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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine, mit einer Lasereinrichtung zur Erzeugung von Laserzündimpulsen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren für eine derartige Laserzündkerze.
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Aus der
WO 2005/028856 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einer Laserzündeinrichtung bekannt, bei der Laserkomponenten in ein einziges, in einen Zündkerzenschacht einsetzbares Bauteil integriert sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündkerze und ein Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine gegenüber dem Stand der Technik gesteigerte Betriebssicherheit und Lasersicherheit gegeben ist.
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Diese Aufgabe wird bei einer Laserzündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Lasereinrichtung in ein Gehäuse der Laserzündkerze integriert ist, und dass das Gehäuse der Laserzündkerze hermetisch dicht ist, wodurch der Innenraum des Gehäuses einfacher frei zu halten ist von schädlichen Partikeln, die sich beispielsweise auf einer Laseroptik niederschlagen und den Laserbetrieb beziehungsweise die Erzeugung von Laserzündimpulsen beeinträchtigen.
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Unter einer hermetischen Abdichtung des Gehäuses der Laserzündkerze wird vorliegend verstanden, dass das Gehäuse der Laserzündkerze gasdicht ausgebildet ist. Besonders bevorzugt kann das Gehäuse einer weiteren Ausführungsform zufolge – mit Ausnahme eines Brennraumfensters, das der Auskopplung der Laserzündimpulse aus der Laserzündkerze in einen Brennraum der Brennkraftmaschine dient – so ausgebildet sein, dass keine Laserstrahlung aus dem Gehäuseinneren in die Umgebung der Laserzündkerze austreten kann. Dies kann vorteilhaft beispielsweise dadurch erzielt werden, dass als Material für das Gehäuse der Laserzündkerze ein für die Laserstrahlung undurchdringbares Material, wie beispielsweise Metall, gewählt ist, und dass das Gehäuse vorteilhaft wiederum hermetisch so abgedichtet ist, dass auch an gegebenenfalls vorhandenen Fügestellen eines aus mehreren Segmenten bestehenden Gehäusekörpers keinerlei Laserstrahlung aus der Laserzündkerze austreten kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Lasereinrichtung einen laseraktiven Festkörper mit einer, insbesondere passiven, Güteschaltung aufweist und eine Pumplichtquelle, die dazu ausgebildet ist, den laseraktiven Festkörper optisch zu pumpen. Durch die Integration der vorstehend genannten Komponenten in das hermetisch dichte Gehäuse der Laserzündkerze wird vorteilhaft eine besonders einfach handhabbare und montierbare Einheit aus Pumpmodul und Zündlaser (laseraktiver Festkörper) erhalten, die insbesondere allein unter Zuführung elektrischer Ansteuersignale betreibbar ist. Es kann somit vorteilhaft auf eine Versorgung der Laserzündkerze mit optischer Strahlung durch einen externen Lichtleiter und dergleichen verzichtet werden, wodurch die Lasersicherheit der Laserzündkerze weiter gesteigert wird.
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Auch ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene hermetisch dichte Einheit der Laserzündkerze, die unter anderem ein Pumpmodul (Pumplichtquelle) und einen Zündlaser (laseraktiven Festkörper) umfasst, weniger anfällig gegen Beschädigung während der Montage und des Betriebs.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Gehäuse einen Kopfteil aufweist, der einen brennraumabgewandten Bereich der Laserzündkerze bildet, dass das Gehäuse ferner einen Fußteil aufweist, der einen brennraumzugewandten Bereich der Laserzündkerze bildet, und dass der Kopfteil und der Fußteil über ein im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildetes Mittelteil miteinander verbunden sind, wobei der Kopfteil und/oder der Fußteil vorzugsweise jeweils stoffschlüssig mit dem Mittelteil verbunden ist, insbesondere mittels Schweißverbindungen. Dadurch ist ein besonders einfacher Aufbau und eine effiziente Fertigung der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ermöglicht. Gleichzeitig wird durch die stoffschlüssige Verbindung vorteilhaft ein hermetisch dichtes Gehäuse für die Laserzündkerze erhalten. Das Mittelteil kann hinsichtlich seines Innen- und Außendurchmessers so ausgebildet sein, dass es radial innen und/oder außen an dem Kopf- und Fußteil anliegt.
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Die Herstellung des Gehäuses der Laserzündkerze aus den mindestens drei vorstehend genannten Segmenten (Kopfteil, Fußteil, Mittelteil) hat den weiteren Vorteil, dass die äußeren Abmessungen (Gesamtlänge) der Laserzündkerze beispielsweise allein durch Vorgabe eines Mittelteils definierter Länge beeinflusst werden können, während das Kopfteil und das Fußteil für unterschiedlich lange Laserzündkerzentypen jeweils identisch ausgebildet sein können, wodurch sich die Anzahl von Gleichteilen für die Fertigung der Laserzündkerze auch für unterschiedliche Brennkraftmaschinentypen erhöht.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass sowohl der Kopfteil als auch der Fußteil des Gehäuses aus einem schweißbaren Metall, wie beispielsweise korrosionsbeständigem Stahl, ausgebildet sind. Das Mittelteil kann wiederum ebenfalls aus einem schweißbaren Metall, wie zum Beispiel korrosionsbeständigem Stahl, bestehen. Alternativ kann das Mittelteil jedoch auch aus einem anderen Material gebildet werden, beispielsweise dann, wenn eine verbesserte thermische Entkopplung des Kopfteils von dem Fußteil gewünscht ist. In diesem Fall kann das Mittelteil beispielsweise auch aus Keramik ausgebildet sein, wobei eine stoffschlüssige Verbindung zu dem Kopfteil und/oder dem Fußteil beispielsweise mittels einer Klebeverbindung hergestellt werden kann.
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Bei einer Ausbildung der miteinander zu verbindenden Gehäuseteile aus schweißbarem Metall kann beispielsweise eines der folgenden Schweißverfahren zur stoffschlüssigen Verbindung der Gehäuseteile eingesetzt werden: Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder andere Schweißverfahren.
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Ein das Zündkerzengehäuse zu dem Brennraum hin abdichtendes Brennraumfenster ist bevorzugt ebenfalls hermetisch dicht auszuführen.
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Der modulare Aufbau des Gehäuses der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ermöglicht vorteilhaft eine Fertigungsreihenfolge derart, dass zunächst die in den Gehäuseteilen (Kopfteil, Fußteil) anzuordnenden optischen Komponenten, wie beispielsweise eine Pumplichtquelle, der laseraktive Festkörper oder auch ein Brennraumfenster, in die betreffenden Gehäuseteile integriert werden, und dass die Gehäuseteile anschließend miteinander verbunden und zu dem hermetisch dichten Gehäuse gefügt werden. Die vorstehend genannten Fertigungsschritte können bevorzugt unter Reinraumbedingungen ausgeführt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Innenraum der Laserzündkerze evakuiert ist, wodurch sich eine besonders geringe Dämpfung beziehungsweise sonstige Beeinträchtigung von in der Laserzündkerze geführter Laserstrahlung ergibt. Alternativ kann der Innenraum der Laserzündkerze auch mit einem Gas beziehungsweise Gasgemisch gefüllt sein, beispielsweise Druckgas. Das bedeutet, das den Innenraum der Laserzündkerze einnehmende Gas beziehungsweise Gasgemisch kann insbesondere auch unter einem Druck stehen, der größer als der Atmosphärendruck (bei Normalbedingungen) ist. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass bei einer Beschädigung des Laserzündkerzengehäuses, aufgrund der die hermetische Abdichtung beeinträchtigt wird, bevorzugt das Gas aus dem Innenraum des Gehäuses in die Umgebung ausströmt, wodurch vorteilhaft verhindert wird, dass Umgebungsluft in das Zündkerzengehäuse einströmt und so den. Strahlengang der Lasereinrichtung beeinträchtigt.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Laserzündkerze einen Drucksensor zur Erfassung eines in dem Innenraum herrschenden Innendrucks aufweist, insbesondere ein Absolutdrucksensor, wodurch eine besonders effiziente Diagnose unter anderem der Integrität des hermetisch dichten Gehäuses auf elektronischem Weg, beispielsweise durch ein die Laserzündkerze steuerndes Steuergerät, möglich ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass in einem brennraumabgewandten Bereich der Laserzündkerze, insbesondere an dem Kopfteil des Gehäuses, ein Mitnahmeprofil, insbesondere ein Sechskantprofil, vorgesehen ist, so dass die Laserzündkerze in besonders einfacher Weise in ein Zielsystem, wie beispielsweise einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, eingeschraubt werden kann. Bei dieser Erfindungsvariante wird das zum Einschrauben erforderliche Drehmoment von dem Ort des Mitnahmeprofils über die Gehäuseteile, und insbesondere das Mittelteil des Gehäuses, beispielsweise auf das Fußteil des Gehäuses, übertragen, das bei einer Ausführungsform in an sich bekannter Weise ein Außengewinde aufweisen kann, mit dem die Laserzündkerze in den Zylinderkopf einschraubbar ist.
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Ganz besonders vorteilhaft ist die Geometrie der Laserzündkerze und insbesondere die Anordnung des Mitnahmeprofils so auf das Zielsystem (Zylinderkopf) abgestimmt, dass das Mitnahmeprofil auch in völlig eingeschraubtem Zustand der Laserzündkerze in den Zylinderkopf noch möglichst einfach von außen durch ein Werkzeug zu erreichen ist. Ganz besonders vorteilhaft ragt das Mitnahmeprofil bei vollständig in den Zylinderkopf eingeschraubter Laserzündkerze noch über eine durch eine Oberfläche des Zylinderkopfs gebildete virtuelle Ebene hinaus, so dass sogar mit einem einfachen Gabelschlüssel ein effizientes Herein- beziehungsweise Herausschrauben der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ermöglicht ist.
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Anstelle eines Sechskantprofils kann in an sich bekannter Weise auch ein anderes geeignetes Mitnahmeprofil vorgesehen sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass in einem brennraumabgewandten Bereich der Laserzündkerze, insbesondere an einem Kopfteil des Gehäuses, Wärmeleitmittel vorgesehen sind, die mit dem Gehäuse, insbesondere einem stirnseitigen Endbereich des Gehäuses, in thermischem Kontakt stehen, wodurch eine besonders effiziente Entwärmung des Gehäuses erfolgen kann. Bei einer besonders bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Laserzündkerze weist das Kopfteil des Gehäuses einen größeren Außenradius auf als der restliche Gehäusekörper, insbesondere das Mittelteil beziehungsweise das Fußteil, was beispielsweise dadurch ermöglicht wird, dass die Gesamtlänge der Laserzündkerze so groß ist, dass das Kopfteil aus dem Zylinderschacht über eine Oberfläche des Zylinderkopfs hinausragen kann. In diesem Fall weist insbesondere ein stirnseitiger Endbereich des Gehäuses der Laserzündkerze eine im Vergleich zu der Querschnittsfläche des Zylinderkerzenschachts wesentlich größere Oberfläche auf, die vorteilhaft mit den Wärmeleitmitteln zusammenwirken kann, um die in dem Inneren des Gehäuses der Laserzündkerze angeordneten Komponenten zu kühlen.
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Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die Wärmeleitmittel eine im Wesentlichen topfförmige Geometrie auf und sind so an dem Kopfteil des Gehäuses angeordnet, dass eine Bodenfläche der Wärmeleitmittel im Wesentlichen flächig auf dem stirnseitigen Endbereich des Gehäuses aufliegt, wodurch eine besonders große Wärmeübertragungsfläche gebildet ist. Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Mantelfläche der Wärmeleitmittel den Endbereich des Kopfteils des Gehäuses zumindest teilweise umgreift, wodurch einerseits ein mechanischer Schutz des Kopfteils der Laserzündkerze vor äußeren Einwirkungen gegeben ist, und wodurch sich andererseits eine verhältnismäßig große Oberfläche der Wärmeleitmittel erzielen lässt, ohne dass die Gesamtlänge der Anordnung (Laserzündkerze einschließlich Wärmeleitmittel) sich gegenüber der Länge des Gehäuses der Laserzündkerze wesentlich vergrößert.
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Vielmehr ergibt sich bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration vorteilhaft eine Längenzunahme des Gesamtaufbaus (Laserzündkerze plus topfförmige Wärmeleitmittel), die allein in der Größenordnung der Wanddicke des Bodenbereichs der topfförmig ausgebildeten Wärmeleitmittel liegt.
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Die Mantelfläche der topfförmig ausgebildeten Wärmeleitmittel kann so ausgebildet sein, dass sie in Einbaulage an der Laserzündkerze beziehungsweise dem Gehäuse der Laserzündkerze auch mit einer Mantelfläche des Kopfteils der Laserzündkerze in thermischen Kontakttritt. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich; es kann vielmehr auch ein radialer Abstand zwischen einer radialen Außenoberfläche des Kopfteils und der inneren Mantelfläche der Wärmeleitmittel bestehen.
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Andere als die vorstehend genannte im wesentlichen topfförmige Geometrie sind für die Wärmeleitmittel ebenfalls denkbar.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine lösbar, insbesondere formschlüssig, mit dem Gehäuse und/oder den Wärmeleitmitteln verbindbare Halterung zur Befestigung der Laserzündkerze an einem Zielsystem, insbesondere dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine, vorgesehen ist. Dadurch kann die Laserzündkerze vorteilhaft stabil an dem Zylinderkopf fixiert werden, was insbesondere bei solchen Laserzündkerzen zweckmäßig ist, welche eine Einbaulänge aufweisen, die so groß ist, dass zumindest ein brennraumabgewandter Endbereich (Kopfteil) der Laserzündkerze über den Zündkerzenschacht hinausragt.
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Das bedeutet, durch die erfindungsgemäße Halterung ist einerseits eine mechanische Fixierung des brennraumabgewandten Endbereichs der Laserzündkerze gegeben. Darüber hinaus kann die Halterung, welche ebenfalls im Wesentlichen topfförmig ausgebildet sein kann, so an die Form des Kopfteils der Laserzündkerze angepasst sein, dass eine in einer Bodenfläche der Halterung vorgesehene Öffnung einen Endbereich beziehungsweise das Kopfteil der Laserzündkerze umgreift. Die Öffnung kann so an die äußere Form des Kopfteils angepasst sein, dass bei der ordnungsgemäßen Befestigung der Halterung an dem Zylinderkopf jedoch eine axiale Verschiebung der Laserzündkerze aus dem Kerzenschacht heraus, also durch die Öffnung in der Halterung, nicht möglich ist, was beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden kann, dass das Kopfteil zumindest abschnittsweise einen größeren Außenradius aufweist als die Öffnung in dem Bodenbereich der Halterung. Dadurch kann die erfindungsgemäße Halterung vorteilhaft gleichzeitig auch dazu verwendet werden, ein Herausschießen einer nicht ordnungsgemäß in den Zylinderkopf eingeschraubten Laserzündkerze zu verhindern.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Halterung einen im Wesentlichen hohlzylindrischen ersten Kontaktabschnitt aufweist und einen sich im Wesentlichen radial zu einer Längsachse des hohlzylindrischen Kontaktabschnitts erstreckenden, thermisch leitend mit dem ersten Kontaktabschnitt verbundenen, zweiten Kontaktabschnitt. Die Halterung ist ferner so ausgebildet, dass in ihrer Einbaulage an dem Gehäuse der Laserzündkerze beziehungsweise an den Wärmeleitmitteln durch den ersten Kontaktabschnitt, der wiederum einer Mantelfläche der Halterung entspricht, ein thermischer Kontakt zu dem Gehäuse beziehungsweise den Wärmeleitmitteln herstellbar ist. Ferner kann durch den zweiten Kontaktabschnitt, der nach Art eines Flansches an den im Wesentlichen topfförmig ausgebildeten Grundkörper der Halterung angefügt ist, ein thermischer Kontakt zu dem Zielsystem, nämlich dem Zylinderkopf, hergestellt werden. Dadurch ist vorteilhaft ein Wärmefluss von dem stirnseitigen Endbereich des Kopfteils des Gehäuses über die Wärmeleitmittel und die Halterung in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine gegeben. Da der Zylinderkopf der Brennkraftmaschine üblicherweise durch eine Wasserkühlung auf einer konstanten Betriebstemperatur gehalten wird, ergibt sich eine dementsprechend effiziente Kühlung auch für die erfindungsgemäße Laserzündkerze.
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Durch die vorstehend beschriebene Konfiguration der Wärmeleitmittel und der Halterung ist vorteilhaft eine effiziente Entwärmung der Laserzündkerze durch das Gehäusematerial hindurch gegeben, ohne dass fluidbasierte Kühlsysteme in das hermetisch dichte Gehäuse der Laserzündkerze integriert werden müssen. Ferner kann der gesamte optische Weg der Laserstrahlung vollständig in dem hermetisch dichten Gehäuse der Laserzündkerze verlaufen, und es sind allein elektrische Anschlüsse zur Versorgung der optoelektrischen Komponenten der Laserzündkerze (Pumplichtquelle) bzw. Sensorleitungen, z. B. für den Drucksensor, erforderlich.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste Kontaktabschnitt der Halterung einen Innendurchmesser aufweist, der kleiner oder gleich einem Außendurchmesser eines mit dem ersten Kontaktabschnitt in Kontakt tretenden Abschnitts des Gehäuses beziehungsweise der Wärmeleitmittel ist, und dass die Halterung einen Schlitz aufweist. Dadurch kann die Halterung einerseits vorteilhaft nachträglich über ein Ansteuerkabel der bereits im Zylinderkopf montierten Laserzündkerze geführt und anschließend über den Kopfteil der Laserzündkerze an den Zylinderkopf geschraubt werden. Die vorstehend beschriebene Durchmesserkonfiguration ermöglicht dabei vorteilhaft eine leichte Presspassung zwischen der Halterung und den Wärmeleitmitteln, so dass ein enger Kontakt zwischen den beiden Komponenten für eine gute Wärmeübertragung bei gleichzeitiger radialer Verschiebbarkeit für einen Toleranzausgleich gegeben ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der laseraktive Festkörper eine im Wesentlichen zylindrische Grundform auf und ist so in dem Gehäuse, insbesondere in dem Kopfteil, der Laserzündkerze angeordnet, dass seine Mantelfläche zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch vollständig oder zumindest nahezu vollständig, in thermischem Kontakt zu dem Gehäuse, insbesondere dem Kopfteil, steht, so dass eine besonders effiziente Kühlung des laseraktiven Festkörpers möglich ist. Bei dieser Konfiguration kann der laseraktive Festkörper durch von der Pumplichtquelle erzeugte Pumpstrahlung axial optisch gepumpt werden, während sich von dem laseraktiven Festkörper in radialer Richtung nach außen ein Wärmefluss in das Gehäuse der Laserzündkerze ergibt. Das axiale optische Pumpen ist besonders effizient und führt auf eine besonders gute Strahlqualität der erzeugten Laserzündimpulse. Gleichzeitig ermöglicht es eine Anordnung der Pumplichtquelle in dem brennraumabgewandten Bereich des Innenraums des Gehäuses, so dass die Betriebstemperatur der Pumplichtquelle vergleichsweise niedrig gehalten werden kann, was sich positiv auf die Wellenlängenstabilität und Effizienz der Erzeugung der Pumpstrahlung auswirkt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens einer Komponente der Lasereinrichtung, insbesondere einer Pumplichtquelle, Mittel zur Temperierung zugeordnet sind, die thermisch leitend verbunden sind mit dem Gehäuse und/oder außenseitig des Gehäuses angeordneten Wärmeleitmitteln. Besonders vorteilhaft weisen die Temperiermittel mindestens ein Peltier-Element auf, das in an sich bekannter Weise unter elektrischer Ansteuerung eine Temperaturdifferenz zwischen seinen beiden thermisch wirksamen Oberflächen erzeugen kann. Die Pumplichtquelle, bei der es sich bevorzugt beispielsweise um einen Array von VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), also oberflächenemittierenden, Halbleiterlasern handeln kann, sind bevorzugt direkt auf der kühlbaren Oberfläche des Peltier-Elements beziehungsweise einer Trägerschicht angeordnet, welche ihrerseits auf der kühlbaren Oberfläche des Peltier-Elements angeordnet sein kann.
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Die andere Oberfläche des Peltier-Elements kann bevorzugt mit einer Stahlplatte verbunden sein, welche den stirnseitigen Endbereich des Gehäuses, insbesondere des Kopfteils des Gehäuses, bildet.
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Dadurch kann die durch das Peltier-Element erzeugte Abwärme vorteilhaft direkt durch den eine verhältnismäßig große Oberfläche aufweisenden stirnseitigen Endbereich des Laserzündkerzengehäuses nach außen abgeführt werden, wobei sie durch die extern des Gehäuses angeordneten Wärmeleitmittel und schließlich die hiermit thermisch verbindbare Halterung in den Zylinderkopf eingebracht werden kann.
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Alternativ oder ergänzend zu den Pumplichtemittern vom VCSEL-Typ können auch kantenemittierende Halbleiterlaser eingesetzt werden.
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Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Laserzündkerze gemäß Patentanspruch 14 angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung in ein Gehäuse der Laserzündkerze integriert und das Gehäuse der Laserzündkerze hermetisch abgedichtet wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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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 ihrer Formulierung bzw. Darstellung der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
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In der Zeichnung zeigt:
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1 schematisch einen teilweisen Querschnitt durch ein Gehäuse einer Laserzündkerze gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 eine erfindungsgemäße Laserzündkerze in Einbaulage in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine;
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3 eine Detailansicht eines Kopfteils einer Laserzündkerze gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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4 eine vergrößerte Ansicht eines Kopfteils und eines Fußteils einer Laserzündkerze gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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5a eine Seitenansicht eines Kopfteils der Laserzündkerze mit außenseitig angeordneten Wärmeleitmitteln;
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5b eine Seitenansicht des Kopfteils der Laserzündkerze gemäß einer weiteren Ausführungsform in einem teilweisen Querschnitt;
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5c eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Halterung in ihrem Einbauzustand im Bereich eines Kopfteils einer Laserzündkerze und an einem Zylinderkopf;
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6 einen teilweisen Querschnitt eines Kopfteils der Laserzündkerze gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einem durch Pfeile symbolisierten Wärmefluss;
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7 einen teilweisen Querschnitt durch ein Kopfteil der Laserzündkerze gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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8 eine perspektivische Ansicht eines Kopfteils einer in einem Zylinderkopf eingebauten Laserzündkerze mit Wärmeleitmitteln gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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9 eine elektrische Kontaktierung der Laserzündkerze im Bereich des Kopfteils gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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10 eine perspektivische Ansicht einer Abdeckkappe für den brennraumabgewandten Bereich der Laserzündkerze gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
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11 schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform. des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt schematisch einen teilweisen Querschnitt einer Laserzündkerze 100 für eine Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 1 ist der besseren Übersichtlichkeit halber im Wesentlichen ein Gehäuse 102 der Laserzündkerze 100 dargestellt, während weitere Komponenten, wie beispielsweise eine Lasereinrichtung 110 zur Erzeugung von Laserzündimpulsen 24, nur schematisch angedeutet sind.
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Erfindungsgemäß ist das Gehäuse 102 der Laserzündkerze 100, in das die Lasereinrichtung 110 zur Erzeugung der Laserzündimpulse 24 integriert ist, hermetisch dicht ausgebildet, also insbesondere gasdicht. Dadurch kann vorteilhaft erreicht werden, dass keine Schmutzpartikel oder sonstige Fremdkörper aus der Umgebung der Laserzündkerze 100 in den Innenraum 106 des Gehäuses 102 eindringen können, wo sie den Betrieb der Laserzündkerze 100 beeinträchtigen könnten, beispielsweise wenn sie unter Laserbeaufschlagung auf optisch aktiven Oberflächen (nicht gezeigt) eingebrannt werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Gehäuse 102 einen Kopfteil 102a auf, der einen brennraumabgewandten Bereich der Laserzündkerze 100 bildet. Ferner weist das Gehäuse 102 einen Fußteil 102b auf, der einen brennraumzugewandten Endbereich der Laserzündkerze 100 bildet. Der Kopfteil 102a und der Fußteil 102b sind vorteilhaft über ein im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildetes Mittelteil 102c miteinander verbunden, wobei das Kopfteil 102a und/oder das Fußteil 102b vorzugsweise jeweils stoffschlüssig mit dem Mittelteil 102c verbunden sind, insbesondere mittels Schweißverbindungen 104.
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In 1 sind die Schweißverbindungen 104 zwischen den Gehäuseteilen 102a, 102b und 102c jeweils durch Pfeile 104 angedeutet. Besonders bevorzugt können die Gehäusekomponenten 102a, 102b, 102c im Wesentlichen etwa rotationssymmetrisch ausgebildet sein, wobei die Schweißnähte 104 in entsprechender Weise vorteilhaft vollständig umlaufend ausgebildet sind, um eine hermetische Abdichtung des Innenraums 106 des Gehäuses 102 der Laserzündkerze 100 zu ermöglichen.
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Ein stirnseitiger Endbereich des Kopfteils 102a ist durch einen deckel- bzw. plattenförmigen Abschnitt 102d gebildet, der seinerseits wiederum mittels Schweißverbindungen 104 an dem restlichen Kopfteil 102a befestigbar ist.
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Die Schweißverbindungen 104 können beispielsweise mittels Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder anderer bekannter, für die verwendeten Materialien geeigneter Schweißverfahren, hergestellt werden.
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Besonders bevorzugt sind sowohl das Kopfteil 102a als auch das Fußteil 102b aus gut schweißbarem Material, wie beispielsweise korrosionsbeständigem Stahl, ausgebildet. Das im Wesentlichen rohrförmige Mittelteil 102c kann ebenfalls aus korrosionsbeständigem Stahl oder einem anderen schweißbaren Metall ausgebildet sein.
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Alternativ hierzu kann das Mittelteil 102c vorteilhaft auch aus einem nichtmetallischen Material, beispielsweise Keramik oder dergleichen, hergestellt sein, wodurch vorteilhaft die Möglichkeit einer thermischen Entkopplung des Fußteils 102b von dem Kopfteil 102a gegeben ist. Dadurch kann vorteilhaft verhindert werden, dass aus dem brennraumzugewandten Endbereich (Fußteil 102b) Wärme in den Kopfteil 102a fließt, wodurch darin angeordnete Komponenten der Lasereinrichtung 110 beeinträchtigt werden können.
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Die modulare Konzeption des erfindungsgemäßen Gehäuses 102 ermöglicht darüber hinaus vorteilhaft eine hohe Anzahl von Gleichteilen, weil für unterschiedliche Zündkerzentypen, die sich beispielsweise hinsichtlich ihrer Gesamtlänge unterscheiden, sowohl das Kopfteil 102a als auch das Fußteil 102b wieder verwendet werden können, während die Gesamtlänge der Laserzündkerze 100 beispielsweise durch die Gesamtlänge des Mittelteils 102c und/oder die Einstecktiefe der Teile 102a, 102b, 102c ineinander definiert ist.
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Eine weitere Stabilisierung des hermetisch dichten Gehäuses 102 kann vorliegend dadurch erzielt werden, dass im Überlappungsbereich zwischen dem Mittelteil 102c und den weiteren Gehäuseteilen 102a, 102b jeweils mehrere, axial zueinander versetzte Schweißnähte 104 angeordnet sind.
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Bei der in 1 abgebildeten Gehäusekonfiguration umgreift das Mittelteil 102c die beiden Endteile 102a, 102b radial außen. Alternativ könnte das Mittelteil 102c jedoch auch mit einem kleineren Innen- und Außendurchmesser ausgebildet werden, so dass es in die Endteile 102a, 102b einführbar und dann stoffschlüssig mit ihnen verbindbar ist. Schließlich ist auch eine Konfiguration des Mittelteils 102c denkbar, bei der ein erstes Ende eines der beiden Endteile radial außen und ein anderes der beiden Endteile radial innen von dem Mittelteil 102c kontaktiert wird, wodurch sich ein teleskopartiger Aufbau ergibt.
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Eine hermetische Abdichtung des Innenraums 106 des Gehäuses 102 zu dem Brennraum der Brennkraftmaschine hin kann in an sich bekannter Weise durch die Vorsehung eines entsprechend ausgelegten Brennraumfensters 102e erfolgen.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Innenraum 106 der Laserzündkerze 100 evakuiert. Alternativ kann der Innenraum 106 auch mit einem Gas beziehungsweise Gasgemisch gefüllt sein, wobei das Gas beziehungsweise Gasgemisch vorteilhaft unter einem Druck steht, der größer ist als der Atmosphärendruck, wodurch im Falle eines Lecks in dem hermetisch dichten Gehäuse 102 allenfalls ein Ausströmen von unter Druck stehendem Gas in die Umgebung erfolgt, nicht jedoch ein Eindringen von Schmutzpartikeln aus der Umgebung der Laserzündkerze 100 in den Innenraum 106 des Gehäuses 102.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Laserzündkerze 100 einen integrierten Drucksensor 108 zur Erfassung eines in dem Gehäuse 102 herrschenden Innendrucks aufweist, insbesondere einen Absolutdrucksensor, wodurch eine Diagnose der Innenraumbedingungen (Vakuum, Druckgasfüllung) ermöglicht ist.
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2 zeigt eine Laserzündkerze 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform in ihrer Einbaulage in einem Zylinderkopf 50 einer Brennkraftmaschine. Aus 2 ist ersichtlich, dass das Fußteil 102b und das Mittelteil 102c im Wesentlichen in dem Kerzenschacht 55 des Zylinderkopfes 50 angeordnet sind, während das Kopfteil 102a des Gehäuses 102 der Laserzündkerze 100 zumindest teilweise über eine Oberfläche 50a des Zylinderkopfes 50 hinausragt.
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Zur Fixierung der Laserzündkerze 100 an dem Zylinderkopf ist vorteilhaft eine Halterung 130 vorgesehen, die vorliegend im Wesentlichen etwa Topfform aufweist und so über dem brennraumabgewandten Endbereich 102a der Laserzündkerze 100 angeordnet ist, dass er sowohl axial als auch radial bezüglich des Zylinderkopfs 50 fixiert werden kann. Dadurch ist vorteilhaft gleichzeitig eine Sicherung der Laserzündkerze 100 gegen ein unbeabsichtigtes Ausschießen gegeben, beispielsweise falls die Laserzündkerze 100 nicht ordnungsgemäß in den Zylinderkopf 50 hineingeschraubt ist. Die bevorzugt formschlüssig mit dem Gehäuse 102 der Laserzündkerze 100 verbindbare Halterung 130 ist einer weiteren Ausführungsform zufolge so auf die Geometrie der Laserzündkerze 100 abgestimmt, dass ein Toleranzausgleich in radialer und/oder axialer Richtung möglich ist, beispielsweise um einer thermischen Materialausdehnung Rechnung zu tragen.
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3 zeigt in vergrößerter Darstellung einen teilweisen Querschnitt des Kopfteils 102a des Gehäuses 102 der Laserzündkerze 100. Aus 3 ist ersichtlich, wie der stirnseitige Endbereich 102d den Kopfteil 102a in 3 nach oben hin begrenzt. In dem Innenraum 106 (1) der Laserzündkerze 100 ist eine Pumplichtquelle 40 angeordnet, bei der es sich beispielsweise um eine Vielzahl von Halbleiterdiodenlasern handeln kann. Besonders bevorzugt sind die Pumplaser als oberflächenemittierende Halbleiterlaser (VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser) ausgebildet. Alternativ oder ergänzend können auch kantenemittierende Halbleiterlaser oder eine Kombination aus Oberflächenemittern und Kantenemittern eingesetzt werden.
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Die Pumplichtquelle 40 ist über eine in 3 nicht näher bezeichnete Trägerschicht mit einem vorliegend als Peltier-Element ausgebildeten Temperiermittel 140 verbunden. Das Peltier-Element 140 kann in an sich bekannter Weise eine Temperaturdifferenz zwischen seinen in 3 oben und unten liegenden Oberflächen erzeugen und auf diese Weise die Pumplichtquelle 40 effizient kühlen. Eine hierbei entstehende Abwärme, die von der in 3 oberen Oberfläche des Peltier-Elements 140 abgegeben wird, wird gemäß der vorliegenden Erfindungsvariante besonders vorteilhaft direkt in die stirnseitige Endplatte 102d des Gehäuses 102 eingekoppelt, was aufgrund der großen Kontaktfläche in besonders effizienter Weise erfolgt. Außenseitig des Gehäuses 102 sind Wärmeleitmittel 120 vorgesehen, die im Wesentlichen eine topfförmige Geometrie aufweisen und mit ihrer Bodenfläche 120a vollflächig in thermisch leitendem Kontakt mit der Gehäuseplatte 102d stehen, wodurch eine effiziente Weiterleitung der Wärme aus der Gehäuseplatte 102d in die Wärmeleitmittel 120 ermöglicht ist.
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Die Mantelfläche 120b der Wärmeleitmittel 120 umschließt vorteilhaft den Kopfteil 102a der Laserzündkerze 100, so dass sich eine besonders klein bauende Konfiguration ergibt. Gleichzeitig ist die Mantelfläche 120b thermisch gut leitend verbunden mit der Bodenfläche 120a, was beispielsweise durch eine einstückige Ausbildung der Wärmeleitmittel 120 aus einem hoch wärmeleitfähigen Material, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, bewerkstelligbar ist.
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Die aus der Bodenfläche 120a in die Mantelfläche 120b fließende Abwärme der Laserzündkerze 100 kann gemäß 3 vorteilhaft von den Wärmeleitmitteln 120 beziehungsweise ihrer Mantelfläche 120b an die sie im Wesentlichen koaxial umgebende Halterung 130 abgegeben werden.
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Hierzu weist die Halterung 130 einen im Wesentlichen hohlzylindrischen ersten Kontaktabschnitt 130a auf, dessen innere Mantelfläche mit der äußeren Mantelfläche der Wärmeleitmittel 120 thermisch verbunden ist.
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Darüber hinaus weist die Halterung 130 eine sich im Wesentlichen radial zu der Längsachse 130b des hohlzylindrischen Kontaktabschnitts 130a erstreckenden, thermisch leitend mit dem ersten Kontaktabschnitt 130a verbundenen, zweiten Kontaktabschnitt 130c auf, der vorliegend einen Flansch bildet, welcher flächig auf der Oberfläche 50a des Zylinderkopfes 50 aufliegt. Dadurch wird die in die Halterung 130 eingeleitete Wärme von der Komponente 130a über die Komponente 130c vorteilhaft direkt in den beispielsweise wassergekühlten Zylinderkopf 50 eingebracht.
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Neben der mechanischen Fixierung des Kopfteils 102a der Laserzündkerze 100 ermöglicht die Halterung 130 demnach vorteilhaft auch eine Wärmeübertragung aus den Wärmeleitmitteln 120 in den Zylinderkopf 50.
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6 gibt einen sich beispielhaft von dem Inneren der Laserzündkerze 100 in den Zylinderkopf 50 einstellenden Wärmefluss während des Betriebs der Laserzündkerze 100 an.
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Die während des Betriebs der Pumplichtquelle 40 entstehende Abwärme wird über eine Trägerschicht und das Peltier-Element 140 durch die Gehäuseplatte 102d und die Bodenfläche 120a der Wärmeleitmittel 120 (3) in die Mantelfläche 120b der Wärmeleitmittel 120 geleitet. Von dort gelangt die Abwärme in die Mantelfläche 130a der Halterung 130, welche die Abwärme über ihren Flansch 130c in den Zylinderkopf 50 weiterleitet.
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Eine im Bereich der Längsachse 130b (3) angeordnete Komponente der Lasereinrichtung 110 (1), beispielsweise der laseraktive Festkörper 44, erwärmt sich während des Betriebs der Laserzündkerze 100 ebenfalls, nämlich durch das optische Pumpen mittels der Pumplichtquelle 40. Bei der Beaufschlagung des laseraktiven Festkörpers 44 mit von der Pumplichtquelle 40 erzeugter Pumpstrahlung entstehende Abwärme wird aus dem laseraktiven Festkörper 44 direkt in den Kopfteil 102a des Gehäuses 102 eingekoppelt und durch die Gehäusewand des Kopfteils 102a und über die stirnseitige Gehäuseplatte 102d ebenfalls an die Wärmeleitmittel 120 beziehungsweise ihre Bodenfläche 120a abgegeben.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der laseraktive Festkörper 44 eine im Wesentlichen zylindrische Grundform auf, beispielsweise eine kreiszylindrische Grundform, und ist so in dem Gehäuse 102, insbesondere in dem Kopfteil 102a, angeordnet, dass seine Mantelfläche zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch vollständig, in thermischem Kontakt zu dem Gehäuse 102, insbesondere dem Kopfteil 102a, steht, wodurch eine besonders effiziente Entwärmung des laseraktiven Festkörpers 44 in radialer Richtung über seine gesamte Länge gegeben ist.
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4 zeigt in vergrößerter Darstellung den Kopfteil 102a und den Fußteil 102b des Gehäuses 102 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Zusätzlich ist der Mittelteil 102c in seinem Überlappungsbereich mit den anderen Gehäuseteilen 102a, 102b angedeutet.
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Zwischen der Pumplichtquelle 40, die beispielsweise wiederum als VCSEL-Array ausgebildet ist, und dem laseraktiven Festkörper 44 ist eine Fokussieroptik 48 angeordnet, die von der Pumplichtquelle 40 erzeugte Pumpstrahlung 40a in der in 4 abgebildeten Weise auf den laseraktiven Festkörper 44 bündelt.
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Dem laseraktiven Festkörper 44 ist eine Güteschaltung 46 zugeordnet, insbesondere eine passive Güteschaltung, so dass unter Beaufschlagung der Laserkomponenten 44, 46 mit Pumpstrahlung 40a in an sich bekannter Weise hochenergetische Laserzündimpulse 24 (1) erzeugt werden können.
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Zur Ausbildung eines die Komponenten 44, 46 enthaltenen Laserresonators erforderliche Spiegel an den außenseitigen Stirnflächen der Komponenten 44, 46 sind in 4 nicht abgebildet.
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5a zeigt eine Seitenansicht des Kopfteils 102a des Gehäuses der Laserzündkerze 100. Aus 5a ist ersichtlich, dass ein Großteil des Kopfteils 102a durch die Wärmeleitmittel 120, bei denen es sich beispielsweise um einen im Wesentlichen topfförmigen Aluminiumkühlkörper handeln kann, umgeben ist.
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Im Bereich des Kopfteils 102a weist die Laserzündkerze 100 ein vorliegend als Sechskantprofil ausgebildetes Mitnahmeprofil 111 auf, das ein Hereinbeziehungsweise Herausschrauben der Laserzündkerze 100 aus dem Zylinderkopf 50 in an sich bekannter Weise ermöglicht. Das hierbei in den Kopfteil 102a eingekoppelte Drehmoment wird vorteilhaft über das hermetisch dichte Gehäuse 102, insbesondere auch das Mittelteil 102c (1), auf das Fußteil 102b übertragen, welches beispielsweise ein Gewinde aufweist, über das die Laserzündkerze 100 zu einem an den Kerzenschacht 55 angrenzenden Brennraum dichtend in den Zylinderkopf 50 einschraubbar ist.
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Besonders bevorzugt sind die Laserzündkerze 100 und der Kerzenschacht des Zylinderkopfes 50 sowie die Position des Sechskantprofils 111, insbesondere seine axiale Anordnung an dem Gehäuse 102 der Laserzündkerze 100, so aufeinander abgestimmt, dass bei einem vollständig in den Zylinderkopf 50 eingeschraubten Zustand der Laserzündkerze 100 das Mitnahmeprofil 111 zumindest teilweise über eine Oberfläche 50a des Zylinderkopfes 50 hinausragt, so dass das Mitnahmeprofil 111 auch ohne Spezialwerkzeug zugänglich beziehungsweise betätigbar ist. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung und Ausbildung des Kühlkörpers 120 ebenfalls so auf das Mitnahmeprofil 111 und seine Anordnung an dem Gehäuseteil 102a abgestimmt, dass das Mitnahmeprofil 111 zwischen einer Unterkante 120c und der Oberfläche 50a des Zylinderkopfes 50 für ein in 5a nicht abgebildetes Werkzeug, wie beispielsweise einen Gabelschlüssel, gut zugänglich ist.
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Zum Schutz eines die Zündkerze 100 mit elektrischer Energie beziehungsweise Ansteuersignalen versorgenden Kabels 112 beziehungsweise des Anschlusses des Kabels 112 an das Gehäuse 102a der Laserzündkerze 100 ist, wie aus 5a ersichtlich, eine Schutzkappe 114 vorgesehen, die beispielsweise eine das Kabel 112 aufnehmende Öffnung aufweist und so an dem Kabel 112 beziehungsweise der Laserzündkerze 100 anbringbar ist, dass sich ein in 5a unterer Bereich der Schutzkappe 114 auf dem Kühlkörper 120 abstützt.
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5b zeigt eine Seitenansicht der in den Zylinderkopf 50 eingebauten Laserzündkerze 100 in einem teilweisen Querschnitt.
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Aus 5b ist ersichtlich, dass die Halterung 130 den Kühlkörper 120 im Wesentlichen koaxial umgibt, wodurch ein vorstehend bereits beschriebener inniger Flächenkontakt zwischen der Innenfläche der Halterung 130 und der äußeren Mantelfläche des Kühlkörpers 120 hergestellt wird, der eine Wärmeleitung aus dem Kühlkörper 120 in die Halterung 130 und schließlich in den Zylinderkopf 50 ermöglicht.
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Die Halterung 130 ist vorliegend mittels Schrauben 132 in den Zylinderkopf 50 eingeschraubt. Dabei weisen in dem flanschartig ausgebildeten Bereich der Halterung 130 vorgesehene Bohrungen 134 zur Aufnahme der Schrauben 132 bei einer weiteren Ausführungsform vorteilhaft eine gegenüber dem Durchmesser der Schrauben 132 vergrößerte Geometrie auf, so dass ein Toleranzausgleich der Halterung 130 an dem Zylinderkopf 50, d. h. in radialer Richtung in Bezug auf die Längsachse der Laserzündkerze 100, geschaffen ist. Dadurch kann die Halterung 130 gegenüber der Laserzündkerze 100 in 5b beispielsweise nach rechts oder links verschoben werden, um ein sattes Aufliegen der Mantelfläche der Halterung 130 an dem Kühlkörper 120 zu ermöglichen. Gleichzeitig kann so eine nicht exakt zentrisch in dem Kerzenschacht 55 (1) angeordnete Laserzündkerze 100 ebenfalls sicher an dem Zylinderkopf 50 mittels der Haltemittel 130 fixiert werden, weil die Haltemittel 130 durch die vergrößerten Bohrungen 134 an die gegebenenfalls nicht normgerechte Lage des brennraumabgewandten Endbereichs der Zündkerze 100 angepasst beziehungsweise entsprechend radial bezüglich der Längsachse des Kerzenschachts 55 versetzt werden können.
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5c zeigt eine perspektivische Darstellung der in den Zylinderkopf 50 eingeschraubten Laserzündkerze 100 mit aufgeschraubter Halterung 130. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Halterung 130 einen Schlitz 136 auf, so dass sie nachträglich auch über das Kabel 112 seitlich aufgesteckt werden kann. Der Schlitz 136 ermöglicht zugleich – insbesondere in Verbindung mit einer Anpassung des Innenradius 130d (3) der Mantelfläche der Halterung 130 an einen Außenradius des Kühlkörpers 120 – eine Presspassung beider Komponenten 120, 130 aufeinander beziehungsweise ihrer Mantelflächen 120b, 130a (6) ineinander, so dass ein optimierter Wärmeübergang von der Komponente 120 zu der Komponente 130 und schließlich in den Zylinderkopf 50 gegeben ist.
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Aus 5c ist ferner ersichtlich, dass ein Durchmesser 138 einer stirnseitigen Öffnung der Halterung 130 so gewählt ist, dass die Halterung 130 zwar über die Kappe 114 gestülpt werden kann, ein axiales Hindurchstecken des Kühlkörpers 120 (5b) jedoch nicht möglich ist, so dass – für den Fall einer nicht ordnungsgemäßen Einschraubung der Laserzündkerze 100 in den Zylinderkopf 50 – ein Herausschießen der Laserzündkerze 100 aus dem Zylinderkopf 50 durch die Halterung 130 wirksam vermieden wird.
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Die Geometrie des die Schutzkappe 114 aufnehmenden Öffnungsbereichs der Halterung 130 und insbesondere auch die Höhe der Mantelfläche 130a (6) der Halterung 130 kann vorteilhaft so an die Höhe der Mantelfläche des Kühlkörpers 120 angepasst werden, dass eine geringfügige axiale Verschiebung der Komponenten 120, 130 relativ zueinander möglich ist, um beispielsweise thermischen Ausdehnungen der Laserzündkerze 100 beziehungsweise ihres Gehäuses 102 während des Betriebs Rechnung zu tragen.
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7 zeigt einen teilweisen Querschnitt des Kopfteils 102a und der darin angeordneten Komponenten 140 (Peltier-Element), 40 (Pumplichtquelle).
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Das Kopfteil 102a ist, wie bereits beschrieben, von dem im Wesentlichen topfförmig ausgebildeten Kühlkörper 120 umgeben, wobei insbesondere eine Bodenfläche 120a des Kühlkörpers 120 zwecks optimierter Wärmeleitung einen innigen Flächenkontakt mit der Gehäuseplatte 102d herstellt.
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In der Gehäuseplatte 102d sind mehrere vorliegend nicht näher bezeichnete Durchführungsöffnungen vorgesehen, die eine hermetisch dichte Durchführung von elektrischen Kontakten 112 aus dem Innenraum 106 des Kopfteils 102a in den Außenbereich des Gehäuses 102 ermöglichen. Eine hermetische Abdichtung der Durchführungsöffnungen in der Gehäuseplatte 102d für die elektrischen Kontakte 112 kann beispielsweise mittels Verglasen erfolgen.
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Zwischen den Komponenten 140, 102d, 120 können vorteilhaft auch eine Wärmeleitung begünstigende Stoffe, wie beispielsweise eine Wärmeleitpaste und dergleichen, vorgesehen sein. Ein inniger Flächenkontakt zwischen der Gehäuseplatte 102d und dem Kühlkörper 120 ist ferner dadurch bewerkstelligbar, dass eine Federvorrichtung vorgesehen ist, welche den Kühlkörper 120 in axialer Richtung gegen die Außenseite der Metallplatte 102d verspannt.
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Vorliegend ist eine derartige Federvorrichtung durch einen Federring 122 realisiert, der sich an dem Sicherungsring 124 in 7 nach unten abstützt. Der Sicherungsring 124 ist, wie aus 7 ersichtlich, in eine in der inneren Mantelfläche des Kühlkörpers 120 vorgesehene Nut eingelassen und damit axial fixiert. Der Federring 122 weist mehrere federnd ausgebildete Arme auf, die sich ihrerseits an einer Schulter 102f des Gehäuseteils 102a abstützen, wodurch der Kühlkörper 120, insbesondere seine Bodenfläche 120a (6), gegen die Gehäuseplatte 102d verspannt wird.
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8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Laserzündkerze 100 in ihrem Einbauzustand in dem Zylinderkopf 50. Im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist vorliegend kein rein topfförmiger Kühlkörper 120 (7) vorgesehen, sondern der Kühlkörper 120' weist – zusätzlich zu seiner Grundgeometrie (z. B. Topfform) – die aus 8 ersichtlichen Kühlstifte beziehungsweise Kühlfinger auf, die eine wesentliche Vergrößerung der für die Kühlung wirksamen Oberfläche des Kühlkörpers 120' bewirken. Bei dieser Ausführungsform erfolgt ein Wärmeübergang aus dem Kühlkörper 120' nicht nur in die Halterung 130, sondern über die Kühlfinger auch direkt an die Umgebungsluft. Ein die Laserzündkerze 100 versorgendes Kabel 112 ist ebenfalls aus 8 ersichtlich.
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9 zeigt eine elektrische Kontaktierung der Laserzündkerze 100 im Bereich des Kopfteils 102a gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Die elektrischen Anschlüsse für die Pumplichtquelle 40, das Peltier-Element 140 und ggf. den Drucksensor 108 (1) werden bevorzugt mit eingeglasten Kontaktstiften 112 isoliert und hermetisch dicht durch den Deckel 102d geführt. Die Kontaktierung im Innenraum 106 des Gehäuses 102 erfolgt bevorzugt durch vorliegend nicht näher bezeichnete Bonddrähte, es sind jedoch auch andere Kontaktierungen wie z. B. Löten, Klemmen oder Pressverbindungen vorstellbar.
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Außerhalb des hermetisch dichten Innenraums 106 gibt es verschiedene Alternativen zur Kontaktierung der Kontaktstifte 112. Wie aus 9 ersichtlich, besitzen die Kontaktstifte 112 eine Bohrung, in die die Litze 112a eines Kabels 112b eingeschoben und z. B. vercrimpt werden kann. Darüber wird ein Isolierteil 112c aus Kunststoff geschoben. Dieses kann für einen oder mehrere Stifte 112 ausgeführt sein. Um den Crimpbereich gegen korrosive Medien abzudichten, besitzt das Isolierteil 112c eine Dichtung 112d zum Deckel 102d hin, z. B. eine Feststoffdichtung (O-Ring oder eine Raupe aus flüssiger, dann aushärtender Dichtmasse). Das kabelseitige Ende der Kontaktstifte 112 wird z. B. mit handelsüblichen Einzeladerdichtungen 112e abgedichtet. Die Isolierteile 112c werden z. B. mechanisch durch Öffnungen im Kühlkörper 120 gehalten bzw. elastische Dichtungen 112d dadurch an den Deckel 102d axial angepresst.
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10 zeigt eine perspektivische Ansicht der Abdeckkappe 114 für den brennraumabgewandten Bereich der Laserzündkerze gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Als Schutz gegen Beschädigung der Einzelkabel 112b (9) bei Montage und Betrieb kann die Abdeckkappe 114 vorteilhaft gleichzeitig als Zugentlastungsvorrichtung ausgebildet sein. Die Zugentlastungsvorrichtung besteht z. B. aus zwei identischen Metall- oder Kunststoffteilen 114a, 114b, die auf dem Kühlkörper 120 gehalten werden, entweder wie in 10 dargestellt durch Schrauben 114c, oder durch andere Mittel wie Hinterschnitte, Verrastung usw. Die Schrauben 114c oder andere im wesentlichen gleichwirkende Mittel wie eine Verrastung usw. pressen die beiden Hälften 114a, 114b im Bereich 114d der Ummantelung der bzw. des Kabels 112 zusammen und sichern diese gegen Herausziehen.
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An dem anderen, in 10 nicht gezeigten Ende des Kabels 112, verbindet ein Stecker das Kabel 112 mit einem Schalt- bzw. Steuergerät, das z. B. die Ansteuerung und Stromversorgung für die Laserzündkerze 100 enthält.
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In einer weiteren, ebenfalls nicht näher dargestellten Ausführungsform bilden die Kontakte 112 und die Isolierteile 112c einen Stecker, der über einen kabelseitigen Gegenstecker den elektrischen Kontakt herstellt.
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11 zeigt schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 200 wird die Lasereinrichtung 110 in das Gehäuse 102 der Laserzündkerze 100 integriert. Beispielsweise wird die Pumplichtquelle 40 mitsamt der weiteren Komponenten 44, 140 (3) in das Kopfteil 102a integriert, und ein Brennraumfenster wird in das Fußteil 102b integriert.
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In einem zweiten Schritt 210 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Gehäuse 102 der Laserzündkerze 100 schließlich hermetisch abgedichtet, beispielsweise mittels Schweißen.
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In einer weiteren möglichen Ausführung wird die Laserzündkerze 100 nicht in den Zylinderkopf 50 eingeschraubt, sondern eingesteckt und über Spannmittel in eine z. B. konische Bohrung im Motorblock bzw. Zylinderkopf 50 gepresst, so dass der Brennraum abgedichtet ist. In diesem Fall kann der Halter 130 (3) zusätzlich die Funktion einer Spannpratze übernehmen, die die Laserzündkerze 100 an den Zylinderkopf 50 presst.
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Nachfolgend sind die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 zusammengefasst.
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Die konstruktive Einheit aus Pumpmodul 40 und Zündlaser 44, die in ein gemeinsames Gehäuse 102 integriert sind, lässt sich einfacher montieren als eine konventionelle Laserzündkerze, die über eine Lichtleitereinrichtung mit einer externen Pumplichtquelle verbunden ist. Die Einheit 102 ist weit weniger anfällig gegen Beschädigung bei Montage und Betrieb (Lasersicherheit). Durch den Wegfall einiger bei konventionellen Systemen benötigter Komponenten wie z. B. externe Lichtleiter oder Wasserkühlungskomponenten entfallen auch deren Kosten. Die hermetisch dichte Einheit 102 aus Pumpmodul 40 und Zündlaser 44 ist einfacher frei von schädlichen Partikeln auf der Laseroptik zu halten.
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In einer vorteilhaften Ausführung erfolgt die Wärmeabfuhr der Verlustwärme des Pumplasers 40 rein über eine stoffgebundene Wärmeleitung an den Zylinderkopf 50, der aufgrund seiner Wasserkühlung ein stabiles Temperaturniveau und eine hohe Wärmekapazität besitzt. Aufwendige Kühlwasseranschlüsse an der Laserzündkerze 100 sind nicht notwendig.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung 120, 130 zur Wärmeableitung an den Zylinderkopf 50 vereinigt noch weitere Funktionen in einem Bauteil 100: Sie fixiert das Kopfteil 102a der Laserzündkerze 100 in radialer Richtung und nimmt die radialen Massekräfte auf, die durch Motorvibrationen entstehen. Sollte die Laserzündkerze 100 nicht ganz in den Zylinderkopf 50 eingeschraubt sein, so kann auch der Wärmeleit-Deckel 130 (Halterung) nicht plan auf die Oberfläche 50a des Zylinderkopfes 50 angeschraubt werden, ein Monteur kann somit einfach einen entsprechenden Fehler bemerken.
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Sollte ein vorgebbares Anzugsmoment der Laserzündkerze 100 nicht eingehalten sein, und diese löst sich im Betrieb, so verhindert der Wärmeleitdeckel 130, dass die Laserzündkerze 100 explosionsartig aus dem Kerzenschacht 55 schießen und Schäden oder Verletzungen verursachen kann.
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Der Zündlaser 44 ist weit entfernt vom Brennraum im oberen Bereich des Kerzenschachts 55 angeordnet. Dadurch wird die Betriebstemperatur des Zündlasers 44 niedriger, was Vorteile beim Laserwirkungsgrad bringt.
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Der Zündlaser 44 wird axial von der Rückseite her gepumpt, so steht die ganze Mantelfläche des Laserkristalls 44 als Wärmeableitfläche an das Gehäuse 102 zur Verfügung. Ein weiterer Vorteil der großen Entfernung von dem Zündlaser 44 zu einer bevorzugt im Bereich des Brennraumfensters angeordneten Fokussieroptik ist, dass auf eine Aufweitungs-Optik kurz nach dem Zündlaser 44 verzichtet werden kann, die natürliche Aufweitung des Strahls 24 von dem Zündlaser 44 genügt.
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Wird ein Array aus vertikal emittierenden Laserdioden (bevorzugt in Kombination mit einem passenden Linsenarray zur Strahlkollimation) als Pumplaser 40 verwendet, so kann das Pumpmodul 40 sehr einfach aufgebaut werden: Alle Teile werden horizontal aufeinander geschichtet und verklebt und/oder gelötet und/oder geklammert. Die Kontaktierung kann einfach durch Bonden erfolgen. Die Abwärme fließt über kurze Strecken 140, 102d, 120 (3) mit großer Querschnittsfläche.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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