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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
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Es sind Zündsysteme für Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen mittels einer Laserzündkerze ein in einem Brennraum vorhandenes Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird. Dabei kommt es darauf an, einen möglichst schnellen Durchbrand des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Brennraum zu erzielen, um einen geringen Kraftstoffverbrauch und verbesserte Klopfeigenschaften zu erreichen. Insbesondere bei stationären Gasmotoren, welche mittels einer herkömmlichen Hochspannungszündung arbeiten, ist es bekannt, zusätzlich eine Vorkammer zu einer schnelleren Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches vorzusehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Laserzündkerze, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Computerprogramm nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Verwendung einer Laserzündkerze, insbesondere bei gleichzeitiger Verwendung einer Vorkammer für die Laserzündkerze, die Zündung einer Brennkraftmaschine verbessern kann. Um einen optimalen Durchbrand des Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Brennraum der Brennkraftmaschine zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Laserzündkerze innerhalb eines Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine eine Mehrzahl zeitlich zueinander versetzter Laserzündimpulse auf einen innerhalb der Vorkammer liegenden Zündort einstrahlt.
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Dabei wird berücksichtigt, dass eine Zündung häufig bereits dann erfolgt, während sich ein Kolben der Brennkraftmaschine noch in einer Aufwärtsbewegung befindet. In diesem Zustand wird das in dem Brennraum befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch (Gemisch) zunehmend verdichtet, wobei ein Anteil des Gemisches in die Vorkammer mittels dort vorhandener Überströmbohrungen hinein gedrückt wird. Wenn in diesem Zustand eine erste Zündung durch die Laserzündkerze erfolgt, so wird ein dadurch erzeugter Flammenkern in der Strömungsrichtung des in die Vorkammer einströmenden Gemisches verschoben. Der sich vergrößernde Flammenkern bzw. das zugehörige Flammenkernzentrum kann dabei also von dem Zündort wenigstens zeitweise wegbewegt werden. Abhängig von den jeweiligen Strömungsverhältnissen kann dadurch am Zündort der Laserzündkerze erneut ein zündfähiges Gemisch vorliegen. Der Zündort der Laserzündkerze ist dabei jener Punkt, an welchem die von der Laserzündkerze ausgesandte Lichtenergie (Laserzündimpuls) mit einer hohen Energiedichte gebündelt vorliegt. Auf diese Weise können die Strömungsverhältnisse in der Vorkammer vorteilhaft dazu benutzt werden, mehr als einen Flammenkern zu entzünden, und dadurch das in der Vorkammer und damit auch in dem Hauptbrennraum befindliche Gemisch besonders rasch zu entzünden.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es also, dass mittels einer Laserzündkerze ein besonders schneller Durchbrand in der Vorkammer und in dem Brennraum der Brennkraftmaschine erzielt werden kann, wobei ein Kraftstoffverbrauch gesenkt und eine Klopfempfindlichkeit der Brennkraftmaschine verbessert werden kann.
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Es versteht sich, dass es – je nach Betriebsart der Brennkraftmaschine – auch ausreichend sein kann, lediglich einen einzelnen Laserzündimpuls der Laserzündkerze während eines Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine abzugeben, um das in dem Brennraum befindliche Gemisch zu zünden. D. h., es ist auch möglich, das erfindungsgemäße Betriebsverfahren mit den mehreren Laserzündimpulsen nur in manchen Betriebsarten der Brennkraftmaschine auszuführen.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Anzahl der Laserzündimpulse und/oder ein zeitlicher Abstand zwischen mindestens zweien der Laserzündimpulse zwischen verschiedenen Arbeitszyklen der Brennkraftmaschine verändert wird. Damit wird vorteilhaft eine Möglichkeit geschaffen, auf den Zündvorgang einen erheblichen Einfluss zu nehmen und somit den Betrieb der Laserzündkerze und der Brennkraftmaschine zu verbessern, ohne dass ein zusätzlicher baulicher Aufwand erforderlich wäre. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Laserzündimpulsen bzw. der sich – aufgrund der Strömungsverhältnisse in der Vorkammer – daraus ergebende örtliche Abstand zwischen den erzeugten Flammenkernen kann in Abhängigkeit der Größe der Vorkammer gewählt werden. Grundsätzlich kann es von Vorteil sein, wenn die erzeugten Flammenkerne eine Wandung der Vorkammer – oder die Flammenkerne sich gegenseitig – so spät wie möglich berühren, um damit die Brenndauer in der Vorkammer und im Hauptbrennraum so kurz wie möglich zu halten. Daraus folgt, dass der Abstand der Laserzündimpulse und der damit erzeugten Flammenkerne entsprechend groß gewählt werden sollte.
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Die Einflussnahme auf die Anzahl und den zeitlichen Abstand der Laserzündimpulse kann beispielsweise erfolgen, indem ein Pumpstrom zum Betrieb der Laserzündkerze bzw. eine Leistung eines Pumpimpulses verändert werden. Dabei kann etwa ein Güteschalter eines Festkörperlasers der Laserzündkerze zu einem mehrfachen Durchbrechen veranlasst werden. Ebenfalls lässt sich durch eine dynamische Veränderung der Leistung des Pumpimpulses auch der zeitliche Abstand der erzeugten Laserzündimpulse verändern.
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Bei Brennkraftmaschinen, die beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden und folglich dynamisch beansprucht werden, kann es vorteilhaft sein, wenn die Anzahl der Laserzündimpulse und/oder der zeitliche Abstand zwischen diesen wie beschrieben Verändert wird. Dagegen kann es bei stationär betriebenen Brennkraftmaschinen genügen, die Anzahl der Laserzündimpulse und/oder den zeitlichen Abstand zwischen diesen einmalig einzustellen und während eines Betriebs nicht zu verändern.
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Erfindungsgemäß wird dazu vorgeschlagen, dass die Anzahl der Laserzündimpulse und/oder der zeitliche Abstand zwischen zwei Laserzündimpulsen in Abhängigkeit von mindestens einer der folgenden Größen gewählt wird: einer Gemischzusammensetzung eines Kraftstoffs am Zündort; einem Ladedruck an einem Einlass eines Zylinders der Brennkraftmaschine; einem Gasdruck in dem Zylinder der Brennkraftmaschine; einer Drehzahl der Brennkraftmaschine; einer Lastsituation der Brennkraftmaschine; einem Drehmoment der Brennkraftmaschine; einer Größe eines Abgases der Brennkraftmaschine, insbesondere einer Abgastemperatur und/oder der Luftzahl lambda; einer Temperatur eines Brennraums; einer Strömungsgeschwindigkeit der Gemischzusammensetzung in der Vorkammer; einer Geometrie der Vorkammer; und/oder einem Ort eines Flammenkernzentrums. Dabei handelt es sich bevorzugt um solche Größen, die an der Brennkraftmaschine vergleichsweise einfach, z. B. messtechnisch, ermittelt oder auch eingestellt werden können, und die auf die Strömungsgeschwindigkeit und/oder die Gemischzusammensetzung in der Vorkammer bzw. am Zündort wirken. Dadurch kann ein Bezug zur erforderlichen Anzahl und zu den zeitlichen Abständen zwischen den zu erzeugenden Laserzündimpulsen hergestellt werden, mit dem Ziel, eine in der Vorkammer erforderliche Drucküberhöhung an einen Bedarf der Brennkraftmaschine in einem aktuellen Betriebspunkt anzupassen. Dabei kann es ein Ziel sein, eine möglichst große Drucküberhöhung mit kurzen Brenndauern zu erreichen.
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Auf diese Weise kann das Verfahren vorteilhaft dynamisch an den Betrieb der Brennkraftmaschine angepasst werden. Der Abstand zwischen mindestens zweien der zeitlich aufeinander folgenden Laserzündimpulse wird also passend zu aktuellen Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine verändert. Dabei ist bevorzugt eine jeweilige Zündenergie eines einzelnen Laserzündimpulses im Wesentlichen gleich zu den übrigen, wobei jeweils diese Zündenergie hoch genug sein muss, um das am Zündort befindliche Gemisch zu zünden. Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, die Laserzündimpulse mit unterschiedlichen Zündenergien zu erzeugen, was gegebenenfalls bei plasmabildenden Vorzündungen von Vorteil sein kann.
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Beispielsweise kann eine Gemischzusammensetzung des Kraftstoffs am Zündort ermittelt werden oder mithilfe eines Modells berechnet werden, und so ein Kriterium gewonnen werden, um einen Zeitpunkt für einen folgenden Zündimpuls der Laserzündkerze am Zündort zu ermitteln. Weiterhin kann ein Ladedruck an einem Einlass eines Zylinders der Brennkraftmaschine ermittelt werden und abhängig von dem ermittelten Ladedruck eine Zeitspanne zwischen zwei Zündimpulsen bestimmt werden. Ebenfalls kann ein Gasdruck in dem Zylinder der Brennkraftmaschine ausgewertet werden, um den zeitlichen Abstand zwischen mindestens zweien der Zündimpulse zu bestimmen. Ergänzend ist eine Drehzahl der Brennkraftmaschine geeignet, die Zündung der erfindungsgemäßen Laserzündkerze zu beeinflussen. Weiterhin kann eine Lastsituation, ein Drehmoment, oder eine Größe eines Abgases der Brennkraftmaschine als Kriterium herangezogen werden, um den zeitlichen Abstand zwischen mindestens zweien der Zündimpulse der Laserzündkerze zu ermitteln. Ebenso kann dies in Abhängigkeit von einer Temperatur des Brennraums erfolgen.
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Insbesondere ist auch eine Strömungsgeschwindigkeit der Gemischzusammensetzung in der Vorkammer ein sehr geeignetes Kriterium, um den zeitlichen Abstand zwischen zwei Zündimpulsen zu bestimmen. Entsprechend der Strömung des Gemisches während der Aufwärtsbewegung des Kolbens und entsprechend einer Geschwindigkeit einer Ausbreitung des von der Laserzündkerze in der Vorkammer erzeugten Flammenkernes verändert das zugehörige Flammenkernzentrum seine Lage innerhalb der Vorkammer. Entsprechend einer Formel Zeit = Abstand/Geschwindigkeit kann nun eine zeitliche Differenz zwischen zwei aufeinander folgenden Laserzündimpulsen angegeben werden. Darin ist die ”Geschwindigkeit” jene Geschwindigkeit, mit welcher sich ein jeweils vorher erzeugter Flammenkern von dem Zündort entfernt. Diese Geschwindigkeit wird wesentlich auch von einer Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches beeinflusst. Beispielsweise kann die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches zwischen 5 m/s und 15 m/s (Meter pro Sekunde) betragen. Bei einem gewünschten räumlichen Abstand zwischen zwei zeitlich nacheinander zu erzeugenden Flammenkernen von zum Beispiel 5 mm ergibt sich entsprechend der Formel ein zeitlicher Abstand von 1000 μs bis 333 μs (Mikrosekunden). Allgemein ist eine Strömungsgeschwindigkeit von 5 m/s bis 15 m/s besonders geeignet für eine sichere Entflammung des Gemisches.
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Weiterhin kann es ein Anhaltswert sein, dass der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Laserzündimpulsen um so kleiner zu wählen ist, je stärker die Brennkraftmaschine aktuell belastet wird, das heißt auch, je höher die in der Vorkammer anzunehmende Strömungsgeschwindigkeit ist. Weiterhin kann als eine sinnvolle Randbedingung gelten, dass ein am Zündort aktuell vorhandenes Gemisch zu einem jeweiligen Zündzeitpunkt entflammbar sein sollte.
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Weiterhin kann der zeitliche Abstand zwischen zwei Zündimpulsen abhängig sein von einer Geometrie der Vorkammer oder des Hauptbrennraums. Beispielsweise ist kann es sinnvoll sein, den zeitlichen Abstand zwischen zwei Zündimpulsen auch von einer Größe der Vorkammer, z. B. deren Volumen, abhängig zu machen. Weiterhin kann ein Ort eines Flammenkernzentrums dazu herangezogen werden, um den zeitlichen Abstand zu einem jeweils nachfolgenden Zündimpuls vorzugeben.
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Es versteht sich, dass bei mehr als zwei zeitlich versetzten Zündimpulsen die zeitlichen Abstände zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Zündimpulsen nicht unbedingt gleich vorgegeben werden müssen. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, einen zeitlichen Abstand zwischen einem ersten und einem zweiten Zündimpuls größer zu wählen, als einen zeitlichen Abstand zwischen dem zweiten und einem dritten Zündimpuls, oder umgekehrt.
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Ergänzend kann vorgesehen sein, dass zur Ermittlung und/oder Bewertung der Größen sowie zur Ermittlung der Anzahl der Zündimpulse und/oder deren zeitlicher Abstände Kennlinien und/oder Kennfelder einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung verwendet werden. Damit kann die Vielzahl der die Zündung beeinflussenden Größen vorteilhaft mittels Kennfeldern oder Tabellen berücksichtigt werden, und es kann Rechenleistung gespart und es können Kosten gesenkt werden.
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Weiterhin schlägt die Erfindung vor, dass in einem Leerlaufbetrieb und/oder einem mager eingestellten Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine etwa zwei bis etwa fünf Zündimpulse während eines Arbeitszyklus erzeugt werden. Ebenso sieht die Erfindung vor, dass in einem Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine maximal etwa zwei Zündimpulse während eines Arbeitszyklus erzeugt werden Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass es einerseits ein erfindungsgemäßes Ziel sein kann, eine maximale Drucküberhöhung in der Vorkammer im Vergleich zu dem außerhalb der Vorkammer befindlichen Brennraum zu erreichen, andererseits aber auch eine Reduzierung der Drucküberhöhung in bestimmten Betriebszuständen vorteilhaft sein kann. Beispielsweise kann für eine sogenannte magere Volllast eines stationären Gasmotors die Zündung so ausgelegt werden, dass drei Zündimpulse abgegeben werden, wobei eine maximale Drucküberhöhung erreicht werden kann.
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In einem anderen Betriebsfall der Brennkraftmaschine kann es beispielsweise sinnvoll sein, einen verminderten Lambda-Wert des Abgases einzustellen. Dabei kann ein zu schneller Durchbrand des in dem Brennraum befindlichen Gemisches dazu führen, dass Glühzündungen oder Klopferscheinungen der Brennkraftmaschine auftreten. In diesem Fall kann es sinnvoll sein, die Anzahl der von der Laserzündkerze erzeugten Zündimpulse gegenüber einem Betriebsfall mit einem Lambda-Wert von in etwa eins zu vermindern. Dies kann beispielsweise aus Kennfeldern abgeleitet werden, welche in einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine abgelegt sind.
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Weiterhin kann in einem dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine in einem Leerlaufbetrieb eine Anzahl von drei oder vier Zündimpulsen optimal sein, während in einem Volllastbetrieb ein einzelner Zündimpuls ausreichend sein kann. Im zuletzt genannten Fall kann dadurch eine Reichweite von aus der Vorkammer austretenden Zündfackeln reduziert werden.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass ein folgender zweiter Zündimpuls dann erzeugt wird, wenn das von einem voran gegangenen ersten Zündimpuls erzeugte Flammenkernzentrum in Ausbreitungsrichtung zu einem Wandabschnitt der Vorkammer einen ersten Abstand a aufweist und zu dem Zündort (ZP) einen zweiten Abstand b aufweist, wobei ein Verhältnis des ersten Abstands a zu dem zweiten Abstand b etwa 1:5 bis etwa 5:1 beträgt. Damit wird vorteilhaft ein Bereich angegeben, welcher in Bezug auf eine Strömungsgeschwindigkeit des in der Vorkammer befindlichen Gemischs sowie in Bezug auf eine Geometrie bzw. Größe der Vorkammer besonders geeignet ist, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
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Außerdem wird eine Laserzündkerze vorgeschlagen, die zur Anwendung des Verfahrens geeignet ist, wobei die Vorkammer bevorzugt zu einer Längsachse eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist. Damit wird eine besonders einfache Form der Vorkammer angegeben, mittels welcher das Verfahren ausgeführt werden kann. Dadurch können Herstellkosten der Laserzündkerze bzw. der Vorkammer gesenkt werden.
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Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laserzündkerze sieht vor, dass die Vorkammer zu einer Längsachse der Laserzündkerze eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Form aufweist, wobei entlang einer ersten axialen Strecke ein Wandabschnitt der Vorkammer im Wesentlichen einen ersten Radius aufweist und entlang einer zweiten axialen Strecke ein Wandabschnitt der Vorkammer im Wesentlichen einen zweiten Radius aufweist. Dadurch wird eine besonders geeignete Ausgestaltung der Vorkammer der erfindungsgemäßen Laserzündkerze beschrieben. Die Vorkammer weist demnach im Wesentlichen zwei verschiedene Radien auf, wobei die Vorkammer insgesamt rotationssymmetrisch ausgeführt ist. Die Abschnitte der Vorkammer mit einem ersten Radius und einem zweiten Radius gehen beispielsweise stetig ineinander über. Beispielsweise weist der erste Wandabschnitt der Vorkammer, welcher dem Brennraum zugewandt ist, einen kleineren ersten Radius auf, als ein zweiter Wandabschnitt der Vorkammer, welcher dem Brennraum abgewandt ist und einen Radius aufweist. Dabei kann der dem Brennraum zugewandte Wandabschnitt der Vorkammer an seinem Ende eine beispielsweise halbkugelförmige Rundung umfassen. Insgesamt weist die Vorkammer damit eine in etwa birnenförmige Geometrie auf und ist zu einer Zündung durch mehrere zeitlich versetzte Zündimpulse besonders geeignet.
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Ergänzend sieht eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laserzündkerze vor, dass ein Verhältnis der ersten axialen Strecke zu der zweiten axialen Strecke etwa 1:2 bis etwa 2:1 beträgt und ein Verhältnis des ersten Radius zu dem zweiten Radius etwa 1:3 bis etwa 3:1 beträgt. Damit wird ein besonders geeigneter Wertebereich für die Abmessungen einer Vorkammer der erfindungsgemäßen Laserzündkerze beschrieben.
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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 eine erste Schnittansicht durch eine Vorkammer einer Laserzündkerze mit einem Zündort und drei zeitlich versetzt erzeugten Flammenkernen;
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2 eine zweite Schnittansicht der Vorkammer von 1 mit einem Zündort und einem ersten erzeugten Flammenkern;
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3 ein Zeitdiagramm mit einem Pumpimpuls und zwei Zündimpulsen der Laserzündkerze; und
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4 eine dritte Schnittansicht der Vorkammer von 1 mit zwei Zündorten und je drei erzeugten Flammenkernen.
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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 eine Schnittdarstellung einer Vorkammer 12 einer Laserzündkerze 10. Die Vorkammer 12 weist eine Längsachse 13 auf und ist in an sich bekannter Weise mit der Laserzündkerze 10 lösbar oder unlösbar verbunden. Die Laserzündkerze 10 ist in ebenfalls an sich bekannter Weise an einem Abschnitt eines nicht näher erläuterten Zylinderkopfs 14 im oberen Bereich der 1 angeordnet. Die Laserzündkerze 10 weist ein Brennraumfenster 16 auf, durch welches in Richtung eines Pfeils 18 gebündeltes Laserlicht in die Vorkammer 12 abgegeben wird. Das Laserlicht wird dabei auf einen Zündort ZP gebündelt. Das Laserlicht kann beispielsweise mittels eines gütegeschalteten Festkörperlasers direkt in der Laserzündkerze 10 erzeugt oder der Laserzündkerze 10 auch von einer entfernt angeordneten Laserquelle zugeführt werden. Zwei Linien 26a und 26b umschreiben einen Lichtkegel des ankommenden Laserlichts. Im in der Zeichnung unteren Bereich weist die Vorkammer 12 drei in etwa gleichartige Überströmbohrungen 20 auf. Weitere Überströmbohrungen der Vorkammer 12 sind vorhanden, sind jedoch in der vorliegenden Schnittansicht nicht sichtbar.
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Im Betrieb, während ein in einem in der 1 nicht bezeichneten Brennraum befindliches Kraftstoff-Luft-Gemisch (Gemisch) durch einen sich aufwärts bewegenden Kolben (nicht dargestellt) verdichtet wird, kann entsprechend den Pfeilen 22 ein Gemisch von dem Brennraum in das Innere der Vorkammer 12 eintreten. Das in Pfeilrichtung des Pfeils 18 in die Vorkammer 12 eintretende Laserlicht wird auf den Zündort ZP fokussiert und kann einen Teil des in der Vorkammer 12 befindlichen Gemischs zünden. In diesem Zustand dringt üblicherweise weiterhin ein Gemisch durch die Überströmbohrungen 20 entsprechend den Pfeilen 22 in die Vorkammer 12 ein. Dadurch wird – in der Zeichnung der 1 – eine Fluidströmung nach oben hergestellt.
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Ein am Zündort ZP durch einen Laserzündimpuls 34 erzeugter Flammenkern bewegt sich entsprechend der Strömungsrichtung des weiterhin einströmenden Gemischs in der Zeichnung der 1 nach oben. Zugleich vergrößert er seinen Durchmesser stetig. Näherungsweise besitzt der Flammenkern wenigstens zunächst eine in etwa kugelförmige Gestalt. In der Zeichnung der 1 sind ausgehend von dem Zündort ZP beispielhaft drei Flammenkerne 24a, 24b und 24c eingetragen. Dabei beschreiben die in der 1 gezeichneten Flammenkerne 24a bis 24c entweder eine zeitliche Ausbreitung eines einzelnen, im Zündort ZP erzeugten Flammenkerns, oder ebenso gut eine gleichzeitige Anordnung von erfindungsgemäß drei zeitlich nacheinander erzeugten Flammenkernen 24a bis 24c.
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Man erkennt, wie durch die Erzeugung von drei Flammkernen sich ein entsprechend größeres Volumen des Gemischs vorteilhaft – also kürzer bzw. schneller – entzünden lässt, so dass sich eine maximierte Drucküberhöhung in der Vorkammer in Bezug auf den Brennraum und ein entsprechend schnellerer Durchbrand des Gemischs ergeben kann und daraus folgend ein Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine sowie eine Klopfneigung gesenkt werden kann.
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Die 2 zeigt eine zu der 1 gleiche Vorkammer 12. Dargestellt und auf die Längsachse 13 bezogen sind ein Radius R1 für eine in der Zeichnung der 2 erste axiale Strecke 28 der Vorkammer 12 und ein Radius R2 für eine in der Zeichnung zweite axiale Strecke 30 der Vorkammer 12. Vorliegend beträgt ein Verhältnis des Radius R1 zum Radius R2 etwa 1:3.
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In 2 dargestellt ist ein Augenblick, in welchem ein zeitlich vorher erzeugter Flammenkern mit seinem Flammenkernzentrum 24 sich bereits in der Zeichnung nach oben von dem Zündort ZP um einen zweiten Abstand b entfernt hat. Das Flammenkernzentrum 24 weist zu diesem Zeitpunkt zum Brennraumfenster 16 des Zylinderkopfs 14 einen ersten Abstand a auf. Vorliegend beträgt ein Verhältnis des ersten Abstands a zu dem zweiten Abstand b in etwa 1:2. Dabei ist der in der 2 gezeichnete Flammenkern der erste einer Folge von zwei zu erzeugenden Flammenkernen bzw. Zündimpulsen.
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Eingetragen ist in der 2 auch ein dritter Abstand c, der einen kleinsten Abstand zwischen dem Zündort ZP und einer Wandung 29 der Vorkammer 12 beschreibt. Der dritte Abstand c kann mit dazu herangezogen werden, einen Anhaltswert für die Bemessung des Abstands a und damit für die zeitliche Abfolge der Laserzündimpulse zu erhalten. Wichtig ist, dass die Flammkerne die Wandung 29 der Vorkammer 12 möglichst gleichzeitig und so spät wie möglich erreichen und somit ein schneller Durchbrand erzielt wird.
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Die Zeichnung der 2 zeigt zugleich jenen Augenblick, in welchem am Zündort ZP ein zweiter Flammenkern mit einem weiteren (nicht dargestellten) Flammenkernzentrum 24 erzeugt werden kann. Mittels des Verhältnisses aus den Abständen a zu b lässt sich also für den zweiten Laserzündimpuls ein geeigneter Zeitpunkt angeben. Dabei wird das Verhältnis a zu b vorteilhaft unter Berücksichtigung folgender Größen der Brennkraftmaschine ermittelt:
- – eine Gemischzusammensetzung eines Kraftstoffs am Zündort ZP;
- – ein Ladedruck an einem Einlass eines Zylinders der Brennkraftmaschine;
- – ein Gasdruck in dem Zylinder der Brennkraftmaschine;
- – eine Drehzahl der Brennkraftmaschine;
- – eine Lastsituation der Brennkraftmaschine;
- – ein Drehmoment der Brennkraftmaschine;
- – eine Größe eines Abgases der Brennkraftmaschine;
- – eine Temperatur eines Brennraums;
- – eine Strömungsgeschwindigkeit der Gemischzusammensetzung in der Vorkammer 12;
- – eine Geometrie der Vorkammer 12; und/oder
- – ein Ort eines Flammenkernzentrums 24.
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Auf diese Weise können eine Vielzahl von Betriebszuständen der Brennkraftmaschine dazu herangezogen werden, um eine jeweils optimale Anzahl und optimale zeitliche Abstände zwischen den Laserzündimpulsen der Laserzündkerze 10 vorzugeben.
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Die 3 zeigt ein Zeitdiagramm einer normierten Amplitude NA eines Laser-Pumpimpulses 32 und zwei daraus erzeugten Zündimpulsen 34 und 36, wie sie bei Beaufschlagung eines an sich bekannten passiv gütegeschalteten Lasersystems mit dem Pumpimpuls 32 entstehen. Dabei bezeichnet die Abszisse des dargestellten Koordinatensystems die Zeit t und die Ordinate die normierte Amplitude NA. Zu einem Zeitpunkt t0 wird ein Pumpimpuls 32 erzeugt, welcher in der 3 eine Zeitspanne tp aufweist. Nach Ablauf einer Zeit t1 wird, ausgehend von dem Zeitpunkt t0, ein erster Laserzündimpuls 34 erzeugt. Nach Ablauf einer Zeit t2 wird ein zweiter Laserzündimpuls 36 erzeugt. Die Laserzündimpulse 34 und 36 weisen vorliegend also einen zeitlichen Abstand dt = t2 – t1 auf. In dem Diagramm der 3 werden insgesamt zwei Zündimpulse während eines Laser-Pumpimpulses 32 erzeugt.
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Durch eine Erhöhnung des Pumpstroms bzw. der Leistung des Pumpimpulses 32 und/oder der Pumpdauer durch eine Verlängerung der Zeitspanne tp können bei Bedarf auch mehr als zwei Zündimpulse 34 und 36 erzeugt und für die Zündung benutzt werden, indem ein Güteschalter eines Festkörperlasers der Laserzündkerze 10 (1) zu einem mehrfachen Durchbrechen veranlasst wird. Ebenfalls lässt sich durch eine dynamische Veränderung der Leistung des Pumpimpulses 32 während der Zeitspanne tp auch der zeitliche Abstand dt der erzeugten Laserzündimpulse 34 und 36 verändern. Dies ist in der Zeichnung der 3 jedoch nicht mit dargestellt.
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Es sei angemerkt, dass die in der 3 gezeichneten Dauern der Zündimpulse 34 und 36 und/oder die Dauer des Pumpimpulses 32 zueinander gegebenenfalls nicht maßstäblich dargestellt sind. Beispielsweise weisen die Zündimpulse 34 und 36 eine Dauer von 1 ns bis 10 ns (Nanosekunden) auf, und der Pumpimpuls 32 weist eine Dauer von 100 μs (Mikrosekunden) bis 1000 μs auf.
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Die 4 zeigt eine zu den 1 und 2 gleichartige mechanische Ausführung der Vorkammer 12. Vorliegend ist das durch die Laserzündkerze 10 eingestrahlte Laserlicht so gebündelt, dass zwei voneinander verschiedene Zündorte ZP1 und ZP2 davon beaufschlagt werden. Die zeitliche Abfolge der Zündimpulse sind denen zu den 1 und 2 ähnlich. Die erzeugten Flammkerne sind in der 4 lediglich angedeutet (ohne Bezugszeichen).
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Durch die Ausbildung zweier verschiedener Zündorte ZP1 und ZP2 kann die Zündung des in der Vorkammer 12 befindlichen Gemischs verbessert werden, indem eine doppelte Anzahl von Flammenkernen beziehungsweise Flammenkernzentren erzeugt wird. Entsprechend kann ein schnellerer Durchbrand des in der Vorkammer 12 befindlichen Gemischs vorteilhaft zustande kommen und der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine sowie eine Klopfneigung weiter gesenkt werden.
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Eine weitere (nicht dargestellte) Ausführungsform der Laserzündkerze 10 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine zu der Längsachse 13 nicht rotationssymmetrische Form auf. Bedingt durch eine besondere Gestaltung eines Innenraums der Vorkammer 12 wird eine tangentiale Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches vor dem Brennraumfenster 16 erzeugt. Entsprechend wird der mindestens eine Flammkern wenigstens zu Beginn in etwa senkrecht zu der Längsachse 13 bewegt. Das erfindungsgemäße Prinzip der zeitlichen Mehrfachzündung ist generell auch bei Laserzündkerzen ohne Vorkammer anwendbar.
