DE102014004515A1

DE102014004515A1 - ,,Zündkerze mit Laserdioden gepulstem Laserkristall und zentralem Peltier Kühlelement"

Info

Publication number: DE102014004515A1
Application number: DE102014004515.3A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Ufermann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2015-10-15

Abstract

Erfindungsgemäß wird eine Laserzündkerze (1) vorgestellt bei der das Metallelement (5) der Laserzündkerze (1) den Kupferkern (4) und das damit in thermischem Kontakt stehende Peltier Element (3) mit den Kühlrippen (2) und dass mit dem Kupferkern (4) in thermischem Kontakt stehende Metallelement (5) aufweist, wobei der Endringspiegel (6), der Spiegel (8), der Laserkristall (10), das Laser Dioden Array (9), der Auskopplungsspiegel (13), der Güteschalter (11) und das adaptive Linsensystem (14) oder ersatzweise dafür die optische Anordnung (30) und die optische Anordnung (31) aufweist, oder das ringförmige Fokussierelement (20) welches gegenüber der Achse de Hülse (7) um den Winkel μ (21) versetzt ist, aufweist, und dieses wärmeleitend ringförmig bzw. rohrförmig umschließen und mit dem Gehäuse des Metallelementes (5) in thermischem Kontakt stehen und der rohrförmige Spiegel (8a) mit dem Metallelement (5) in thermischem Kontakt steht, wobei der Laserkristall (10) mit dem rohrförmigen Spiegel (8) und dem Laser Dioden Array (9) an ihren jeweiligen physikalischen Berührungsflächen in thermischem Kontakt stehen und dass der Temperatursensor (19) mit dem Laser Dioden Array (9) in thermischem Kontakt steht, wobei nach Passage des Lasers (16) durch das Brennraumfenster (15) im Brennraum der Brennkraftmaschine die Zündpunkte (17, 18n) gebildet werden. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das adaptive Linsensystem (14) durch einen rohrförmigen oder auch nicht rohrförmigen Piezoaktor ersetzt wird, wobei der Piezostapel axialkonzentrisch und wärmeleitend die Hülse (7) umschließt und eine Fokussierlinse dynamisch in Richtung Brennraumfenster (15) steuert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für eine Zündkerze nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
Im Stand der Technik sind viele Laserzündkerzen für Brennkraftmaschinen in den unterschiedlichsten Technologien und Ausführungsformen offenbart, wobei bisher jedoch noch kein System in Serie gegangen ist.
Auf Grund umweltbedingter Forderungen werden verstärkt Motoren für Brennkraftmaschinen entwickelt deren Gemischbildung unter hohem positivem Druck im Brennraum an mehreren Orten gezündet werden sollte, was Standard Zündkerzen nicht leisten können. Hier bieten sich Laserzündsysteme an, die nahezu alle geforderten Eigenschaften aufweisen. Da sich die Wellenlänge von Pumpdioden mit der Temperatur ändert, müssen diese thermisch stabilisiert werden, wodurch sich auch ihre Standzeit verlängert, wobei insbesondere durch die Verwendung eines zwischengeschalteten passiven oder aktiv gesteuerten Güteschalters, hohe Pulsleistungen erreicht werden können.
Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen eine Zündkerze mit einem Laser Medium, insbesondere Festkörperlaser, zu versehen, und mit einer integralen Pulsquelle, insbesondere Laserdioden generiert, zu pulsen. Um die thermische Stabilisierung der gesamten Anordnung, insbesondere aber des Festkörperlasers, zu erreichen, wird ein zentral kühlendes Peltier Element eingesetzt.
In folgendem wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit drei Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
1 einen vereinfachten Längsschnitt der Laserzündkerze (1).
Ein Problem bei Zündkerzen mit Festkörperlasern stellt insbesondere die Wärmeabfuhr des Laserkristalls und der Laserdioden dar, so dass diese ständig gekühlt werden müssen. Hierzu weist die Laserzündkerze (1) den die gesamte Zündkerze durchlaufenden gut wärmeleitenden Kupferkern (4) auf, der in direktem thermischen Kontakt mit dem Metallelement (5) steht. Über die Scheibe des Kupferkerns (4) ist das Peltier Element (3), bei erhöhter Wärmeabfuhr auch mittels mehrerer Peltier Elemente, großflächig thermisch gekoppelt und weist zur Wärmeableitung die Kühlrippen (2) auf. Das Peltier Element (3) lässt durch Umkehrung der Stromrichtung in der Startphase auch eine Aufheizung der Komponenten der Laserzündkerze (1) auf eine optimale Betriebstemperatur zu. Über den Temperatursensor (19) der in thermischem Kontakt mit dem ringförmigen Laser Dioden Array (9) steht, kann dessen Betriebstemperatur aktuell ermittelt werden. Die hochreflektierenden metallischen rohrförmigen Spiegel (8, 8a) reflektieren die elektromagnetische Strahlung radial in den Laserkristall (10). Konstruktionsbedingt können auch die Dioden des ringförmigen Laser Dioden Arrays (9) als Spiegel zur Reflexion der elektromagnetischen Strahlung wirksam werden, so dass der rohrförmige Spiegel (8a) entfallen kann. Der Güteschalter (11) steht mit der Hülse (7) und dem Metallelement (5) in thermischem Kontakt. Der Güteschalter (11) steht als akusto-optischer Schalter mit dem Metallelement (5) und der Hülse (7) ebenfalls in thermischem Kontakt und kann, indem er die im Resonator generierten Strahlen des Lasers (16) schnell Ein- und Ausschaltet, dessen Pulsdauer und Leistungsspitzen beeinflussen. Das adaptive Linsensystem (14) in der Ausführung einer Fokussierlinse umschließt die Hülse (7) und den Metallkörper (12) wärmeleitend, wobei das adaptive Linsensystem (14) funktionsmäßig auch ohne Ausnehmung vor das brennraumseitige Ende des Metallelementes (5) verbaut werden kann. Das adaptive Linsensystem (14) kann durch einen ringförmigen mit der Hülse (7) in thermischem Kontakt stehenden Piezoaktor, der die Konvexlinse dynamisch fokussiert, ersetzt werden. Über das adaptive Linsensystem (14) kann der Laser (16) nach Passage des Brennraumfensters (15) die Zündpunkte (17, 18n) bilden. Alternativ kann auch eine statische Fokussierlinse vorgeschaltet werden. Zur Erzielung einer hohen Strahlgüte ist der Laserkristall (10) möglichst weit vom ringförmigen Auskopplungsspiegel (13) platziert, was einen kleinen energiereichen Durchmesser des Fokus der Zündpunkte (17, 18n) bewirkt.
2 zeigt eine Ausführungsform bei der das adaptive Linsensystem (14) durch das ringförmige adaptive oder nicht adaptive Fokussierelement (20) ersetzt worden ist, welches gegenüber der Achse des Metallelementes (5) um den Winkel μ (21) versetzt ist.
3 zeigt eine Ausführungsform bei der der ringförmige Auskopplungsspiegel (13) durch die optische Anordnung (30) ersetzt worden ist, deren distale Seite als ringförmiger halbdurchlässiger Spiegel wirkt und dessen proximale Seite den Strahlengang des Lasers (16) fokussiert und in die optische Anordnung (31) lenkt, die die darin eingeleiteten Strahlen parallel austreten lässt, so dass diese über das adaptive Linsensystem (14) oder eine statische Fokussierlinse über das Brennraumfenster (15) in den Brennraum gelangen. Die optische Anordnung (31) kann auch integraler Bestandteil der optischen Anordnung (30) sein.
Bezugszeichenliste

1: Laserzündkerze
2: Kühlrippen
3: Peltier Element
4: Kupferkern
5: Metallelement
6: Endringspiegel
7: Hülse
8: rohrförmiger Spiegel
8a: rohrförmiger Spiegel
9: ringförmiges Laser Dioden Array
10: rohrförmiger Laserkristall
11: Güteschalter
13: ringförmiger Auskopplungsspiegel
14: adaptives Linsensystem
15: Brennraumfenster
16: Laser
17: Zündpunkt
18: Zündpunkt
19: Temperatursensor
20: ringförmiges Fokussierelement
21: Winkel μ
30: optische Anordnung
31: optische Anordnung

Claims

Anordnung für eine Zündkerze, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallelement (5) der Laserzündkerze (1) den Kupferkern (4) und das damit in thermischem Kontakt stehende Peltier Element (3) mit den Kühlrippen (2) und dass mit dem Kupferkern (4) in thermischem Kontakt stehende Metallelement (5) aufweist, wobei der Endringspiegel (6), der Spiegel (8), der Laserkristall (10), das Laser Dioden Array (9), der Auskopplungsspiegel (13), der Güteschalter (11) und das adaptive Linsensystem (14) oder ersatzweise dafür die optische Anordnung (30) und die optische Anordnung (31) aufweist, die auch als integraler Bestandteil in die optische Anordnung (30) platzierbar ist, oder das ringförmige Fokussierelement (20) welches gegenüber der Achse de Hülse (7) um den Winkel μ (21) versetzt ist, aufweist, und dieses wärmeleitend ringförmig bzw. rohrförmig umschließen und mit dem Gehäuse des Metallelementes (5) in thermischem Kontakt stehen und der rohrförmige Spiegel (8a) mit dem Metallelement (5) in thermischem Kontakt steht, wobei der Laserkristall (10) mit dem rohrförmigen Spiegel (8) und dem Laser Dioden Array (9) an ihren jeweiligen physikalischen Berührungsflächen in thermischem Kontakt stehen und dass der Temperatursensor (19) mit dem Laser Dioden Array (9) in thermischem Kontakt steht, wobei nach Passage des Lasers (16) durch das Brennraumfenster (15) im Brennraum der Brennkraftmaschine die Zündpunkte (17, 18n) gebildet werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das adaptive Linsensystem (14) durch einen rohrförmigen oder auch nicht rohrförmigen Piezoaktor ersetzt wird, wobei der Piezostapel axialkonzentrisch und wärmeleitend die Hülse (7) umschließt und eine Fokussierlinse dynamisch in Richtung Brennraumfenster (15) steuert.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass als Fokussierelement eine statische Konvexlinse eingesetzt wird, die räumlich versetzt auch vor dem brennraumseitigem Ende der Hülse (7) platzierbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als ein Peltier Element (3) an die Scheibe des Kupferkerns (4) wärmeleitend gekoppelt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupferkern (4) eine axialkonzentrische geführte durchgehende Bohrung aufweist.