DE102013226119A1

DE102013226119A1 - Laserzündsystem

Info

Publication number: DE102013226119A1
Application number: DE102013226119.5A
Authority: DE
Inventors: Joern Ostrinsky; Heiko Ridderbusch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-02-11
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2014-08-14
Also published as: JP2016507903A; US9856849B2; US20150377207A1; CN104968928B; CN104968928A; WO2014122281A1; EP2954195A1

Abstract

Zusammenfassung: Es wird ein Laserzündsystem (1) mit mindestens einem Mittel zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls (10) und mindestens einem Mittel zur Fokussierung (20) des erzeugten gepulsten Laserstrahls auf einen Fokusbereich (23), zum Beispiel zum Zünden eines brennbaren Gasgemisches in einer Brennkraftmaschine oder eines Brenners beschrieben, wobei das Laserzündsystem (1) zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls mit einem normierten Fluenzvolumen größer als 0,1 ausgelegt ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Laserzündsystem mit mindestens einem Mittel zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls und mindestens einem Mittel zur Fokussierung des erzeugten gepulsten Laserstrahls auf einen Fokusbereich, zum Beispiel zum Zünden eines brennbaren Gasgemisches in einer Brennkraftmaschine oder eines Brenners.
Bei heutigen Laseranwendungen zur Laserzündung liegt ein Hauptaugenmerk auf der kleinstmöglichen Fokussierbarkeit des Laserlichts. Durch die Verwendung von Optiken mit großer numerischer Apertur (DIN 58629-1) wird das Ziel verfolgt, einen möglichst kleinen Strahlendurchmesser mit möglichst großer Intensität (Leistung pro Fläche = Leistungsdichte) im Fokusbereich zu erreichen. Koga et al. (Journal of Physics D 43 (2010), 025204) konnte zeigen, dass neben einer Schwellintensität auch eine Mindestenergie bzw. Mindestfluenz (Energie pro Fläche = Energiedichte) im Fokuspunkt für die Zündung eines Plasmas notwendig ist.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass trotz hoher realisierter Intensitäten, insbesondere bei abgemagerten Gemischen, unvorteilhafte Effekte bei der Laserzündung, wie z.B. Zündaussetzer, die bis hin zum Motorausfall führen können, auftreten. Damit verbunden ist eine mangelnde Laufruhe des Motors. Die daraus resultierende erhöhte Schadstoffemission hat einen negativen Einfluss auf die Wettbewerbsfähigkeit der Laserzündsysteme im Vergleich zu konventionellen elektrischen Zündsystemen.
Vorteil der Erfindung/ Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Laserzündsysteme der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die vorstehenden Nachteile beseitigt bzw. minimiert werden.
Diese Aufgabe wird bei dem Zündsystem der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Laserzündsystem zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls mit einem normierten Fluenzvolumen größer als 0,1 ausgelegt ist.
Die erfindungsgemäße Vorsehung der Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls mit einem normierten Fluenzvolumen größer als 0,1 ist besonders vorteilhaft, da dadurch eine Plasmabildung in einem relativ großen Volumen erreicht wird.
Weiterbildungen der Erfindung sehen sogar ein normiertes Fluenzvolumen größer als 0,3 oder 0,5 vor. Es ist vorteilhaft, dass das erreichte Fluenzvolumen sehr nahe am maximal möglichen Fluenzvolumen liegt und dadurch die Zündwahrscheinlichkeit nahezu optimal ist.
In diesem Zusammenhang wird zur Definition des Fluenzvolumens eine Mindestenergiedichte, auch Mindestfluenz genannt, verwendet, die grundsätzlich geeignet gewählt werden kann. Beispielsweise kann je nach beabsichtigtem Zündgemisch die Festlegung der Mindestfluenz geeignet vorgenommen werden. Es kann zum Beispiel von einer Mindestfluenz von 20 J/mm² ausgegangen werden, die sich insbesondere für ein Luft-Methan-Gemisch bei 3 bar als geeignet herausgestellt hat. Zur Erzeugung eines Plasmas in Luft (Luftdurchbruch) bei Raumtemperatur und normalen Atmosphären-Druck ist beispielsweise eine Mindestfluenz von 15 J/mm² ausreichend. Je nach System und äußeren Randbedingungen, z.B. höhere Temperatur oder höherer Druck, kann die benötigte Mindestfluenz für ein System auch 10 J/mm² oder 20 J/mm² oder 25 J/mm² oder 30 J/mm² betragen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Erreichen der Mindestfluenz in einem relativ großen Volumen einer vergleichsweisen homogenen Verteilung der vorhandenen Energie der Laserpulse auf ein möglichst großes Volumen entspricht. Hierdurch wird erreicht, dass es im Anschluss an die Ausbildung eines Plasmas im Fokusbereich mit erhöhter Wahrscheinlichkeit zu einer Entzündung eines Kraftstoffgemischs kommt. Zündaussetzer werden so vermieden und die Laufruhe der Brennkraftmaschine wird verbessert. Auf diese Weise lassen sich auch Kraftstoffgemische, die stark abgemagert sind, also einen hohen Luftüberschuss aufweisen, vergleichsweise sicher zünden. Dies ist vorteilhaft, denn die Effizienz einer Brennkraftmaschine steigt in der Regel mit der Abmagerbarkeit des zu zündenden Gasgemisches.
Bei einem relativ kleinen, wenn auch relativ intensiven, Plasma besteht hingegen eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, dass das Gasgemisch nicht gezündet wird, sondern die Energie des erzeugten Plasmas z.B. in Form von Schallwellen verloren geht.
Das Volumen, innerhalb dessen die Mindestfluenz überschritten ist, wird als Fluenzvolumen bezeichnet. Das normierte Fluenzvolumen ergibt sich aus dem Fluenzvolumen für gegebene Laserstrahlmerkmale bei einer bestimmten numerischen Apertur der Fokussierung normiert auf das maximal mögliche Fluenzvolumen. Unter dem Begriff Laserstrahlmerkmale werden hierbei insbesondere die Pulsenergie und die Strahlqualität M² (DIN EN ISO 11146-1) zusammengefasst.
Das maximal mögliche Fluenzvolumen ist das theoretisch durch Variation der numerischen Apertur, z.B. durch Austausch der Fokussierungslinse oder Änderung der Ausleuchtung der Linse, beim gleichzeitigen Festhalten der Parameter Mindestfluenz und der Laserstrahlmerkmale, insbesondere Pulsenergie, Strahlqualität M² und Wellenlänge, maximal erreichbare Fluenzvolumen bei einem gegebenen Laserzündsystem.
Die Grenze zur Bestimmung des Fluenzvolumens wird, wie oben erläutert, bei der Mindestfluenz gezogen. Typischerweise liegt die Mindestfluenz bei einem Wert von 1/10 bis 1/2 der Maximalfluenz. Die Maximalfluenz ist die höchste Fluenz im Fokusbereich des erzeugten Laserstrahls. Der Wert der Maximalfluenz sollte nicht kleiner als 10 J/mm² sein. Besser wäre eine Maximalfluenz von mindestens 50 J/mm². In diesen Fällen ist sichergestellt, dass eine Plasmabildung sicher initiiert werden kann.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Fluenzvolumen eine Mindestgröße von 1·10^–5 mm³ besitzt. Größere Fluenzvolumen von mindestens 10^–4 mm³ sind wünschenswert. Entsprechend der Laserstrahlform hat das Fluenzvolumen insbesondere eine ellipsoid-artige Form. Als besonders vorteilhaft für das Laserzündsystem hat sich ein Verhältnis der Längsausdehnung Z zur Querausdehnung R des Fluenzvolumens von mindestens einem Faktor 20 herausgestellt, wobei ein Faktor von mindestens 40 anzustreben ist.
Die Erzeugung der gepulsten Laserstrahlung geschieht mit einer Laserquelle, z.B. mit einem Festkörperlaser. Dieser kann optional mit einer Laserdiode oder einer vergleichbaren Pumplichtquelle gepumpt werden. Der Festkörperlaser besitzt gegebenenfalls eine passive Güteschaltung. Auch andere Laserquellen oder Oszillator-Verstärker-Systeme, wie die in der EP 1 888 914 A1 beschriebenen, sind grundsätzlich einsetzbar.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der von der Laserquelle erzeugte Laserstrahl eine Pulsenergie von mindestens 1 mJ besitzt. Anzustreben ist eine Mindestenergie von 3 mJ für den Laserstrahl. Dabei ist eine Pulsdauer des Laserstrahls nicht kleiner als 0,5 ns sehr vorteilhaft, wobei eine Pulsdauer von mindestens 2 ns sogar noch vorzuziehen ist.
Insgesamt hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Strahlqualität M² des gepulsten Laserstrahls kleiner als 20 ist. Besonders vorteilhaft ist eine Strahlqualität von maximal 10, also zum Beispiel 5.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführung ist, dass die Intensität im Fokusbereich in einem Bereich von 10¹¹ W/cm² bis 10¹³ W/cm² liegt.
Untersuchungen der Anmelderin haben zusätzlich gezeigt, dass Abbildungsfehler bei der Fokussierung der erzeugten Laserstrahlung, insbesondere Beugungseffekte und/oder Abschattungseffekte, auch Vignettierung genannt, an dem erfindungsgemäß vorgesehenen Mittel zur Fokussierung des erzeugten gepulsten Laserstrahls, die Eignung des fokussierten Laserstrahls zum Zünden eines brennbaren Gasgemisch in manchen Fällen negativ beeinflussen können.
Zur Vermeidung von Abbildungsfehlern und zur Verbesserung der optischen Abbildung ist zu beachten, dass das Mittel zur Fokussierung, wie z.B. eine Fokussierlinse, vorzugsweise maximal zu 75% bezüglich des Durchmessers bzw. der freien Apertur oder sogar nur zu 50% bezüglich des Durchmessers ausgeleuchtet wird. Daraus resultiert insbesondere ein Strehl-Verhältnis (DIN EN ISO 14880-3) im Bereich von 0,8 bis 1. Das Strehl-Verhältnis ist ein Maß für die Freiheit von Abbildungsfehlern beim gebeugten Strahl, insbesondere das Verhältnis der Maximalfluenz oder Maximalintensität des gebeugten zum ungebeugten Strahl.
Durch systematische Untersuchungen konnte gezeigt werde, dass mit erfindungsgemäßen Laserzündsystemen Kraftstoffgemische mit einer Abmagerbarkeit von mehr als λ = 1,5 gezündet werden können und dass die Abmagergrenze sich mit größer werdendem normierten Fluenzvolumen zu größeren Werten verschiebt. Durch die Möglichkeit, Brennkraftmaschinen mit Gasgemischen mit einer hohen Abmagergrenze in Kombination mit einem Laserzündsystem zuverlässig zu betreiben, sinkt die Schadstoffemission und die Effizienz der Verbrennung nimmt zu.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
Zeichnung
1 zeigt ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Laserzündsystem mit einer Aufweitungslinse und einer Fokussierungslinse.
2 zeigt eine Serie von simulierten Strahlkaustiken für verschiedene Ausleuchtungen der Fokussierungslinse. Die Grenzen der Fluenzvolumen mit einer Mindestfluenz von 10 J/mm² und 15 J/mm² sind eingezeichnet. Die radiale Ausdehnung (R in mm) wird als Funktion der Entfernung (Z in mm) vom Fokusbereich dargestellt.
3 zeigt eine Serie von berechneten Fluenzvolumen für verschiedene Mindestfluenzen
4 zeigt die Abmagergrenze (λ) als Funktion des Fluenzvolumens (FV) für verschiedene Pulsenergien (3 mJ, 5 mJ, 7 mJ, 9 mJ) und Ausleuchtung der Fokussierungslinse (75%, 60%, 50%).
5 zeigt den Zusammenhang zwischen Strahlqualität M², Pulsenergie Q und Fluenzvolumen FV für verschiedene Laserkristalllängen und Mindestfluenzen
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserzündsystems 1 bestehend aus einem Mittel zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls 10 und einem Mittel zur Fokussierung 20. Nicht gezeigt sind die dazugehörigen elektrischen Leitungen für die Stromversorgung der Mittel zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls 10, sowie Details der konstruktiven Ausgestaltung des Laserzündsystems 1 als Laserzündkerze, die dem Fachmann beispielsweise aus der EP 1 519 038 A1 bekannt sind. Optional sind Mittel zur optischen Übertragung des gepulsten Laserstrahls vorgesehen. Ferner kann eine thermische Leitung, insbesondere für Kühlflüssigkeit, zur Kühlung der Mittel zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls 10 und/oder anderen Komponenten vorgesehen sein. Ebenso nicht dargestellt sind mögliche Mittel zur Montage des Laserzündsystems 1 an einer Brennkraftmaschine.
In diesem Ausführungsbeispiel wird zur Erzeugung des gepulsten Laserstrahls ein Festkörperlaser 11 mit einer passiven Güteschaltung 12 verwendet, der beispielsweise Licht mit einer Wellenlänge von 1 064 nm erzeugt. Als Pumplichtquelle für den Festkörperlaser 11 dient ein Halbleiter-Diodenlaser. Als Mittel zur Fokussierung 20 wird ein Linsensystem, z.B. ein Teleskop, verwendet. Dieses besteht aus einer Aufweitungslinse 21 zur Aufweitung des gepulsten Laserstrahls und einer Fokussierungslinse 22 zur Fokussierung des gepulsten Laserstrahls in den Fokusbereich 23. Die Fokussierungslinse 22 wird maximal zu 75% des Linsendurchmessers ausgeleuchtet. Empfehlenswert ist eine Ausleuchtung der Fokussierungslinse 22 von weniger als 60% des Linsendurchmessers.
Aus der unterschiedlichen Ausleuchtung der Fokussierungslinse 22 resultiert eine unterschiedlich starke Fokussierung des gepulsten Laserstrahls. In 2 sind die entsprechende Strahlkaustiken für die Ausleuchtungen von 75% (2a, d), 60% (2b, e), 50% (2c, f), 40% (2g), 35% (2h) und 30% (2i) des Linsendurchmessers dargestellt. Für eine Laserpulsenergie von 9 mJ wurden die Strahlkaustiken simuliert. 2a, b und c zeigen Strahlkaustiken für Laserstrahlen mit unterschiedlichen Strahlqualitäten M², wie sie nachfolgend (3) in Zündexperimenten zum Einsatz kamen. Für die Simulation der Strahlkaustiken in 2d, e, f, g, h und i wurden die gleichen Laserparameter wie für die Strahlkaustik in 2c verwendet und nur die Ausleuchtung der Fokussierungslinse 22 variiert. Dabei ergeben sich im Fokusbereich 23 unterschiedliche Maximalfluenzen.
Für die Simulation der Strahlkaustiken kann die Strahlausbreitung des Laserstrahls durch die mathematische Beschreibung eines Gauß-Strahls angenähert werden. Ein Gauß-Strahl weist ein transversales Profil gemäß einer Gauß-Kurve und eine longitudinales Profil gemäß einer Lorentz-Kurve auf.
Ausgehend von einer Leistungsdichteverteilung
wird unter der Annahme einer Schwellfluenz oder Mindestfluenz das Fluenzvolumen V bestimmt.
Als Strahlradius ω(z) ist der radiale Abstand zur z-Achse definiert, an dem die Intensität auf 1/e², gefallen ist:
Der minimale Strahlradius, der an der Taille des Strahls (bei z = 0) vorliegt, wird mit ω₀ bezeichnet.
Die Rayleighlänge z_R ist die Distanz entlang der optischen Achse, an der die Querschnittsfläche A des Strahls ausgehend von der Strahltaille Ihre Größe verdoppelt hat:
Mittels der Kenngrößen Strahlradius ω₀ und Divergenz Θ₀ des Laserstrahles erfolgt die Beschreibung der Fokussierbarkeit der Laserstrahlung durch die Strahlqualitätszahl M²:
mit der Wellenlänge λ.
Die mittlere Leistungsdichte I ergibt sich aus dem Verhältnis von Leistung P zur Querschnittsfläche A: I = P / A.
Die Pulsenergie Q ist die Leistung P multipliziert mit Pulsdauer τ: Q = P·τ
Die mittlere Energiedichte H, auch Fluenz genannt, ist das Verhältnis der Pulsenergie zur Querschnittsfläche A: H = Q / A.
Die maximale Fluenz H_max ergibt sich bei z = 0, also im Fokusbereich, wo die Querschnittsfläche A(z = 0) = πω₀ ² ist, zu:
Über die oben genannten Größen können Orte R(z) gleicher Energiedichte bzw. Fluenz berechnet werden. Diese ergeben sich als Linien mit gleicher Fluenz, auch Isofluenzen genannt, in Abhängigkeit von Abstand zur z-Achse:
Durch Integration der Isofluenzen, die gleich oder größer der Mindestfluenz sind, erhält man das Fluenzvolumen FV als Rauminhalt der Integration über den Abstand z:
Damit ist das Fluenzvolumen FV = f (M², Q, H_Schwelle) eine Funktion der Strahlqualität M², der Pulsenergie Q bzw. der maximalen Fluenz und der Mindestfluenz. Mit Hilfe der oben genannten Gleichungen kann für einen Laserkristall mit bekannter Strahlqualität M² und Pulsenergie Q die Strahlkaustik simuliert und das Fluenzvolumen FV berechnet werden.
In 3 ist eine Serie von Diagrammen dargestellt, bei denen die resultierenden Fluenzvolumen für verschiedene Mindestfluenzen, 10 J/mm² (gestichelte Linie), 15 J/mm² (punktierte Linie) und 20 J/mm² (durchgezogene Linie), gegen den Radius der Strahltaille (3a) und gegen die maximale Fluenz (3b und 3c) aufgetragen sind.
In 3a sieht man, dass bei gleichbleibender Pulsenergie Q = 12 mJ und Strahlqualität M² = 6,1 durch Variation der Fokusgröße bzw. eine Änderung des Radius der Strahltaille die Abbildung der Laserstrahlung sich verändert und die Größe des Fluenzvolumens beeinflusst. Dabei nimmt das Fluenzvolumen bei einer bestimmten Fokusgröße bzw. Radius der Strahltaille einen Maximalwert an. Mit sinkender Mindestfluenz wird das Fluenzvolumen größer. Der Maximalwert des Fluenzvolumens (im Diagramm jeweils durch einen Punkt gekennzeichnet) verschiebt sich bei kleinerer Mindestfluenz zu größeren Strahlradien.
In 3b und 3c wurde das Fluenzvolumen gegen die maximale Fluenz H_max aufgetragen. Mit sinkender Mindestfluenz, 10 J/mm² (gestichelte Linie), 15 J/mm² (punktierte Linie) und 20 J/mm² (durchgezogene Linie), wird das Fluenzvolumen größer. Der Maximalwert des Fluenzvolumens verschiebt sich mit zunehmender Mindestfluenz zu geringerer Maximalfluenz.
Für 3b wurde das Fluenzvolumen für eine Pulsenergie von 12 mJ und einer Strahlqualität von 6,1 sowie für eine Pulsenergie von 9 mJ und einer Strahlqualität von 3,4 berechnet. Für die beiden Pulsenergie-Strahlqualität-Kombination ergeben sich identische Fluenzvolumen in Abhängigkeit der maximalen Fluenz.
Zum Vergleich ist in 3c das Fluenzvolumen gegen die maximale Fluenz für eine Pulsenergie von 12 mJ und einer Strahlqualität von 3 aufgetragen. Durch Variation der Pulsenergie-Strahlqualität-Kombinationen können unterschiedliche Fluenzvolumen erreicht werden.
Die Strahlkaustik in 2 zeigt den Strahlradius als Funktion des Ortes im Fokusbereich 23. Dabei gibt Z [mm] die relative Entfernung zum Fokusbereich entlang der optischen Achse an. Der Radius R [mm] entspricht der Ausdehnung des gaußförmigen Laserstrahls, bei dem die Intensität oder Fluenz 1/e² der maximalen Intensität bzw. der maximalen Fluenz beträgt. Die maximale Intensität und Fluenz kann entsprechend des Verwendungszwecks eingestellt werden. In den Strahlkaustiken sind die drei Bereiche, in denen die drei Schwellwerte von 1/e² der maximalen Fluenz (schraffierter Bereich), sowie 10 J/mm² (heller Bereich) und 15 J/mm² (gepunkteter Bereich) überschritten sind, gekennzeichnet. Durch die Form und Ausdehnung der Fluenzvolumen, innerhalb deren die gewählte Mindestfluenz überschritten ist, kann das Fluenzvolumen für eine bestimmte Ausleuchtung der Fokussierungslinse und daraus resultierende Fokussierung berechnet werden.
Für die 75%ige Ausleuchtung der Fokussierungslinse (2a) ergibt sich mit einem Radius R von 0,01 mm und einer Länge Z von 0,11 mm bei einem Verhältnis der Längsausdehnung zur Querausdehnung von 11 ein Fluenzvolumen für die Mindestfluenz von 10 J/mm² von 6,4·10^–5 mm³. Für die gleiche Mindestfluenz und Radius beträgt das Fluenzvolumen für die Ausleuchtung der Fokussierungslinse von 60% (2b) 8,6·10^–5 mm³ bei einem Verhältnis der Längsausdehnung zur Querausdehnung von 14. Für die Ausleuchtung der Fokussierungslinse von 50% (2c) ist das Fluenzvolumen 10,6·10^–5 mm³ mit einem Verhältnis der Längsausdehnung zur Querausdehnung von 20.
Durch Variation der Ausleuchtung der Linse und damit verbundene Änderung der Fokussierung des gepulsten Laserstrahls und gleichzeitigem Festhalten an konstanten Werten für die Mindestfluenz kann das maximal mögliche Fluenzvolumen bestimmt werden.
Entsprechend der obigen Beispielberechnung für die Fluenzvolumen in 2a–c wurden die Fluenzvolumen für 2d–i berechnet. Für eine Mindestfluenz von 10 J/mm² ergeben sich folgende Fluenzvolumen und normierte Fluenzvolumen: bei einer Ausleuchtung von 75% beträgt das Fluenzvolumen FV(75%) = 6,421·10^–5 mm³ und das normierte Fluenzvolumen nFV(75%) = 0,517; FV(60%) = 8,579·10^–5 mm³ und nFV(60%) = 0,691; FV(50%) = 10,64·10^–5 mm³ und nFV(50%) = 0,857; FV(40%) = 12,42·10^–5 mm³ und nFV(40%) = 1; FV(35%) = 11,5·10^–5 mm³ und nFV(35%) = 0,926; FV(30%) = 5,35·10^–5 mm³ und nFV(30%)=0,431. In diesem Beispiel ergibt sich das maximale mögliche Fluenzvolumen für eine Ausleuchtung von 40% mit 12,42·10^–5 mm³. Die Normierung des Fluenzvolumens erfolgt auf diesen Wert.
In 2 ist deutlich zu erkennen, dass das Fluenzvolumen mit weniger scharfer Fokussierung zunimmt. Die beiden Serien, 2a–c und 2d–i, zeigen, dass das Fluenzvolumen in erster Linie von der Ausleuchtung des Linsensystems 20 abhängt und in zweiter Linie von der Strahlqualität M² oder der eingestellten Maximalfluenz im Fokusbereich 23.
Es lassen sich folgende Zusammenhänge formulieren:
Wird bei gleichbleibender Pulsenergie Q und Strahlqualität M² die Abbildung des Laserstrahls derart verändert, dass sich eine Variation der Fokusgröße, d.h. Änderung des Radius ω₀ der Strahltaille, ergibt, beeinflusst man somit die Größe des Fluenzvolumens FV. Dabei nimmt das Fluenzvolumen FV bei einer bestimmten Fokusgröße einen Maximalwert an.
Mit sinkender Fluenzschwelle bzw. Mindestfluenz wird das Fluenzvolumen FV größer. Der Maximalwert des Fluenzvolumens verschiebt sich bei kleinerer Fluenzschwelle bzw. Mindestfluenz zu größeren Strahlradien ω(z).
Die Abmagergrenze, bei der ein Laserzündsystem 1 ein abgemagertes, brennbares Kraftstoffgemisch zuverlässig zünden kann, ist ein Qualitätsmerkmal für das Laserzündsystem 1 in einem Verbrennungsmotor. In 4 ist die Abmagergrenze λ eines Methan-Luftgemisches als Funktion des Fluenzvolumens (FV) aufgetragen. Für die drei Ausleuchtungen der Fokussierungslinse 22, entsprechend den Strahlkaustiken in 2a–c, wurde für die Pulsenergien 3 mJ, 5 mJ, 7 mJ und 9 mJ jeweils die Abmagergrenze λ bestimmt. Dazu wurde bei Entflammungsuntersuchungen in einer Strömungskammer die Zündwahrscheinlichkeit eines Methan-Luftgemisches als Funktion der Abmagerstufe λ gemessen. Für jede Abmagerstufe λ wurden 30 Zündvorgänge in dem Methan-Luftgemisch bei einem Druck von 3 bar und einer Strömungsgeschwindigkeit von 5 m/s initiiert und die erfolgreichen Zündungen registriert. Die Abmagergrenze entspricht dem λ bei dem die Zündwahrscheinlichkeit auf 95% gesunken ist.
Für jede Pulsenergie und Ausleuchtung der Fokussierungslinse 22 wurde die Strahlkaustik simuliert und daraus das Fluenzvolumen für eine Mindestfluenz von 15 J/mm² berechnet. Das größtmögliche Fluenzvolumen mit 5,7·10^–5 mm³ wurde bei dieser Untersuchung für eine Fokussierungslinsenausleuchtung von 50% und einer Pulsenergie von 9 mJ erreicht.
In 4 zeigt sich, dass die Abmagergrenze λ mit dem Fluenzvolumen (FV) zunimmt. Bei festgehaltener Laserstrahlmerkmale, Pulsenergie und Strahlqualität M² verbessert sich die Abmagerbarkeit also allein über den Parameter normiertes Fluenzvolumen (nFV), also über eine optimierte Wahl der Fokussierung. Die bestimmten Abmagergrenzen für die Strahlkaustiken aus den 2a, 2b und 2c sind in dem Graphen markiert.
5 zeigt das Fluenzvolumen FV als Funktion der Strahlqualität M² und der Pulsenergie Q. Exemplarisch sind Betriebspunkte für zwei Laserkristalle mit einer Länge von 10 mm (gefüllte Dreiecke) und einer Länge von 30 mm (offene Dreiecke) dargestellt. Die Anfangstransmission des sättigbaren Absorber lag bei beiden Laserkristallen bei T₀ = 30%. Die gestrichelten Linien sind berechnet Werte für die Isochoren des Fluenzvolumens, wobei von links nach rechts das Fluenzvolumen FV zu nimmt. In der Reihenfolge von links nach rechts entsprechen die gestrichelten Linien Fluenzvolumen von: FV = 2·10^–5 mm³, FV = 4·10^–5 mm³, FV = 6·10^–5 mm³, FV = 8·10^–5 mm³, wobei jeweils eine Mindestfluenz von 15 J/mm² gewählt wurde.
Man sieht in der 5 deutlich, dass bei konstanter Strahlqualität M² das Fluenzvolumen FV mit steigender Pulsenergie Q zunimmt. Bei gleicher Pulsenergie Q muss sich die Strahlqualität M² verbessern, also kleinere Wert annehmen, damit sich das Fluenzvolumen FV vergrößert. Identische Fluenzvolumen FV können über unterschiedliche Kombinationen aus Pulsenergie Q und Strahlqualität M² erzeugt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1888914 A1 [0015]
EP 1519038 A1 [0028]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 58629-1 [0002]
Koga et al. (Journal of Physics D 43 (2010), 025204) [0002]
DIN EN ISO 11146-1 [0011]
DIN EN ISO 14880-3 [0020]

Claims

Laserzündsystem mit mindestens einem Mittel zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls (10) und mindestens einem Mittel zur Fokussierung des erzeugten gepulsten Laserstrahls (20) auf einen Fokusbereich (23), zum Beispiel zum Zünden eines brennbaren Gasgemisch in einer Brennkraftmaschine oder eines Brenners, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserzündsystem (1) zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls mit einem normierten Fluenzvolumen größer als 0,1 ausgelegt ist, wobei das Fluenzvolumen gegeben ist durch das Volumen, in dem eine Mindestfluenz überall überschritten wird, und wobei sich das normierte Fluenzvolumen (nFV) aus dem Fluenzvolumen normiert auf das maximal mögliche Fluenzvolumen ergibt und wobei die Mindestfluenz einen Wert im Bereich von 10 J/mm² bis 20 J/mm² annimmt, insbesondere 10 J/mm², 15 J/mm² oder 20 J/mm².
Laserzündsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das maximal mögliche Fluenzvolumen das theoretisch durch Variation einer numerischen Apertur der Fokussierung beim gleichzeitigen Festhalten der Mindestfluenz und der Laserstrahlmerkmale, insbesondere Pulsenergie und Strahlqualität M², das maximal erreichbare Fluenzvolumen ist.
Laserzündsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindestfluenz durch einen Wert im Bereich von 1/10 bis 1/2 einer Maximalfluenz des gepulsten Laserstrahls im Fokusbereich (23) gegeben ist.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maximalfluenz des gepulsten Laserstrahls im Fokusbereich (23) nicht kleiner als 10 J/mm², insbesondere nicht kleiner als 50 J/mm², ist.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maximalfluenz des gepulsten Laserstrahls im Fokusbereich (23) zwischen 10 J/mm² und 120 J/mm² liegt.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluenzvolumen eine Mindestgröße von 1·10^–5 mm³, vorzugsweise von 1·10^–4 mm³, besitzt.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen einer Längsausdehnung (Z) und einer Querausdehnung (R) des Fluenzvolumens nicht kleiner als ein Faktor 20, vorzugsweise nicht kleiner als ein Faktor 40, ist.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen einer Längsausdehnung (Z) und einer Querausdehnung (R) des Fluenzvolumens zwischen 20 und Faktor 60 liegt.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Erzeugung des gepulsten Laserstrahls (10) ein diodengepumpter und/oder passiv gütegeschalteter Festkörperlaser ist und/oder dass das Mittel zur Fokussierung (20) des gepulsten Laserstrahls als Linsensystem, insbesondere als ein Teleskop, ausgebildet ist.
Laserzündsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsensystem maximal mit 75%, insbesondere mit 50%, seiner freien Apertur ausgeleuchtet ist, so dass sich insbesondere ein Strehl-Verhältnis des Linsensystems von 0,8 bis 1 ergibt.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsenergie des gepulsten Laserstrahls nicht kleiner als 1 mJ, vorzugsweise nicht kleiner als 3 mJ, ist.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsenergie des gepulsten Laserstrahls zwischen 10 mJ und 25 mJ ist.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsdauer des gepulsten Laserstrahls nicht kleiner als 0,5ns, vorzugsweise nicht kleiner als 2 ns, ist.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsdauer des gepulsten Laserstrahls zwischen 0,5 ns und 10 ns ist.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gepulste Laserstrahl eine Strahlqualität M² von kleiner 20, vorzugsweise kleiner 10, besitzt.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gepulste Laserstrahl im Fokusbereich (23) eine maximale Intensität oberhalb von 10¹¹ W/cm² oder im Bereich von 10¹¹ W/cm² bis 10¹³ W/cm² hat.
Laserzündsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Laserzündkerze mit elektrischen, optischen und/oder thermischen Leitungen, insbesondere eine Leitung für Kühlflüssigkeit, und/oder mit Mitteln zur Montage an einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist.