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Die Erfindung betrifft eine Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Eine Laserzündeinrichtung des vorstehend genannten Typs ist beispielsweise aus der
DE 10 2006 018 973 A1 bekannt. Eine ähnliche Ausführungsform zeigt auch die
WO 2005/066488 A1 .
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Derzeit haben Laserzündeinrichtungen mit Vorkammer ihre Anwendung überwiegend in Otto-Motoren, die mit flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen betrieben werden. Ein wesentlicher Vorteil der Laserzündeinrichtung ist, dass die Positionierung des Zündpunkts entsprechend den Erfordernissen des Brennverfahrens vorgenommen werden kann. Damit ist es möglich, ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Vorkammer effizienter zu entflammen. Hierbei spielt das Volumen der Vorkammer hinsichtlich einer effizienten Entflammung im Brennraum eine wichtige Rolle. Auch das Volumenverhältnis zwischen der Vorkammer und dem Zylindervolumen ist bedeutend. Im Zusammenhang mit der Erfindung wird als Zylindervolumen das Kompressionsvolumen des Zylinders beim oberen Totpunkt des Kolbens definiert.
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Nach dem Stand der Technik haben konventionelle Zündeinrichtungen mit Vorkammern und herkömmlichen Zündkerzen ein Volumen von ca. 1600 mm3 bis ca. 2000 mm3. Nachteilig bei diesen Vorkammern ist ihre Glühzündungsanfälligkeit, welche sich mit steigendem Mitteldruck der Brennkraftmaschinen noch steigert. Bei Glühzündungen handelt es sich um unerwünschte Reaktionsabläufe, die eine Verbrennung bzw. Zündung einleiten und nicht von vorgegebenen Zündfunken der Zündkerze ausgehen. Auslöser dieser Glühzündungen sind in der Regel überhitzte Bauteile oder Ablagerungen. Ziel ist es, das Volumen der Vorkammern zu reduzieren und somit ein effektiveres Volumenverhältnis der Vorkammer zum Brennraum zu erlangen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung zeichnet sich vor allen dadurch aus, dass ein Volumenverhältnis der Vorkammer zum Zylindervolumen zwischen 1:102 und 1:105 liegt. Somit kann bei gleichbleibendem Zylindervolumen die Vorkammer mit einem kleineren Volumen gebaut werden. Dies ermöglicht eine effiziente Ausnutzung des zündfähigen Gemischs beim Zünden in der Vorkammer. Sogenannte Überströmverluste durch Ausstoßen von unverbranntem zündfähigem Gemisch aus der Vorkammer können dabei stark reduziert werden bzw. können ganz entfallen. Auch die Toträume hinter den Elektroden einer konventionell gezündeten Vorkammer spielen keine Rolle mehr, womit auch ein daraus entstehendes ungünstiges Quenching vermieden wird. Unter Quenching versteht man das Löschen einer Flamme in wandnahen Bereichen, in denen auf Grund einer hohen Wärmeabfuhr die Brenngeschwindigkeit stark abnimmt.
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Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung kann also die Vorkammer mit einem kleineren Volumen in Relation zum Zylindervolumen gebaut werden. Die kleinere Vorkammer wirkt sich positiv auf die Entwärmung einer Vorkammer-Hülse aus, welche essentiell ist, um die Glühzündungsgefahr zu minimieren. Außerdem trägt die kleinere Vorkammer zu einer Bauraum- und Gewichtsreduzierung bei. Die Abgas-Emissionen der Brennkraftmaschine werden verbessert, da weniger unverbrannter Kohlenwasserstoff von der Brennkraftmaschine ausgestoßen wird. Ein weiterer genereller Vorteil der Laserzündung in der Vorkammer ist auch die praktisch nicht vorhandene Glühzündungsneigung durch nicht mehr notwendige Elektroden herkömmlicher Zündeinrichtungen.
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Die Glühzündungsgefahr wird auch dadurch weiter gemindert, dass die Vorkammer im Wesentlichen eine Kugelform aufweist. Dadurch können die Flammenwege kurz gehalten werden, um eine effiziente Ausnützung der Vorkammer zu gewährleisten.
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In einer geänderten Ausgestaltung mit einer Abweichung von der Kugelform, sollte jedoch der Durchmesser der Vorkammer im Verhältnis zur Länge der Vorkammer (bei zylindrischer Form) nicht größer als 1:3 sein.
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In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Laserzündeinrichtung ist es vorteilhaft, wenn das Volumen der Vorkammer zwischen 400 mm3 und 1200 mm3 liegt. Dem ist ein Zylindervolumen von bis zu 4 dm3 zu Grunde gelegt. Bei dem angenommenen Zylindervolumen von 4 dm3 und einem Vorkammer-Volumen zwischen 400 mm3 und 1200 mm3 sollte sich das Verhältnis von Zylindervolumen zu Vorkammer-Volumen in einem Bereich von 1:104 (für 400 mm3 Vorkammer-Volumen) bis 3,3·103 (für 1200 mm3 Vorkammer-Volumen) bewegen. Vorteilhaft ist jedoch ein noch größerer Bereich zwischen 1:105 und 1:102.
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In einem Prüfstandsversuch wurde festgestellt, dass bei einem Zylinder von 4 dm3 (homogener Magermotor, Erdgasbetrieb, hochturbulentes Brennverfahren) eine erfindungsgemäße lasergezündete Zündeinrichtung mit einem Vorkammer-Volumen von 800–1200 mm3 als gleichwertig mit konventionell gezündeten Vorkammer-Volumen von 1600–2000 mm3 angesehen werden kann.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1a eine schematische Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine mit einer laserbasierten Zündeinrichtung;
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1b eine schematische Darstellung der Zündeinrichtung aus 1a; und
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2 eine detaillierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung in einem teilweisen Längsschnitt.
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Die 1a und 1b zeigen das bekannte Umfeld der Erfindung. Eine Brennkraftmaschine trägt in 1a insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie kann zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs oder als Stationärmotor einer Pumpe, eines Generators, einer Gasturbine oder Turbinen im Allgemeinen dienen. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst üblicherweise mehrere Zylinder, von denen in 1a 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. Alternativ kann ein Luft-Kraftstoff-Gemisch auch außerhalb des Brennraums 14, zum Beispiel in einem Saugrohr (nicht dargestellt), gebildet werden.
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Das im Brennraum 14 vorhandene Luft-Kraftstoff-Gemisch 22 wird mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der von einer eine Laserzündkerze 26 umfassenden Laserzündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Die Zündung im Brennraum 14 kann auch in einer dem Brennraum vorgelagerten Vorkammer (in 1 nicht dargestellt) vorbereitet werden. Die Laserzündkerze 26 wird über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit einem Pumplicht gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einem Steuergerät 32, das als Steuer- und/oder Regeleinrichtung ausgebildet ist, gesteuert, das auch den Injektor 18 ansteuern kann.
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Wie aus 1b hervorgeht, speist die Pumplichtquelle 30 mehrere Lichtleitereinrichtungen 28 für verschiedene Laserzündkerzen 26, die jeweils einem Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 10 zugeordnet sind. Hierzu weist die Pumplichtquelle 30 mehrere einzelne Pumplaserlichtquellen 34 auf, die mit einer Pulsstromversorgung 36 verbunden sind. Durch das Vorhandensein mehrerer einzelner Pumplaserlichtquellen 34 wird das Pumplicht gleichsam „ruhend” an die verschiedenen Laserzündkerzen 26 verteilt, so dass keine optischen Verteiler oder dergleichen zwischen der Pumplichtquelle 30 und den Laserzündkerzen 26 erforderlich sind.
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Die Laserzündkerze 26 weist beispielsweise einen laseraktiven Festkörper 44 mit einer passiven Güteschaltung 46 auf, die zusammen mit einem Einkoppelspiegel 42 und einem Auskoppelspiegel 48 einen optischen Resonator bildet. Unter Beaufschlagung mit von der Pumplichtquelle 30 erzeugtem Pumplicht erzeugt die Laserzündkerze 26 in an sich bekannter Weise einen Laserimpuls 24, der durch eine Fokussieroptik 52 auf einen in dem Brennraum 14 (oder in einer nicht dargestellten Vorkammer) befindlichen Zündpunkt ZP einstellbar ist. Die in einem Gehäuse 38 der Laserzündkerze 26 vorhandenen Komponenten sind durch ein Austrittsfenster 58 für die Laserimpulse 24 von dem Brennraum 14 (bzw., Vorkammer) getrennt.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Laserzündeinrichtung 27 im Detail. Die Laserzündeinrichtung 27 weist eine im Wesentlichen kugelförmig ausgebildete Vorkammer 60 auf, die über ein Einlassventil 62 mit einem zündfähigen Gemisch beschickt werden kann. Alternativ kann auch eine sogenannte ungespülte Vorkammer vorgesehen sein, bei der das zündfähige Gemisch nur aus dem Brennraum 14 über Überströmkanäle 66 in die Vorkammer 60 gelangt (nicht dargestellt). Zur Entzündung des zündfähigen Gemischs in der Vorkammer 60 umfasst die Laserzündeinrichtung 27 die Laserzündkerze 26. Unter Beaufschlagung des laseraktiven Festkörpers 44 beziehungsweise der passiven Güteschaltung 46 mit dem Pumplicht der Pumplichtquelle 30 wird in bekannter Weise ein Laserimpuls 24 erzeugt, der von der Laserzündkerze 26 über die Fokussieroptik 52 und dem Austrittsfenster 58 in die Vorkammer 60 eingekoppelt wird.
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Durch die in 2 veranschaulichte Lage des Zündpunkts ZP in der Vorkammer 60 in einem Abstand X – vergleiche den Doppelpfeil in 2 – zu der brennraumseitigen Stirnfläche der Laserzündkerze 26 und der kugelförmigen Ausbildung der Vorkammer 60, ist vorteilhaft gewährleistet, dass ein möglichst großer Anteil des in der Vorkammer 60 enthaltenen zündfähigen Gemischs durch den Laserimpuls 24 in der kugelförmig ausgebildeten Vorkammer 60 entzündet wird. Dieser Anteil ist in 2 mit dem Bezugszeichen 64 bezeichnet und trägt zu der durch die Laserzündeinrichtung 27 mit Vorkammer 60 bereitgestellten Zündenergie bei.
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Der Abstand X ist so gewählt, dass ein Großteil des (bei einer gespülten Vorkammer 60 stöchiometrischen) Vorkammergemisches zur Verbrennung ausgenutzt werden kann. Idealerweise wird das gesamte Vorkammergemisch verbrannt. Erfahrungsgemäß sollte der Zündpunkt ZP in der Mitte des unteren, dem Brennraum 14 zugewandten Volumendrittels der Vorkammer 60 gewählt werden. Dementsprechend muss der Abstand X durch die Fokussieroptik 52 eingestellt werden.
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Durch die kugelförmige Ausbildung der Vorkammer 60 ist es möglich, dass kurze Flammenwege erzeugt werden können und das zündfähige Gemisch zumindest nahezu vollständig in der Vorkammer 60 verbrennt, so dass nur ein sehr geringer oder gar kein Anteil des in der Vorkammer 60 enthaltenen Mediums unverbrannt aus der Vorkammer 60 über die Überströmkanäle 66 in den Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 ausgesandt wird. Sogenannte Überströmverluste sind dadurch minimiert. Durch Zünden des zündfähigen Gemischs in der Vorkammer 60 und dadurch aus den Überströmkanälen 66 austretende entflammte Fackeln wird während eines Arbeitstakts der Brennkraftmaschine 10 ein Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum 14 gezündet.
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Eine bevorzugte Dimensionierung des Volumens der Vorkammer 60 und des Zylindervolumens wird dann erreicht, wenn z. B. bei einem angenommenen Zylindervolumen von 4 dm3 und einem Vorkammer-Volumen zwischen 400 mm3 und 1200 mm3 sich das Verhältnis von Zylindervolumen zu Vorkammer-Volumen mindestens in einem Bereich von 1:104 (für 400 mm3 Vorkammer-Volumen) bis 1:3,3·103 (für 1200 mm3 Vorkammer-Volumen) bewegt. Vorteilhaft wäre ein noch größerer Bereich zwischen 1:105 und 1:102.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006018973 A1 [0002]
- WO 2005/066488 A1 [0002]
