DE102011100896A1

DE102011100896A1 - Laser ignition device for igniting fuels in internal combustion engine of motor car, has photodiode array including series circuit and impedance network in which photodiode is biased by direct current voltage in reverse direction

Info

Publication number: DE102011100896A1
Application number: DE201110100896
Authority: DE
Inventors: Werner Herden; Mathias Moenster; Manfred Vogel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2012-11-15

Abstract

The device (27) has a laser device (26) to generate laser ignition pulses (24). A pumping light source (30) is provided for optical pumping of the laser device. A photodiode array (270) is arranged in a region of an optical connection (280) between the pump light source and the laser device, where the pump light source generates laser radiation to be radiated on a photodiode of the photodiode array. The photodiode array comprises a series circuit of the photodiode and an impedance network in which the photodiode is biased by direct current (DC) voltage in reverse direction. The laser device is a semiconductor diode laser. An independent claim is also included for a method for operating a laser ignition device.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Laserzündeinrichtung weist eine Lasereinrichtung zur Erzeugung von Laserimpulsen und eine Pumplichtquelle zum optischen Pumpen der Lasereinrichtung auf. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren nach den nebengeordneten Patentansprüchen.The invention relates to a laser ignition device for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1. The laser ignition device has a laser device for generating laser pulses and a pump light source for optically pumping the laser device. Furthermore, the invention relates to a method according to the independent claims.

Eine derartige Laserzündeinrichtung ist bereits aus der DE 10 2007 044 011 A1 bekannt.Such a laser ignition device is already out of the DE 10 2007 044 011 A1 known.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Laserzündeinrichtung nach Anspruch 1, sowie durch ein Verfahren nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The problem underlying the invention is achieved by a laser ignition device according to claim 1, and by a method according to the independent claims. Advantageous developments are specified in the subclaims.

Die Erfindung betrifft eine Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Die Laserzündeinrichtung umfasst eine Lasereinrichtung zur Erzeugung von Laserzündimpulsen und eine Pumplichtquelle zum optischen Pumpen der Lasereinrichtung. Dabei ist eine Photodiodenanordnung im Bereich einer optischen Verbindung zwischen der Pumplichtquelle und der Lasereinrichtung so angeordnet, dass sowohl von der Pumplichtquelle erzeugte Pumpstrahlung als auch von der Lasereinrichtung erzeugte Laserstrahlung jeweils zumindest teilweise auf eine Photodiode der Photodiodenanordnung einstrahlbar ist. Die Photodiodenanordnung weist eine Serienschaltung aus der Photodiode und einem Impedanznetzwerk auf, wobei die Photodiode mittels einer Gleichspannung in Sperrrichtung vorgespannt ist. Dadurch, dass die Photodiode in Sperrrichtung betrieben wird, fließt ein in etwa linear von dem eingestrahlten Licht abhängiger Sperrstrom, welcher über das erfindungsgemäße Impedanznetzwerk fließen und von einer Auswerteschaltung ausgewertet werden kann. Die Auswerteschaltung kann beispielsweise ein Komparator sein. Eine durch das Pumplicht induzierte Sättigung der Photodiode kann im Wesentlichen vermieden werden. Dadurch Ist vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, sowohl die von der Lasereinrichtung erzeugten Laserzündimpulse als auch die von Pumplichtquelle bereitgestellte Pumpstrahlung zu überwachen.The invention relates to a laser ignition device for an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle. The laser ignition device comprises a laser device for generating laser ignition pulses and a pump light source for optically pumping the laser device. In this case, a photodiode array is arranged in the region of an optical connection between the pumping light source and the laser device so that both the pump radiation generated by the pumping light source and laser radiation generated by the laser device is at least partially einstrahlbar on a photodiode of the photodiode array. The photodiode array comprises a series circuit of the photodiode and an impedance network, wherein the photodiode is biased by a DC voltage in the reverse direction. Characterized in that the photodiode is operated in the reverse direction, flows in an approximately linearly dependent on the incident light reverse current flowing through the impedance network according to the invention and can be evaluated by an evaluation circuit. The evaluation circuit may be, for example, a comparator. An induced by the pump light saturation of the photodiode can be substantially avoided. This advantageously provides the possibility of monitoring both the laser ignition pulses generated by the laser device and the pump radiation provided by the pump light source.

Die Erfindung hat darüber hinaus den Vorteil, dass die Photodiodenanordnung zur Ermittlung der Pumpstrahlung und der Laserstrahlung einen besonders großen Linearitätsbereich einer an einem Lastwiderstand abgegebenen Spannung in Bezug auf das eingestrahlte Licht aufweist. Außerdem kann der Lastwiderstand einen vergleichsweise großen ohmschen Widerstand aufweisen, wodurch die Spannung an dem Lastwiderstand ebenfalls größer ist. Diese Spannung ist nicht durch die Diffusionsspannung der Photodiode, sondern im Wesentlichen durch den Wert der Vorspannung begrenzt. Dadurch kann die Spannung an dem Lastwiderstand besonders gut ausgewertet werden. Gegebenenfalls ist sogar eine analoge Verstärkung der Spannung entbehrlich, und es kann die an dem Lastwiderstand anliegende Spannung für eine weitere Signalverarbeitung direkt mit einem Eingang einer digitalen Schaltung verbunden sein.The invention also has the advantage that the photodiode array for determining the pump radiation and the laser radiation has a particularly large linearity range of a voltage delivered to a load resistor with respect to the incident light. In addition, the load resistance may have a comparatively large ohmic resistance, as a result of which the voltage at the load resistor is also greater. This voltage is not limited by the diffusion voltage of the photodiode, but essentially by the value of the bias voltage. As a result, the voltage at the load resistor can be evaluated particularly well. Optionally, even an analog gain of the voltage is unnecessary, and it can be connected to the load resistor voltage for further signal processing directly to an input of a digital circuit.

Eine besonders klein bauende Variante der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung ist dadurch angegeben, dass die Photodiode im Bereich eines optischen Anschlusses der Pumplichtquelle oder der Lasereinrichtung angeordnet ist. Vorzugsweise kann die Photodiode auch direkt in die betreffenden Komponenten integriert sein.A particularly small variant of the laser ignition device according to the invention is indicated by the fact that the photodiode is arranged in the region of an optical connection of the pumping light source or the laser device. Preferably, the photodiode can also be integrated directly into the relevant components.

Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung ist vorgesehen, dass die optische Verbindung zwischen der Pumplichtquelle und der Lasereinrichtung einen optischen Querschnittswandler aufweist, und dass die Photodiode im Bereich des Querschnittwandlers angeordnet ist, vorzugsweise direkt an dem Querschnittswandler. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass im Bereich des Querschnittswandlers vorteilhaft sowohl Pumpstrahlung als auch von der Lasereinrichtung erzeugte Laserimpulse zumindest in Form von Streulicht aus dem Querschnittswandler austreten, so dass sie besonders effizient und einfach mit einer Photodiode erfasst werden können.In a further particularly advantageous variant of the laser ignition device according to the invention, it is provided that the optical connection between the pumping light source and the laser device has an optical cross-section converter, and that the photodiode is arranged in the region of the cross-sectional transducer, preferably directly on the cross-sectional transducer. According to the invention, it has been recognized that advantageously both pump radiation and laser pulses generated by the laser device emerge from the cross-sectional transducer in the region of the cross-sectional transducer, so that they can be detected particularly efficiently and simply with a photodiode.

Eine besonders präzise Auswertung der von der Lasereinrichtung erzeugten Laserzündimpulse ist einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge dadurch gegeben, dass die Photodiodenanordnung einen Hochpassfilter und/oder einen Bandpassfilter zur Filterung eines Ausgangssignals der Photodiode aufweist. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass bei geeigneter Wahl der unteren Grenzfrequenz des Hochpassfilters bzw. des Bandpassfilters erreicht werden kann, dass üblicherweise verhältnismäßig niederfrequente Anteile des elektrischen Ausgangssignals der Photodiode, die auf eingestrahlte Pumpstrahlungsanteile zurückzuführen sind, nicht bereits zu einer Vorsättigung der Photodiode führen, wodurch die Auswertbarkeit der verhältnismäßig hochfrequenten Signalanteile, die sich infolge der Einstrahlung der Laserzündimpulse auf die Photodiode ergeben, sichergestellt ist.A particularly precise evaluation of the laser ignition pulses generated by the laser device is given according to a further advantageous variant of the invention in that the photodiode array has a high-pass filter and / or a bandpass filter for filtering an output signal of the photodiode. According to the invention, it has been recognized that with a suitable choice of the lower limit frequency of the high-pass filter or the bandpass filter can be achieved that usually relatively low-frequency components of the electrical output signal of the photodiode, which are due to irradiated pump radiation components, not already lead to a presaturation of the photodiode, thereby the readability of the relatively high-frequency signal components, which arise as a result of the irradiation of the laser ignition pulses on the photodiode, is ensured.

Eine besonders einfache Schaltungskonfiguration ist einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante dadurch gegeben, dass das Impedanznetzwerk ein induktives Element umfasst. Bei geeigneter Wahl der Induktivität des induktiven Elements, das beispielsweise als herkömmliche Spule ausgebildet sein kann, können bevorzugt die störenden niederfrequenten Pumplichtanteile eines elektrischen Ausgangssignals der Photodiode kurzgeschlossen werden, so dass diese nicht zur eventuellen Vorsättigung der Photodiode beitragen können. Höherfrequente Anteile des Photodiodenausgangssignals, die durch die Laserzündimpulse bedingt sind, erzeugen demgegenüber jedoch einen größeren Spannungsabfall an dem induktivem Element und einem gegebenenfalls dazu parallel geschalteten Lastwiderstand und sind demnach vorteilhaft präzise auswertbar.A particularly simple circuit configuration is given to a further advantageous variant of the invention in that the impedance network comprises an inductive element. If appropriate Choice of the inductance of the inductive element, which may be formed, for example, as a conventional coil, preferably the interfering low-frequency pump light components of an electrical output signal of the photodiode can be shorted so that they can not contribute to the eventual Vorsättigung the photodiode. Hoenerfrequente portions of the photodiode output signal, which are caused by the laser ignition pulses, however, generate a larger voltage drop across the inductive element and an optionally parallel thereto connected to the load resistor and are therefore advantageous precisely evaluated.

Das induktive Element ist entsprechend den verwendeten Signalfrequenzen für die Pumpstrahlung und die Laserzündimpulse der Lasereinrichtung so auszuwählen, dass die Frequenzanteile der Pumpstrahlung überwiegend von dem Hochpassfilter bzw. Bandpassfilter kurzgeschlossen werden, so dass sich keine unerwünschte Vorsättigung der Photodiode durch die Pumpstrahlung ergibt. Typischerweise können Signalanteile des elektrischen Ausgangssignals der Photodiode, die auf die Einstrahlung von Pumplicht zurückgehen, im Bereich von etwa 100 kHz liegen, während solche Signalanteile des elektrischen Ausgangssignals der Photodiode, die auf die Einstrahlung von Laserzündimpulsen der Lasereinrichtung zurückgehen, im Bereich von etwa 1 GHz liegen.The inductive element is selected according to the signal frequencies used for the pump radiation and the laser ignition pulses of the laser device so that the frequency components of the pump radiation are mainly short-circuited by the high-pass filter or bandpass filter, so that there is no unwanted Vorsättigung the photodiode by the pump radiation. Typically, signal portions of the electrical output of the photodiode due to the irradiation of pump light may be in the range of about 100 kHz, while those portions of the electrical output of the photodiode due to the irradiation of laser firing pulses of the laser device may be in the range of about 1 GHz lie.

Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante weist das Impedanznetzwerk eine erste Serienschaltung aus mindestens einem induktiven Element und einem ersten ohmschen Widerstand auf. Durch eine geeignete Auswahl des ohmschen Widerstands dieser Serienschaltung kann erreicht werden, dass die zur Vorsättigung der Photodiode beitragenden, verhältnismäßig niederfrequenten Signalanteile des Photodiodenausgangssignals nicht komplett kurzgeschlossen werden. Dadurch ist durch eine der Photodiodenanordnung nachgeordnete Auswerteschaltung auch die Auswertung der Pumpstrahlung möglich, beispielsweise eine Überprüfung auf das Vorhandensein der Pumpstrahlung. Der ohmsche Widerstand der Serienschaltung ist nicht zu groß zu wählen, damit die Photodiode nicht durch die Spektralanteile der Pumpstrahlung eventuell in einen Sättigungszustand übergeht.In a further very advantageous variant of the invention, the impedance network has a first series connection of at least one inductive element and a first ohmic resistance. By a suitable selection of the ohmic resistance of this series circuit can be achieved that the contributing to the presaturation of the photodiode, relatively low-frequency signal components of the photodiode output signal are not completely short-circuited. As a result, the evaluation of the pump radiation is also possible by means of an evaluation circuit downstream of the photodiode arrangement, for example a check for the presence of the pump radiation. The ohmic resistance of the series circuit is not too large to choose so that the photodiode does not pass through the spectral components of the pump radiation eventually in a saturation state.

Eine weitere vorteilhafte Erfindungsvariante sieht vor, dass das Impedanznetzwerk eine Parallelschaltung aufweist, wobei die Parallelschaltung erstens eine erste Serienschaltung aus mindestens einem induktiven Element und mindestens einem ersten Schalter, und zweitens, parallel dazu, mindestens eine zweite Serienschaltung aus mindestens einem zweiten ohmschen Widerstand und mindestens einem zweiten Schalter umfasst. Mit dieser Schaltungsanordnung kann die Filtercharakteristik der erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung verändert werden.A further advantageous variant of the invention provides that the impedance network has a parallel connection, wherein the parallel connection firstly a first series circuit of at least one inductive element and at least a first switch, and second, in parallel, at least a second series circuit of at least one second ohmic resistance and at least a second switch. With this circuit arrangement, the filter characteristic of the photodiode array according to the invention can be changed.

Beispielsweise kann während des optischen Pumpens der Lasereinrichtung die zweite Serienschaltung durch das Schließen des Schalters der zweiten Serienschaltung aktiv geschaltet werden, so dass parallel zu der Photodiode der ohmsche Widerstand der zweiten Serienschaltung anliegt. Hierdurch kann an dem ohmschen Widerstand ein Spannungswert, der proportional zur optischen Pumpleistung der Pumplichtquelle ist, erfasst werden. Anschließend, beispielsweise eine definierte Zeit vor dem geschätzten Auftreten der Erzeugung eines Laserzündimpulses durch die Lasereinrichtung, kann die zweite Serienschaltung durch Öffnen des in ihr enthaltenen Schalters deaktiviert werden, während gleichzeitig der Schalter der ersten Serienschaltung geschlossen wird, um durch die vorstehend bereits mehrfach beschriebene Hochpasscharakteristik der eine Induktivität aufweisenden ersten Serienschaltung eine besonders präzise Erfassung des Laserzündimpulses zu ermöglichen.For example, during the optical pumping of the laser device, the second series circuit can be activated by closing the switch of the second series circuit, so that the ohmic resistor of the second series circuit is applied in parallel with the photodiode. As a result, a voltage value which is proportional to the optical pumping power of the pumping light source can be detected at the ohmic resistance. Subsequently, for example, a defined time before the estimated occurrence of the generation of a laser ignition pulse by the laser device, the second series circuit can be deactivated by opening the switch contained in it, while the switch of the first series circuit is closed at the same time by the high-pass characteristic already described above the inductor having a first series circuit to allow a particularly accurate detection of the laser ignition pulse.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Impedanznetzwerk einen Lastwiderstand umfasst, wobei der Lastwiderstand parallel zu dem induktiven Element bzw. parallel zu der ersten Serienschaltung bzw. parallel zu der zweiten Serienschaltung geschaltet ist. Der Lastwiderstand wandelt den durch die Photodiode fließenden Sperrstrom in eine Spannung um, die beispielsweise durch ein Steuergerät der Laserzündeinrichtung messtechnisch erfassbar ist. Der Lastwiderstand stellt typischerweise einen Innenwiderstand einer entsprechenden Messeinrichtung des Steuergeräts dar, kann jedoch auch als diskretes Bauelement, insbesondere in der Nähe der Photodiode, ausgeführt bzw. angeordnet sein.A further embodiment of the invention provides that the impedance network comprises a load resistor, wherein the load resistor is connected in parallel to the inductive element or parallel to the first series circuit or parallel to the second series circuit. The load resistor converts the reverse current flowing through the photodiode into a voltage which can be detected by measurement, for example, by a control unit of the laser ignition device. The load resistor typically represents an internal resistance of a corresponding measuring device of the control device, but may also be designed or arranged as a discrete component, in particular in the vicinity of the photodiode.

Der Lastwiderstand sowie die Induktionswerte der induktiven Elemente und gegebenenfalls weiterer ohmscher Widerstände der erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung sind in an sich bekannter Weise derart anzupassen, dass eine gewünschte Filtercharakteristik erzielt wird. Überdies ist der Lastwiderstand einerseits niedrig genug zu wählen, dass die Schaltung in Verbindung mit der Kapazität der Photodiode (Tiefpass) schnell genug ist, den Zündlaserimpuls zu erfassen. Andererseits ist der Lastwiderstand groß genug zu wählen, dass ein ausreichender Spannungspegel für eine verlässliche Detektion erzeugt wird. Bevorzugte Werte für den Lastwiderstand liegen im Bereich von 50 Ohm bis 200 kOhm (Kilo-Ohm). Insbesondere durch die erfindungsgemäße Nutzung des Sperrstroms der Photodiode ist die wirksame Kapazität der Photodiode vergleichsweise klein und daher kann der Lastwiderstand entsprechend groß bemessen sein.The load resistance and the induction values of the inductive elements and, if appropriate, further ohmic resistances of the photodiode arrangement according to the invention are to be adapted in a manner known per se such that a desired filter characteristic is achieved. Moreover, the load resistance on the one hand is low enough to choose that the circuit in conjunction with the capacity of the photodiode (low pass) is fast enough to detect the Zündlaserimpuls. On the other hand, the load resistance is to be chosen large enough that a sufficient voltage level is generated for reliable detection. Preferred values for the load resistance are in the range of 50 ohms to 200 kOhms (kilo-ohms). In particular, by the inventive use of the reverse current of the photodiode, the effective capacitance of the photodiode is comparatively small and therefore the load resistance can be sized accordingly large.

Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung ist vorgesehen, dass mindestens ein Element des Impedanznetzwerks entfernt von der Photodiode, insbesondere in einem Laser-Steuergerät der Laserzündeinrichtung angeordnet ist. Beispielsweise kann das induktive Element und/oder mindestens eine Serienschaltung, z. B. aufweisend Schalter, induktive Elemente oder ohmsche Widerstände, in einem Steuergerät der Laserzündeinrichtung angeordnet sein, während allein die Photodiode direkt im Bereich der optischen Verbindung beziehungsweise des optischen Querschnittwandlers angeordnet ist. In a further particularly advantageous embodiment of the laser ignition device according to the invention it is provided that at least one element of the impedance network is arranged away from the photodiode, in particular in a laser control device of the laser ignition device. For example, the inductive element and / or at least one series circuit, for. B. having switches, inductive elements or ohmic resistors, be arranged in a control device of the laser ignition device, while only the photodiode is arranged directly in the region of the optical connection or the optical cross-section converter.

Eine besondere einfache Schaltung der Photodiodenanordnung sieht vor, dass die Photodiode in Sperrrichtung mittels einer Gleichspannung vorgespannt ist, derart, dass ein Sperrstrom der Photodiode über das induktive Element bzw. über die erste Serienschaltung bzw. über die zweite Serienschaltung bzw. über den Lastwiderstand fließen kann. Dadurch kann an dem Lastwiderstand eine durch den Sperrstrom der Photodiode erzeugte Spannung vorteilhaft erfasst werden, wobei zusammen mit den übrigen Elementen der Photodiodenanordnung die oben beschriebenen Eigenschaften eines Hochpassfilters oder eines Bandpassfilters bewirkt werden.A particular simple circuit of the photodiode array provides that the photodiode is biased in the reverse direction by means of a DC voltage, such that a reverse current of the photodiode can flow through the inductive element or via the first series circuit or via the second series circuit or via the load resistor , As a result, a voltage generated by the reverse current of the photodiode can advantageously be detected at the load resistor, the properties of a high-pass filter or a bandpass filter described above being brought about together with the remaining elements of the photodiode array.

Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß den Patentansprüchen 11 bis 14 angegeben.As a further solution to the object of the present invention, a method according to claims 11 to 14 is given.

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.Features which are important for the invention can also be found in the following drawings, wherein the features, both alone and in different combinations, can be important for the invention, without being explicitly referred to again.

Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:Hereinafter, exemplary embodiments of the invention will be explained with reference to the drawings. In the drawing show:

1 schematisch eine Brennkraftmaschine mit einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung; 1 schematically an internal combustion engine with a first embodiment of the laser ignition device according to the invention;

2 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung; 2 a further embodiment of the laser ignition device according to the invention;

3a, 3b, 3c jeweils unterschiedliche Schaltungsanordnungen einer erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung; und 3a . 3b . 3c each different circuit arrangements of a photodiode array according to the invention; and

4a–4d jeweils unterschiedliche Zeitverläufe elektrischer Betriebsgrößen gemäß weiterer Ausführungsformen. 4a - 4d each different time courses of electrical operating variables according to further embodiments.

Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.The same reference numerals are used for functionally equivalent elements and sizes in all figures, even in different embodiments.

Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie kann zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs dienen. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 12 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18, der an einen auch als Rail bezeichneten Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen ist.An internal combustion engine carries in 1 Overall, the reference number 10 , It can serve to drive a motor vehicle, not shown. The internal combustion engine 10 includes several cylinders, one of which is in 1 only one with the reference numeral 12 is designated. A combustion chamber 14 of the cylinder 12 is from a piston 16 limited. Fuel enters the combustion chamber 14 directly through an injector 18 , the to a designated as rail fuel pressure accumulator 20 connected.

In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels eines Laserzündimpulses 24 entzündet, der von einer eine Lasereinrichtung 26 umfassenden Laserzündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird die Lasereinrichtung 26 über eine optische Verbindung 280 mit Pumplicht gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die optische Verbindung 280 stellt eine Lichtleitereinrichtung dar. Die Pumplichtquelle 30 wird von einem Laser-Steuergerät 32 gesteuert. Die Pumplichtquelle 30 kann beispielsweise Halbleiter-Diodenlaser zur Erzeugung des Pumplichts aufweisen. Das Laser-Steuergerät 32 steht über eine in 1 als gestrichelte Linie angedeutete und nicht näher bezeichnete Kommunikationsleitung mit einem Motor-Steuergerät 33 in Verbindung. Das Motor-Steuergerät 33 steuert den Injektor 18 an. Optional können das Laser-Steuergerät 32 und das Motor-Steuergerät 33 in eine Steuereinheit integriert sein.In the combustion chamber 14 injected fuel 22 is by means of a laser ignition pulse 24 ignited by a laser device 26 comprehensive laser ignition device 27 in the combustion chamber 14 is emitted. For this purpose, the laser device 26 via an optical connection 280 powered by pumping light from a pumping light source 30 provided. The optical connection 280 represents a light guide device. The pump light source 30 is from a laser controller 32 controlled. The pump light source 30 For example, it may comprise semiconductor diode lasers for generating the pump light. The laser control unit 32 is about a in 1 indicated as a dashed line and unspecified communication line with an engine control unit 33 in connection. The engine control unit 33 controls the injector 18 at. Optionally, the laser control unit 32 and the engine control unit 33 be integrated in a control unit.

Die Lasereinrichtung 26 weist beispielsweise einen laseraktiven Festkörper (nicht gezeigt) mit einer passiven Güteschaltung auf, die zusammen mit einem Einkoppelspiegel und einem Auskoppelspiegel einen optischen Resonator bildet. Unter Beaufschlagung mit von der Pumplichtquelle 30 erzeugtem Pumplicht, welches insbesondere longitudinal in den optischen Resonator eingestrahlt wird, erzeugt die Lasereinrichtung 26 in an sich bekannter Weise einen Laserzündimpuls 24, der durch eine Fokussieroptik auf einen in dem Brennraum 14 befindlichen Zündpunkt ZP fokussiert ist. Die in einem Gehäuse der Lasereinrichtung 26 vorhandenen Komponenten sind durch ein Brennraumfenster von dem Brennraum 14 getrennt. Als laseraktiver Festkörper wird bevorzugt ein Neodym- oder Ytterbium-dotiertes Material verwendet.The laser device 26 has, for example, a laser-active solid (not shown) with a passive Q-switching, which forms an optical resonator together with a coupling-in mirror and a coupling-out mirror. Under pressure from the pump light source 30 generated pumping light, which in particular is injected longitudinally into the optical resonator, generates the laser device 26 in a conventional manner, a laser ignition pulse 24 by focusing optics on one in the combustion chamber 14 located ignition point ZP is focused. The in a housing of the laser device 26 Existing components are through a combustion chamber window from the combustion chamber 14 separated. As the laser-active solid, a neodymium or ytterbium-doped material is preferably used.

Erfindungsgemäß ist eine Photodiodenanordnung 270 vorgesehen, die im Bereich der optischen Verbindung 280 zwischen der Pumplichtquelle 30 und der Lasereinrichtung 26 so angeordnet ist, dass sowohl von der Pumplichtquelle 30 erzeugte Pumpstrahlung als auch von der Lasereinrichtung 26 erzeugte Laserstrahlung jeweils zumindest teilweise eine Photodiode 271 (2) der Photodiodenanordnung 270 einstrahlbar ist.According to the invention is a photodiode array 270 provided in the field of optical connection 280 between the pumping light source 30 and the laser device 26 is arranged so that both from the pump light source 30 generated Pump radiation and from the laser device 26 generated laser radiation each at least partially a photodiode 271 ( 2 ) of the photodiode array 270 is einstrahlbar.

Dadurch kann vorteilhaft ein Betrieb der Pumplichtquelle 30 und/oder der Lasereinrichtung 26 überwacht werden. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Photodiodenanordnung 270 eine Umwandlung der betreffenden optischen Signale in ein elektrisches Ausgangssignal vornehmen, das durch das Laser-Steuergerät 32 in an sich bekannter Weise auswertbar ist.This can advantageously an operation of the pumping light source 30 and / or the laser device 26 be monitored. For example, the photodiode array according to the invention 270 converting the respective optical signals into an electrical output signal generated by the laser control unit 32 can be evaluated in a conventional manner.

Eine konstruktiv besonders wenig aufwendige Erfindungsvariante ist dadurch gegeben, dass die Photodiode 271 im Bereich eines optischen Anschlusses der Pumplichtquelle 30 oder der Lasereinrichtung 26 angeordnet ist. Die Photodiode 271 ist über elektrische Verbindungsleitungen 272 (vergleiche 2) mit dem Laser-Steuergerät 32 verbunden.A structurally particularly less complicated variant of the invention is given by the fact that the photodiode 271 in the region of an optical connection of the pumping light source 30 or the laser device 26 is arranged. The photodiode 271 is via electrical connection lines 272 (compare 2 ) with the laser control unit 32 connected.

Vorteilhaft ist es auch möglich, mindestens am Element der Photodiodenanordnung 270 entfernt von der Photodiode 271 anzuordnen. Dies ist durch ein gestricheltes Viereck mit dem Bezugszeichen 270 innerhalb des Laser-Steuergeräts 32 angedeutet.Advantageously, it is also possible, at least on the element of the photodiode array 270 away from the photodiode 271 to arrange. This is indicated by a dashed quadrangle with the reference numeral 270 within the laser controller 32 indicated.

2 zeigt eine weitere Erfindungsvariante, bei der die optische Verbindung 280 zwischen der Lasereinrichtung 26 und der Pumplichtquelle 30 mittels eines Bündels 282 aus Lichtleitfasern 282a realisiert ist. Die optische Verbindung 280 verfügt ferner über einen optischen Querschnittswandler 281, der eine Anpassung des Querschnitts der mehreren Lichtleitfasern 282a in an sich bekannter Weise an eine Halbleiterlaser-Diodenanordnung 31 der Pumplichtquelle 30 vornimmt. Der Querschnittswandler 281 setzt den im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt der gebündelten Lichtleitfasern 282a wie aus 2 ersichtlich in eine im Wesentlichen rechteckförmige beziehungsweise lineare Anordnung um, so dass die einzelnen Lichtleitfasern 282a vorteilhaft jeweils unterschiedlichen Emittern des Haltleiterdiodenlasers 31, insbesondere Halbleiterdiodenlaser-Barren, gegenüberliegen. 2 shows a further variant of the invention, in which the optical connection 280 between the laser device 26 and the pump light source 30 by means of a bundle 282 made of optical fibers 282a is realized. The optical connection 280 also has an optical cross-section converter 281 which is an adaptation of the cross section of the plurality of optical fibers 282a in a conventional manner to a semiconductor laser diode array 31 the pump light source 30 performs. The cross section converter 281 sets the substantially circular cross section of the bundled optical fibers 282a like out 2 can be seen in a substantially rectangular or linear arrangement, so that the individual optical fibers 282a advantageous in each case different emitters of the semiconductor diode laser 31 , in particular semiconductor diode laser ingots, are opposite.

2 zeigt hierzu auch einen Schnitt durch den Querschnittswandler 281 entlang der Linie A-A'. 2 also shows a section through the cross-section converter 281 along the line A-A '.

Die Photodiode 271 der erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung 270 ist bei dieser Erfindungsvariante vorteilhaft direkt auf dem optischen Querschnittswandler 281 angeordnet, so dass sie in dem Querschnittswandler 281 gestreutes Licht aufnehmen kann. Das in dem Querschnittswandler 281 gestreute Licht enthält Untersuchungen der Anmelderin zufolge sowohl Anteile des von der Pumplichtquelle 30 bereitgestellten Pumplichts als auch Anteile der von der Lasereinrichtung 26 erzeugten Laserzündimpulse 24, wobei die Intensität des gestreuten Pumplichts typischerweise deutlich größer als die Intensität der gestreuten Laserzündimpulse ist.The photodiode 271 the photodiode array according to the invention 270 is advantageous in this variant of the invention directly on the optical cross-section converter 281 arranged so that they are in the cross-section converter 281 can absorb scattered light. That in the cross-section converter 281 According to the Applicant, scattered light contains both portions of the pump light source 30 provided pump light as well as portions of the laser device 26 generated laser ignition pulses 24 wherein the intensity of the scattered pump light is typically significantly greater than the intensity of the scattered laser firing pulses.

3a zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung 270 mit der Photodiode 271, bei der es sich beispielsweise um eine PIN-Diode (”positive intrinsic negative”) handeln kann. Die erfindungsgemäße Photodiodenanordnung 270 weist eine Serienschaltung 102 aus der Photodiode 271 und einem Impedanznetzwerk 100 auf, wobei die Photodiode 271 mittels einer Gleichspannung 104 in Sperrrichtung vorgespannt ist. Die Gleichspannung 104 wird in der 3a mittels einer Gleichspannungsquelle 106 erzeugt und weist einen festen Wert in einem Bereich von beispielsweise etwa 3,3 Volt bis etwa 24 Volt auf. 3a shows a first embodiment of the photodiode array according to the invention 270 with the photodiode 271 , which may be, for example, a PIN diode ("positive intrinsic negative"). The photodiode array according to the invention 270 has a series connection 102 from the photodiode 271 and an impedance network 100 on, with the photodiode 271 by means of a DC voltage 104 biased in the reverse direction. The DC voltage 104 will be in the 3a by means of a DC voltage source 106 and has a fixed value in a range of, for example, about 3.3 volts to about 24 volts.

Das Impedanznetzwerk 100 umfasst vorliegend ein induktives Element L – beispielsweise eine Spule – zu welchem ein Lastwiderstand RL parallel geschaltet ist. Jeweils ein Anschluss der Gleichspannungsquelle 106, des induktiven Elements L und des Lastwiderstands RL sind mit einer Masse 108 elektrisch verbunden. An dem Lastwiderstand RL liegt eine Spannung U.The impedance network 100 in the present case comprises an inductive element L - for example, a coil - to which a load resistor RL is connected in parallel. One connection each of the DC voltage source 106 , the inductive element L and the load resistor RL are of a mass 108 electrically connected. At the load resistor RL is a voltage U.

Parallel zu dem Lastwiderstand RL ist eine in der Zeichnung nicht dargestellte Auswerteschaltung des Laser-Steuergeräts 32 angeschlossen. Die Auswerteschaltung kann die an dem Lastwiderstand RL abfallende Spannung U erfassen. Die Auswerteschaltung ist vergleichsweise hochohmig, das heißt, sie weist eine Impedanz mit einem Betrag auf, dessen Wert größer als der Lastwiderstand RL ist. Gegebenenfalls kann der Lastwiderstand RL auch ein integraler Bestandteil der Auswerteschaltung bzw. des Laser-Steuergeräts 32 sein.Parallel to the load resistor RL is not shown in the drawing evaluation circuit of the laser control unit 32 connected. The evaluation circuit can detect the voltage U dropping across the load resistor RL. The evaluation circuit is comparatively high-impedance, that is, it has an impedance with an amount whose value is greater than the load resistance RL. Optionally, the load resistor RL may also be an integral part of the evaluation circuit or of the laser control device 32 be.

Bei Einstrahlung eines Lichts auf die Photodiode 271 – insbesondere die beschriebene Pumpstrahlung und/oder die Laserstrahlung – fließt ein Sperrstrom von der Masse 108 über die Gleichspannungsquelle 106, weiter über die Photodiode 271, weiter über das induktive Element L bzw. den Lastwiderstand RL, und zurück zu der Masse 108. Dadurch, dass die Photodiode 271 mittels der Gleichspannung 104 in Sperrrichtung vorgespannt ist fließt in der Photodiode 271 ein Sperrstrom, welcher im Wesentlichen linear von einer Stärke des jeweils eingestrahlten Lichts abhängt.Upon irradiation of a light on the photodiode 271 - In particular, the pump radiation described and / or the laser radiation - flows a reverse current from the ground 108 via the DC voltage source 106 , continue over the photodiode 271 , via the inductive element L or the load resistor RL, and back to the ground 108 , Because of the photodiode 271 by means of the DC voltage 104 biased in the reverse direction is flowing in the photodiode 271 a reverse current, which depends substantially linearly on a strength of each incident light.

Das in der 3a dargestellte Impedanznetzwerk 100 entspricht einem Hochpassfilter, wobei die Quelle das einstrahlende Licht und die Senke der Lastwiderstand RL ist. Damit kann diese Schaltungsanordnung vorteilhaft solche Signalanteile des Photodiodenausgangssignals (Photodiodenstrom) kurzschließen, die verhältnismäßig niedrige Frequenzanteile haben, während höherfrequente Signalanteile des Photodiodenstroms nicht kurzgeschlossen werden.That in the 3a illustrated impedance network 100 corresponds to a high pass filter, wherein the source is the incident light and the drain is the load resistor RL. Thus, this circuit can advantageously short circuit those signal components of the photodiode output signal (photodiode current) which have relatively low frequency components while higher-frequency signal components of the photodiode current can not be short-circuited.

Dadurch, sowie durch die erfindungsgemäße Vorspannung der Photodiode 271 in Sperrrichtung kann vorteilhaft verhindert werden, dass die Photodiode 271 bereits durch die Beaufschlagung mit dem Pumplicht in eine eventuelle Vorsättigung gerät, die nachteilig dazu führen könnte, dass der üblicherweise der Pumplichtbestrahlung zeitlich nachfolgende Laserzündimpuls 24 gar nicht mehr detektiert werden kann. Das induktive Element L verhindert demnach einerseits eine eventuelle Vorsättigung der Photodiode 271 durch die verhältnismäßig niederfrequenten Signalanteile, die durch das Pumplicht in der Photodiode 271 erzeugt werden. Andererseits ergibt sich für die verhältnismäßig hochfrequenten Signalanteile, die durch die im Nanosekundenbereich liegenden Laserzündimpulse 24 bewirkt werden, ein vergleichsweise großer Spannungsabfall an der Parallelschaltung von induktivem Element L und Lastwiderstand RL. Parasitäre ohmsche Leitungswiderstände innerhalb des induktiven Elements L (Spule) lassen sich nicht komplett vermeiden. Erfindungsgemäß sind Leitungswiderstände unterhalb von 10 mOhm (Milliohm) bevorzugt.As a result, as well as by the inventive bias of the photodiode 271 In the reverse direction can be advantageously prevented that the photodiode 271 already by the application of the pumping light in a possible presaturation device, which could lead to the disadvantage that usually the pumping light irradiation subsequent laser ignition pulse 24 can no longer be detected. The inductive element L thus prevents on the one hand a possible presaturation of the photodiode 271 by the relatively low frequency signal components passing through the pump light in the photodiode 271 be generated. On the other hand, for the relatively high-frequency signal components that result from the laser ignition pulses lying in the nanosecond range 24 causes a comparatively large voltage drop across the parallel circuit of inductive element L and load resistor RL. Parasitic ohmic resistances within the inductive element L (coil) can not be completely avoided. In accordance with the invention, line resistances below 10 milliohms are preferred.

Der Lastwiderstand RL muss nicht notwendig als separates, diskretes Bauelement ausgebildet werden, sondern kann in an sich bekannter Weise beispielsweise bereits in einer Eingangsstufe des Laser-Steuergeräts 32 enthalten sein, die eine Auswertung der von der Photodiode 271 erzeugten elektrischen Signale realisiert. Der Lastwiderstand RL kann auch als Eingangsimpedanz einer solchen Eingangsstufe aufgefasst werden.The load resistor RL need not necessarily be formed as a separate, discrete component, but can in a conventional manner, for example, already in an input stage of the laser control device 32 be included, which is an evaluation of that of the photodiode 271 realized electrical signals. The load resistor RL can also be understood as the input impedance of such an input stage.

Es versteht sich, dass die erfindungsgemäße Photodiodenanordnung 270 alternativ zu der Anordnung nach der 3a, auch in sonstigen, dem Fachmann geläufigen Varianten ausgeführt sein kann. Beispielsweise kann die Reihenfolge der Gleichspannungsquelle 106 und der Photodiode 271 vertauscht sein, oder die Gleichspannungsquelle 106 und die Photodiode 271 können beide in Bezug auf die Masse 108 umgekehrt gepolt sein, und dergleichen mehr. Weiterhin ist es denkbar, die Filtercharakteristik des Impedanznetzwerks 100 gegebenenfalls auch ohne die Verwendung einer Induktivität auszuführen, beispielsweise mittels einer aktiven Schaltung. Dies ist in den 3a bis 3c jedoch nicht dargestellt.It is understood that the photodiode array according to the invention 270 alternatively to the arrangement according to 3a , may also be embodied in other variants familiar to the person skilled in the art. For example, the order of the DC voltage source 106 and the photodiode 271 be reversed, or the DC source 106 and the photodiode 271 can both in terms of mass 108 reversed poled, and the like more. Furthermore, it is conceivable that the filter characteristic of the impedance network 100 optionally also without the use of an inductance, for example by means of an active circuit. This is in the 3a to 3c but not shown.

3b zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung 270, bei der eine erste Serienschaltung SS1 aus dem induktiven Element L und einem ersten ohmschen Widerstand R1 gegeben ist. Im Unterschied zu der Anordnung der 3a weist die Serienschaltung SS1 nicht nur einen rein induktiven Charakter auf. Durch die Anordnung der 3b können auch die durch das induktive Element L kurzgeschlossenen und verhältnismäßig niederfrequenten Signalanteile, die durch das Pumplicht in der Photodiode 271 hervorgerufen werden, zu einem entsprechenden Spannungsabfall an dem ersten ohmschen Widerstand R1 führen und sind damit ebenfalls durch das Laser-Steuergerät 32 detektierbar. Das bedeutet, dass bei der Anordnung der 3b durch die Auswertung der an dem Lastwiderstand RL abfallenden Spannung sowohl auf das Vorhandensein von Pumplicht, als auch auf das Vorhandensein von Laserstrahlung, die mit den durch die Lasereinrichtung 26 erzeugten Laserzündimpulsen 24 korrespondiert, geschlossen werden kann. 3b shows a further embodiment of the photodiode array according to the invention 270 in which a first series circuit SS1 is made of the inductive element L and a first ohmic resistor R1. In contrast to the arrangement of 3a the series circuit SS1 not only has a purely inductive character. By the arrangement of 3b can also be the short-circuited by the inductive element L and relatively low-frequency signal components passing through the pumping light in the photodiode 271 be caused to lead to a corresponding voltage drop across the first ohmic resistance R1 and are thus also by the laser control unit 32 detectable. This means that in the arrangement of the 3b by the evaluation of the voltage dropping across the load resistor RL, both the presence of pump light and the presence of laser radiation coincident with those by the laser device 26 generated laser ignition pulses 24 Corresponds, can be closed.

Der erste ohmsche Widerstand R1 der ersten Serienschaltung SS1 ist vorteilhaft so zu wählen, dass die durch das Pumplicht erzeugten Signalanteile überwiegend kurzgeschlossen werden. Dadurch kann zwar nur ein vergleichsweise geringer Teil dieser niederfrequenten Signalanteile erfasst werden, wobei jedoch eine eventuelle Vorsättigung der Photodiode 271 vermieden werden kann.The first ohmic resistor R1 of the first series circuit SS1 is advantageously to be selected so that the signal components generated by the pumping light are predominantly short-circuited. As a result, only a comparatively small part of these low-frequency signal components can be detected, but a possible presaturation of the photodiode 271 can be avoided.

3c zeigt eine weitere Photodiodenanordnung 270, bei der das Impedanznetzwerk 100 zwei Serienschaltungen SS1 und SS2 parallel zu dem Lastwiderstand RL aufweist. 3c shows another photodiode array 270 where the impedance network 100 has two series circuits SS1 and SS2 in parallel to the load resistor RL.

Die erste Serienschaltung SS1 weist einen Schalter S1 und ein induktives Element L auf, während die zweite Serienschaltung SS2 einen zweiten Schalter S2 und einen hierzu in Serie angeordneten zweiten ohmschen Widerstand R2 aufweist. Die Schalter S1 und/oder S2 können beispielsweise als Transistor ausgebildet sein, wobei die jeweiligen Transistoren von dem Laser-Steuergerät 32 gesteuert werden können. Bevorzugt werden als Schalter S1, S2 MOSFETS eingesetzt, die einerseits kostengünstig und andererseits im Durchlassbetrieb niederohmig sind.The first series circuit SS1 has a switch S1 and an inductive element L, while the second series circuit SS2 has a second switch S2 and a second ohmic resistor R2 arranged in series therewith. The switches S1 and / or S2 may be formed, for example, as a transistor, wherein the respective transistors of the laser control device 32 can be controlled. Preferably, MOSFETS are used as switches S1, S2, which on the one hand are cost-effective and, on the other hand, are low-resistance in forward operation.

Die Photodiodenanordnung 270 gemäß 3c ist besonders vorteilhaft hinsichtlich ihrer Filtercharakteristik konfigurierbar. Das Impedanznetzwerk 100 kann hinsichtlich seiner Impedanz mittels der Schalter S1 und/oder S2 auch dynamisch angepasst werden. Beispielsweise kann in einer ersten Betriebsart während eines Pumpvorganges, bei der die Lasereinrichtung 26 mittels des durch die Pumplichtquelle 30 bereitgestellten Pumplichts optisch gepumpt wird, der erste Schalter S1 geöffnet und der zweite Schalter S2 geschlossen sein, so dass sich insgesamt eine verhältnismäßig niederohmige Anordnung durch die ohmschen Widerstände R2 und RL ergibt. Dennoch kann ein an den ohmschen Widerständen R2 und RL auftretender Spannungsabfall ausgewertet werden, der Aufschluss über die Intensität des Pumplichts beziehungsweise überhaupt des Vorhandenseins des Pumplichts gibt.The photodiode array 270 according to 3c is particularly advantageous in terms of their filter characteristics configurable. The impedance network 100 can also be adapted dynamically with regard to its impedance by means of the switches S1 and / or S2. For example, in a first operating mode during a pumping operation, in which the laser device 26 by means of the pumping light source 30 provided pump light is optically pumped, the first switch S1 open and the second switch S2 be closed, so that the overall result is a relatively low-resistance arrangement by the ohmic resistors R2 and RL. Nevertheless, a voltage drop occurring at the ohmic resistances R2 and RL can be evaluated, which provides information about the intensity of the pump light or, in general, the presence of the pump light.

In einer zweiten Betriebsart wird der zweite Schalter S2 geöffnet und der erste Schalter S1 geschlossen. Diese Konfiguration entspricht im Wesentlichen der Schaltungsanordnung gemäß 3a und ermöglicht durch die Hochpasscharakteristik, die durch das induktive Element L bedingt ist, vorteilhaft eine Filterung der Ausgangssignale der Photodiode 271 dahingehend, dass nur die verhältnismäßig hochfrequenten Signalanteile, die durch die Laserzündimpulse 24 der Lasereinrichtung 26 hervorgerufen werden, an dem Lastwiderstand RL abfallen, während die verhältnismäßig niederfrequenten Signalanteile, die durch das Pumplicht bedingt werden, wie bereits beschrieben durch das induktive Element L der ersten Serienschaltung SS1 kurzgeschlossen werden. In a second mode of operation, the second switch S2 is opened and the first switch S1 is closed. This configuration essentially corresponds to the circuit arrangement according to FIG 3a and, due to the high-pass characteristic, which is caused by the inductive element L, advantageously enables a filtering of the output signals of the photodiode 271 in that only the relatively high-frequency signal components generated by the laser ignition pulses 24 the laser device 26 be caused to drop at the load resistance RL, while the relatively low-frequency signal components, which are caused by the pump light, as already described by the inductive element L of the first series circuit SS1 short-circuited.

Die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsarten erfolgt vorteilhaft hinreichend früh vor einem erwarteten Zündzeitpunkt, zu dem die Lasereinrichtung 26 den Laserzündimpuls 24 erzeugt. Die Umschaltung sollte insbesondere so rechtzeitig vor dem erwarteten Zündzeitpunkt erfolgen, dass die Hochpassfilteranordnung der Photodiodenanordnung 270 noch einschwingen und eventuell in dem P-N-Übergang der Photodiode 271 gespeicherte Ladungsträger abbauen kann, damit eine maximale Empfindlichkeit der Photodiode 271 zur Detektion des Laserzündimpulses 24 gewährleistet ist.The switchover between the two operating modes advantageously takes place sufficiently early in advance of an expected ignition time, to which the laser device 26 the laser ignition pulse 24 generated. The switching should in particular take place in good time before the expected ignition timing that the high-pass filter arrangement of the photodiode array 270 still settle and possibly in the PN junction of the photodiode 271 stored charge carriers can degrade, thus providing maximum sensitivity of the photodiode 271 for detecting the laser ignition pulse 24 is guaranteed.

In einer dritten Betriebsart wird der erste Schalter S1 und der zweite Schalter S2 geöffnet, so dass nur noch der Lastwiderstand RL vom Photodiodenstrom durchflossen wird. Damit lässt sich in dieser Betriebsart ein im Vergleich zur ersten Betriebsart vergrößerter Gesamtwiderstand realisieren, der eine Detektion von relativ schwachen optischen Signalen erlaubt. Dies ergibt sich insbesondere dann, falls RL größer als R2 ist. So kann beispieisweise das relativ schwache Fluoreszenz-Signal des laseraktiven Festkörpers nach Abschaltung des Pumplichtes detektiert werden. Hierbei ist das Ziel des Pumpvorganges lediglich die Erzeugung einer Besetzungsinversion im laseraktiven Festkörper zur Fluoreszenz-Erzeugung, ohne dass ein Zündlicht-Puls durch den passiven Güteschalter ausgelöst wird.In a third operating mode, the first switch S1 and the second switch S2 are opened, so that only the load resistor RL is traversed by the photodiode current. Thus, in this operating mode, an overall resistance that is increased in comparison to the first operating mode can be realized, which allows a detection of relatively weak optical signals. This is especially true if RL is greater than R2. Thus, for example, the relatively weak fluorescence signal of the laser-active solid can be detected after switching off the pump light. Here, the goal of the pumping process is merely the generation of a population inversion in the laser-active solid to fluorescence generation without a Zündlicht pulse is triggered by the passive Q-switch.

Die Induktionswerte des induktiven Elements L sind bevorzugt ausgewählt aus dem Bereich von etwa 0,5 μH (Mikrohenry) bis etwa 100 μH, wobei ein Wert von etwa 5 μH besonders bevorzugt ist. In diesem Fall ist eine besonders effiziente Detektion der Laserzündimpulse 24 durch die Photodiodenanordnung 270 gegeben.The induction values of the inductive element L are preferably selected from the range of about 0.5 μH (microhenry) to about 100 μH, with a value of about 5 μH being particularly preferred. In this case, a particularly efficient detection of the laser ignition pulses 24 through the photodiode array 270 given.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn mindestens ein Element des Impedanznetzwerks 100 entfernt von der Photodiode 271 angeordnet ist. Dies kann beispielsweise aus elektrischen Gründen sinnvoll sein, um gegebenenfalls den Störabstand oder die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern, oder dies kann sinnvoll sein, um den vorhandenen Bauraum optimal zu nutzen.Furthermore, it may be advantageous if at least one element of the impedance network 100 away from the photodiode 271 is arranged. This can be useful for electrical reasons, for example, to improve the signal-to-noise ratio or the electromagnetic compatibility, if necessary, or this can be useful in order to optimally utilize the available installation space.

Nachstehend sind unter Bezugnahme auf die 4a bis 4d weitere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.Below are with reference to the 4a to 4d further embodiments of the invention described.

Die gestrichelte Linie U0 in 4a zeigt einen zeitlichen Verlauf der Photodioden-Spannung, wie er sich gänzlich ohne die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Filterung ergibt. Derselbe zeitliche Verlauf ist auch in den 4b und 4c aufgetragen. Eine Messung des Zündzeitpunktes ist hiermit folglich nicht möglich. Die auf der Ordinate des Koordinatensystems der 4a bis 4d eingetragene Spannung U entspricht allgemein einer Spannung U an dem Lastwiderstand RL (3a bis 3c).The dashed line U0 in 4a shows a time course of the photodiode voltage, as it results entirely without the above-described inventive filtering. The same time course is also in the 4b and 4c applied. A measurement of the ignition timing is therefore not possible. The on the ordinate of the coordinate system of 4a to 4d entered voltage U generally corresponds to a voltage U across the load resistor RL ( 3a to 3c ).

Die mit dem Bezugszeichen ”Uf” bezeichnete durchgezogene Linie in 4a zeigt demgegenüber einen gefilterten Spannungsverlauf Uf an dem Lastwiderstand RL bei Parallelschaltung eines induktiven Elements L gemäß 3a. Eine Messung des Zündzeitpunkts T2, zu dem der Laserzündimpuls 24 abgegeben wird, ist z. B. unter Verwendung einer Trigger- oder Interrupt-Einheit des Laser-Steuergeräts 32 möglich, die den erfindungsgemäß gefilterten Spannungsverlauf Uf (durchgezogene Linie in 4a) auswertet und das scharf abgegrenzte lokale Maximum M zu dem Zeitpunkt T2 erkennt.The solid line designated by the reference character "Uf" in FIG 4a In contrast, shows a filtered voltage waveform Uf on the load resistor RL with parallel connection of an inductive element L according to 3a , A measurement of the ignition timing T2 to which the laser ignition pulse 24 is delivered, z. B. using a trigger or interrupt unit of the laser controller 32 possible, the voltage curve Uf filtered according to the invention (solid line in 4a ) and detects the sharply demarcated local maximum M at time T2.

Das Bezugszeichen T1 in 4a gibt den Anschaltzeitpunkt der Pumplichtquelle 30 wieder. Unmittelbar nach T1 ist das Einschwingen des Hochpasses gemäß 3a in dem gefilterten Spannungsverlauf Uf erkennbar. Wie bereits beschrieben, repräsentiert T2 den Zündzeitpunkt. T3 gibt den Abschaltzeitpunkt der Pumplichtquelle 30 an. Nach T3 ist das Ausschwingen des Hochpasses gemäß 3a erkennbar.The reference T1 in 4a indicates the connection time of the pump light source 30 again. Immediately after T1 is the settling of the high pass according to 3a recognizable in the filtered voltage curve Uf. As already described, T2 represents the ignition timing. T3 indicates the switch-off time of the pump light source 30 at. After T3 the decay of the high pass is according to 3a recognizable.

4b zeigt einen Spannungsverlauf Uf der gefilterten Photodioden-Spannung, wie er sich bei Parallelschaltung einer Serienschaltung aus dem induktiven Element L und dem niederohmigen ersten ohmschen Widerstand R1 gemäß 3b ergibt. TS1 gibt den Start-Zeitpunkt für eine Messwert-Abtastung (Sampling) an, während TS2 den Stopp-Zeitpunkt für die Messwert-Abtastung definiert. In dem Zeitfenster (TS1; TS2) werden >= 1 Messwerte erfasst, aus denen auf die Anwesenheit von Pumplicht geschlossen werden kann. Ein mit dem Auftreten des Laserzündimpulses 24 korrespondierendes lokales Maximum zu der Zeit T2 ist ebenfalls aus dem gefilterten Spannungsverlauf Uf detektierbar. 4b shows a voltage waveform Uf of the filtered photodiode voltage, as it is in parallel connection of a series circuit of the inductive element L and the low-resistance first ohmic resistor R1 according to 3b results. TS1 indicates the start time for a sample sampling, while TS2 defines the stop time for the sample reading. In the time window (TS1; TS2),> = 1 measured values are recorded from which the presence of pump light can be deduced. On with the occurrence of the laser ignition pulse 24 Corresponding local maximum at the time T2 is also detectable from the filtered voltage waveform Uf.

4c zeigt den gefilterten Spannungsverlauf Uf an dem Lastwiderstand RL, wie er sich bei Verwendung einer Schaltung gemäß 3c ergibt. Eine erste Betriebsart wird in dem Zeitintervall von T1 bis TU1 eingestellt, nämlich eine Messwert-Abtastung in Sample-Fenster (TS1; TS2). Bei dieser ersten Betriebsart ist Schalter S1 geöffnet und Schalter S2 geschlossen, so dass aus dem gefilterten Spannungsverlauf Uf vorteilhaft auf die Anwesenheit von Pumpstrahlung geschlossen werden kann, mithin eine Diagnose des Pumpvorgangs ermöglicht ist. 4c shows the filtered voltage waveform Uf on the load resistor RL, as it is when using a circuit according to 3c results. A first mode is set in the time interval from T1 to TU1, namely a sample scan in sample windows (TS1, TS2). In this first operating mode, switch S1 is opened and switch S2 is closed, so that the presence of pump radiation can advantageously be inferred from the filtered voltage profile Uf, thus making it possible to diagnose the pumping process.

Eine zweite Betriebsart wird von TU1 bis T3 eingestellt, in der die Messung des Zündzeitpunkts T2 erfolgt. Bei dieser zweiten Betriebsart ist Schalter S2 geöffnet und Schalter S1 geschlossen, so dass das lokale Maximum M zur Zeit T2 besonders sicher aus dem gefilterten Spannungsverlauf Uf detektierbar ist.A second mode is set from TU1 to T3 in which the measurement of the ignition timing T2 is made. In this second operating mode, switch S2 is opened and switch S1 is closed, so that the local maximum M at time T2 can be detected particularly reliably from the filtered voltage profile Uf.

Der Zeitpunkt TU1 repräsentiert hierbei einen Umschaltzeitpunkt, d. h. Schließen von S1 und Öffnen von S2. Nach dem Umschalten ist ein Einschwingen des Hochpass-Filters (3c) erkennbar, vgl. die Schwankungen im gefilterten Spannungsverlauf Uf unmittelbar nach TU1.The time TU1 represents a switching time, ie closing of S1 and opening of S2. After switching is a settling of the high-pass filter ( 3c ), cf. the fluctuations in the filtered voltage curve Uf immediately after TU1.

4d zeigt, wiederum in Form einer mit dem Bezugszeichen Uf bezeichneten durchgezogenen Linie, den gefilterten Spannungsverlauf an dem Lastwiderstand RL bei Verwendung einer Schaltung gemäß 3c. Vorliegend soll ein von der Lasereinrichtung 26 erzeugtes Fluoreszenz-Signal erfasst werden. 4d again shows in the form of a solid line denoted by the reference symbol Uf, the filtered voltage waveform on the load resistor RL when using a circuit according to 3c , In the present case, one of the laser device 26 generated fluorescence signal can be detected.

Hierzu erfolgt in einer ersten Betriebsart von T1 bis T3 eine Messwert-Abtastung des gefilterten Spannungsverlaufs Uf, wie er sich aufgrund des optischen Pumpens ergibt, in dem Sample-Fenster TS1 bis TS2. Schalter S1 (3c) ist geöffnet und Schalter S2 ist geschlossen.For this purpose, in a first operating mode from T1 to T3, a measured value sampling of the filtered voltage profile Uf, as it results from the optical pumping, takes place in the sample window TS1 to TS2. Switch S1 ( 3c ) is open and switch S2 is closed.

Danach, in einer dritten Betriebsart für Zeitpunkte t > TU2, in der Schalter S1 geöffnet und Schalter S2 geöffnet ist, erfolgt eine Messwert-Abtastung für die Fluoreszenz-Messung in dem Sample-Fenster TS3 bis TS4 mit >= 1 Messwert. Während der dritten Betriebsart ab TU2 erfolgt kein optisches Pumpen mehr, da hierdurch die Erfassung des Fluoreszenz-Signals erschwert bzw. unmöglich gemacht würde. Es muss nur bis T3 gepumpt werden, um den Laser zur Fluoreszenz anzuregen.Thereafter, in a third operating mode for times t> TU2, in which switch S1 is open and switch S2 is opened, a measured value scan is carried out for the fluorescence measurement in the sample window TS3 to TS4 with> = 1 measured value. During the third operating mode from TU2, optical pumping no longer takes place, as this would make the detection of the fluorescence signal difficult or impossible. It only needs to be pumped to T3 to excite the laser for fluorescence.

Die erfindungsgemäße Photodiodenanordnung 270 erlaubt vorteilhaft eine Auswertung der Laserzündimpulse 24, des Pumplichts der Pumplichtquelle 30 und/oder des Fluoreszenzlichts der Lasereinrichtung 26, ohne dass aufgrund einer eventuellen Vorsättigung der Photodiode 271 durch die Signalanteile des Pumplichts die Auswertung der Laserzündimpulse 24 beeinträchtigt ist. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn die in die Photodiode 271 eingestrahlte Pumplicht-Leistung deutlich größer als die entsprechende Zündlicht-Leistung bzw. Fluoreszenzlicht-Leistung ist.The photodiode array according to the invention 270 advantageously allows an evaluation of the laser ignition pulses 24 , the pump light of the pump light source 30 and / or the fluorescent light of the laser device 26 , without due to a possible presaturation of the photodiode 271 the evaluation of the laser ignition pulses by the signal components of the pump light 24 is impaired. This is especially beneficial when placed in the photodiode 271 irradiated pumping light power is significantly greater than the corresponding ignition light power or fluorescent light power is.

Die erfindungsgemäße Photodiodenanordnung 270 kann besonders flexibel auch in unterschiedliche bauliche Gruppen aufgeteilt werden, wobei beispielsweise allein die Photodiode 271 im Bereich der optischen Verbindung 280 (1) beziehungsweise des optischen Querschnittwandlers 281 (2) vorgesehen ist, während die restlichen Komponenten L, RL, SS1, SS2 von der optischen Verbindung 280 beziehungsweise dem Querschnittswandler 281 entfernt angeordnet sind, beispielsweise integriert in das Laser-Steuergerät 32.The photodiode array according to the invention 270 can be divided particularly flexible in different structural groups, for example, only the photodiode 271 in the field of optical connection 280 ( 1 ) or the optical cross-section converter 281 ( 2 ), while the remaining components L, RL, SS1, SS2 of the optical connection 280 or the cross-section converter 281 are arranged away, for example, integrated into the laser control unit 32 ,

Alternativ ist es möglich, die Photodiode 271 ohne eine Vorspannung zu betreiben, wodurch sich eine Schaltungsanordnung mit besonders geringer Komplexität ergibt. Dazu wird in den 3a, 3b, und 3c die Gleichspannung 104 zu Null gemacht bzw. die Gleichspannungsquelle 106 durch eine elektrische Verbindung ersetzt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Hochpassanordnung kann dennoch eine Vorsättigung der Photodiode 271 durch die Beaufschlagung mit Pumplicht vermieden werden, so dass auch mit dieser Ausführungsform verhältnismäßig kurze Laserzündimpulse 24 gut detektierbar sind.Alternatively, it is possible to use the photodiode 271 without biasing, resulting in a circuit of particularly low complexity. This is in the 3a . 3b , and 3c the DC voltage 104 made to zero or the DC voltage source 106 replaced by an electrical connection. Due to the high-pass arrangement according to the invention, however, a presaturation of the photodiode 271 be avoided by the application of pump light, so that even with this embodiment, relatively short laser ignition pulses 24 are well detectable.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007044011 A1 [0002]

Claims

Laser ignition device ( 27 ) for an internal combustion engine ( 10 ), in particular of a motor vehicle, with a laser device ( 26 ) for generating laser ignition pulses ( 24 ) and with a pumping light source ( 30 ) for optically pumping the laser device ( 26 ), characterized in that a photodiode array ( 270 ) in the region of an optical connection ( 280 ) between the pump light source ( 30 ) and the laser device ( 26 ) is arranged so that both from the pump light source ( 30 ) generated by the pump radiation as well as by the laser device ( 26 ) generated at least partially on a photodiode ( 271 ) of the photodiode array ( 270 ) is einstrahlbar, and that the photodiode array ( 270 ) a series circuit ( 102 ) from the photodiode ( 271 ) and an impedance network ( 100 ), wherein the photodiode ( 271 ) by means of a DC voltage ( 104 ) is biased in the reverse direction.

Laser ignition device ( 27 ) according to claim 1, characterized in that the photodiode ( 271 ) in the region of an optical connection of the pumping light source ( 30 ) or the laser device ( 26 ) is arranged.

Laser ignition device ( 27 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the optical connection ( 280 ) between the pump light source ( 30 ) and the laser device ( 26 ) an optical cross-section converter ( 281 ), and that the photodiode ( 271 ) in the region of the cross-section converter ( 281 ), preferably directly on the cross-sectional transducer ( 281 ).

Laser ignition device ( 27 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the photodiode array ( 270 ) a high-pass filter and / or a band-pass filter for filtering an output signal of the photodiode ( 271 ) having.

Laser ignition device ( 27 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the impedance network ( 100 ) comprises an inductive element (L).

Laser ignition device ( 27 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the impedance network ( 100 ) comprises a first series circuit (SS1) comprising at least one inductive element (L) and a first ohmic resistor (R1).

Laser ignition device ( 27 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the impedance network ( 100 ) has a parallel connection, wherein the parallel circuit firstly a first series circuit (SS1) of at least one inductive element (L) and at least a first switch (S1), and second, in parallel to the first series circuit (SS1), at least one second series circuit (SS2 ) comprises at least one second ohmic resistor (R2) and at least one second switch (S2).

Laser ignition device ( 27 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the impedance network ( 100 ) comprises a load resistor (RL), wherein the load resistor (RL) is connected in parallel to the inductive element (L) or parallel to the first series circuit (SS1) or parallel to the second series circuit (SS2).

Laser ignition device ( 27 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one element of the impedance network ( 100 ) away from the photodiode ( 271 ), in particular in a laser control device ( 32 ) of the laser ignition device ( 27 ) is arranged.

Laser ignition device ( 27 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the photodiode ( 271 ) in the reverse direction by means of a DC voltage ( 104 ) is biased such that a reverse current of the photodiode ( 271 ) via the inductive element (L) or via the first series circuit (SS1) or via the second series circuit (SS2) or via the load resistor (RL) can flow.

Method for operating a laser ignition device ( 27 ) for an internal combustion engine ( 10 ), in particular of a motor vehicle, with a laser device ( 26 ) for generating laser ignition pulses ( 24 ) and with a pumping light source ( 30 ) for optically pumping the laser device ( 26 ), characterized in that a photodiode array ( 270 ) in the region of an optical connection ( 280 ) between the pump light source ( 30 ) and the laser device ( 26 ) is arranged so that both from the pump light source ( 30 ) generated by the pump radiation as well as by the laser device ( 26 ) generated at least partially on a photodiode ( 271 ) of the photodiode array ( 270 ) is einstrahlbar that the photodiode array ( 270 ) a series circuit ( 102 ) from the photodiode ( 271 ) and an impedance network ( 100 ), wherein the photodiode ( 271 ) by means of a DC voltage ( 104 ) is biased in the reverse direction, and that an output signal of the photodiode array ( 270 ) is evaluated to an operating state of the laser ignition device ( 27 ) close.

Method according to claim 11, characterized in that the photodiode array ( 270 ) a high-pass filter and / or a band-pass filter for filtering the output signal of the photodiode ( 271 ) and that a filter characteristic of the high-pass filter and / or band-pass filter during the optical pumping of the laser device ( 26 ) or after the optical pumping of the laser device ( 26 ), in particular by adding or removing individual filter components (L, R2) by means of at least one switch (S1, S2).

Method according to claim 12, characterized in that the impedance network ( 100 ) has a parallel connection, wherein the parallel circuit firstly a first series circuit (SS1) of at least one inductive element (L) and at least a first switch (S1), and second, in parallel to the first series circuit (SS1), at least one second series circuit (SS2 ) comprising at least one ohmic resistor (R2) and at least one second switch (S2), wherein in a first operating mode during a pumping operation, in which the laser device ( 26 ) is optically pumped, the first switch (S1) is opened and the second switch (S2) is closed, and wherein in a second mode of operation the second switch (S2) is opened and the first switch (S1) is closed.

The method of claim 13, wherein, starting from the first mode, in a third mode, the first switch (S1) and the second switch (S2) is opened to a fluorescence signal of a laser active solid of the laser device ( 26 ) after switching off the pump light with the end of the first mode to detect.