DE102009055258A1

DE102009055258A1 - Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine und Betriebsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102009055258A1
Application number: DE102009055258A
Authority: DE
Inventors: Werner 70839 Herden; Rene 70178 Hartke; Martin 71638 Astner; Heiko 71701 Ridderbusch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-06-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Zündeinrichtung (27) für eine Brennkraftmaschine (10), bei dem Laserimpulse (24) mittels einer Lasereinrichtung (26) erzeugt und mittels einem der Lasereinrichtung (26) optisch nachgeordneten optischen Verstärker (70) verstärkt werden. Erfindungsgemäß wird der optische Verstärker (70) mit Pumplicht (60b) unterschiedlicher Intensität beaufschlagt, um jeweils eine entsprechende optische Verstärkung der Laserimpulse (24) zu bewirken.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, bei dem Laserimpulse mittels einer Lasereinrichtung erzeugt und mittels einem der Lasereinrichtung optisch nachgeordneten optischen Verstärker verstärkt werden. Die Erfindung betrifft ferner eine derartige Zündeinrichtung.
Eine solche Zündeinrichtung ist bereits aus der DE 10 2006 024 678 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zündeinrichtung der eingangs genannten Art und ein Betriebsverfahren hierfür dahingehend zu verbessern, dass ein flexiblerer Einsatz und eine hohe Standzeit ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der optische Verstärker mit Pumplicht unterschiedlicher Intensität beaufschlagt wird, um jeweils eine entsprechende optische Verstärkung der Laserimpulse zu bewirken.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt vorteilhaft eine flexible Anpassung der Impulsenergie der erzeugten Laserimpulse an unterschiedliche Betriebssituationen der Zündeinrichtung. Insbesondere bei dem Einsatz in Brennkraftmaschinen, wie beispielsweise von Kraftfahrzeugen oder auch bei stationären Großgasmotoren, ist es sehr vorteilhaft, wenn die Impulsenergie der für die Laserzündung verwendeten Laserimpulse flexibel an den Betriebszustand der Brennkraftmaschine angepasst werden kann.
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens, bei der die Lasereinrichtung einen laseraktiven Festkörper mit einer passiven Güteschaltung aufweist und optisch gepumpt wird, ist vorgesehen, dass die Beaufschlagung des optischen Verstärkers mit Pumplicht unabhängig von dem optischen Pumpen der Lasereinrichtung erfolgt.
Dadurch kann die durch den optischen Verstärker realisierte optische Verstärkung unabhängig von der Beaufschlagung der Lasereinrichtung mit Pumplicht gesteuert werden, d. h. es ist gezielt und isoliert die Impulsenergie der erfindungsgemäß verstärkten Laserimpulse beeinflussbar, ohne dass z. B. die Impulsform oder Impulsdauer oder weitere, durch das optische Pumpen der Lasereinrichtung steuerbare Parameter, verändert werden. Insbesondere kann der optische Verstärker mit Pumplicht einer anderen Intensität beaufschlagt werden als die Lasereinrichtung. Ferner ist es möglich, den optischen Verstärker zeitlich unabhängig von der Lasereinrichtung optisch zu pumpen. Die Verwendung voneinander unabhängiger Intensitäts-Zeitverläufe für die beiden Pumpvorgänge (Lasereinrichtung, Verstärker) ist ebenfalls denkbar.
Es kann erfindungsgemäß ferner vorteilhaft vorgesehen sein, dass der optische Verstärker in einer ersten Betriebsart mit Pumplicht einer ersten Intensität beaufschlagt wird, und dass der optische Verstärker in einer zweiten Betriebsart mit Pumplicht einer zweiten Intensität beaufschlagt wird, die größer ist als die erste Intensität. Die erfindungsgemäße erste Betriebsart für den optischen Verstärker kann beispielsweise für einen Normalbetrieb der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung verwendet werden, in der die Zündeinrichtung dazu verwendet wird, ein entflammbares Luft-/Kraftstoffgemisch oder ein sonstiges zündfähiges Gemisch in einem Brennraum der Brennkraftmaschine zu entzünden. Die zweite Betriebsart kann demgegenüber dazu vorgesehen sein, besonders energiereiche Laserimpulse zu erzeugen, mit denen beispielsweise ein Brennraumfenster oder sonstige optische Komponenten in dem Strahlengang der Zündeinrichtung abgereinigt werden können, insbesondere um Verbrennungsrückstände und dergleichen von einer brennraumzugewandten Oberfläche des Brennraumfensters zu entfernen.
Ganz besonders bevorzugt wechselt der optische Verstärker periodisch von der ersten in die zweite Betriebsart und wieder zurück, so dass eine regelmäßige Abreinigung des Brennraumfensters möglich ist. Die erfindungsgemäße Zündeinrichtung kann auch im Sinne einer Regelung so betrieben werden, dass die zweite (Abreinigungs-)Betriebsart stets dann ausgeführt wird, wenn eine Transmission abzureinigender Komponenten einen vorgebbaren unteren Grenzwert unterschreitet. Nach dem Abreinigen kann erneut die erste Betriebsart mit geringerer Laserimpulsenergie verwendet werden, was sich günstig auf die Standzeit der Zündeinrichtung auswirkt.
Einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge werden in der zweiten Betriebsart Laserimpulse erzeugt, die eine Energiedichte von etwa 0,1 J/cm² bis etwa 6 J/cm², vorzugsweise von etwa 0,2 J/cm² bis etwa 3 J/cm² und/oder eine Leistungsdichte von etwa 0,1 GW/cm² bis etwa 6 GW/cm², vorzugsweise von etwa 0,2 GW/cm² bis etwa 3 GW/cm², aufweisen, um ein effizientes Abreinigen zu ermöglichen.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass die Laserimpulse so in den optischen Verstärker eingestrahlt werden, dass ihr Strahlengang mindestens einfach, vorzugsweise jedoch mehrfach gefaltet ist, wodurch sich eine effizientere Verstärkung der Laserimpulse in dem optischen Verstärker ergibt.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Zündeinrichtung gemäß Patentanspruch 7 angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 schematisch eine Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen laserbasierten Zündeinrichtung,
2a, 2b, 2c, 2d jeweils eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung im Detail, und
3 ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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 gekennzeichnet 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 Kraftstoff-Druckspeicher 20, beispielsweise ein Common-Rail, angeschlossen ist.
In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der von einer eine Lasereinrichtung 26 umfassenden Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird die Lasereinrichtung 26 über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit Pumplicht gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 32 gesteuert, die auch den Injektor 18 ansteuert.
2a zeigt eine Detailansicht von einigen Komponenten der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung 27, wie sie beispielsweise in eine Laserzündkerze integriert werden können.
Die Lasereinrichtung 26 weist einen laseraktiven Festkörper 44 und eine dem laseraktiven Festkörper 44 zugeordnete passive Güteschaltung 46 auf. Ein- und Auskoppelspiegel, die zusammen mit den Komponenten 44, 46 in an sich bekannter Weise einen Laseroszillator bilden, sind der Übersichtlichkeit halber nicht abgebildet. Dem laseraktiven Festkörper 44 optisch nachgeordnet ist ein optischer Verstärker 70. Wie aus 2a ersichtlich, werden von der Lasereinrichtung 26 erzeugte Laserimpulse 24 über zwei Umlenkspiegel 48a, 48b in den optischen Verstärker 70 umgelenkt, aus dem sie nach einer an sich bekannten optischen Verstärkung wieder austreten. Dem optischen Verstärker 70 ist eine vorliegend als bikonvexe Linse angedeutete Optik 72 nachgeordnet, die beispielsweise eine Fokussierung der verstärkten Laserimpulse 24 auf einen Zündpunkt in dem Brennraum 14 (1) der Brennkraftmaschine 10 bewirkt. Durch die Parallelanordnung der Komponenten 26, 70 ergibt sich vorliegend eine besonders kleinbauende Konfiguration.
Aus 2a ist ferner eine erste Lichtleitanordnung 28a mit zugeordneter, nicht näher bezeichneter Fokussieroptik, ersichtlich, die dazu dient, die Lasereinrichtung 26 mit Pumplicht 60a zum optischen Pumpen zu beaufschlagen. Eine zweite Lichtleiteranordnung 28b dient der Beaufschlagung des optischen Verstärkers 70 mit Pumplicht 60b. Die Lichtleiteranordnungen 28a, 28b können beispielsweise Bestandteile der in 1 mit dem Bezugszeichen 28 bezeichneten Lichtleitereinrichtung sein.
Zur effizienten Einkopplung des Pumplichts 60a, 60b in die jeweiligen Komponenten 26, 70 weisen die Umlenkspiegel 48a, 48b einen möglichst hohen Transmissionskoeffizienten für das verwendete Pumplicht 60a, 60b auf, während sie für die Wellenlänge(n) der Laserimpulse 24 einen möglichst hohen Reflexionskoeffizienten aufweisen.
Die Versorgung mit Pumplicht 60a, 60b erfolgt wie bereits beschrieben durch eine Pumplichtquelle 30, vgl. 1. Vorliegend weist die Pumplichtquelle 30 die in 2a abgebildeten Halbleiterlaser 29a, 29b auf, die in einem Halbleiterlasermodul 29 zusammengefasst sind. Das Halbleiterlasermodul 29 ist bevorzugt entfernt von der Lasereinrichtung 26 bzw. einer sie enthaltenden Laserzündkerze angeordnet.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der optische Verstärker 70 wahlweise mit Pumplicht 60b unterschiedlicher Intensität beaufschlagt wird, wodurch vorteilhaft die optische Verstärkung der durch ihn hindurchtretenden Laserimpulse 24 gesteuert werden kann. Hierzu ist die Pumplichtquelle 30 bzw. vorliegend das Halbleiterlasermodul 29 so ausgelegt, dass es Pumplicht 60b mit unterschiedlicher Intensität bereitstellen kann. Besonders vorteilhaft kann auch ein Zeitverlauf der Intensität des Pumplichts 60b variiert werden. Eine entsprechende Ansteuerung des Halbleiterlasermoduls 29 kann beispielsweise durch das Steuergerät 32 erfolgen.
Hiervon unabhängig wird die Lasereinrichtung 26 mit dem durch den ersten Halbleiterlaser 29a erzeugten Pumplicht 60a beaufschlagt, um in an sich bekannter Weise die Laserimpulse 24 zu erzeugen.
Durch die Vorsehung zweier separater Pumplichtversorgungen kann die durch den optischen Verstärker 70 realisierte optische Verstärkung vorteilhaft unabhängig von der Beaufschlagung der Lasereinrichtung 26 mit Pumplicht 60b gesteuert werden, d. h. es ist gezielt und isoliert die Impulsenergie der erfindungsgemäß verstärkten Laserimpulse 24 beeinflussbar, ohne dass z. B. die Impulsform oder Impulsdauer oder weitere, durch das optische Pumpen der Lasereinrichtung 26 steuerbare Parameter, verändert werden.
Insbesondere kann der optische Verstärker 70 mit Pumplicht 60b einer anderen Intensität beaufschlagt werden als die Lasereinrichtung 26. Ferner ist es möglich, den optischen Verstärker 70 zeitlich unabhängig von der Lasereinrichtung 26 optisch zu pumpen. Die Verwendung voneinander unabhängiger Intensitäts-Zeitverläufe für die beiden Pumpvorgänge (Lasereinrichtung 26, Verstärker 70) ist ebenfalls denkbar.
Die erfindungsgemäße Konfiguration ermöglicht vorteilhaft eine individuelle Anpassung der Impulsenergie der Laserimpulse 24 an verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine 10 wie z. B. einen Kaltstart, einen Heißstart, sowie eine dynamische Anpassung von Leerlauf bis Volllast, usw.
Es kann erfindungsgemäß ferner vorteilhaft vorgesehen sein, dass der optische Verstärker 70 in einer ersten Betriebsart mit Pumplicht 60b einer ersten Intensität beaufschlagt wird, und dass der optische Verstärker 70 in einer zweiten Betriebsart mit Pumplicht 60b einer zweiten Intensität beaufschlagt wird, die größer ist als die erste Intensität. Die erfindungsgemäße erste Betriebsart für den optischen Verstärker 70 kann beispielsweise für einen Normalbetrieb der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung 27 verwendet werden. Die zweite Betriebsart kann demgegenüber dazu vorgesehen sein, besonders energiereiche Laserimpulse 24 zu erzeugen, mit denen beispielsweise ein Brennraumfenster oder sonstige optische Komponenten in dem Strahlengang der Zündeinrichtung 27 abgereinigt werden können, insbesondere um Verbrennungsrückstände und dergleichen von einer brennraumzugewandten Oberfläche des Brennraumfensters zu entfernen.
Ganz besonders bevorzugt wechselt der optische Verstärker 70 periodisch von der ersten in die zweite Betriebsart und wieder zurück, so dass eine regelmäßige Abreinigung des Brennraumfensters möglich ist. Die erfindungsgemäße Zündeinrichtung 27 kann auch im Sinne einer Regelung so betrieben werden, dass die zweite (Abreinigungs-)Betriebsart stets dann ausgeführt wird, wenn eine Transmission abzureinigender Komponenten einen vorgebbaren unteren Grenzwert unterschreitet. Nach dem Abreinigen kann erneut die erste Betriebsart mit geringerer Laserimpulsenergie verwendet werden, was sich günstig auf die Standzeit der Zündeinrichtung 27 auswirkt. Eine entsprechende Steuerung bzw. Regelung kann in dem Fachmann bekannter Weise durch die Steuer- und Regeleinrichtung 32 realisiert werden.
Einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge werden in der zweiten Betriebsart Laserimpulse erzeugt, die eine Energiedichte von etwa 0,1 J/cm² bis etwa 6 J/cm², vorzugsweise von etwa 0,2 J/cm² bis etwa 3 J/cm² und/oder eine Leistungsdichte von etwa 0,1 GW/cm² bis etwa 6 GW/cm², vorzugsweise von etwa 0,2 GW/cm² bis etwa 3 GW/cm², aufweisen, um ein effizientes Abreinigen zu ermöglichen.
2b zeigt eine weitere bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung, bei der die Komponenten 26, 70 nicht parallel zueinander, sondern hintereinander angeordnet sind. Auch bei dieser Konfiguration ist ein longitudinales optisches Pumpen des optischen Verstärkers 70 mit dem Pumplicht 60b möglich, nämlich mittels der Umlenkung des Pumplichts 60b durch die Umlenkspiegel 48b, 48a', während die Lasereinrichtung 26 mit dem Pumplicht 60a beaufschlagbar ist. Die von der Lasereinrichtung 26 erzeugten Laserimpulse 24 treten in 2b nach links aus, durch den optischen Verstärker 70 und den Umlenkspiegel 48a hindurch. Der Umlenkspiegel 48a' ist dementsprechend transparent für die Wellenlange(n) der Laserimpulse 24 auszulegen. Die optische Anregung des Verstärkers 70 kann alternativ auch zwischen den Komponenten 26, 70 erfolgen, d. h. das Pumplicht 60b wird einer der Lasereinrichtung 26 zugewandten Stirnfläche des optischen Verstärkers 70 zugeführt.
Die Erfindungsvariante gemäß 2b ermöglicht ebenfalls die Erzeugung von Laserimpulsen 24 mit vorgebbarer Impulsenergie, die insbesondere unabhängig von dem optischen Pumpen der Lasereinrichtung 26 eingestellt werden kann.
2c zeigt eine besonders bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung, bei der die Laserimpulse 24 so in den optischen Verstärker 70 eingestrahlt werden können, dass ihr Strahlengang in dem optischen Verstärker 70, vorzugsweise mehrfach, gefaltet ist. Durch diesen „Mehrfachdurchgang” der Laserimpulse 24 durch den optischen Verstärker 70 ergibt sich eine besonders effiziente optische Verstärkung. Dieser Effekt kann dadurch noch weiter verbessert werden, dass das Pumplicht 60b zum optischen Pumpen des optischen Verstärkers 70 auf die Mantelfläche 70a eingestrahlt wird, so dass sich eine optimale Überlappung zwischen dem Strahlengang der Laserimpulse 24 und den besonders gut optisch gepumpten Bereichen in dem Bereich der Mantelfläche 70a ergibt.
Neben der für einen wenig komplexen mechanischen Aufbau vorteilhaften Mehrfachnutzung des optischen Verstärkers 70 als Verstärker einerseits und als Umlenkspiegel andererseits ergibt sich durch die in 2c abgebildete Konfiguration vorteilhaft eine besonders effiziente optische Verstärkung der Laserimpulse 24.
Die aus dem optischen Verstärker 70 austretenden verstärkten Laserimpulse 24 werden durch die Optik 72 fokussiert und durch das Brennraumfenster 74 in den Brennraum 14 (1) abgestrahlt.
Durch die erfindungsgemäße Möglichkeit, den optischen Verstärker 70 wahlweise mit Pumplicht 60b unterschiedlicher Intensität zu beaufschlagen, kann vorteilhaft die Energie der Laserimpulse 24 unabhängig von dem weiteren Pumpprozess der Lasereinrichtung 26 eingestellt werden, insbesondere ohne eine Strahlform und eine Pulsdauer der Laserimpulse 24 zu beeinträchtigen.
2d zeigt eine Erfindungsvariante, bei der der optische Verstärker 70 durch die Lichtleitanordnungen 28c, 28d mit Pumplicht 60b beaufschlagbar ist, mithin transversal gepumpt werden kann. Unabhängig hiervon kann die Lasereinrichtung 26 bzw. ihre Komponenten 44, 46 durch die Lichtleitereinrichtung 28 longitudinal optisch gepumpt werden.
Alternativ zu den Lichtleitanordnungen 28c, 28d können auch Laserdiodenbarren, ggf. mit Fokussieroptik (nicht gezeigt), verwendet werden für das unabhängige optische Pumpen des optischen Verstärkers 70. Des weiteren ist es möglich, das Pumplicht 60b über eine Zylinderoptik in den optischen Verstärker 70 zu propagieren.
3 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 100 wird der optische Verstärker 70, unabhängig von der Pumplichtversorgung der Lasereinrichtung 26, mit Pumplicht 60b (2a) einer ersten Intensität optisch gepumpt, um einen ersten Verstärkungsfaktor für die durch ihn hindurchtretenden Laserimpulse 24 zu definieren. Der erste Verstärkungsfaktor ist so gewählt, dass mit den Laserimpulsen 24 eine reguläre Laserzündung der Brennkraftmaschine 10 in einer bestimmten Betriebsart, beispielsweise dem Leerlauf, möglich ist.
In einem zweiten Schritt 110 wird der optische Verstärker 70, wiederum unabhängig von der Pumplichtversorgung der Lasereinrichtung 26, mit Pumplicht 60b (2a) einer zweiten Intensität optisch gepumpt, um einen zweiten Verstärkungsfaktor für die durch ihn hindurchtretenden Laserimpulse 24 zu definieren. Der zweite Verstärkungsfaktor ist größer als der erste Verstärkungsfaktor und insbesondere so gewählt, dass mit den Laserimpulsen 24 ein Abreinigen des Brennraumfensters 74 (2c) möglich ist.
Hierzu weisen die Laserimpulse 24 bevorzugt eine Energiedichte von etwa 0,1 J/cm² bis etwa 6 J/cm², vorzugsweise von etwa 0,2 J/cm² bis etwa 3 J/cm² und/oder eine Leistungsdichte von etwa 0,1 GW/cm² bis etwa 6 GW/cm², vorzugsweise von etwa 0,2 GW/cm² bis etwa 3 GW/cm², auf.
Nach dem Abreinigen, Schritt 110, wird erneut der erste oder ein sonstiger Verstärkungsfaktor eingestellt, vgl. Schritt 120, der geringer ist als der für das Abreinigen erforderliche zweite Verstärkungsfaktor.
Durch die erfindungsgemäß individuell einstellbare optische Verstärkung wird die Standzeit der Zündeinrichtung 27 erhöht, weil sie nicht stets mit maximaler Laserimpulsenergie betrieben werden muss. Vielmehr kann von Zeit zu Zeit ein Abreinigen 110 durchgeführt werden, während ansonsten eine geringere Laserimpulsenergie eingestellt wird, wie sie für die Laserzündung in einer aktuellen Betriebsart der Brennkraftmaschine 10 erforderlich ist.
Neben einer individuellen Ansteuerung separater Halbleiterlaser 29a, 29b zur voneinander unabhängigen Versorgung mit Pumplicht 60a für die Lasereinrichtung 26 und den optischen Verstärker 70 ist es auch denkbar, einen Halbleiterlaser vorzusehen und steuerbare optische Koppelmittel, die eine variable, voneinander unabhängige, Aufteilung des von dem einen Halbleiterlaser erzeugten Pumplichts auf die beiden Komponenten 26, 70 ermöglichen.
Nachstehend sind weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Laserzündeinrichtung 27 (1) beschrieben.
Als Wirtsmaterial für den laseraktiven Festkörper 44 (2a) kommen insbesondere YAG (Yttrium-Aluminium-Granat), GGG (Gadolinium-Gallium-Granat), GSGG (Gadolinium-Scandium-Gallium-Granat), oder LuAG(Lutetium-Aluminium-Granat)-basierte Materialien in Frage, wobei insbesondere eine Neodym(Nd)-Dotierung vorgesehen ist. Ein den laseraktiven Festkörper 44 bildender Laserkristall bzw. entsprechende Gläser oder Keramiken weisen in der Regel eine Länge zwischen etwa 1 mm und etwa 15 mm auf, während der Durchmesser des laseraktiven Festkörpers 44 zwischen etwa 1 mm und etwa 5 mm beträgt. Die Dotierung des laseraktiven Materials 44 beträgt in der Regel zwischen etwa 0,1 Atomprozent bis etwa 4 Atomprozent.
Der passive Güteschalter 46 kann aus Kristall, Keramik oder Glas bestehen, wobei das entsprechende Wirtsmaterial meist eine Dotierung umfassend Chrom, Vanadium oder Kobalt aufweist. Insbesondere sind als Wirtsmaterial YAG, GGG, GSGG, Spinell verwendbar. Der passive Güteschalter 46 besitzt in der Regel eine Anfangstransmission von etwa 10% bis etwa 70% und ist vorzugsweise einteilig mit dem laseraktiven Festkörper 44 verbunden, beispielsweise mittels Bonding.
Ein Auskoppelspiegel der Lasereinrichtung 26 zur Auskopplung der Laserstrahlung weist bei der Wellenlänge der Laserimpulse 24 beispielsweise eine Reflektivität von etwa 20% bis etwa 80% auf, während er vorzugsweise eine hochreflektierende Beschichtung für Wellenlängen des Pumplichts 60a besitzt.
Ein Einkoppelspiegel der Lasereinrichtung 26 zur Einkopplung von Pumplicht 60a besitzt in der Regel eine hochtransmittierende Beschichtung für die Wellenlänge des Pumplichts 60a, 60b und eine hochreflektierende Beschichtung für die Wellenlängen der Laserimpulse 24.
Der optische Verstärker 70 besitzt in der Regel einen Durchmesser von etwa 1 mm bis etwa 5 mm bei einer Länge zwischen etwa 2 mm und etwa 20 mm. Der optische Verstärker 70 weist bevorzugt eine Dotierung von etwa 0,1 Atomprozent bis etwa 4 Atomprozent auf.
Bei einer Konfiguration des optischen Verstärkers 70 gemäß 2a, 2b, 2d, bei denen die Laserimpulse 24 einen einfachen Durchgang durch den optischen Verstärker 70 erfahren, weist der optische Verstärker 70 auf seinen beiden optisch aktiven Stirnflächen hochtransmittierende Schichten für das Pumplicht 60b und die Wellenlänge der Laserimpulse 24 auf.
Bei einer Konfiguration, die einen Mehrfachdurchgang der Laserimpulse 24 durch den optischen Verstärker 70 vorsieht, vgl. 2c, ist eine Facette des optischen Verstärkers 70 bevorzugt hochreflektierend für die Wellenlänge der Laserimpulse 24 beschichtet, vorliegend beispielsweise die Facette, welche der Oberfläche 70a aus 2c entspricht.
Die Facetten des optischen Verstärkers 70 sind in der Regel parallel zueinander ausgebildet, können vorzugsweise jedoch auch antiparallel poliert werden, beispielsweise mit einem Winkel von bis zu 2°.
Während eines Normalbetriebs, bei dem die Laserimpulse 24 allein zur Zündung der Brennkraftmaschine 10 und nicht zu Zwecken der Abreinigung des Brennraumfensters 74 (2c) verwendet werden, wird die Lasereinrichtung 26 so betrieben, dass sie Laserimpulse 24 emittiert, die eine Pulsenergie von etwa 1 mJ (Millijoule) bis etwa 15 mJ, vorzugsweise zwischen etwa 3 mJ und etwa 8 mJ aufweisen, bei einer Impulslänge von etwa 0,5 Nanosekunden bis etwa 10 Nanosekunden. Bei dieser Betriebsart verstärkt der optische Verstärker 70 die Laserimpulse 24 etwa um einen Faktor 10, vorzugsweise etwa um einen Faktor 5 bezüglich ihrer Pulsenergie.
Sofern als Dotierstoff nicht in Neodym, sondern Ytterbium verwendet wird, beträgt die Dotierung des Wirtsmaterials (insbesondere YAG, GGG, GSGG, oder LuAG u. a.) des laseraktiven Festkörpers 44 vorzugsweise zwischen etwa 0,1 Atomprozent und etwa 20 Atomprozent, während seine Länge zwischen etwa 0,1 mm bis etwa 12 mm und sein Durchmesser zwischen etwa 1 mm und etwa 5 mm beträgt.
Ein entsprechender passiver Güteschalter 46 besteht wiederum aus Kristall, Keramik oder Glas, in der Regel Chrom-, Vanadium- oder Kobalt- dotiertes YAG, GGG, GSGG, Spinell. Der passive Güteschalter 46 besitzt in diesem Fall in der Regel eine Anfangstransmission von etwa 30% bis etwa 90% und ist bevorzugt wiederum einteilig mit dem laseraktiven Festkörper 44 verbunden, beispielsweise durch Bonden. Der Auskoppelspiegel des laseraktiven Festkörpers besitzt hierbei in der Regel eine Reflektivität von etwa 15% bis etwa 80% für die Wellenlänge der Laserimpulse 24.
Bei Ytterbium-dotierten Systemen weist der optische Verstärker 70 bevorzugt einen Durchmesser von etwa 1 mm bis etwa 5 mm auf und eine Länge von etwa 0,1 mm bis etwa 15 mm, wobei eine Dotierung von etwa 0,1 Atomprozent bis etwa 20 Atomprozent vorgesehen ist.
Bei einem Einfachdurchgang der Laserimpulse 24 ist der optische Verstärker 70 auf beiden optisch aktiven Facetten mit hochtransmittierenden Schichten für die Wellenlänge des Pumplichts 60b und die Wellenlängen der Laserimpulse 24 versehen. Bei einem Mehrfachdurchgang, insbesondere Zweiachdurchgang, ist eine Facette hochreflektierend für die Wellenlänge der Laserimpulse 24 beschichtet. Die Facetten des optischen Verstärkers 70 sind in der Regel parallel, können aber vorzugsweise auch antiparallel zueinander poliert werden, mit einem Winkel von bis zu etwa 2°.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006024678 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Zündeinrichtung (27) für eine Brennkraftmaschine (10), bei dem Laserimpulse (24) mittels einer Lasereinrichtung (26) erzeugt und mittels einem der Lasereinrichtung (26) optisch nachgeordneten optischen Verstärker (70) verstärkt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Verstärker (70) mit Pumplicht (60b) unterschiedlicher Intensität beaufschlagt wird, um jeweils eine entsprechende optische Verstärkung der Laserimpulse (24) zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lasereinrichtung (26) einen laseraktiven Festkörper (44) mit einer passiven Güteschaltung (46) aufweist und optisch gepumpt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung des optischen Verstärkers (70) mit Pumplicht unabhängig von dem optischen Pumpen der Lasereinrichtung (26) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Verstärker (70) in einer ersten Betriebsart mit Pumplicht einer ersten Intensität beaufschlagt wird, und dass der optische Verstärker (70) in einer zweiten Betriebsart mit Pumplicht einer zweiten Intensität beaufschlagt wird, die größer ist als die erste Intensität.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Verstärker (70) periodisch von der ersten in die zweite Betriebsart und wieder zurück in die erste Betriebsart wechselt, insbesondere um während der zweiten Betriebsart ein Brennraumfenster (74) der Zündeinrichtung (27) abzureinigen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Betriebsart Laserimpulse (24) erzeugt werden, die eine Energiedichte von etwa 0,1 J/cm² bis etwa 6 J/cm², vorzugsweise von etwa 0,2 J/cm² bis etwa 3 J/cm², und/oder eine Leistungsdichte von etwa 0,1 GW/cm² bis etwa 6 GW/cm², vorzugsweise von etwa 0,2 GW/cm² bis etwa 3 GW/cm², aufweisen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserimpulse (24) so in den optischen Verstärker (70) eingestrahlt werden, dass ihr Strahlengang mindestens einfach, vorzugsweise jedoch mehrfach, gefaltet ist.
Zündeinrichtung (27) für eine Brennkraftmaschine (10), mit einer Lasereinrichtung (26) zur Erzeugung von Laserimpulsen (24) und mit einem der Lasereinrichtung (26) optisch nachgeordneten optischen Verstärker (70) zur Verstärkung der Laserimpulse (24), dadurch gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung (27) dazu ausgebildet ist, den optischen Verstärker (70) mit Pumplicht unterschiedlicher Intensität zu beaufschlagen, um jeweils eine entsprechende optische Verstärkung der Laserimpulse (24) zu bewirken.
Zündeinrichtung (27) nach Anspruch 7, wobei die Lasereinrichtung (26) einen laseraktiven Festkörper (44) mit einer passiven Güteschaltung (46) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Verstärker (70) unabhängig von der Lasereinrichtung (26) mit Pumplicht beaufschlagbar ist.
Zündeinrichtung (27) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Verstärker (70) im wesentlichen Zylinderform aufweist, und dass Pumplicht (60b) zum optischen Pumpen des optischen Verstärkers (70) und/oder die zu verstärkenden Laserimpulse (24) auf eine Mantelfläche (70a) des optischen Verstärkers (70) einstrahlbar sind.