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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Brennkraftmaschine nach dem nebengeordneten Patentanspruch.
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Brennkraftmaschinen, die ein in einem Brennraum vorliegendes Luft-/Kraftstoffgemisch mittels einer Vorkammer entzünden, sind bekannt. Die
DE 10 2006 018 973 A1 beschreibt eine Laserzündung in einer Vorkammer eines Verbrennungsmotors mit einer zentral angeordneten Laserzündeinrichtung.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Laserzündkerze nach Anspruch 1 sowie durch eine Brennkraftmaschine nach dem nebengeordneten Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß weist die Vorkammer der Laserzündkerze mindestens zwei Überströmkanäle auf, welche hinsichtlich ihres radialen Abstands von einer Längsachse der Vorkammer und/oder ihres axialen Abstands von einem brennraumzugewandten Endbereich der Vorkammer und/oder ihrer Ausrichtung und/oder ihrer Geometrie unsymmetrisch angeordnet sind in Bezug auf die Längsachse der Vorkammer.
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Dies trägt der Tatsache Rechnung, dass Laserzündkerzen zusammen mit der zugehörigen Vorkammer häufig nicht genau koaxial zu einer Längsachse eines Zylinders bzw. darin ausgebildeten Brennraums angeordnet sind. Dadurch ergeben sich bei herkömmlichen Systemen nachteilig unterschiedliche Weglängen für die aus der Vorkammer austretenden Zündfackeln in Richtung von Wandabschnitten des Zylinders bzw. Brennraums und eine dementsprechend suboptimale Entflammung. Mittels der erfindungsgemäßen unsymmetrischen Anordnung der Überströmkanäle steht demgegenüber eine Vielzahl von Ausführungsformen von Überströmkanälen zur Verfügung, um eine Zündung des Kraftstoffs auch in herkömmlichen Brennkraftmaschinen mit unsymmetrischer Einbaulage der Zündkerze gleichmäßiger durchzuführen. Vereinfacht kann gesagt werden, dass durch die erfindungsgemäße Merkmalskombination die Längen der Zündfackeln an die Weglängen zwischen der Vorkammer und den Wandabschnitten des Brennraums mittels einer spezifischen Ausgestaltung der Überströmkanäle angepasst werden.
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Vorzugsweise bilden die Laserzündkerze und die Vorkammer eine bauliche Einheit. Es ist erfindungsgemäß jedoch ebenso möglich, die Laserzündkerze und die Vorkammer als getrennte Elemente vorzusehen.
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Die erfindungsgemäße Laserzündkerze hat den Vorteil, dass aus ihrer Vorkammer Zündfackeln derart unterschiedlich austreten können, dass trotz unterschiedlicher Weglängen zwischen der Laserzündkerze bzw. der Vorkammer und eines gegenüberliegenden Wandabschnitts des Brennraums ein gleichmäßiger Durchbrand eines Kraftstoffs bzw. Kraftstoffgemisches ermöglicht wird. Die Brenndauer kann reduziert werden, woraus sich ein besserer Wirkungsgrad ergibt. Die Wärmeverluste des Brennraums und eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine können vermindert werden, indem ein schnellerer Durchbrand erreicht wird, wobei das Endgas weniger Zeit hat, sich selbst zu entzünden.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens zwei Überströmkanäle unsymmetrisch in Bezug auf einen radialen Abstand zu der Längsachse der Vorkammer und/oder in Bezug auf einen axialen Abstand zu einem brennraumzugewandten Endbereich der Vorkammer angeordnet sind. Damit können vorteilhaft durch eine jeweilige konstruktive Anordnung eines oder mehrerer Überströmkanäle in einer Wandung der Vorkammer Eigenschaften der Zündfackeln an den Brennraum des Zielsystems angepasst werden.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens zwei Überströmkanäle hinsichtlich ihrer Ausrichtung in Bezug auf die Längsachse der Vorkammer unsymmetrisch angeordnet sind. Beispielsweise können Längsachsen der Überströmkanäle oder Flächennormalen einer Außenöffnung der Überströmkanäle jeweils unterschiedliche Winkel zur Längsachse der Vorkammer aufweisen: Entsprechend weisen die aus der Vorkammer austretenden Zündfackeln bezüglich der Längsachse der Vorkammer unsymmetrisch in verschiedene Raumrichtungen des Brennraums. Damit können entsprechend unsymmetrisch gerichtete Zündfackeln erzeugt werden und so die Laserzündkerze bzw. die Vorkammer an eine vorliegende Unsymmetrie des Brennraums bzw. einer Einbaulage der Laserzündkerze oder der Vorkammer vorteilhaft angepasst werden.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens zwei Überströmkanäle hinsichtlich ihrer Geometrie unsymmetrisch in Bezug auf die Längsachse der Vorkammer angeordnet und/oder ausgebildet sind. Damit können die Überströmkanäle beispielsweise in Bezug auf ihre Querschnittsform oder ihren Durchmesser bzw. ihre Querschnittsfläche oder ein Verhältnis ihrer axialen Länge und ihrer Querschnittsfläche optimiert werden. Allgemein nimmt ein Impuls einer Zündfackel und entsprechend eine erreichbare Fackellänge mit einer größeren Querschnittsfläche des Überströmkanals zu. Die maximal erreichbare Fackellänge hängt außerdem von einem Druck und einer Temperatur im Brennraum ab, sowie von einem Kraftstoff-Luft-Gemisch. Dieser Zusammenhang kann bevorzugt aus Messgrößen bzw. durch Berechnungen mittels einer Brennverlaufsanalyse und/oder Simulationen ermittelt werden.
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Weiterhin schlägt die Erfindung vor, dass ein Querschnitt mindestens eines Überströmkanals entlang einer Längsachse des Überströmkanals unterschiedliche Querschnittsflächen und/oder Querschnittsformen aufweist. Damit werden weitere Varianten vorgestellt, um eine Länge einer Zündfackel erfindungsgemäß einzustellen und die Arbeitsweise der Laserzündkerze zu verbessern. Beispielsweise kann die Querschnittsform eines oder mehrerer Überströmkanäle zumindest abschnittsweise kreisförmig, elliptisch oder rechteckig sein. Ebenso können die Querschnittsflächen der Überströmkanäle und/oder die Querschnittsformen entlang der Längsachse des Überströmkanals nahezu beliebig variieren. Sofern ein Überströmkanal keine gerade gerichtete Längsachse aufweist, kann unter der ”Längsachse” eine räumlich gekrümmte Linie verstanden werden, welche durch jeweilige Schwerpunkte der Querschnittsflächen verläuft.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mindestens ein Überströmkanal im wesentlichen die Geometrie eines Kegels aufweist. Damit ist vorteilhaft auf einfache Weise eine Möglichkeit gegeben, nach der Art einer Düse eine sich ergebende Ausformung der Zündfackeln zu beeinflussen.
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Die Laserzündkerze ist vielseitiger einsetzbar, wenn die Überströmkanäle mindestens teilweise zueinander unterschiedliche Geometrien aufweisen. Damit ist es besonders einfach möglich, die Ausformung der Zündfackeln untereinander noch besser abzustimmen.
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Eine Dimensionierung der Überströmkanäle ist besonders einfach zu erreichen, wenn eine zweite Querschnittsfläche Qn mindestens eines zweiten Überströmkanals bestimmt wird in Abhängigkeit von einer ersten Querschnittsfläche Q1 eines ersten Überströmkanals und einer zweiten Weglänge Wn ausgehend von der Vorkammer entlang einer Langsachse des zweiten Überströmkanals bis zu einem zweiten Wandabschnitt einer Brennraumwand, der dem zweiten Überströmkanal in Einbaulage der Laserzündkerze in einer Brennkraftmaschine gegenüberliegt, und einer ersten Weglänge W1 ausgehend von der Vorkammer entlang einer Längsachse des ersten Überströmkanals bis zu einem ersten Wandabschnitt der Brennraumwand, der dem ersten Überströmkanal in Einbaulage der Laserzündkerze in der Brennkraftmaschine gegenüberliegt. Damit können mehrere oder auch alle Überströmkanäle der Vorkammer nach vorliegenden mechanischen Größen voneinander abhängig gestaltet und somit besser aufeinander abgestimmt sein. Die Weglängen W1 und Wn werden vorzugsweise ausgehend von einer Außenöffnung des Überströmkanals bestimmt, so dass eine Wanddicke der Vorkammer hierfür unerheblich ist.
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Insbesondere schlägt die Erfindung vor, dass ein Quotient aus der zweiten Querschnittsfläche Qn und der ersten Querschnittsfläche Q1 im Wesentlichen proportional ist zu einem Quotienten aus der zweiten Weglänge Wn und der ersten Weglänge W1. Damit kann vorteilhaft eine Formel zur Berechnung der Querschnittsflächen der Überströmkanäle angegeben werden, wobei ein beliebiger der in der Vorkammer angeordneten Überströmkanäle mit seiner Querschnittsfläche Q1 und seiner Weglänge W1 eine Referenz zur Berechnung der übrigen Überströmkanäle darstellt.
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Die Formel lautet also: Qn = Q1·(Wn/W1), worin Qn bzw. Wn jeweils die Werte eines beliebigen der übrigen Überströmkanäle darstellen.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die zweite Querschnittsfläche Qn gemäß der Gleichung Qn = Q1·(Wn/W1)^k abhängt von der ersten Querschnittsfläche Q1, der ersten und zweiten Weglänge W1, Wn, und von einer Zahl k, wobei k >= 0. Die Zahl k stellt einen Exponenten dar. Die Gleichung lautet in einer anderen Schreibweise also: Qn = Q1·( Wn / W1)k
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Damit kann vorteilhaft ein proportionaler (k = 1), progressiver (k > 1) oder degressiver (0 < k < 1) Zusammenhang zwischen dem Quotienten aus der zweiten und der ersten Querschnittsfläche Qn, Q1 einerseits und dem Quotienten aus der zweiten und der ersten Weglänge Wn, W1 andererseits hergestellt werden.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass im Falle einer kegelförmigen Geometrie eines Überströmkanals der Kegel sich zu einer Außenoberfläche der Vorkammer hin öffnet. Dies ist besonders sinnvoll, wenn eine Außenöffnung des Überströmkanals entlang der Längsachse des Überströmkanals – in Einbaulage der Laserzündkerze in der Brennkraftmaschine – näher an einer Wandfläche des Brennraums (Brennraumwand) angeordnet ist, als dies im Durchschnitt der übrigen Überströmkanäle jeweils der Fall ist. Damit kann die aus der Vorkammer austretende Zündfackel aufgeweitet werden, wobei sie in ihrer Austrittsrichtung an Wirkung verliert.
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In umgekehrter Weise wird vorgeschlagen, dass der Kegel sich zu einer Innenoberfläche der Vorkammer hin öffnet. Dies ist besonders sinnvoll, wenn eine Außenöffnung des Überströmkanals entlang der Längsachse des Überströmkanals – in Einbaulage der Laserzündkerze in der Brennkraftmaschine – weiter von einer Wandfläche des Brennraums (Brennraumwand) entfernt ist, als dies im Durchschnitt der übrigen Überströmkanäle jeweils der Fall ist. Damit kann die aus der Vorkammer austretende Zündfackel sozusagen gebündelt werden, wobei sie in ihrer Austrittsrichtung an Wirkung zunimmt, sich ihre Länge in Ausbreitungsrichtung mithin vergrößert.
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Eine weitere Ausgestaltung der Laserzündkerze sieht vor, dass eine Querschnittsfläche mindestens eines Überströmkanals bis zu 10 Quadratmillimeter beträgt. Als ein grober Anhaltswert für Überströmkanäle mit kreisförmigem Querschnitt ergibt sich, dass bis zu einem Kanaldurchmesser von in etwa 3 Millimetern die Fackellänge einer durchtretenden Zündfackel zunimmt. Daraus resultiert, dass ein Durchmesserbereich der Überströmkanäle bis zu in etwa 3 Millimetern besonders sinnvoll ist. Dies entspricht in etwa einer Querschnittsfläche von 7 Quadratmillimetern. Insbesondere kann – abhängig von einer konkreten Bauart einer Brennkraftmaschine – ein Durchmesser der Überströmkanäle von in etwa 1,2 Millimetern bis in etwa 2 Millimetern besonders geeignet sein.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass ein Verhältnis einer Fläche einer Innenöffnung des Überströmkanals zu einer Fläche einer Außenöffnung des Überströmkanals zwischen 1:10 und 10:1 beträgt. Für Überströmkanäle mit kreisförmigem Querschnitt ergibt sich, dass ein Verhältnis der Öffnungen entsprechend zwischen etwa 1:3,16 und etwa 3,16:1 beträgt. Dies ist ein besonders geeigneter Bereich, um Überströmkanäle mit unterschiedlichen Flächen der Innenöffnung und der Außenöffnung auszuführen.
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Die Erfindung berücksichtigt bei einer weiteren Ausführungsform ferner, dass ein Längsschnitt mindestens eines Überströmkanals wenigstens abschnittsweise Parabelform oder Hyperbelform aufweisen kann. Solche Geometrien lassen sich besonders gut mit kegelförmigen Geometrien kombinieren, das heißt, es können für einen Überströmkanal jeweils strömungstechnisch sinnvolle Übergänge zwischen diesen Geometrien ausgeführt werden.
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Bei einer weiteren Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass die Vorkammer mehrere in einer Vorkammerwand radial umlaufend angeordnete Überströmkanäle aufweist, welche zueinander unterschiedliche Querschnittsflächen und/oder Geometrien aufweisen. Damit wird eine besonders vielseitige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ermöglicht. Insbesondere können in alle geeigneten Raumrichtungen des Brennraums Überströmkanäle angeordnet bzw. ausgerichtet sein, wobei außerdem durch unterschiedliche Querschnittsflächen bzw. Geometrien die Ausformungen der Zündfackeln individuell ausgeführt werden können.
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Es versteht sich, dass die beschriebenen Ausgestaltungen vorteilhaft auch miteinander kombiniert werden können.
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Die erfindungsgemäße Laserzündkerze kann alternativ eine Vorkammer aufweisen, welche nur einen einzigen Überströmkanal umfasst. Sinngemäß sieht die Erfindung daher vor, dass der einzige Überströmkanal in verschiedene Richtungen des Brennraums ausgerichtet sein kann, wobei er insbesondere nicht koaxial zur Längsachse der Vorkammer ausgerichtet ist. Damit kann unter anderem erreicht werden, dass eventuelle Schmutzpartikel oder Öltropfen nur bedingt aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer, und dort insbesondere auf ein Brennraumfenster, gelangen. Vorzugsweise ist der einzige Überströmkanal so ausgerichtet, dass er – in Einbaulage der Laserzündkerze in der Brennkraftmaschine – in die Richtung eines vergleichsweise fernen Wandabschnitts des Brennraums weist. Ergänzend kann seine Geometrie nach den Ausgestaltungen der oben beschriebenen mindestens zwei Überströmkanäle ausgeführt sein. Beispielsweise kann die Querschnittsfläche und/oder die Querschnittsform entlang der Längsachse des Überströmkanals unterschiedlich sein, um mit der aus dem einzigen Überströmkanal austretenden Zündfackel den Brennraum möglichst gleichmäßig auszufüllen, wobei die jeweiligen Weglängen zwischen der Außenöffnung des Überströmkanals und Wandabschnitten des Brennraums sinngemäß zu den zuvor beschriebenen Anordnungen berücksichtigt werden.
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Eine wichtige Ausgestaltung der Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer Laserzündkerze, bei welcher die Überströmkanäle der Vorkammer hinsichtlich ihres radialen Abstands von einer Längsachse der Vorkammer und/oder ihres axialen Abstands von einem brennraumzugewandten Endbereich der Vorkammer und/oder ihrer Ausrichtung und/oder ihrer Geometrie so angeordnet sind, dass aus den Überströmkanälen austretende Zündfackeln des entflammten Kraftstoffs in Hauptausbreitungsrichtung der betreffenden Zündfackeln gelegene Wandabschnitte eines Brennraums im wesentlichen gleichzeitig erreichen. Insbesondere betrifft dies die von den Zündfackeln ausgehenden Flammenfronten, welche die Wandabschnitte des Brennraums vorzugsweise gleichzeitig erreichen sollen. Bedingt durch Strömungen im Brennraum sowie als Folge einer vorliegenden Temperaturverteilung und/oder eines eventuell inhomogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches erreichen die Flammenfronten häufig selbst bei einer ideal symmetrischen Brennraumgeometrie die Wandabschnitte zu unterschiedlichen Zeiten. Daher wird erfindungsgemäß bei der Ausgestaltung der Vorkammer in Bezug auf die Lage, die Anzahl, die Form und die Ausrichtung der Überströmkanäle nicht nur eine vorliegende Brennraumgeometrie, sondern auch die Strömungen und die Ausbreitung der Flammenfronten mit berücksichtigt. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer dreidimensionalen Computersimulation erfolgen. Auf diese Weise können mittels der erfindungsgemäßen Laserzündkerze Brennkraftmaschinen gleichmäßiger gezündet werden, indem ein in einem Zylinder bzw. seinem Brennraum gezündeter Kraftstoff einen gleichmäßigeren und insbesondere schnelleren Durchbrand erfährt, wodurch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine optimiert werden kann. Ebenso können Wärmeverluste in der Zylinderwand oder auch eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine reduziert werden.
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Es versteht sich, dass die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine entweder mit flüssigen oder mit gasförmigen Kraftstoffen betrieben werden kann, und dass die Brennkraftmaschine entweder hauptsächlich für einen mobilen Einsatz (Kraftfahrzeug) oder einen stationären Einsatz vorgesehen sein kann, beispielsweise als stationärer Großgasmotor.
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Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in den nachfolgenden Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 ein laserbasiertes Zündsystem für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze,
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2 einen brennraumzugewandten Endabschnitt einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze,
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3 einen brennraumzugewandten Endabschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in einer vergrößerten Darstellung;
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4 einen brennraumzugewandten Endabschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer Vielzahl von Ausgestaltungen von Überströmkanälen; und
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5 einen Querschnitt durch eine Vorkammer und eine Wand eines Brennraums einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt ein laserbasiertes Zündsystem für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Das Zündsystem verfügt über eine Pumplichtquelle 10, die beispielsweise einen Halbleiter-Diodenlaser aufweist, um Laserstrahlung zum optischen Pumpen einer Lasereinrichtung zu erzeugen. Die von der Pumplichtquelle 10 erzeugte Laserstrahlung wird aber eine Lichtleitereinrichtung 12 an eine in einer Laserzündkerze 14 integrierte Lasereinrichtung 16 weitergeleitet. Bei der Lasereinrichtung 16 kann es sich beispielsweise um einen laseraktiven Festkörper mit einer passiven Güteschaltung (nicht gezeigt) handeln, mit dem in an sich bekannter Weise Laserstrahlung bzw. Laserimpulse 20 hoher Leistung erzeugt werden können. Die Laserzündkerze 14 ragt in ihrer Einbaulage in der Brennkraftmaschine teilweise in einen in einem Zylinder 201 gebildeten Brennraum 200 bzw. in einen darin gebildeten Raumbereich 204 hinein und weist an ihrem in den Raumbereich 204 ragenden Abschnitt vier Überströmkanäle 51, 52, 53 und 54 auf. Diese sind zum Beispiel als Bohrungen mit unterschiedlichen Ausrichtungen und Durchmessern ausgeführt. In der 1 ist die Laserzündkerze 14 so ausgebildet, dass sie mit ihrem in den Brennraum 200 hinein ragenden Abschnitt eine Vorkammer 50 ausbildet. Die Vorkammer 50 stellt vorliegend also kein getrenntes Einzelteil dar, sondern ist in die Laserzündkerze 14 integriert. Es versteht sich, dass die Anzahl der Überströmkanäle nicht wie vorliegend vier betragen muss, sondern nahezu beliebig sein kann, wie in den nachfolgenden Figuren noch gezeigt werden wird.
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Die Lasereinrichtung 16 verfügt über eine Fokussieroptik 18 zur Fokussierung der Laserimpulse 20 auf einen in der Vorkammer 50 der Laserzündkerze 14 liegenden Zündpunkt ZP. Der Zündpunkt ZP liegt bevorzugt im Inneren der Vorkammer 50, d. h. nicht direkt im Bereich einer Innenoberfläche der Vorkammerwand. Der Zündpunkt ZP kann jedoch auch verhältnismäßig dicht an der Vorkammerinnenwand oder ggf. auch direkt darauf liegen. Ein Brennraumfenster 22 ist zwischen der Fokussieroptik 18 und der Vorkammer 50 angeordnet.
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Man erkennt aus 1, dass die Laserzündkerze 14 vorliegend nicht koaxial längs einer Längsachse 202 des Zylinders 201 bzw. des Brennraums 200 angeordnet ist, somit also unsymmetrisch im Brennraum 200 eingebaut ist. Der in der Zeichnung der 1 links der Vorkammer 50 befindliche Abschnitt 204a des Brennraums 200 ist somit kleiner als der in 1 rechts der Vorkammer 50 befindliche Abschnitt 204b des Brennraums 200. Die Überströmkanäle 53 und 54 weisen daher erfindungsgemäß einen größeren Querschnitt auf als die Überströmkanäle 51 und 52. Somit sind die aus den Überströmkanälen 53 und 54 austretenden Zündfackeln länger und können daher zu einem gleichmäßigeren Durchbrand des in dem Brennraum 200 befindlichen Kraftstoffs beitragen.
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Abweichend davon sieht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 14 vor, dass die Laserzündkerze 14 bzw. die Vorkammer 50 im wesentlichen koaxial zu der Längsachse 202 des Zylinders 201 bzw. des Brennraums 200 angeordnet ist, jedoch eine dem Brennraum 200 zugewandte Mulde eines Kolbensunsymmetrisch in Bezug auf die Längsachse 202 ausgebildet ist. Als Folge der unsymmetrischen Kolbenmulde ergibt sich somit eine faktische Unsymmetrie des Brennraums in Bezug auf die Vorkammer 50. Entsprechend können die obigen Beschreibungen sinngemäß auf diese Ausführungsform übertragen werden. Dies ist in der Zeichnung der 1 jedoch nicht mit dargestellt,
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Eine nochmals weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 14 sieht vor, dass die Vorkammer 50 in etwa bündig mit einem Wandabschnitt des Brennraums 200 abschließt. Die Überströmkanäle sind in dieser Ausführungsform auf einer Stirnfläche der Vorkammer 50 verteilt angeordnet. Dies ist in der 1 jedoch nicht mit dargestellt.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze 14, welche an einem Abschnitt eines Zylinderkopfes 203 angeordnet ist, in einer gegenüber der 1 vergrößerten Darstellung. Die Laserzündkerze 14 und der sie umgebende Brennraum 200 sind nur teilweise dargestellt. Die Überströmkanäle 51, 52, 53 und 54 sind vorliegend als Bohrungen bzw. Öffnungen ausgeführt, wobei deren Ausrichtungen durch in der Zeichnung dargestellte Längsachsen 51a, 52a, 53a, und 54a beschrieben sind. Die Laserzündkerze 14 und ebenso die an der Laserzündkerze 14 ausgebildete Vorkammer 50 bzw. eine Vorkammerwand 62 sind im wesentlichen radialsymmetrisch um eine Längsachse 60 ausgeführt.
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Man erkennt, dass die Überströmkanäle 51 und 54 in etwa gleiche Querschnitte aufweisen, wogegen der Querschnitt des Überströmkanals 53 größer ist. Der Überströmkanal 52 ist als eine kegelförmige Öffnung ausgeführt, welche sich zum Inneren der Vorkammer 50 öffnet.
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3 zeigt eine abermals vergrößerte Darstellung eines Endbereichs 64 der Vorkammer 50 der Laserzündkerze 14 in einer zu der 2 ähnlichen Ausführung. Vorliegend weist die Vorkammer 50 zwei Überströmkanäle 51 und 52 auf, welche jeweils kegelförmig ausgeführt sind. Der Überströmkanal 51 öffnet sich nach außen in Richtung des Brennraums 200, wogegen der Überströmkanal 52 sich nach innen in Richtung der Vorkammer 50 öffnet. Eine Außenöffnung 59a und eine Innenöffnung 59b sind am Beispiel des Überströmkanals 52 bezeichnet. Weiterhin sind eine Außenoberfläche 62a und eine Innenoberfläche 62b der Vorkammerwand 62 durch Bezugszeichen beschrieben.
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Der Überströmkanal 51 ist in Richtung eines vergleichsweise nahe gelegenen Wandabschnitts 200a des Zylinders 201 bzw. des Brennraums 200 entlang einer Weglänge W1 ausgerichtet und der Überströmkanal 52 ist in Richtung eines vergleichsweise fernen Wandabschnitts 200b des Zylinders 201 bzw. des Brennraums 200 entlang einer Weglänge Wn ausgerichtet. Aus zeichnerischen Gründen sind die Weglängen W1 und Wn in der 3 nicht maßstabsgetreu dargestellt. Ebenso sind die Wandabschnitte 200a und 200b nur schematisch dargestellt, wobei es sich versteht, dass die Wandabschnitte 200a und 200b nicht notwendig die in der Zeichnung willkürlich gewählte Ausrichtung aufweisen müssen.
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4 zeigt eine Auswahl von Varianten von Überströmkanälen. Die Laserzündkerze 14 und der Zylinderkopf 203 sind in der Zeichnung nur teilweise dargestellt. Die dargestellte Anordnung der Überströmkanäle 51, 52, 53, 54, 55, 56 und 57 samt ihren Längsachsen 51a, 52a, 53a, 54a, 55a, 56a und 57a stellt eine Vielzahl von Möglichkeiten dar, wobei die in der 4 gezeichneten Kombinationen nur beispielhaft sind und in der gezeigten Anordnung nicht notwendig auch sinnvoll sein müssen.
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Vorliegend sind alle sieben Überströmkanäle als Bohrungen ausgeführt. Der Überströmkanal 52 weist eine Querschnittsfläche Q1 auf und die Überströmkanäle 53, 54, 56 und 57 weisen zum Teil davon abweichende Querschnittsflächen Qn auf. Der Überströmkanal 52 dient beispielsweise als Referenz zur Bemessung der Querschnitte Qn der Überströmkanäle 53, 54, 56 und 57, entsprechend einer der folgenden Formeln: Qn = Q1·(Wn/W1), oder Qn = Q1·(Wn/W1)^k, mit Weglängen W1 und Wn (in der 4 nicht dargestellt) entlang der Längsachsen 52a, 53a, 54a, 56a und 57a zwischen den Überströmkanälen 52, 53, 54, 56 und 57 und (nicht dargestellten) Wandabschnitten des Zylinders 201 bzw. des Brennraums 200. Dabei ist die Zahl k ein Exponent (k >= 0). Vorliegend werden die Bezeichnungen Q1, Qn, W1 und Wn sowohl als Formelbuchstaben als auch als Bezugszeichen gleichbedeutend verwendet.
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Die obigen Formeln stellen eine besonders geeignete Methode dar, um die Querschnittsflächen der Überströmkanäle zu bemessen. Davon abweichend können selbstverständlich auch andere Werte für die Querschnittsflächen sinnvoll sein.
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Weiterhin weisen die Überströmkanäle 51 und 52 einen anderen radialen Abstand R1 zu der Längsachse 60 der Laserzündkerze 14 auf als der Überströmkanal 54, welcher einen radialen Abstand R2 aufweist. Außerdem weist der Überströmkanal 52 einen anderen axialen Abstand A1 zu dem Endbereich 64 der Laserzündkerze 14 auf als der Überströmkanal 57, welcher einen axialen Abstand A2 aufweist. Ebenso ist der Überströmkanal 53 gegen die Längsachse 60 mit einem Winkel Alfa ausgerichtet, und der Überströmkanal 54 mit einem etwas kleineren Winkel Beta. Die Überströmkanäle 51 und 55 sind kegelförmig ausgeführt ähnlich dem in der 3 gezeigten Beispiel.
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5 zeigt einen axialen Querschnitt durch eine Vorkammer 50 sowie durch eine Wand des Zylinders 201. Dabei ist die Schnittebene so gewählt, dass vier Überströmkanäle 51 bis 54 axial mittig geschnitten und somit sichtbar sind. In der 5 sind ergänzend die zugehörigen vier Längsachsen 51a bis 54a eingezeichnet.
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Eine zu der 5 vergleichbare Darstellung ergibt sich auch bei Verwendung einer zu der Längsachse 202 unsymmetrisch ausgebildeten Kolbenmulde. Dies wird vorliegend jedoch nicht näher erläutert.
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Man erkennt, dass die Überströmkanäle 51 bis 54 entlang eines Umfangs der Vorkammerwand 62 nicht gleichmäßig verteilt sind. Der Überströmkanal 54 ist mit seiner Außenöffnung 59a auf einen Abschnitt 204a des Brennraums 200 ausgerichtet, und die Überströmkanäle 51 bis 53 sind mit ihrer Außenöffnung 59a auf einen Abschnitt 204b des Brennraums 200 ausgerichtet. Das Bezugszeichen 59a ist in der 3 näher erläutert. Dabei kann die ungleichmäßige Aufteilung der Überströmkanäle 51 bis 54 einen Durchbrand des in dem Brennraum 200 befindlichen Kraftstoffs verbessern, indem der kleinere Abschnitt 204a im wesentlichen von einem Überströmkanal 54 und der größere Abschnitt 204b im wesentlichen von drei Überströmkanälen 51 bis 53 entflammt werden kann.
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Ebenso kann daraus gefolgert werden, dass eine Querschnittsfläche des Überströmkanals 54 kleiner zu bemessen ist als die jeweiligen Querschnittsflächen der Überströmkanäle 51, 52 und 53, um eine Länge einer sich in Richtung der Längsachse 54a ausbreitenden Zündfackel zu begrenzen.
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Somit ist ergänzend zu den in den 1 bis 4 vorgestellten unsymmetrischen Anordnungen der Überströmkanäle 51 bis 57 im Hinblick auf ihren radialen und/oder axialen Abstand, ihre Ausrichtung und ihre Geometrie ein weiterer Freiheitsgrad durch eine unsymmetrische Anordnung der Überströmkanäle 51 bis 57 in der axialen Schnittebene gegeben. Dabei versteht es sich, dass die in den 1 bis 5 vorgestellten Beispiele auch vorteilhaft miteinander kombiniert werden können.
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Wie aus den 1 bis 5 erkennbar ist, setzen die darin vorgestellten Ausführungen voraus, dass die Laserzündkerze 14 gerichtet in dem Brennraum 200 bzw. Zylinder 201 eingebaut sein muss, wenn sie optimal wirken soll.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006018973 A1 [0002]
