-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft eine Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, wobei die Laserzündeinrichtung mindestens eine Laserzündkerze und eine Kühleinrichtung zum Temperieren, insbesondere Kühlen, der Laserzündkerze aufweist.
-
Bekannte Kühlsysteme von Laserzündeinrichtungen, welche auf Flüssigkeitskühlung beruhen, haben den Nachteil, dass aus einem Kühlkreislauf des Kühlsystems ausgelaufenes Kühlfluid, insbesondere Wasser (Leckagewasser), in den Zylinderschacht der Brennkraftmaschine einfließen und bei einem Wechsel der Laserzündkerze sogar in den Brennraum eintreten kann. Dadurch wird beim Betrieb der Brennkraftmaschine das Kompressionsverhältnis erhöht, da das Kühlfluid, insbesondere Wasser, bekanntlich nicht kompressibel ist, so dass die Brennkraftmaschine infolge des Leckagewassers zerstört werden kann (Wasserschlag). Die Ursache für das Leckagewasser sind in der Regel undichte Kühlwasseranschlüsse oder Installationsfehler.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündeinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass das Risiko eines Wasserschlags reduziert beziehungsweise vollständig vermieden wird.
-
Diese Aufgabe wird bei der Laserzündeinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Kühleinrichtung einen eine Kühlflüssigkeit enthaltenden Kühlkreislauf aufweist, der thermisch mit wenigstens einer Komponente der Laserzündkerze verbindbar ist, wobei ein Volumen der in dem Kühlkreislauf enthaltenen Kühlflüssigkeit kleiner oder gleich etwa 50 Prozent eines Kompressionsvolumens eines Zylinders der Brennkraftmaschine ist, vorzugsweise kleiner oder gleich etwa 10 Prozent eines Kompressionsvolumens des Zylinders der Brennkraftmaschine.
-
Das Kompressionsvolumen eines Zylinders der Brennkraftmaschine entspricht dem minimalen Brennraumvolumen, das sich während des Arbeitszyklus des Zylinders einstellen kann. Das Kompressionsvolumen wird dann erreicht, wenn der Kolben des betrachteten Zylinders sich in dem oberen Totpunkt befindet.
-
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, das Volumen der in dem Kühlkreislauf enthaltenen Kühlflüssigkeit kleiner oder gleich einem vorgegebenen Anteil des Kompressionsvolumens des Zylinders zu halten, wird vorteilhaft erreicht, dass kein unzulässig hoher Brennraumdruck in dem Zylinder auftritt, auch dann, wenn versehentlich die Kühlflüssigkeit teilweise oder ganz in den Brennraum eingetreten ist.
-
Das erfindungsgemäße Prinzip sieht demnach eine Begrenzung der Flüssigkeitsmenge der Kühlflüssigkeit vor, die vorteilhaft auf das Kompressionsvolumen des Zylinders der Brennkraftmaschine bezogen ist, um eine Begrenzung des infolge von Wassereintritts in den Brennraum auftretenden Überdrucks zu erzielen. Alternativ kann das Prinzip der Begrenzung der Flüssigkeitsmenge der Kühlflüssigkeit auch die Vorsehung einer absoluten Maximalmenge an Kühlflüssigkeit vorsehen.
-
Besonders vorteilhaft wird die maximal in dem Kühlkreislauf der Laserzündeinrichtung enthaltene Menge an Kühlflüssigkeit beziehungsweise ihr Volumen in Bezug auf das Kompressionsvolumen eines Zylinders festgelegt, dem eine Laserzündkerze der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung zugeordnet werden soll.
-
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Laserzündeinrichtung gemäß Patentanspruch 2 angegeben. Bei dieser Erfindungsvariante ist ein Volumen der in dem Kühlkreislauf enthaltenen Kühlflüssigkeit kleiner oder gleich etwa 0,1 Liter, vorzugsweise kleiner oder gleich 0,05 Liter, wodurch typische Anwendungsfälle der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung, nämlich der Einsatz in stationären Großgasmotoren, abgedeckt werden. Derartige Großgasmotoren haben üblicherweise Zylindervolumina zwischen etwa 2 Liter und etwa 4 Liter. Die erfindungsgemäße Begrenzung des Volumens der Kühlflüssigkeit auf etwa 0,1 Liter oder weniger als etwa 0,05 Liter ist besonders vorteilhaft, da bei einem versehentlichen Austritt der Kühlflüssigkeit aus dem Kühlkreislauf der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung in einen Zylinder des Großgasmotors ein unzulässig hoher Kompressionsdruck in dem oberen Totpunkt des Zylinders nicht zu befürchten ist.
-
Für Brennkraftmaschinen mit geringeren Zylindervolumina, beispielsweise Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen und dergleichen, ist eine entsprechend geringere Menge an Kühlflüssigkeit in dem Kühlkreislauf vorzusehen. Beispielsweise kann für übliche Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen die Menge der Kühlflüssigkeit auf Werte kleiner etwa 0,05 Liter, beispielsweise Werte kleiner etwa 0,02 Liter oder sogar kleiner 0,01 Liter begrenzt werden.
-
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kühlkreislauf einen ersten Wärmetauscher aufweist, der thermisch verbindbar ist mit mindestens einer Komponente der Laserzündkerze, wobei der Kühlkreislauf einen zweiten Wärmetauscher aufweist, der thermisch verbindbar ist mit einer Wärmesenke, und wobei Fördermittel vorgesehen sind, um eine Zirkulation der Kühlflüssigkeit in dem Kühlkreislauf zu bewirken. Der mit Kühlflüssigkeit beaufschlagbare Rauminhalt der Fördermittel wird bei der erfindungsgemäßen Bemessung des Maximalvolumens des Kühlmittels vorteilhaft mit einbezogen.
-
Der erste Wärmetauscher kann beispielsweise vorteilhaft direkt mit einem Gehäuse der zu kühlenden Laserzündkerze oder mit einer Komponente der Laserzündkerze verbunden sein. Besonders vorteilhaft ist eine direkte thermische Anbindung des ersten Wärmetauschers an eine Wärmequelle der Laserzündkerze, beispielsweise an einen Halbleiterlaser oder dergleichen. Der zweite Wärmetauscher ist vorteilhaft entfernt angeordnet von der Laserzündkerze und mit einer Wärmesenke verbindbar beziehungsweise
-
verbunden. Als Wärmesenke können beispielsweise die folgenden Komponenten dienen:
- 1. Metallgehäuse eines Ansaugstutzens der Brennkraftmaschine. Die Temperatur der Wärmesenke entspricht in diesem Fall der Temperatur der Ansaugluft, welche üblicherweise zwischen etwa 20° C und etwa 35° C beträgt.
- 2. Ein mehreren Zylindern zugeordnetes Wärmeleitmittel, beispielsweise Metallrohr oder Edelstahlwellschlauch oder dergleichen, welches seinerseits mittels Kühlmitteln gekühlt wird, beispielsweise durchströmt wird von Kühlwasser eines der Brennkraftmaschine zugeordneten Ladeluftkühlers beziehungsweise Gemischkühlers. In diesem Fall ist die maximale Temperatur der Wärmesenke etwa 45° C in typischen Anwendungsfällen.
- 3. Auch ein Gehäuse der Brennkraftmaschine selbst kann als Wärmesenke dienen, wobei die Maximaltemperatur etwa der Kühlwassertemperatur der Motorkühlung der Brennkraftmaschine entspricht, also etwa maximal 85° C.
- 4. Ein luftdurchströmtes Rohr, welches mit Umgebungsluft beaufschlagt wird, so dass sich als Temperatur der Wärmesenke wiederum etwa Umgebungslufttemperatur zwischen 20° C und 35° C ergibt. Optional können oberflächenvergrößernde Maßnahmen bei dem luftdurchströmten Rohr getroffen werden, beispielsweise die Integration von Kühlrippen in dem luftleitenden Querschnitt des Rohres.
- 5. Eine weitere Alternative zur Ausbildung einer Wärmesenke für die Verwendung mit der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung besteht in einem Metallrohr oder einem Edelstahlwellschlauch, wobei diese Elemente von Kühlwasser eines Primärkühlers durchflossen sind, der für die Laserzündeinrichtung an der Brennkraftmaschine bereitgestellt wird. Dieser Primärkühler kann beispielsweise ein sogenannter Chiller (mit konstanter Temperaturwahl) oder ein Luft-Wasser-Kühler (Temperatur hängt von Umgebungstemperatur ab) sein. Diese Ausbildung der Wärmesenke ist etwas komplexer und aufwendiger als die vorstehenden vier Varianten.
-
Andere Ausführungen für die Wärmesenke sowie Kombinationen der vorstehenden Maßnahmen 1 bis 5 sind ebenfalls denkbar.
-
Um ein verbessertes Temperaturgefälle zwischen dem Kühlkreislauf und der Wärmequelle bzw. der Wärmesenke zu erreichen, kann optional ein oder mehrere Peltierelemente in Serie vorgesehen sein, wobei das beziehungsweise die Peltierelemente entweder in die Laserzündkerze zwischen der Wärmequelle (Halbleiterlaser) und den ersten Wärmetauscher des Kühlkreislaufs oder auch außerhalb der Laserzündkerze angeordnet werden. Beispielsweise kann das beziehungsweise können die Peltierelemente auch zwischen dem zweiten Wärmetauscher und der Wärmesenke oder an anderer Stelle des Kühlkreislaufs angeordnet werden. Peltierelemente können generell durch folgende Verbindungstechniken mit den Komponenten der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung beziehungsweise ihres Kühlkreislaufs verbunden werden: durch Klemmen bei beidseitigem Auftrag von Wärmeleitpaste und/oder Wärmeleitkleber und/oder Wärmeleitfolie beziehungsweise durch Auflöten bei beidseitig metallisierten Oberflächen des Peltierelements.
-
Es ist auch möglich eine Oberfläche der Peltierelemente mit Wärmeleitpaste zu beaufschlagen und eine andere Oberfläche der Peltierelemente, welche metallisiert ist, zu verlöten. Kombinationen der vorstehend genannten Verbindungstechniken sind ebenfalls denkbar.
-
Um die durch das Peltierelement bereitgestellte Temperaturdifferenz exakt einstellen zu können, ist eine Steuerung beziehungsweise Regelung notwendig. Die Regelung arbeitet beispielsweise mit einem Temperatursensor, der bevorzugt nahe einer kalten Seite des Peltierelements befestigt ist.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Kühlkreislauf mindestens eine Fluidleitung zur Führung der Kühlflüssigkeit aufweist, wobei die Fluidleitung vorzugsweise flexibel ausgebildet ist. Die Vorsehung von einer oder mehreren Fluidleitungen erlaubt vorteilhaft eine räumlich getrennte Anordnung der ersten und zweiten Wärmetauscher derart, dass die Abwärme der zu kühlenden Laserzündkerze an eine entfernt angeordnete Wärmesenke transportiert werden kann. Besonders vorteilhaft weist der Kühlkreislauf eine erste Fluidleitung auf, welche von der Wärmesenke beziehungsweise dem zweiten Wärmetauscher zu dem ersten Wärmetauscher, also dem „heißen“ Ende des Kühlkreislaufs, führt, und eine zweite Fluidleitung, welche das im Bereich des ersten Wärmetauschers erhitzte Kühlfluid wieder zurück zu der Wärmesenke führt. Eine Zirkulation der Kühlflüssigkeit in dem Kühlkreislauf wird durch Vorsehung von Fördermitteln, insbesondere einer Pumpe, besonders bevorzugt einer miniaturisierten elektromotorisch angetriebenen Pumpe, realisiert. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist diese Pumpe eine maximale elektrische Leistungsaufnahme von etwa acht Watt auf. Andere Fördermittel (Membranpumpe usw.) sind ebenfalls denkbar.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens eine Fluidleitung einen Innendurchmesser von maximal etwa 4 mm (Millimeter) aufweist, bevorzugt maximal etwa 3 mm, wodurch einerseits eine Maßnahme realisiert ist, welche das Gesamtvolumen der Kühlflüssigkeit in dem Kühlkreislauf begrenzt, und wodurch andererseits vorteilhaft eine Geschwindigkeit begrenzt wird, mit der Kühlflüssigkeit im Fall einer Leckage aus dem Kühlkreislauf ausläuft, beispielsweise in den Zylinderschacht der Brennkraftmaschine.
-
Es ist auch denkbar, Fluidleitungen für den erfindungsgemäßen Kühlkreislauf vorzusehen, welche einen maximalen Innendurchmesser von weniger als 3 mm aufweisen.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine aggregierte Gesamtlänge aller Fluidleitungen des Kühlkreislaufs maximal etwa 4 m (Meter) beträgt, vorzugsweise etwa 2 m, wodurch die Zirkulation des Kühlfluids beeinträchtigende strömungsdynamische Effekte begrenzt werden. Darüber hinaus wird auch durch die Wahl beziehungsweise Begrenzung der aggregierten Gesamtlänge aller Fluidleitungen des Kühlkreislaufs eine Limitierung des Gesamtvolumens der Kühlflüssigkeit ermöglicht.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Kühlkreislauf eine Durchflussrate von Kühlflüssigkeit je Zeit von mindestens etwa 2 ml/min (Milliliter pro Minute), vorzugsweise von mindestens etwa 50 ml/min aufweist. Das Fluid zirkuliert dann vorzugsweise einmal pro Minute im Kühlkreislauf.
-
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens eine Fluidleitung zur Führung der Kühlflüssigkeit und/oder Fördermittel für die Kühlflüssigkeit zumindest teilweise in einen Kabelbaum der Laserzündkerze integriert sind. Der Kabelbaum enthält üblicherweise für den Betrieb der Laserzündkerze erforderliche Ansteuerleitungen, welche elektrisch und/oder optisch ausgebildet sein können. Durch die Integration der Fluidleitung beziehungsweise der Fördermittel für die Kühlflüssigkeit in den Kabelbaum ist eine besonders einfache Montage der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung ermöglicht. Gleichzeitig können die Fluidleitungen der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung durch dieselben mechanischen Mittel zum Schutz des Kabelbaums geschützt werden, wie sie für die elektrischen beziehungsweise optischen Leitungen der Laserzündkerze ohnehin vorgesehen sind. Außerdem ermöglicht die Kühlflüssigkeit in den Fluidleitungen eine Kühlfunktion des Kabelbaums.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der Laserzündeinrichtung sind mindestens eine Fluidleitung zur Führung der Kühlflüssigkeit und/oder Fördermittel für die Kühlflüssigkeit zumindest teilweise thermisch gegenüber einer Umgebung isoliert. Beispielsweise ist auf Oberflächen der Fluidleitungen eine Wärmeschutzisolierung angeordnet, wodurch einer unerwünschten Erwärmung des Kühlfluids aufgrund von Einstrahlung von durch die Brennkraftmaschine abgestrahlter Wärme vorgebeugt wird.
-
Besonders bevorzugt ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Kühlkreislauf geschlossen ausgebildet. Das bedeutet, dass keine Fluidverbindungen zwischen den Komponenten des Kühlkreislaufs (Fluidleitung(en), Fördermittel, Wärmetauscher) vorgesehen sind, die für den Ein- beziehungsweise Ausbau der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung zu öffnen beziehungsweise zu schließen sind. Vielmehr kann vorteilhaft der Zusammenbau der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung in einem Fertigungsbetrieb erfolgen, so dass eine Öffnung des Fluidkreislaufs der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung vor Ort, das heißt im Bereich der Brennkraftmaschine, nicht erforderlich ist. Dadurch wird das Leckagerisiko weiter vermindert.
-
Als weitere Lösungen der Aufgabe der vorliegenden Erfindung sind eine Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 11 sowie Betriebsverfahren gemäß Patentanspruch 12 und 13 vorgesehen.
-
Weitere Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung finden sich ferner in den nachfolgenden Zeichnungen sowie der zugehörigen Beschreibung, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
-
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
-
1 eine vereinfachte Schnittdarstellung von an einem Brennraum einer Brennkraftmaschine angeordneten Gehäuseabschnitten und einer Laserzündeinrichtung in einer ersten Ausführungsform; und
-
2 eine zu der 1 alternative Anordnung mit einer zweiten Ausführungsform der Laserzündeinrichtung.
-
Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
-
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung 100 für eine Brennkraftmaschine 102 in Einbaulage im Bereich eines Zylinderkopfes 108 der Brennkraftmaschine 102. Die Laserzündeinrichtung 100 weist eine Laserzündkerze 110 auf, die in an sich bekannter Weise in einem Zylinderschacht 104 der Brennkraftmaschine 102 angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Laserzündeinrichtung 100 eine Kühleinrichtung 120 zum Temperieren, insbesondere Kühlen, der Laserzündkerze 110. Hierfür weist die Kühleinrichtung 120 einen Kühlkreislauf 122 auf, der eine Kühlflüssigkeit 128 enthält. Der Kühlkreislauf 122 ist thermisch mit wenigstens einer Komponente der Laserzündkerze 110 verbindbar bzw. verbunden.
-
Die Laserzündkerze 110 umfasst vorliegend u.a. ein Gehäuse 112, in welchem ein Halbleiterlaser 114 sowie ein erster Wärmetauscher WT1 des Kühlkreislaufs 122 angeordnet sind. Der Wärmetauscher WT1 und der Halbleiterlaser 114 sind vorliegend benachbart angeordnet und thermisch gekoppelt. Weiterhin weist der Kühlkreislauf 122 in einem oberen rechten Bereich der Zeichnung einen zweiten Wärmetauscher WT2 auf, welcher mit einer Wärmesenke 126 thermisch gekoppelt ist.
-
In der Zeichnung unterhalb des Zylinderkopfes 108 ist ein Zylinder 132 angeordnet, welcher einen Brennraum 106 und einen Kolben 134 des Zylinders 132 aufweist.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Volumen der in dem Kühlkreislauf 122 enthaltenen Kühlflüssigkeit 128 kleiner oder gleich etwa fünfzig Prozent eines Kompressionsvolumens des Zylinders 132 der Brennkraftmaschine 102 ist, vorzugsweise kleiner oder gleich etwa zehn Prozent des Kompressionsvolumens des Zylinders 132 der Brennkraftmaschine 102. Durch diese Maßnahme, das Volumen der in dem Kühlkreislauf 122 enthaltenen Kühlflüssigkeit 128 kleiner oder gleich einem vorgegebenen Anteil des Kompressionsvolumens des Zylinders 132 zu halten, wird vorteilhaft erreicht, dass kein unzulässig hoher Brennraumdruck in dem Zylinder 132 auftritt, auch dann, wenn versehentlich die Kühlflüssigkeit 128 teilweise oder ganz in den Brennraum 106 eingetreten ist. Auf diese Weise kann selbst im denkbar ungünstigsten Fall, falls nämlich die Kühlflüssigkeit 128 als Folge einer Undichtheit oder eines Fehlers bei der Wartung der Laserzündeinrichtung 100 vollständig in den Brennraum 106 einströmte, eine Beschädigung der Brennkraftmaschine 102 (z.B. durch Wasserschlag) im Wesentlichen vermieden werden.
-
Das erfindungsgemäße Prinzip sieht demnach eine Begrenzung der Flüssigkeitsmenge der Kühlflüssigkeit 128 vor, die vorteilhaft auf das Kompressionsvolumen des Zylinders 132 der Brennkraftmaschine 102 bezogen ist, um eine Begrenzung des infolge von Wassereintritts in den Brennraum 106 auftretenden Überdrucks zu erzielen.
-
In einer alternativen Erfindungsvariante ist ein Volumen der in dem Kühlkreislauf 122 enthaltenen Kühlflüssigkeit 128 auf kleiner oder gleich etwa 0,1 Liter, vorzugsweise auf kleiner oder gleich 0,05 Liter begrenzt. Dadurch können typische Anwendungsfälle der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung 100, nämlich der Einsatz in stationären Großgasmotoren, abgedeckt werden. Derartige Großgasmotoren haben üblicherweise Zylindervolumina zwischen etwa 2 Liter und etwa 4 Liter. Die Begrenzung des Volumens der Kühlflüssigkeit 128 auf etwa 0,1 Liter oder weniger als etwa 0,05 Liter ist besonders vorteilhaft, da bei einem versehentlichen Austritt der Kühlflüssigkeit 128 aus dem Kühlkreislauf 122 der Laserzündeinrichtung 100 in einen Zylinder 132 des Großgasmotors ein unzulässig hoher Kompressionsdruck in dem oberen Totpunkt des Zylinders 132 kaum zu befürchten ist.
-
Um eine Zirkulation der Kühlflüssigkeit 128 in dem Kühlkreislauf 122 und damit einen Wärmetransport von dem ersten Wärmetauscher WT1 zu dem zweiten, vorzugsweise entfernt angeordneten Wärmetauscher WT2, zu bewirken, umfasst der Kühlkreislauf 122 außerdem eine Pumpe P ("Fördermittel"). An einem brennraumabgewandten Endabschnitt der Laserzündkerze 110 bzw. an dem Wärmetauscher WT1 ist eine erste und eine zweite Fluidleitung 122a und 122b des Kühlkreislaufs 122 angeschlossen. Die Fluidleitungen 122a und 122b sind bevorzugt flexibel ausgeführt und führen in der 1 nach oben aus dem Zylinderschacht 104 heraus.
-
Die Wärmesenke 126 ist vorliegend ein Metallgehäuse einer Luftzuführung (Ansaugstutzen) der Brennkraftmaschine 102. Der Ansaugstutzen wird von der zum Betrieb der Brennkraftmaschine 102 benötigten Umgebungsluft durchströmt und weist somit im Allgemeinen eine Temperatur von in etwa +20°C bis +35°C auf.
-
Bei einer in der 1 nicht dargestellten alternativen Ausführungsform der Laserzündeinrichtung 100 ist die Wärmesenke 126 ein an einer Zylinderbank der Brennkraftmaschine 102 angeordnetes durchgehendes Metallrohr oder ein Edelstahlwellschlauch. Dieses Element wird von dem Kühlwasser eines Ladeluftkühlers bzw. Gemischkühlers durchströmt, der im Allgemeinen eine Temperatur unterhalb von +45°C aufweist.
-
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Laserzündeinrichtung 100 ist die Wärmesenke 126 ein Gehäuse der Brennkraftmaschine 102, welches als Folge der Motorkühlung eine Temperatur von im Allgemeinen höchstens +85°C aufweist. In einer nochmals weiteren Ausführungsform ist die Wärmesenke 126 ein von der Umgebungsluft (in etwa +20°C bis +35°C) durchströmtes Rohr, wobei das Rohr vorzugsweise integrierte Kühlrippen aufweist. In einer nochmals weiteren Ausführungsform ist die Wärmesenke 126 ein Metallrohr oder ein Edelstahlwellschlauch, welches bzw. welcher mit Kühlwasser aus einem Primärkühler durchflossen wird. Dieser Primärkühler ist spezifisch zur Kühlung der Laserzündeinrichtung 100 ausgebildet und ist beispielsweise ein so genannter "Chiller" mit einem konstanten Temperatur-Sollwert. Alternativ kann der Primärkühler auch ein Luft-Wasser-Kühler sein, wobei die Temperatur von der Umgebungstemperatur abhängt. Diese letztgenannte Ausführungsform der Wärmesenke 126 kann vergleichsweise teuer sein und ebenso vergleichsweise hohe Betriebskosten verursachen.
-
Die Kühleinrichtung 120 bildet zusammen mit den Fluidleitungen 122a und 122b gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform einen geschlossen Kühlkreislauf 122. Das bedeutet, dass keine Fluidverbindungen zwischen den Komponenten des Kühlkreislaufs 122 (Fluidleitung(en) 122a bzw. 122b, Pumpe P, Wärmetauscher WT1 und WT2) vorgesehen sind, die für den Einbau bzw. den Ausbau der Laserzündeinrichtung 100 zu öffnen bzw. zu schließen sind.
-
Die Fluidleitungen 122a und 122b sind mit der Kühlflüssigkeit 128 gefüllt und sind bei einer bevorzugten Ausführungsform zusammen mit der Pumpe P ("Mini-Pumpe") in einem Kabelbaum 130 ("Anschlussstrang" der Laserzündkerze 110) integriert. Der Kabelbaum 130 ist in der Zeichnung durch einen gestrichelten Rahmen dargestellt. Die Fluidleitungen 122a und 122b weisen vorliegend einen Innendurchmesser von maximal etwa 4 mm (Millimeter) und eine Gesamtlänge von maximal etwa 2 m (Meter) auf. Dadurch beträgt ein Volumen der Kühlflüssigkeit 128 in den Fluidleitungen 122a und 122b, in der Pumpe P sowie in den Wärmetauschern WT1 und WT2 vorliegend insgesamt lediglich etwa 0,05 Liter (50 ml, Milliliter). In einer Ausgestaltung der Laserzündeinrichtung 100 ist auf Oberflächen der Fluidleitungen 122a und 122b eine Wärmeschutzisolierung angeordnet, wodurch einer Einstrahlung von durch die Brennkraftmaschine 102 abgestrahlter Wärme vorgebeugt wird. An der Pumpe oder nahe der Pumpe kann ein Ausgleichsbehälter integriert sein, der Druck- und Volumenschwankungen der Kühlflüssigkeit ausgleicht.
-
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 102 bzw. der Laserzündeinrichtung 100 wird mittels der Laserzündkerze 110 periodisch ein Plasma 136 erzeugt, wodurch ein im dem Brennraum 106 vorhandenes und mittels des Kolbens 134 verdichtetes Gas-Luft-Gemisch gezündet wird. Die Pumpe P fördert die Kühlflüssigkeit 128 bevorzugt kontinuierlich mit einer Durchflussrate von vorliegend etwa 5 ml/min (Milliliter pro Minute) durch den Kühlkreislauf 122. Dabei wird die in dem Halbleiterlaser 114 erzeugte und auf den Wärmetauscher WT1 übertragene Wärme mittels der in dem Kühlkreislauf 122 zirkulierenden Kühlflüssigkeit 128 zum Wärmetauscher WT2 gefördert. Der Wärmetauscher WT2 überträgt die Wärme an die Wärmesenke 126. Auf diese Weise kann eine Betriebstemperatur des Halbleiterlasers 114 bzw. der Laserzündkerze 110 innerhalb zulässiger Grenzen gehalten werden. Bei Bedarf kann die Durchflussrate in dem Kühlkreislauf 122 mittels entsprechender Bemessung der Pumpe P auch erhöht und beispielsweise auf 2000 ml/min gesteigert werden.
-
2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Laserzündeinrichtung 100. Im Unterschied zu der 1 umfasst die Laserzündeinrichtung 100 der 2 zusätzlich ein Peltierelement 138, welches zwischen dem Halbleiterlaser 114 und dem Wärmetauscher WT1 angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend kann ein Peltierelement 138' zwischen dem Wärmetauscher WT2 und der Wärmesenke 126 angeordnet sein. Das Peltierelement 138' ist in der Zeichnung gestrichelt gezeichnet.
-
Das Peltierelement 138 bzw. 138' kann in einer ersten Ausgestaltung durch Klemmen und unter Verwendung von Wärmeleitpaste, Wärmeleitkleber oder Wärmeleitfolie zwischen dem Halbleiterlaser 114 und dem Wärmetauscher WT1 bzw. zwischen dem Wärmetauscher WT2 und der Wärmesenke 126 angeordnet sein. In einer zweiten Ausgestaltung kann das Peltierelement 138 bzw. 138' eine beidseitig metallisierte Oberfläche aufweisen und damit zwischen den jeweiligen Verbindungspartnern mittels Löten angeordnet sein. Im Betrieb wird das Peltierelement 138 bzw. 138' vorzugsweise geregelt (Peltierregelung). Dazu ist die kalte Seite des Peltierelements 138 bzw. 138' mit einem Temperatursensor thermisch gekoppelt. Durch die Verwendung des Peltierelements 138 bzw. 138' wird der Wärmetransport von der Laserzündkerze 110 zur Wärmesenke 126 verbessert und somit die Effizienz der Kühleinrichtung 120 insgesamt erhöht.
-
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Kühleinrichtung 120 so ausgelegt, dass eine Durchflussrate von Kühlmittel 128 von kleiner gleich etwa 2000 ml/min, bevorzugt kleiner gleich etwa 50 ml/min, ausreichend ist, um die Laserzündkerze während des Betriebs hinreichend gut zu kühlen.
-
Neben der Vermeidung eines Wasserschlags durch die besondere Auslegung des erfindungsgemäßen Systems ist die Installation an der Brennkraftmaschine sehr einfach, weil die Komponenten 120, 122a, 122b, P vorteilhaft in den Kabelbaum 130 integrierbar sind. Bevorzugt kann jedem Zylinder der Brennkraftmaschine 102 eine erfindungsgemäße Laserzündeinrichtung 100 zugeordnet werden. Durch die Vorsehung eines „zylinderindividuellen“ Kühlkreislaufs, d.h. jeweils eines Kühlkreislaufs 122 pro Zylinder, mit eigenen Fördermitteln P, ist vorteilhaft sichergestellt, dass auch bei Ausfall des Kühlkreislaufs 122 bei einem Zylinder die weiteren Zylinder bzw. ihre Laserzündkerzen betriebsbereit bleiben.
