DE102009055040A1

DE102009055040A1 - Laserzündeinrichtung und Betriebsverfahren für eine Laserzündeinrichtung

Info

Publication number: DE102009055040A1
Application number: DE102009055040A
Authority: DE
Inventors: Werner 70839 Herden; Martin 70195 Weinrotter; Pascal 70469 Woerner; Juergen 71263 Raimann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2011-06-22
Also published as: EP2516841A1; WO2011085846A1; US20130000597A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserzündeinrichtung (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einer Vorkammer (110) und mit einer Lasereinrichtung (120), die dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung (24, 24a, 24b) auf mindestens zwei voneinander verschiedene in der Vorkammer (110) liegende Zündpunkte (ZP1, ZP2) einzustrahlen, insbesondere zu fokussieren. Erfindungsgemäß ist die Lasereinrichtung (120) dazu ausgebildet, die Laserstrahlung (24, 24a, 24b) wahlweise auf einen oder mehrere Zündpunkte (ZP1, ZP2) einzustrahlen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Laserzündeinrichtung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einer Vorkammer und mit einer Lasereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung auf mindestens zwei voneinander verschiedene jeweils in der Vorkammer liegende Zündpunkte einzustrahlen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Betriebsverfahren für eine derartige Laserzündeinrichtung.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündeinrichtung der eingangs genannten Art und ein Betriebsverfahren dafür derart weiter zu entwickeln, dass ein flexiblerer Betrieb gegeben ist.
Diese Aufgabe wird bei der Laserzündeinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Lasereinrichtung dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlung wahlweise auf einen oder mehrere der Zündpunkte einzustrahlen. Dadurch kann vorteilhaft der Laserzündvorgang an den jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine oder eines sonstigen Zielsystems, das die erfindungsgemäße Laserzündvorrichtung enthält, angepasst werden. Untersuchungen der Anmelderin zufolge ist insbesondere auch die Möglichkeit gegeben, eine Fackelreichweite von Zündfackeln zu beeinflussen, die infolge der Laserzündung aus der Vorkammer durch entsprechende Überströmkanäle in einen Hauptbrennraum der Brennkraftmaschine austreten.
Eine thermodynamisch besonders effiziente Umsetzung des in der Vorkammer enthaltenen zündfähigen Gemischs und damit auch eine gesteigerte Fackelreichweite ist einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zufolge dadurch gegeben, dass die Lasereinrichtung dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlung gleichzeitig auf mehrere Zündpunkte einzustrahlen.
Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung ist vorgesehen, dass die Lasereinrichtung mindestens zwei Laserzündkerzen aufweist. Das bedeutet, erfindungsgemäß können mehrere Laserzündkerzen so miteinander kombiniert werden, dass sie eine erfindungsgemäße Beaufschlagung der Vorkammer mit Laserzündimpulsen ermöglichen.
Eine besonders günstige Verteilung von Zündpunkten innerhalb der Vorkammer ist einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zufolge dadurch realisierbar, dass mindestens zwei Laserzündkerzen unterschiedliche Brennweiten aufweisen.
Alternativ oder ergänzend kann die Laserzündeinrichtung einer weiteren Ausführungsform zufolge mindestens eine bifokale Fokussieroptik aufweisen, die unter Beaufschlagung mit einem Laserzündimpuls eine entsprechende Fokussierung des Laserzündimpulses bzw. der zugehörigen Laserstrahlung auf mindestens zwei voneinander verschiedene Zündpunkte ermöglicht.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Betriebsverfahren für eine Laserzündeinrichtung gemäß Patentanspruch 6 angegeben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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 deren Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:
1 einen brennraumzugewandten Endabschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung in einem teilweisen Querschnitt,
2 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung des Ansteuerprinzips der Laserzündeinrichtung aus 1, und
3 einen brennraumzugewandten Endabschnitt einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung in einem teilweisen Querschnitt.
1 zeigt einen brennraumzugewandten Endabschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung 100. Die Laserzündeinrichtung 100 verfügt über eine Vorkammer 110 und ist vorliegend so in einem Zylinderkopf 200 einer Brennkraftmaschine angeordnet, dass die Vorkammer 110 in einen Brennraum 300 der Brennkraftmaschine hineinragt.
Die Laserzündeinrichtung 100 verfügt ferner über eine Lasereinrichtung 120, die dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung 24a, 24b auf mindestens zwei voneinander verschiedene in der Vorkammer 110 liegende Zündpunkte ZP1, ZP2 einzustrahlen, insbesondere zu fokussieren. Dadurch kann ein in der Vorkammer 110 befindliches zündfähiges Gemisch in an sich bekannter Weise an zwei Zündpunkten entzündet werden. Infolge der Laserzündung in der Vorkammer 110 treten energiereiche Zündfackeln 116a, 116b durch nicht näher bezeichnete Überströmkanäle aus der Vorkammer 110 in den Brennraum 300 der Brennkraftmaschine, um ein dort vorliegendes zündfähiges Gemisch zu zünden.
Ein besonders vielseitiger Betrieb der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung 100 ist dadurch gegeben, dass die Lasereinrichtung 120 dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlung 24a, 24b wahlweise auf einen oder mehrere der Zündpunkte ZP1, ZP2 einzustrahlen. Dadurch kann vorteilhaft der Druck in der Vorkammer und damit die Fackellänge, d. h. die Länge der aus der Vorkammer 110 austretenden Zündfackeln 116a, 116b, gesteuert werden.
Beispielsweise kann somit bei hoher Last der Brennkraftmaschine und einer dementsprechend großen Füllung der Vorkammer 110 mit zündfähigem Gemisch Laserstrahlung 24a, 24b nur auf einen der mehreren möglichen Zündpunkte ZP1, ZP2 eingestrahlt werden. Die Verbrennung in der Vorkammer 110 ist aufgrund der großen Füllung ausreichend schnell, um auch bei nur einem einzigen Zündpunkt eine hinreichend große Fackelreichweite für die Zündfackeln 116a, 116b sicherzustellen.
Bei niedriger Last der Brennkraftmaschine und einer dementsprechend geringeren Füllung der Vorkammer 110 mit zündfähigem Gemisch kann die Laserstrahlung 24a, 24b vorteilhaft auf beide der mehreren möglichen Zündpunkte ZP1, ZP2 eingestrahlt werden. Dieser Zustand ist in 1 abgebildet. Durch die Laserzündung in beiden Zündpunkten ZP1, ZP2 wird die Verbrennung in der Vorkammer 110 trotz geringerer Füllung hinreichend beschleunigt, so dass die Überdrucksteigerung in der Vorkammer 110 eine ähnliche Fackelreichweite für die Zündfackeln 116a, 116b bewirkt wie bei einer größeren Füllung der Vorkammer 110.
Bei der in 1 abgebildeten Erfindungsvariante ist die Möglichkeit zur flexiblen einfachen oder mehrfachen örtlichen Laserzündung in der Vorkammer 110 dadurch gegeben, dass die Lasereinrichtung 120 zwei Laserzündkerzen 122a, 122b aufweist, die in ein gemeinsames Gehäuse 130 integriert sind. Das Gehäuse 130 kann – analog zu herkömmlichen Laserzündkerzen – beispielsweise in den Zylinderkopf 200 eingeschraubt werden. Anstelle von zwei Laserzündkerzen 122a, 122b können ggf. auch drei oder mehr Laserzündkerzen kombiniert werden, so dass weitere verschiedene Zündpunkte realisierbar sind. Die vorliegende Erfindungsvariante ist konstruktiv besonders einfach realisierbar, da – zumindest hinsichtlich der mechanischen Anordnung – auf herkömmliche Laserzündkerzen 122a, 122b zurückgegriffen werden kann.
Ein weiterer Freiheitsgrad für die erfindungsgemäße Laserzündung in der Vorkammer 110 ist dadurch gegeben, dass die Laserzündkerzen 122a, 122b bzw. darin enthaltene Fokussieroptiken zur Bündelung der Laserstrahlung 24a, 24b unterschiedliche Brennweiten aufweisen.
2 zeigt schematisch ein Blockdiagramm, das ein Ansteuerprinzip für die erfindungsgemäße Laserzündeinrichtung 100 angibt. Eine Motorsteuerung 400, die z. B. auch eine Kraftstoffeinspritzung und weitere dem Fachmann bekannte Steuerungs- bzw. Regelungsaufgaben für den Betrieb der Brennkraftmaschine übernimmt, steuert zwei Pumplaser 410a, 410b an.
Die Pumplaser 410a, 410b können beispielsweise als Halbleiter-Laserdioden ausgebildet sein, die über einen elektrischen Ansteuerstrom ansteuerbar sind. Die Intensität der von den Pumplasern 410a, 410b abgegebenen Laserstrahlung hängt u. a. direkt von dem Ansteuerstrom ab. Die von den Pumplasern 410a, 410b erzeugte Laserstrahlung wird den Zündlasern 420a, 420b über Lichtleitereinrichtungen 415a, 415b zugeführt.
Bei den Zündlasern 420a, 420b kann es sich beispielsweise um passiv gütegeschaltete Festkörperlaser handeln, die jeweils über einen laseraktiven Festkörper und eine zugeordnete passive Güteschaltung verfügen. Durch die Beaufschlagung der Zündlaser 420a, 420b mit der von den Pumplasern 410a, 410b erzeugten Laserstrahlung können somit energiereiche Laserzündimpulse 24a, 24b durch die Zündlaser 420a, 420b erzeugt werden. Zur Fokussierung der Laserzündimpulse 24a, 24b auf einen gewünschten Zündpunkt ZP1, ZP2 ist dem Zündlaser 420a, 420b jeweils eine Fokussieroptik mit entsprechender Brennweite zugeordnet.
Beispielsweise kann der erste Zündlaser 420a aus 2 und eine ihm zugeordnete Fokussieroptik in der Laserzündkerze 122a gemäß 1 enthalten sein, während die zweite Laserzündkerze 122b gemäß 1 den zweiten Zündlaser 420b aus 2 und eine ihm zugeordnete Fokussieroptik aufweist.
Die Pumplaser 410a, 410b sind bevorzugt entfernt von der Laserzündeinrichtung 100 angeordnet, beispielsweise in räumlicher Nähe zu der Motorsteuerung 400. Eine Integration der Pumplaser 410a, 410b in die Motorsteuerung 400 ist ebenfalls denkbar. Die Pumplaser 410a, 410b können auch in einem gemeinsamen Pumpmodul zusammengefasst sein. Mittels der Lichtleitereinrichtungen 415a, 415b werden die Laserzündkerzen 122a, 122b mit der für das optische Pumpen der Zündlaser 420a, 420b erforderlichen Laserstrahlung von den Pumplasern 410a, 410b versorgt.
Die Motorsteuerung 400 kann beispielsweise in Abhängigkeit eines Kennfelds unterschiedliche zeitliche Ansteuerstromverläufe und damit entsprechende Pumpprofile für das optische Pumpen der Zündlaser 420a, 420b einstellen, so dass die Laserzündung in der Vorkammer 110 je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine an einem einzigen oder auch an mehreren Zündpunkten ZP1, ZP2 erfolgt. Auch die zeitliche Abfolge der Beaufschlagung der einzelnen Zündpunkte ZP1, ZP2 ist durch die Motorsteuerung 400 vorgebbar. Es kann sowohl gleichzeitig an mehreren Zündpunkten ZP1, ZP2 wie auch zeitlich versetzt an mehreren Zündpunkten ZP1, ZP2 oder an einzelnen Zündpunkten gezündet werden.
Durch die vorstehend beschriebene Steuerung der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung 100 kann insbesondere die Fackellänge der Zündfackeln 116a, 116b (1) in Abhängigkeit eines Betriebspunkts der Brennkraftmaschine gesteuert werden.
3 zeigt einen brennraumzugewandten Endabschnitt einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung 100. Diese Erfindungsvariante sieht nur eine Laserzündkerze 122a für die Lasereinrichtung 120 vor. Um dennoch zwei voneinander verschiedene Zündpunkte ZP1, ZP2 in der Vorkammer 110 realisieren zu können, weist die Lasereinrichtung 120 gemäß 3 eine bifokale Fokussieroptik 124 auf. Die bifokale Fokussieroptik 124 bündelt die durch die Lasereinrichtung 120 erzeugte Laserstrahlung 24 in Abhängigkeit des Strahlquerschnitts, vorliegend insbesondere des Strahldurchmessers, auf unterschiedliche Zündpunkte ZP1, ZP2. Ein Kernstrahl 24a wird durch einen ersten Krümmungsbereich der Fokussieroptik 124 auf den ersten Zündpunkt ZP1 gebündelt, während ein Mantelstrahl 24b durch einen zweiten Krümmungsbereich der Fokussieroptik 124 auf den zweiten Zündpunkt ZP2 gebündelt wird.
Die Beeinflussung des Strahlprofils der Laserstrahlung 24, die vorliegend die Auswahl der Zündpunkte ZP1, ZP2 steuert, kann in an sich bekannter Weise erfolgen, z. B. durch nebeneinander angeordnete Zündlaser 420a, 420b, die vorliegend in der Laserzündkerze 122a integriert sind und je nach Bedarf angesteuert werden.
Alternativ kann auch nur ein Zündlaser 420a in der Laserzündkerze 122 integriert und die Lasereinrichtung 120 so konfiguriert sein, dass bei mäßiger Pumplichtleistung an dem Zündlaser 420a ein kleinerer Strahldurchmesser entsteht als bei einer höheren Pumpleistung. In diesem Fall kann demnach durch Vorgabe der Intensität der für das optische Pumpen des Zündlasers 420a verwendeten Laserstrahlung die Auswahl der Zündpunkte ZP1, ZP2 erfolgen.
Dies kann z. B. dadurch geschehen, dass bei kleiner Pumpleistung die Strahldichte nur in der Mitte des Strahlquerschnitts (z. B. Gaussprofil) hoch genug ist, um den Festkörperlaser mittels seines passiven Güteschalters nur dort durchzuschalten, so dass ein Zündlaserstrahl mit kleinem Durchmesser entsteht im Vergleich zur Anwendung höherer Pumpleistungen, bei denen der Güteschalter über den gesamten Pumpstrahlquerschnitt durchgeschaltet und so ein Zündlaserstrahl mit vollem Querschnitt entsteht. Die Pumpleistung kann über den Strom des Pumplasers (Halbleiterlaser) gesteuert werden.
Das erfindungsgemäße Prinzip der wahlweise steuerbaren örtlichen Laserzündung in der Vorkammer 110 ermöglicht vorteilhaft eine Beeinflussung der Fackelreichweite der Zündfackeln 116a, 116b (1), so dass auch bei unterschiedlichen Füllungsgraden der Vorkammer 110 beispielsweise im wesentlichen gleiche Fackelreichweiten erzielt werden können.

Claims

Laserzündeinrichtung (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einer Vorkammer (110) und mit einer Lasereinrichtung (120), die dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung (24, 24a, 24b) auf mindestens zwei voneinander verschiedene in der Vorkammer (110) liegende Zündpunkte (ZP1, ZP2) einzustrahlen, insbesondere zu fokussieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (120) dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlung (24, 24a, 24b) wahlweise auf einen oder mehrere Zündpunkte (ZP1, ZP2) einzustrahlen.
Laserzündeinrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (120) dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlung gleichzeitig auf mehrere Zündpunkte (ZP1, ZP2) einzustrahlen.
Laserzündeinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (120) mindestens zwei Laserzündkerzen (122a, 122b) aufweist.
Laserzündeinrichtung (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Laserzündkerzen (122a, 122b) unterschiedliche Brennweiten aufweisen.
Laserzündeinrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (120) mindestens eine bifokale Fokussieroptik (124) aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Laserzündeinrichtung (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einer Vorkammer (110) und mit einer Lasereinrichtung (120), die dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung (24, 24a, 24b) auf mindestens zwei voneinander verschiedene in der Vorkammer (110) liegende Zündpunkte (ZP1, ZP2) einzustrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (24, 24a, 24b) wahlweise auf einen oder mehrere Zündpunkte (ZP1, ZP2) eingestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstrahlung der Laserstrahlung (24) auf einen oder mehrere Zündpunkte (ZP1, ZP2) in Abhängigkeit eines Betriebspunkts der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (24) gleichzeitig auf mehrere Zündpunkte (ZP1, ZP2) eingestrahlt wird.