DE102013015692A1

DE102013015692A1 - Laserzündkerze

Info

Publication number: DE102013015692A1
Application number: DE201310015692
Authority: DE
Inventors: Friedrich Gruber
Original assignee: GE Jenbacher GmbH and Co OHG
Current assignee: Innio Jenbacher GmbH and Co OG
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2014-04-24
Anticipated expiration: 2033-09-20
Also published as: US9316201B2; DE102013015692B4; AT513537B1; US20140109855A1; AT513537A1

Abstract

Laserzündkerze (1) für eine Brennkraftmaschine (2), insbesondere für einen Gasmotor, mit einem in die Laserzündkerze (1) integrierten Laserkristall (3) und mit einer Brennraumoptik (4), wobei aus dem Laserkristall (3) austretende Laserlichtpulse (5) über die Brennraumoptik (4) in einen Brennraum (6) der Brennkraftmaschine (2) einkoppelbar sind, wobei in die Laserzündkerze (1) ein optischer Laserlichtsensor (7) integriert ist, wobei die Brennraumoptik (4) mit einer dem Laserlichtsensor (7) zugewandten – vorzugsweise gekrümmten – und mit einer Verspiegelung versehenen Reflexionsfläche (8) ausgestattet ist, wobei durch den Laserlichtsensor (7) wenigstens ein Teil eines während der Dauer eines Laserlichtpulses (5) an der Reflexionsfläche (8) reflektierten Laserlichts (9) detektierbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserzündkerze mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, eine Brennkraftmaschine mit einer derartigen Laserzündkerze sowie ein Verfahren zur Ermittlung des Betriebszustandes einer solchen Laserzündkerze.
Bei auf gattungsgemäßen Laserzündkerzen beruhenden Laserzündsystemen wird der Zündfunken durch Fokussierung eines intensiven, nur wenige Nanosekunden andauernden Laserlichtpulses auf den Zündort im Brennraum der Brennkraftmaschine erzeugt. Die Erzeugung des Laserlichtes kann beispielsweise mit Hilfe eines Pumplasers und eines dem Pumplaser nach geschalteten Zündlasers (z. B. Laserkristall) erfolgen. Als Pumplaser wird ein Halbleiterlaser eingesetzt, der über mehrere Millisekunden Licht emittiert und den Zündlaser auflädt. Der Zündlaser gibt dann einen Nanosekunden langen Laserlichtpuls ab, der über das Brennraumfenster in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht wird.
Die Erzeugung des Laserlichtes kann über die Betriebszeit der Brennkraftmaschine einer Degradation unterliegen und das Brennraumfenster, durch das der Laserlichtpuls in den Brennraum eingeleitet wird, kann durch Ablagerungen an der brennraumseitigen Oberfläche Transmissionsverluste aufweisen.
In der Summe kann dies zu einer erheblichen Schwächung des Zündfunkens bzw. (in der Folge) zu einer Verschlechterung der Verbrennung in der Brennkraftmaschine führen.
Aus der DE 10 2009 000 911 A1 geht eine Laserzündkerze mit wenigstens einem in die Laserzündkerze integrierten optischen Sensor hervor, welcher dazu dient, den Energiegehalt der Pumpstrahlung für den Laserkristall zu überwachen. Nicht gezeigt ist jedoch die Erfassung der tatsächlich interessierenden Zündenergie bzw. Lichtintensität, die der Zündlaser bzw. der in die Laserzündkerze integrierte Laserkristall bereitstellt. In der JP 2012-189044 A ist gezeigt, dass ein Teil des von einem Zündlaser in Richtung des den Zündlaser speisenden Pumplasers abgegebenen Lichts erfasst wird. Dabei wird jenes Licht vom Zündlaser detektiert, das in einer dem Brennraum abgewandten Richtung vom Zündlaser abgegeben wird. Auch durch diese Detektion kann keine Aussage darüber getroffen werden, wie hoch die Lichtintensität des Laserlichts ist, das in Richtung des Brennraums abgegeben wird, um dort einen Zündfunken auszulösen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Laserzündkerze, eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zur Ermittlung des Betriebszustandes einer solchen Laserzündkerze bereit zu stellen, welches ermöglicht, eine Zustandskontrolle bezüglich des Energiegehaltes der aus der Laserzündkerze austretenden Zündenergie vorzunehmen.
Diese Aufgabe wird durch eine Laserzündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Laserzündkerze und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Durch die Spiegelablenkung eines Teils eines Laserlichtpulses an der verspiegelten oder teilverspiegelten Reflexionsfläche der Brennraumoptik auf den Laserlichtsensor, der beispielsweise als Fotodiode ausgebildet sein kann, kann die Lichtintensität der aus dem Laserkristall austretenden Laserlichtpulse detektiert bzw. erfasst werden. Während bei im Stand der Technik bekannten Laserzündkerzen die Strahlung eines den Laserkristall speisenden Pumplasers erfasst wird, ist es mit der vorgeschlagenen Lösung möglich, die eigentlich interessierende Lichtintensität der Laserlichtpulse des Laserkristalls zu erfassen.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die Brennraumoptik eine Sammellinse umfasst, wobei die Sammellinse mit der Reflexionsfläche ausgestattet ist, vorzugsweise im Randbereich der Sammellinse. Der Ort der verspiegelten Reflexionsfläche an der üblicherweise gekrümmten Oberfläche der Sammellinse kann dabei vorzugsweise so gewählt werden, dass der Strahlengang des an dieser Verspiegelung reflektierten Teils eines Laserlichtpulses zum Laserlichtsensor führt, der zur Erfassung dieses reflektierten Laserlichts vorgesehen ist.
Um den Einfluss von störendem Umgebungslicht oder Streulicht während der Erfassung des reflektierten Laserlichts zu vermindern, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass dem Laserlichtsensor in Richtung des Strahlengangs des in den Laserlichtsensor einfallenden Laserlichts eine optische Blende vorgeschaltet ist. Durch eine gezielte Ausrichtung des Laserlichtsensors auf die verspiegelte Reflexionsfläche und das Anbringen einer optischen Blende kann damit sichergestellt werden, dass der Laserlichtsensor im Wesentlichen ausschließlich das reflektierte Laserlicht erfasst.
Generell kann vorgesehen sein, dass die Zündenergie durch den Laserkristall der Laserzündkerze bereitgestellt wird, wobei die Strahlung eines Pumplasers in den Laserkristall eingekoppelt wird, wobei zum Einstellen der Zündenergie die Pumpleistung und/oder die Pumpdauer des Pumplasers eingestellt wird bzw. werden, vorzugsweise durch Einstellen der Stromstärke eines den Pumplaser speisenden Pumpstroms.
Das Einstellen der Stromstärke des Pumpstroms kann dabei beispielsweise derart erfolgen, dass ausgehend von einer abgespeicherten bzw. vorgebbaren zylinderspezifischen Optimalstromstärke die Stromstärke nach unten und nach oben geringfügig verändert wird und die maximale Laserlichtleistung bzw. die maximale vom Laserlichtsensor erfasste Laserlichtintensität in Abhängigkeit von der Stromstärke ermittelt wird. Dieser Wert kann dann als neuer Wert für die Optimalstromstärke in einen Speicher abgelegt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass in die Laserzündkerze ein zusätzlicher optischer Streulichtsensor integriert ist, durch den wenigstens ein Teil eines während der Dauer eines Laserlichtpulses von der Brennraumoptik zurück gestreuten Streulichts detektierbar ist. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Brennraumoptik ein Brennraumfenster mit einer den Brennraum begrenzenden Einkoppelfläche umfasst, wobei durch den Streulichtsensor wenigstens ein Teil des von der Einkoppelfläche zurück gestreuten Streulichts detektierbar ist. Der zusätzliche Streulichtsensor kann dabei vorzugsweise so angeordnet sein, dass er eben nicht das an der verspiegelten Reflexionsfläche reflektierte Laserlicht erfasst bzw. detektiert, sondern einen Teil des Streulichts, das von Reflexionen an verschiedenen Bereichen des Strahldurchganges der Laserlichtpulse stammt. Da das sich im Inneren der Laserzündkerze befindliche Streulicht insbesondere von an der Einkoppelfläche des Brennraumfensters zurück gestreuten Laserlichtpulsen stammt, ist es damit möglich, insbesondere dieses von der Einkoppelfläche zurück gestreute Streulicht zu detektieren.
Bei einem sauberen Brennraumfenster (ohne Ablagerungen) sollte keine bzw. fast keine Strahlung in die Laserzündkerze zurück gestreut werden. Durch die Integration eines zusätzlichen optischen Streulichtsensors in die Laserzündkerze, über den zurück gestreute Strahlung detektierbar ist, ist es daher prinzipiell möglich, die ablagerungsbedingten Transmissionsverluste am Brennraumfenster durch Messung der beim Laserlichtpuls an der Einkoppelfläche zurück gestreuten Strahlung zu ermitteln.
Da man die bei einem sauberen, neuen Brennraumfenster auftretenden Transmissionsverluste kennt (zum Beispiel durch vorherige Kalibrierung, auch bei Stillstand der Maschine), kann so auf eine Verschlechterung zurück geschlossen werden.
Die Ablagerungen an der Brennraumseite der Einkoppelfläche hängen insbesondere von den Einsatzbedingungen und der Einsatzzeit der Laserzündkerze ab. Wenn eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, wobei durch die Auswerteeinheit Lichtintensitäten des vom Laserlichtsensor detektierbaren Laserlichts und des vom Streulichtsensor detektierbaren Streulichts vergleichbar sind und von der Auswerteeinheit ein Differenzwert der Lichtintensitäten von detektiertem Laserlicht und von detektiertem Streulicht ausgebbar ist, so kann durch Differenzbildung der Messsignale der beiden optischen Sensoren auf den Verschmutzungsgrad des Brennraumfensters geschlossen werden.
Es ist dadurch insbesondere möglich, entsprechende Maßnamen zur Gewährleistung eines ordnungsgemäßen Motorbetriebs einzuleiten. Beispielsweise können die Pumpleistung und die Pumpdauer eines den Laserkristall speisenden Pumplasers entsprechend angepasst werden. Es können aber auch Reinigungsprozeduren eingeleitet oder ein Wartungserfordernis frühzeitig angezeigt werden.
Vorzugsweise kann also vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit des Vergleichs von detektiertem Laserlicht mit detektiertem Streulicht auf einen Transmissionsgrad der Brennraumoptik, vorzugsweise des Brennraumfensters der Brennraumoptik, zurückgeschlossen wird, und die Zündenergie in Abhängigkeit des Transmissionsgrads der Brennraumoptik bzw. des Brennraumfensters eingestellt wird.
Es kann auch ein in die Laserzündkerze integrierter weiterer optischer Sensor mit einer relativ zum Laserlichtsensor und/oder Streulichtsensor unterschiedlichen Frequenzempfindlichkeit vorgesehen sein. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, dass Laserlichtsensor und/oder Streulichtsensor auf die Wellenlänge der in den Brennraum eintretenden Laserlichtpulse und der weitere optische Sensor auf das Hauptemissionsspektrum des Verbrennungslichtes abgestimmt ist.
Diese unterschiedliche Frequenzempfindlichkeit des weiteren optischen Sensors relativ zum Laserlichtsensor bzw. Streulichtsensor und/oder die unterschiedliche Zeit der Erfassung der Strahlung durch die jeweiligen Sensoren kann dazu verwendet werden, zwischen einem Zündereignis im Brennraum und einer anschließenden Verbrennung zu unterscheiden.
Durch Quantifizierung des Transmissionsgrads bzw. der Transmissionsverluste aufgrund der Ablagerungen am Brennraumfenster ist es darüber hinaus auch möglich, die vom weiteren optischen Sensor erfassten Messwerte für die Lichtintensität aus dem Brennraum zu korrigieren.
Die optischen Sensoren (Laserlichtsensor, Streulichtsensor, weiterer optischer Sensor) sind bevorzugt in einem Bereich der Laserzündkerze zwischen der Brennraumoptik und dem Laserkristall angeordnet. Aus thermischen und optischen Gründen ist es vorteilhaft, sie an der Gehäusewand bei maximalem Abstand zur Brennraumoptik bzw. deren Brennraumfenster zu positionieren.
Mit der Erfindung ist es möglich, verschiedene Steuerstrategien zu verwirklichen:

– Erkennen bzw. Quantifizierung einer Degradation des Zündlasers
– Indizierung von Servicemaßnahmen (zum Beispiel Reinigung des Brennraumfensters)
– Ermittlung der Verschmutzungsrate des Brennraumfensters in Abhängigkeit von der Laufzeit des Motors (Trendanalyse) und Abschätzung der Restlaufzeit, bis der Grenzwert für die Brennraumfensterverschmutzung erreicht wird, bzw. Indizierung von Serviceaktivitäten
– Einrechnung der Transmissionsverluste am Brennraumfenster zur richtigen Bewertung des von dem weiteren optischen Sensor erfassten Verbrennungslichtes aus dem Brennraum
– Einstellung der Laserpulsleistung und der Pulsanzahl auf Basis des ermittelten Transmissionswertes und der Degradation des Pumplasers
– Ermittlung verbrennungsrelevanter Kenngrößen aus dem Verhältnis der Amplituden der zeitlich sich verändernden Intensitätsverhältnisse der von den optischen Sensor ermittelten Lichtintensitäten (verbrennungsrelevante Kenngrößen sind unter Anderem: Verbrennungsaussetzer, Lambda, Zündverzug, Brenndauer, Last, Klopfen, Glühzündung).

Generell kann jeweils auch vorgesehen sein, nicht den bzw. die optischen Sensor(en) selbst an den angegebenen Positionen zu platzieren, sondern dem bzw. den Sensor(en) jeweils einen Lichtleiter vorzuschalten und den Eingang des Lichtleiters an den beschriebenen Positionen zu platzieren. So können die Sensoren selbst unabhängig von der Position der Erfassung der Strahlung platziert werden.
Als optische Sensoren werden bevorzugt Fotodioden eingesetzt. Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt als – insbesondere stationärer – Gasmotor (Gas-Otto-Motor) ausgebildet.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der Figuren sowie der dazugehörigen Beschreibung. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer vorgeschlagenen Laserzündkerze und
2 eine schematische Darstellung einer vorgeschlagenen Brennkraftmaschine.
1 zeigt eine vorgeschlagene Laserzündkerze 1 mit einem integrierten Laserkristall 3, der beispielsweise als Nd:YAG Pulslaser ausgebildet sein kann. Der Laserkristall 3 wird von einem Pumplaser 18 mit Pumpenergie in Form von Strahlung 17 gespeist. Die aus dem Laserkristall 3 austretenden Laserlichtpulse 5 werden über eine Brennraumoptik 4 in einen Brennraum 6 einer hier nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine 2 eingekoppelt. Die Brennraumoptik 4 umfasst in diesem Beispiel eine Sammellinse 10 sowie ein Brennraumfenster 14 mit einer den Brennraum 6 begrenzenden Einkoppelfläche 15, über welche die Laserlichtpulse 5 in den Brennraum 6 eingekoppelt werden. Im Randbereich weist die Sammellinse 10 eine entsprechend ihrer gekrümmten Oberfläche ausgebildete Reflexionsfläche 8 auf, welche mit einer Verspiegelung versehen ist, um darauf eintreffende Laserlichtpulse 5 an einen entsprechend platzierten Laserlichtsensor 7 als Laserlicht 9 zu reflektieren. Am Laserlichtsensor 7 ist eine optische Blende 11 angeordnet, damit der Laserlichtsensor 7 in erster Linie das reflektierte Laserlicht 9 erfasst und diese Erfassung nicht durch unerwünscht eintretendes Streulicht 13 überlagert wird.
Ein zusätzlich in der Laserzündkerze 1 integrierter optischer Streulichtsensor 12 erfasst ein durch Zurückstreuung der Laserlichtpulse 5 an der Brennraumoptik 4 gebildetes Streulicht 13. Da ein Großteil dieses Streulichts 13 durch Zurückstreuung der Laserlichtpulse 5 an der brennraumseitig durch Ablagerungen verschmutzten Einkoppelfläche 15 des Brennraumfensters 14 gebildet wird, dient dieser Streulichtsensor 12 in erster Linie dazu, das von dieser Einkoppelfläche 15 zurück gestreute Streulicht 13 zu erfassen.
Die vom Laserlichtsensor 7 und vom Streulichtsensor 12 erfassten Lichtintensitäten von reflektiertem Laserlicht 9 bzw. Streulicht 13 werden in Form von optischen oder entsprechenden elektrischen Signalen an eine Auswerteeinheit 16 ausgegeben, welche diese Lichtintensitäten vergleicht und eine Differenzbildung dieser Messsignale durchführt. In Abhängigkeit der Differenz der erfassten Lichtintensitäten kann dann in weiterer Folge auf die Verschmutzung bzw. den Transmissionsgrad des Brennraumfensters 14 geschlossen werden und in Abhängigkeit des Transmissionsgrads des Brennraumfensters die Zündenergie entsprechend eingestellt werden. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Stromstärke eines den Pumplaser 18 (z. B. ein VCSEL-Pumplaser) speisenden Pumpstroms 19 entsprechend eingestellt wird, um die Pumpleistung und/oder die Pumpdauer des Pumplasers 18 entsprechend zu verändern.
2 zeigt schematisch die Anordnung der Laserzündkerze 1 relativ zu einem Brennraum 6 einer nicht näher dargestellten – weil dem Stand der Technik entsprechenden – Brennkraftmaschine 2.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009000911 A1 [0005]
JP 2012-189044 A [0005]

Claims

Laserzündkerze (1) für eine Brennkraftmaschine (2), insbesondere für einen Gasmotor, mit einem in die Laserzündkerze (1) integrierten Laserkristall (3) und mit einer Brennraumoptik (4), wobei aus dem Laserkristall (3) austretende Laserlichtpulse (5) über die Brennraumoptik (4) in einen Brennraum (6) der Brennkraftmaschine (2) einkoppelbar sind, wobei in die Laserzündkerze (1) ein optischer Laserlichtsensor (7) integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumoptik (4) mit einer dem Laserlichtsensor (7) zugewandten – vorzugsweise gekrümmten – und mit einer Verspiegelung versehenen Reflexionsfläche (8) ausgestattet ist, wobei durch den Laserlichtsensor (7) wenigstens ein Teil eines während der Dauer eines Laserlichtpulses (5) an der Reflexionsfläche (8) reflektierten Laserlichts (9) detektierbar ist.
Laserzündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumoptik (4) eine Sammellinse (10) umfasst, wobei die Sammellinse (10) mit der Reflexionsfläche (8) ausgestattet ist, vorzugsweise im Randbereich der Sammellinse (10).
Laserzündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laserlichtsensor (7) in Richtung des Strahlengangs des in den Laserlichtsensor (7) einfallenden Laserlichts (9) eine optische Blende (11) vorgeschaltet ist.
Laserzündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die Laserzündkerze (1) ein zusätzlicher optischer Streulichtsensor (12) integriert ist, durch den wenigstens ein Teil eines während der Dauer eines Laserlichtpulses (5) von der Brennraumoptik (4) zurück gestreuten Streulichts (13) detektierbar ist.
Laserzündkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumoptik (4) ein Brennraumfenster (14) mit einer den Brennraum (6) begrenzenden Einkoppelfläche (15) umfasst, wobei durch den Streulichtsensor (12) wenigstens ein Teil des von der Einkoppelfläche (15) zurück gestreuten Streulichts (13) detektierbar ist.
Laserzündkerze nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit (16) vorgesehen ist, wobei durch die Auswerteeinheit (16) Lichtintensitäten des vom Laserlichtsensor (7) detektierbaren Laserlichts (9) und des vom Streulichtsensor (12) detektierbaren Streulichts (13) vergleichbar sind.
Laserzündkerze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass von der Auswerteeinheit (16) ein Differenzwert der Lichtintensitäten von detektiertem Laserlicht (9) und von detektiertem Streulicht (13) ausgebbar ist.
Brennkraftmaschine (2), insbesondere Gasmotor, mit einer Laserzündkerze (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zur Ermittlung des Betriebszustandes einer Laserzündkerze (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 im Hinblick auf die von der Laserzündkerze (1) durch Laserlichtpulse (5) in einen Brennraum (6) einer Brennkraftmaschine (2) eingebrachte Zündenergie, wobei die aus einem Laserkristall (3) der Laserzündkerze (1) austretenden Laserlichtpulse (5) über eine Brennraumoptik (4) in den Brennraum (6) eingekoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil eines während der Dauer eines Laserlichtpulses (5) an einer mit einer Verspiegelung versehenen Reflexionsfläche (8) der Brennraumoptik (4) reflektierten Laserlichts (9) durch einen in die Laserzündkerze (1) integrierten optischen Laserlichtsensor (7) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündenergie durch den Laserkristall (3) der Laserzündkerze (1) bereitgestellt wird, wobei die Strahlung (17) eines Pumplasers (18) in den Laserkristall (3) eingekoppelt wird, wobei zum Einstellen der Zündenergie die Pumpleistung und/oder die Pumpdauer des Pumplasers (18) eingestellt wird bzw. werden, vorzugsweise durch Einstellen der Stromstärke eines den Pumplaser (18) speisenden Pumpstroms (19).
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil eines während der Dauer eines Laserlichtpulses (5) von der Brennraumoptik (4), vorzugsweise von einem Brennraumfenster (14) der Brennraumoptik (4), zurück gestreuten Streulichts (13) durch einen in die Laserzündkerze (1) integrierten zusätzlichen optischen Streulichtsensor (12) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Auswerteeinheit (16) Lichtintensitäten des vom Laserlichtsensor (7) erfassten Laserlichts (9) und des vom Streulichtsensor (12) erfassten Streulichts (13) verglichen werden, wobei vorzugsweise ein Differenzwert der Lichtintensitäten von erfasstem Laserlicht (9) und von erfasstem Streulicht (13) ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Vergleichs auf einen Transmissionsgrad der Brennraumoptik (4), vorzugsweise des Brennraumfensters (14) der Brennraumoptik (4), zurückgeschlossen wird, und die Zündenergie in Abhängigkeit des Transmissionsgrads der Brennraumoptik (4) bzw. des Brennraumfensters (14) eingestellt wird.