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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5, eine Laserzündeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10, und eine Laserzündeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
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Laserzündeinrichtungen zum Zünden eines Kraftstoff-Luftgemisches in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine sind vom Markt her bekannt. Dabei können jeweils ein, zwei oder auch mehr Laserimpulse je Arbeitszyklus eines Zylinders der Brennkraftmaschine von der Laserzündeinrichtung erzeugt werden. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, bei einem verhältnismäßig fetten Kraftstoff-Luftgemisch nur einen einzelnen Laserimpuls mit vergleichsweise großer Impulsenergie zu erzeugen. In diesem Fall liegt der so genannte Lambdawert beispielsweise z.B. in einem Bereich von 0,65 bis 1,4. Bei vergleichsweise mageren oder inhomogenen Gemischen oder bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten in dem Brennraum kann es dagegen sinnvoll sein, mehrere Laserimpulse zum Anregen eines Zündvorgangs (auch bezeichnet als „zeitliche Mehrfachzündung“) zu erzeugen.
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Eine Patentveröffentlichung aus diesem Fachgebiet ist beispielsweise die
WO 2008/006638 A1 .
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1, sowie durch ein Verfahren und eine Laserzündeinrichtung nach den nebengeordneten Ansprüchen 5, 10 und 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei insbesondere zum Zünden eines Kraftstoff-Luftgemisches mindestens drei Laserimpulse erzeugt werden. Erfindungsgemäß werden ein zeitlicher Abstand zwischen einem ersten und einem zweiten Laserimpuls kleiner als ein vorgebbarer erster Schwellwert und ein zeitlicher Abstand zwischen dem zweiten und einem dritten Laserimpuls größer als ein vorgebbarer zweiter Schwellwert gewählt. Dadurch kann der Betrieb der Laserzündeinrichtung besonders effizient erfolgen, indem eine in ein Plasma eines Brennraums der Brennkraftmaschine eingebrachte Energie besonders groß wird. Zum ersten betrifft dies den zweiten Laserimpuls, wenn der zeitliche Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Laserimpuls kleiner als der vorgebbare erste Schwellwert gewählt wird, und zum zweiten betrifft dies den dritten Laserimpuls, wenn der zeitliche Abstand zwischen dem zweiten und dem dritten Laserimpuls größer als der vorgebbare zweite Schwellwert gewählt wird. Somit kann das in dem Brennraum jeweils vorhandene Kraftstoff-Luftgemisch besonders wirkungsvoll gezündet werden. Eine mögliche Erklärung für das vorteilhafte erfindungsgemäße Verfahren ist es, dass unterschiedliche Ionisationsgrade der Luft bzw. des zu zündenden bzw. bereits gezündeten (z.B. mittels eines ersten Laserimpulses) Luft-Kraftstoffgemischs einen Einfluss auf einen Energieeintrag in das im Brennraum gebildete bzw. dort vorhandene Plasma haben.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der vorgebbare erste und zweite Schwellwert jeweils einem zeitlichen Abstand von größer als etwa 10 µs und kleiner als etwa 400 µs, Mikrosekunden, entspricht. Damit wird für viele Ausführungsformen von Brennkraftmaschinen ein besonders vorteilhafter Bereich für den ersten und den zweiten Schwellwert vorgeschlagen.
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Weiterhin kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der vorgebbare erste und zweite Schwellwert jeweils einem zeitlichen Abstand von etwa 150 µs entspricht. Dieser Wert kann insbesondere für Brennkraftmaschinen, welche in Kraftfahrzeugen verwendet werden, vorteilhaft sein. Für die Erfindung ist es jedoch nicht zwingend erforderlich, dass der erste und der zweite Schwellwert gleich sind. Es ist für das vorgeschlagene Verfahren ebenso möglich, dass der erste und der zweite Schwellwert zueinander unterschiedliche Werte aufweisen. Der zweite Schwellwert kann also auch größer oder kleiner als der erste Schwellwert sein. Alternativ können erster und zweiter Schwellwert auch etwa identisch sein, jedoch von 150 µs abweichende Werte annehmen.
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Sofern das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von vier oder mehr Laserimpulsen (je Arbeitszyklus eines betrachteten Zylinders) verwendet wird, kann der zeitliche Abstand zwischen aufeinander folgenden weiteren, nach dem dritten Laserimpuls erzeugten, Laserimpulsen jeweils gleich oder größer als der vorgebbare zweite Schwellwert gewählt werden. Für diese weiteren Laserimpulse kann vorteilhaft – ähnlich wie für den zweiten und den dritten Laserimpuls – die jeweils in das Plasma wirksam eingebrachte Energie besonders groß sein, wodurch die Zündung des in dem Brennraum vorhandenen Kraftstoff-Luftgemisches insgesamt weiter verbessert wird.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Laserzündeinrichtung für die Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei insbesondere zum Zünden des Kraftstoff-Luftgemisches nur zwei Laserimpulse erzeugt werden. Erfindungsgemäß wird ein zeitlicher Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Laserimpuls kleiner als ein vorgebbarer Schwellwert gewählt, wobei der vorgebbare Schwellwert einem zeitlichen Abstand von größer als etwa 10 µs und kleiner als etwa 400 µs, Mikrosekunden, bevorzugt etwa 150 µs, entspricht. Somit kann auch bei nur zwei Laserimpulsen insbesondere die von dem zweiten Laserimpuls in das Plasma wirksam eingebrachte Energie vorteilhaft vergrößert und somit die Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches insgesamt verbessert werden.
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Für beide der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, wie nachfolgend erläutert, möglich:
Dabei ist beispielsweise vorgesehen, dass die Laserzündeinrichtung einen laseraktiven Festkörper mit einer passiven Güteschaltung aufweist, und dass die Laserzündeinrichtung optisch gepumpt wird, um Laserimpulse zu erzeugen. Diese Ausführungsform der Laserzündeinrichtung ist besonders einfach und preiswert herstellbar, wobei durch das erfindungsgemäße Verfahren die in das Plasma eingebrachte Energie vorteilhaft vergrößert werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders einfach durchführbar, wenn der zeitliche Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Laserimpuls bzw. der zeitliche Abstand zwischen dem zweiten und dem dritten Laserimpuls jeweils mittels einer Einstellung bzw. Veränderung einer optischen Pumpleistung und/oder mittels einem vorübergehenden Abschalten der optischen Pumpleistung vorgegeben wird. Beispielsweise kann die optische Pumpleistung mittels einer als Pumplichtquelle betriebenen Halbleiter-Laserdiode erzeugt werden, wobei in Abhängigkeit von einem Steuerstrom ein entsprechendes Pumplicht, beispielsweise auch unter Verwendung von einer Lichtleitereinrichtung, auf die Laserzündeinrichtung übertragen wird. Die Größe des Steuerstroms ist besonders einfach elektronisch zu steuern bzw. zu regeln, wodurch das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft vereinfacht und verbilligt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit verbesserter Genauigkeit durchgeführt werden, wenn der zeitliche Abstand bzw. die zeitlichen Abstände, insbesondere unter Verwendung von einer Photodiode, geregelt oder gesteuert wird bzw. werden. Dabei kann beispielsweise der oben beschriebene Steuerstrom vorteilhaft als Stellgröße verwendet werden, und die Photodiode liefert ein feedback-Signal, welches Informationen über die tatsächlichen zeitlichen Abstände von erzeugten Laserimpulsen aufweist.
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Ergänzend oder alternativ dazu kann der zeitliche Abstand bzw. die zeitlichen Abstände in Abhängigkeit von einer Temperatur der Pumplichtquelle und/oder von einer Temperatur des laseraktiven Festkörpers eingestellt ("vorgesteuert") werden. Dadurch kann die Genauigkeit verbessert und/oder das Verfahren vereinfacht werden.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Laserzündeinrichtung für die Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, welche dazu ausgebildet ist, mindestens drei Laserimpulse zu erzeugen. Erfindungsgemäß ist ein zeitlicher Abstand zwischen einem ersten und einem zweiten Laserimpuls kleiner als ein vorgebbarer erster Schwellwert und ein zeitlicher Abstand zwischen dem zweiten und einem dritten Laserimpuls größer als ein vorgebbarer zweiter Schwellwert. Dabei ergeben sich im Wesentlichen die gleichen Vorteile, wie es weiter oben für das zugehörige Verfahren bereits beschrieben wurde. Vergleichbares ergibt sich für die nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der Laserzündeinrichtung.
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In einer ersten Ausgestaltung der Laserzündeinrichtung entspricht der vorgebbare erste und zweite Schwellwert jeweils einem zeitlichen Abstand von größer als etwa 10 µs und kleiner als etwa 400 µs, Mikrosekunden, bevorzugt jeweils etwa 150 µs.
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In einer zweiten Ausgestaltung der Laserzündeinrichtung weist diese einen laseraktiven Festkörper mit einer passiven Güteschaltung auf, wobei die Laserzündeinrichtung eine Pumplichtquelle zum optischen Pumpen des laseraktiven Festkörpers umfasst, um die beschriebenen Laserimpulse zu erzeugen.
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In einer dritten Ausgestaltung der Laserzündeinrichtung ist ein zeitlicher Abstand zwischen aufeinander folgenden weiteren, nach dem dritten Laserimpuls erzeugten, Laserimpulsen jeweils gleich oder größer als der vorgebbare zweite Schwellwert.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, welche dazu ausgebildet ist, zwei Laserimpulse zu erzeugen. Erfindungsgemäß ist ein zeitlicher Abstand zwischen einem ersten und einem zweiten Laserimpuls kleiner als ein vorgebbarer Schwellwert, wobei der vorgebbare Schwellwert einem zeitlichen Abstand von größer als etwa 10 µs und kleiner als etwa 400 µs, Mikrosekunden, bevorzugt kleiner als etwa 150 µs, entspricht. Für diese Laserzündeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, nur zwei Laserimpulse zu erzeugen, sind sinngemäß vergleichbare Ausgestaltungen und Vorteile möglich, wie dies für die Laserzündeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, mindestens drei Laserimpulse zu erzeugen, oben bereits beschrieben wurde.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung;
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2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung im Detail;
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3 ein Zeitdiagramm für einen Energieeintrag in ein Plasma für einen ersten Laserimpuls;
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4 ein Zeitdiagramm für den Energieeintrag in das Plasma für einen zweiten Laserimpuls;
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5 ein Zeitdiagramm für den Energieeintrag in das Plasma für einen dritten Laserimpuls;
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6 zwei erste Diagramme mit einem Zeitverlauf einer optischen Pumpleistung und zugehörigen drei Laserimpulsen;
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7 zwei zweite Diagramme mit einem Zeitverlauf der optischen Pumpleistung und zugehörigen drei Laserimpulsen; und
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8 ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben der Laserzündeinrichtung für die Brennkraftmaschine.
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Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Eine Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder 12, von denen in 1 nur einer dargestellt 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 beziehungsweise Common-Rail bezeichneten Kraftstoffdruckspeicher 20 angeschlossen ist.
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In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels zweier oder mehrerer Laserimpulse 24 entzündet, welche von einer Laserzündeinrichtung 26 in den Brennraum 14 abgestrahlt werden. Die Laserzündeinrichtung 26 ist ein Element einer insgesamt mit dem Bezugszeichen 27 bezeichneten Zündeinrichtung, wie es in der 1 gezeigt ist und nachfolgend noch näher erläutert werden wird. Weiterhin umfasst die Laserzündeinrichtung 26 optional eine (nicht dargestellte) Photodiode, mittels welcher ein Betrieb der Laserzündeinrichtung 26 gegebenenfalls weiter verbessert werden kann. Die Laserzündeinrichtung 26 kann beispielsweis auch in Form einer Laserzündkerze ausgebildet sein.
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Vorzugsweise werden von der Laserzündeinrichtung 26 zeitlich beabstandet (während eines Arbeitszyklus des Zylinders 12) drei Laserimpulse 24a, 24b und 24c in den Brennraum 14 abgestrahlt, vergleiche weiter unten die 6 und 7. Dabei ist der Laserimpuls 24a der erste, der Laserimpuls 24b der zweite und der Laserimpuls 24c der dritte Laserimpuls in der zeitlichen Abfolge. Vorliegend wird die Laserzündeinrichtung 26 über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit einem Pumplicht 28a gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereit gestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung 32 gesteuert, die auch den Injektor 18 ansteuert. Insbesondere ist die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 32 dazu ausgebildet, das weiter unten mittels der 6 bis 8 beschriebene Verfahren zum Betreiben der Laserzündeinrichtung 26 durchzuführen.
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Beispielsweise kann es sich bei der Pumplichtquelle 30 um eine Halbleiter-Laserdiode handeln, die in Abhängigkeit von einem Steuerstrom das entsprechende Pumplicht 28a über die Lichtleitereinrichtung 28 an die Laserzündeinrichtung 26 ausgibt. Obwohl Halbleiter-Laserdioden und andere klein bauende Pumplichtquellen 30 bevorzugt für einen Einsatz in dem Kraftfahrzeugbereich verwendet werden, ist für den Betrieb der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung 26 prinzipiell jede Art von Pumplichtquelle 30 verwendbar, bei welcher das Pumplicht 28a in seiner Leistung veränderbar und/oder vorübergehend abschaltbar ist. Bei einer Halbleiter-Laserdiode als Pumplichtquelle 30 kann eine Dauer der Pumplichtimpulse besonders einfach eingestellt werden, wie weiter unten bei den 6 und 7 noch erläutert werden wird.
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2 zeigt schematisch eine Detailansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Laserzündeinrichtung 26 aus 1.
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Wie aus 2 ersichtlich, weist die Laserzündeinrichtung 26 einen laseraktiven Festkörper 44 auf, dem eine auch als Q-switch bezeichnete passive Güteschaltung 46 optisch nachgeordnet ist. Der laseraktive Festkörper 44 bildet hierbei zusammen mit der passiven Güteschaltung 46 sowie einem in 2 links hiervon angeordneten Einkoppelspiegel 42 und einem Auskoppelspiegel 48 einen Laser-Oszillator aus, dessen Schwingverhalten von der passiven Güteschaltung 46 abhängt und damit zumindest mittelbar in an sich bekannter Weise steuerbar ist.
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Bei der in 2 abgebildeten Anordnung wird die Laserzündeinrichtung 26 bzw. der laseraktive Festkörper 44 durch den Einkoppelspiegel 42 hindurch mit dem Pumplicht 28a beaufschlagt, das Elektronen in dem laseraktiven Festkörper 44 anregt und damit zu einer an sich bekannten Besetzungsinversion führt.
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Während die passive Güteschaltung 46 ihren Ruhezustand aufweist, in welchem sie einen verhältnismäßig geringen Transmissionskoeffizienten besitzt, wird ein Laserbetrieb in dem laseraktiven Festkörper 44 beziehungsweise in dem durch den Einkoppelspiegel 42 und den Auskoppelspiegel 48 begrenzten Festkörper 44, 46 vermieden. Mit steigender Pumpdauer, das heißt, während einer Beaufschlagung mit dem Pumplicht 28a, steigt jedoch auch die Strahlungsintensität in dem durch die Bezugszeichen 42, 44, 46 und 48 charakterisierten Laser-Oszillator an, so dass die passive Güteschaltung 46 schließlich ausbleicht. Das heißt, ihr Transmissionskoeffizient steigt und ein Laserbetrieb in dem Laser-Oszillator beginnt. Dieser Zustand ist durch einen Doppelpfeil 24' symbolisiert.
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Auf die vorstehend beschriebene Weise entsteht ein auch als Riesenimpuls bezeichneter Laserimpuls 24, der eine verhältnismäßig hohe Spitzenleistung aufweist. Der Laserimpuls 24 wird, gegebenenfalls unter Verwendung einer weiteren Lichtleitereinrichtung (nicht gezeigt), oder auch direkt durch ein ebenfalls nicht abgebildetes Brennraumfenster der Laserzündeinrichtung 26 in den Brennraum 14 (1) der Brennkraftmaschine 10 eingekoppelt, so dass darin vorhandener Kraftstoff 22 bzw. ein Kraftstoff-Luftgemisch entzündet wird.
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Erfindungsgemäß wird die in 2 abgebildete Laserzündeinrichtung 26 mit dem Pumplicht 28a beaufschlagt. Dabei kann das Pumplicht 28a durch eine Pumpleistung 58 charakterisiert sein, wie dies in den 6 und 7 noch gezeigt werden wird.
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Zur Erzeugung von mehreren aufeinander folgenden Laserimpulsen 24a, 24b und 24c kann mittels der Pumplichtquelle 30 ein verhältnismäßig langer Pumplichtimpuls erzeugt werden, der den laseraktiven Festkörper 44 entsprechend lange optisch pumpt und entsprechend die Erzeugung mehrerer, zeitlich aufeinander folgender Laserimpulse 24a, 24b und 24c ermöglicht.
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Die Laserzündeinrichtung 26 kann erfindungsgemäß so ausgebildet sein, dass sich der jeweilige zeitliche Abstand der aufeinander folgenden Laserimpulse 24a, 24b und 24c in Bezug auf vorgebbare Schwellwerte 55 und 57 ergibt. Dies wird bei den 3 bis 7 noch erläutert werden. Die Dauer des Pumplichtimpulses selbst kann beispielsweise bis zu einigen Millisekunden oder auch mehr betragen.
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3 zeigt ein Zeitdiagramm für einen Energieeintrag 50 in ein in dem Brennraum 14 gebildetes bzw. vorhandenes Plasma für den ersten Laserimpuls 24a. Auf der Abszisse des dargestellten Koordinatensystems ist eine Zeitspanne 52 dargestellt, welche den (verzögerten) Beginn des ersten Laserimpulses 24a in Bezug auf den Beginn der Erzeugung des Pumplichts 28a charakterisiert ("Pumpdauer"). Die Zeitspanne 52 hat die Einheit "µs", Mikrosekunden. Auf der Ordinate ist eine zugehörige durch den ersten Laserimpuls 24a in das Plasma wirksam eingebrachte Energie (Energieeintrag 50) als prozentualer Anteil der Lichtenergie des ersten Laserimpulses 24a dargestellt. In der Zeichnung sind drei Wertepaare jeweils durch einen Punkt dargestellt. Man erkennt, dass innerhalb einer vorliegenden Messgenauigkeit der wirksame Energieeintrag 50 in das Plasma in etwa unabhängig von der Pumpdauer ist.
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4 zeigt ein Zeitdiagramm für den Energieeintrag 50 in das Plasma für den zweiten Laserimpuls 24b. Auf der Abszisse des dargestellten Koordinatensystems ist ein zeitlicher Abstand 54 dargestellt, welcher einen Zeitpunkt eines Maximums des zweiten Laserimpulses 24b in Bezug auf den Zeitpunkt des Maximums des ersten Laserimpulses 24a charakterisiert. Der zeitliche Abstand 54 hat die Einheit "µs". Auf der Ordinate ist die zugehörige durch den zweiten Laserimpuls 24b in das Plasma wirksam eingebrachte Energie (Energieeintrag 50) als prozentualer Anteil der Lichtenergie des zweiten Laserimpulses 24b dargestellt. In der Zeichnung sind drei Wertepaare jeweils durch einen Punkt dargestellt.
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Man erkennt, dass dann, wenn der zeitliche Abstand 54 kleiner als ein erster Schwellwert 55 ist, welcher vorliegend in etwa 150 µs beträgt, die von dem zweiten Laserimpuls 24b in das Plasma eingebrachte Energie um absolut etwa 20 Prozent größer ist als bei zeitlichen Abständen 54, welche größer als der erste Schwellwert 55 sind.
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5 zeigt ein Zeitdiagramm für den Energieeintrag 50 in das Plasma für den dritten Laserimpuls 24c. Auf der Abszisse des dargestellten Koordinatensystems ist ein zeitlicher Abstand 56 dargestellt, welcher einen Zeitpunkt eines Maximums des dritten Laserimpulses 24c in Bezug auf den Zeitpunkt des Maximums des zweiten Laserimpulses 24b charakterisiert. Der zeitliche Abstand 56 hat die Einheit "µs". Auf der Ordinate ist eine zugehörige durch den dritten Laserimpuls 24c in das Plasma wirksam eingebrachte Energie (Energieeintrag 50) als prozentualer Anteil der Lichtenergie des dritten Laserimpulses 24c dargestellt. In der Zeichnung sind drei Wertepaare jeweils durch einen Punkt dargestellt.
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Man erkennt, dass dann, wenn der zeitliche Abstand 56 größer als ein zweiter Schwellwert 57 ist, welcher vorliegend in etwa 150 µs beträgt, die von dem dritten Laserimpuls 24c in das Plasma wirksam eingebrachte Energie um absolut etwa 20 Prozent größer ist als bei zeitlichen Abständen 56, welche kleiner als der zweite Schwellwert 57 sind.
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Wie aus den 4 und 5 gemeinsam zu entnehmen ist, sind vorliegend der erste Schwellwert 55 und der zweite Schwellwert 57 zumindest in etwa gleich (ca. 150 µs). Die Schwellwerte 55 und 57 können unter anderem von einer Bauart der Brennkraftmaschine 10 und der Laserzündeinrichtung 26, sowie von Eigenschaften des jeweiligen Kraftstoff-Luftgemisches und weiteren Parametern abhängen. Bei anderen Ausführungsformen können der erste Schwellwert 55 und der zweite Schwellwert 57 auch voneinander verschieden sein und können jeweils auch von dem aus den 4 und 5 entnehmbaren Wert von 150 µs stärker abweichen. Beispielsweise können der erste und der zweite Schwellwert 55 und 57 jeweils in einem Wertebereich von größer als etwa 10 µs und kleiner als etwa 400 µs liegen.
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6 zeigt schematisch zwei erste Diagramme mit einem Zeitverlauf der Pumpleistung 58 und zugehörigen drei Laserimpulsen 24a, 24b und 24c. Auf der Abszisse der beiden dargestellten Koordinatensysteme ist jeweils eine Zeit t aufgetragen. Die Diagramme weisen einen zueinander gleichen Zeitmaßstab auf. Auf der Ordinate des in der Zeichnung oberen Diagramms ist die Pumpleistung 58 aufgetragen, und auf der Ordinate des unteren Diagramms ist eine Lichtleistung 60 der Laserimpulse 24a, 24b und 24c aufgetragen.
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Der Zeitverlauf der Pumpleistung 58 ist in der 6 wie folgt charakterisiert: In einem ersten Abschnitt 62 wird das Pumplicht 28a eingeschaltet und die Pumpleistung 58 steigt steil an. In einem zweiten Abschnitt 64 bleibt die Pumpleistung 58 auf einem vergleichsweise hohen Wert in etwa konstant. In einem dritten Abschnitt 66 fällt die Pumpleistung 58 auf einen reduzierten Wert ab und bleibt in einem vierten Abschnitt 68 in etwa konstant. In einem fünften Abschnitt 70 wird das Pumplicht 28a abgeschaltet und die Pumpleistung 58 fällt im Wesentlichen auf Null ab.
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Man erkennt, dass, nachdem das Pumplicht 28a für die Zeitspanne 52 eingeschaltet war, der erste Laserimpuls 24a erzeugt wird. Nach dem zeitlichen Abstand 54 wird – bei weiter in etwa konstanter Pumpleistung 58 – der zweite Laserimpuls 24b erzeugt. Der dritte Laserimpuls 24c wird dagegen vergleichsweise spät erzeugt.
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Im zweiten Abschnitt 64 wird also die Pumpleistung 58 derart vorgegeben, dass der zeitliche Abstand 54 kleiner als in etwa 150 µs ist, vergleiche die 4. Vorliegend beträgt der zeitliche Abstand 54 in etwa 100 µs. Dadurch, dass in den zeitlich folgenden Abschnitten 66 und 68 die Pumpleistung 58 reduziert wird, ist der zeitliche Abstand 56 vergleichsweise groß und weist einen Wert von mehr als 150 µs, vorliegend in etwa den doppelten Wert des zeitlichen Abstands 54 auf.
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Weiterhin ist in der 6 zu erkennen, dass der dritte Abschnitt 66 dann beginnt, wenn der zweite Laserimpuls 24b erzeugt wird, und dass der fünfte Abschnitt 70 dann beginnt, wenn der dritte Laserimpuls 24c erzeugt wird. Dies wird vorliegend dadurch erreicht, dass die zeitlichen Abstände 54 und 56 beziehungsweise der Zeitpunkt der Erzeugung des zweiten und des dritten Laserimpulses 24b und 24c beziehungsweise die Pumpleistung 58 unter Verwendung von einer Photodiode geregelt bzw. gesteuert werden. Alternativ dazu können die besagten Größen erfindungsgemäß auch in Abhängigkeit von einer Temperatur der Pumplichtquelle 30 und/oder von einer Temperatur des laseraktiven Festkörpers 44 eingestellt ("vorgesteuert") werden.
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Generell kann durch Verwendung eines passiv gütegeschalteten Lasersystems 44, 46 ein zeitlicher Abstand der erzeugten Laserimpulse 24a, 24b, 24c besonders einfach durch Vorgabe bzw. Steuerung/Regelung eines entsprechenden Pumpprofils (Verlauf der Pumpleistung 58 über der Zeit t) eingestellt bzw. geregelt werden. Alternativ zu dem passiv gütegeschalteten Lasersystem kann zur Realisierung des erfindungsgemäßen Prinzips auch jede andere Laserquelle verwendet werden, welche die Einstellung der erfindungsgemäßen Zeitabstände für die Laserimpulse untereinander ermöglicht.
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7 zeigt ähnlich zu der 6 zwei zweite Diagramme mit dem Zeitverlauf der Pumpleistung 58 und zugehörigen drei Laserimpulsen 24a, 24b und 24c. Das in der 7 untere Diagramm ist dem unteren Diagramm der 6 gleich. Die beiden Diagramme weisen ebenfalls einen zueinander gleichen Zeitmaßstab auf. Ebenso sind die zeitlichen Abstände 54 und 56 zu den Werten von 6 vergleichbar.
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Der Zeitverlauf der Pumpleistung 58 ist in der 7 wie folgt charakterisiert: In einem ersten Abschnitt 72 wird das Pumplicht 28a eingeschaltet und die Pumpleistung 58 steigt steil an. In einem zweiten Abschnitt 74 bleibt die Pumpleistung 58 auf einem vergleichsweise hohen Wert in etwa konstant. In einem dritten Abschnitt 76 fällt die Pumpleistung 58 auf einen Wert von in etwa Null steil ab und bleibt in einem vierten Abschnitt 78 für eine vergleichsweise kurze Zeitspanne auf diesem Wert. In einem fünften Abschnitt 80 erfolgt erneut ein steiler Anstieg der Pumpleistung 58. In einem sechsten Abschnitt 82 bleibt die Pumpleistung 58 auf diesem vergleichsweise hohen Wert in etwa konstant. Vorzugsweise ist die Pumpleistung 58 in den Abschnitten 82 und 74 in etwa gleich. In einem siebten Abschnitt 84 wird das Pumplicht 28a wiederum abgeschaltet und die Pumpleistung 58 fällt im Wesentlichen auf Null ab. Im Unterschied zu der Ausführungsform nach 6 erfordert damit das Pumpprofil der Ausführungsform gemäß 7 nur ein einfaches binäres Schema (Pumplicht an oder aus), wodurch die Verwendung einer einfacheren Pumplichtquelle bzw. Ansteuerung hierfür ermöglicht ist.
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Sofern die Laserzündeinrichtung 26 (2) für die Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches nur zwei Laserimpulse 24 erzeugen soll, kann vorteilhaft der vorgebbare erste Schwellwert 55 verwendet werden, um den zeitlichen Abstand 54 zwischen dem ersten Laserimpuls 24a und dem zweiten Laserimpuls 24b zu wählen. Auch hierbei ergibt sich eine besonders große Einkoppeleffizienz von Laserenergie insbesondere des zweiten Laserimpulses 24b in ein Zündplasma und damit eine sichere Entflammung.
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Sofern die Laserzündeinrichtung 26 für die Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches mehr als drei Laserimpulse 24 erzeugen soll, kann ein jeweiliger zeitlicher Abstand zwischen aufeinander folgenden weiteren, nach dem dritten Laserimpuls 24c erzeugten, Laserimpulsen 24 erfindungsgemäß mittels eines Schwellwerts vorgegeben und geregelt oder gesteuert werden. Beispielsweise kann dieser zeitliche Abstand gleich oder größer als der vorgebbare zweite Schwellwert 57 gewählt werden. Alternativ ist auch die Vorgabe weiterer Schwellwerte für die weiteren Zeitabstände zwischen dem dritten und vierten bzw. weiter folgenden Laserimpulsen möglich, die auch von dem ersten und/oder zweiten Schwellwert abweichen können.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorteilhaft vorgesehen, dass mindestens ein Schwellwert 55, 57 in Abhängigkeit eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine 10 und/oder eines Umweltparameters hiervon gewählt wird, beispielsweise in Abhängigkeit einer Drehzahl und/oder eines Umgebungsluftdrucks und/oder eines Ladedrucks und dergleichen.
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8 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben der Laserzündeinrichtung 26 gemäß einer Ausführungsform. In einem Startblock 90 beginnt die in der 8 dargestellte Prozedur. In einem folgenden Block 92 wird der erste Schwellwert 55 vorgegeben und dazu ein geeigneter Zeitverlauf der Pumpleistung 58 ermittelt, beispielsweise entsprechend den Abschnitten 62 und 64 der 6 bzw. den Abschnitten 72 und 74 der 7. Dies erfolgt derart, dass der zeitliche Abstand 54 kleiner ist als der erste Schwellwert 55.
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In einem folgenden Block 94 wird mittels einer Photodiode die Erzeugung des zweiten Laserimpulses 24b detektiert und daraufhin die Pumpleistung 58 reduziert (6) oder kurzzeitig abgeschaltet (7). In einem folgenden Block 96 wird der zweite Schwellwert 57 vorgegeben und die Pumpleistung 58 entsprechend der 6 oder der 7 angepasst. Dies erfolgt derart, dass der zeitliche Abstand 56 größer ist als der zweite Schwellwert 57.
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In einem folgenden Block 98 wird mittels der Photodiode die Erzeugung des dritten Laserimpulses 24c detektiert und daraufhin die Pumpleistung 58 abgeschaltet. Damit ist zugleich auch die jeweilige Initialzündung des Kraftstoff- Luftgemisches beendet. In einem Endeblock 100 endet die in der 8 dargestellte Prozedur, welche mit dem nächst folgenden Zündvorgang eines Kraftstoff-Luftgemisches erneut abgearbeitet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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