm, vorliegt.
Brennraumfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der Oberfläche des Brennraumfensters (141) eine Seite des Brennraumfensters (141) ist.
Brennraumfenster nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material Kalziumsulfat und/oder Kalziumphosphat aufweist.
Brennraumfenster nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mindestens 90 Gew-% Kalziumsulfat enthält oder mindestens 90 Gew-% Kalziumphosphat enthält oder dass die Summe der Anteile aus Kalziumsulfat und Kalziumphosphat mindestens 90% beträgt.
Brennraumfenster nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen (70) eine Höhe von mindestens 150 nm, insbesondere mindestens 200 nm, aufweisen.
Brennraumfenster nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen (70) eine Höhe von höchstens 1000 nm, insbesondere höchstens 500 nm, aufweisen.
Brennraumfenster nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen (70) eine mittlere Höhe im Bereich von 150 nm bis 1000 nm, insbesondere im Bereich von 200 nm bis 500 nm haben.
Brennraumfenster nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf nicht mehr als 95% und nicht weniger als 50% des Teils der Oberfläche des Brennraumfensters (141) das Material der Mikrostrukturen (70) nicht vorliegt, insbesondere kein Kalziumsulfat und/oder Kalziumphosphat aufweisendes Material vorliegt.
Brennraumfenster nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen nicht weniger als 15% und nicht mehr als 40% des Teils der Oberfläche des Brennraumfensters (141) bedecken und wobei auf nicht mehr als 85% und nicht weniger als 60% des Teils der Oberfläche des Brennraumfensters (141) das Material der Mikrostrukturen (70), insbesondere Kalziumsulfat und/oder Kalziumphosphat aufweisendes Material, höchstens mit einer Schichtdicke von 25 nm, insbesondere höchstens 10 nm, vorliegt oder das Material der Mikrostrukturen (70) nicht vorliegt, insbesondere kein Kalziumsulfat und/oder Kalziumphosphat aufweisendes Material vorliegt.
Brennraumfenster nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der Oberfläche des Brennraumfensters (141) für sichtbares und/oder nahinfrarotes Licht eine Transmission im Bereich von 50% bis 95% aufweist, insbesondere eine Transmission im Bereich von 60% bis 85% aufweist.
Brennraumfenster nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (70) diskrete Strukturelemente (71) aufweist, wobei die Strukturelemente (71) jeweils Bereiche des Brennraumfensters bedecken, deren Flächeninhalt im Bereich zwischen 0,1 μm² und 25 μm², insbesondere im Bereich zwischen 0,5 μm² und 5 μm², liegt.
Brennraumfenster nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (70) Strukturelemente (71) mit Strukturgrößen im Bereich von 0,3 μm bis 5 μm, insbesondere im Bereich von 0,7 μm bis 2 μm aufweist.
Brennraumfenster nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Kalziumsulfat und/oder Kalziumphosphat aufweisende Material in Wasser schwer oder nicht löslich ist.
Laserzündkerze (11) oder Brennkraftmaschine (109) mit einem Brennraumfenster nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Brennraumfensters (141) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet, durch folgende Schritte: – Ausscheiden einer zusammenhängende Grundbeschichtung aus einer Flüssigphase auf dem Brennraumfenster (141) – Entfernen von Teilen der Grundbeschichtung, insbesondere mittels Laserstrahlung oder mittels eines Ätzverfahrens, sodass es zur Ausbildung der Mikrostruktur (70) kommt
Verfahren zur Herstellung eines Brennraumfensters (141) nach Anspruch 15, kennzeichnet durch ein Erhitzen der Mikrostruktur (70) auf 300°C bis 500°C und/oder auf 500°C bis 700°C und/oder auf über 700°C, insbesondere auf über 1180°C.