DE102015119216A1

DE102015119216A1 - Ignition device for an internal combustion engine

Info

Publication number: DE102015119216A1
Application number: DE102015119216.0A
Authority: DE
Inventors: Johannes Tümler; Sebastian Lampe; Andreas Grote
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-11-09
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2017-05-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung (10) für einen Verbrennungsmotor (12) zur Zündung eines Verbrennungsgemischs (16) in einem Brennraum (14) des Verbrennungsmotors (12), wobei eine Zündung des Verbrennungsgemischs (16) mittels eines Lasers vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrodisplay (18) mit mindestens zwei lichtemittierenden Dioden (20) vorgesehen ist, mit welchen mehrere Lichtstrahlen (38) hochenergetischer Dichte in den Brennraum (14) des Verbrennungsmotors (12) einkoppelbar sind, wobei die mindestens zwei lichtemittierenden Dioden (20) jeweils einen Lichtstrahl (38) hoher Energiedichte emittieren, welcher geeignet ist, um ein Verbrennungsgemisch in dem Brennraum (14) des Verbrennungsmotors (12) zu zünden. Die Erfindung betrifft ferner einen Verbrennungsmotor (12) mit mindestens einem Brennraum (14), in dem ein zündfähiges Verbrennungsgemisch (16) bevorratet und gezündet werden kann, wobei der Verbrennungsmotor (12) ein Fenster (32) zur Einkopplung eines hochenergetischen Lichtstrahls (38) und eine solchen Zündvorrichtung (10) aufweist.The invention relates to an ignition device (10) for an internal combustion engine (12) for igniting a combustion mixture (16) in a combustion chamber (14) of the internal combustion engine (12), ignition of the combustion mixture (16) being provided by means of a laser, characterized a microdisplay (18) with at least two light-emitting diodes (20) is provided, with which a plurality of light beams (38) of high-energy density can be coupled into the combustion chamber (14) of the internal combustion engine (12), the at least two light-emitting diodes (20) in each case emit a high energy density light beam (38) suitable for igniting a combustion mixture in the combustion chamber (14) of the internal combustion engine (12). The invention further relates to an internal combustion engine (12) having at least one combustion chamber (14) in which an ignitable combustion mixture (16) can be stored and ignited, wherein the internal combustion engine (12) has a window (32) for coupling in a high-energy light beam (38). and such ignition device (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie einen Verbrennungsmotor mit einer solchen Zündvorrichtung.The invention relates to an ignition device for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and to an internal combustion engine with such an ignition device.

Bei fremdgezündeten Verbrennungsmotoren ist es notwendig, ein zündfähiges Verbrennungsgemisch im Brennraum des Verbrennungsmotors durch eine Zündvorrichtung zu zünden. In der Regel erfolgt hierzu die Zündung des Verbrennungsgemischs mittels einer Transistor-Spulen-Zündanlage mit ruhender Hochspannungsverteilung, wobei an jedem Brennraum des Verbrennungsmotors eine Zündkerze angeordnet ist, welche sich an einer fest definierten Position befindet und die Verbrennung des Verbrennungsgemischs durch einen Funken immer an derselben Stelle des Brennraums einleitet. In spark-ignited internal combustion engines, it is necessary to ignite an ignitable combustion mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine by an igniter. As a rule, for this purpose, the ignition of the combustion mixture by means of a transistor coil ignition system with static high-voltage distribution, wherein at each combustion chamber of the internal combustion engine, a spark plug is arranged, which is located at a fixed position and the combustion of the combustion mixture by a spark always on the same Point of the combustion chamber initiates.

Um die Verbrennungsgeschwindigkeit in den Brennräumen des Verbrennungsmotors zu steigern und die Zündbedingungen zu verbessern sind darüber hinaus Verbrennungsmotoren bekannt, an denen pro Brennraum zwei Zündkerzen angeordnet sind, um eine Verbrennung im Brennraum von mehreren Orten des Brennraums startend beginnen zu können und somit eine schnellere und/oder vollständigere Umsetzung des Verbrennungsgemischs zu erreichen.In order to increase the combustion speed in the combustion chambers of the internal combustion engine and to improve the ignition conditions, internal combustion engines are known in which two spark plugs per combustion chamber are arranged in order to start combustion in the combustion chamber starting from several locations of the combustion chamber and thus a faster and / or or more complete implementation of the combustion mixture.

Neben der klassischen Zündung über Zündkerzen sind weitere Zündverfahren und Zündsysteme wie Koronazündanlagen, bei der das zündfähige Gemisch im Brennraum des Verbrennungsmotors mittels einer Vielzahl von Plasma-Blitzen gezündet wird, Mikrowellenzündanlagen oder Laserzündanlagen bekannt. In addition to the classic ignition via spark plugs, other ignition methods and ignition systems, such as corona ignition systems, in which the ignitable mixture is ignited in the combustion chamber of the internal combustion engine by means of a multiplicity of plasma flashes, microwave ignition systems or laser ignition systems are known.

Bei der weiteren Optimierung des Verbrennungsverfahrens stoßen konventionelle Zündsysteme an ihre Grenzen, da das Verbrennungsgemisch im Brennraum pro Verbrennungszyklus nur einmal an einer fest definierten Position gezündet werden kann. Daher werden Zündsysteme gesucht, welche in der Lage sind, größere Volumina an Verbrennungsgemisch zu entflammen und an beliebigen Orten im Brennraum zu zünden. In the further optimization of the combustion process, conventional ignition systems reach their limits since the combustion mixture in the combustion chamber can only be ignited once per combustion cycle at a permanently defined position. Therefore, ignition systems are sought, which are able to ignite larger volumes of combustion mixture and ignite at any location in the combustion chamber.

Aus der DE 10 2011 100 991 A1 ist ein Laserzündsystem für einen Verbrennungsmotor bekannt, wobei das Laserzündsystem dazu eingerichtet ist, Laserstrahlen auf zumindest zwei in einem Brennraum des Verbrennungsmotors angeordnete Zündorte einzukoppeln. Dazu wird ein Laserstrahl durch geeignete Mittel wie Prismen, Linsen und Spiegel in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt und in den Brennraum des Verbrennungsmotors eingekoppelt. Dabei erfolgt die Ablenkung des Lasers beziehungsweise der Teilstrahlen mittels verstellbarer Spiegel, wodurch das vorgeschlagene Zündsystem aufwendig, teuer und empfindlich gegen ein mechanisches Verstellen ist. Zudem sind die Zündorte nicht unabhängig voneinander, sondern weitestgehend durch das optische Element zur Aufteilung des Laserstrahls zwangsgekoppelt.From the DE 10 2011 100 991 A1 a laser ignition system for an internal combustion engine is known, wherein the laser ignition system is adapted to couple laser beams to at least two arranged in a combustion chamber of the internal combustion engine ignition locations. For this purpose, a laser beam is split by suitable means such as prisms, lenses and mirrors in several sub-beams and coupled into the combustion chamber of the internal combustion engine. In this case, the deflection of the laser or the partial beams by means of adjustable mirrors, whereby the proposed ignition system is complicated, expensive and sensitive to mechanical adjustment. In addition, the ignition locations are not independent of each other, but largely forcibly coupled by the optical element for splitting the laser beam.

Aus der DE 10 2013 216 552 A1 ist eine Zündvorrichtung mit einer als Laserdiode ausgebildeten lichtemittierenden Diode bekannt, wobei die lichtemittierende Diode eine ausreichende Leistung aufweist, um Laserpulse in den Brennraum eines Verbrennungsmotors zu emittieren. Ferner ist auch eine Anordnung mit zwei lichtemittierenden Dioden vorgesehen, welche über ein Auswahlschaltelement geschaltet werden können, wobei jeweils pro Verbrennungszyklus nur eine der Dioden einen Laserpuls emittiert.From the DE 10 2013 216 552 A1 an ignition device is known with a light emitting diode designed as a laser diode, wherein the light emitting diode has sufficient power to emit laser pulses into the combustion chamber of an internal combustion engine. Furthermore, an arrangement with two light-emitting diodes is provided, which can be switched via a selection switching element, wherein each combustion cycle only one of the diodes emits a laser pulse.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Zündvorrichtung bereitzustellen, mit der ein zündfähiges Verbrennungsgemisch zu beliebigen Zeiträumen, an beliebigen Positionen im Brennraum und mehrfach pro Verbrennungszyklus gezündet werden kann.The invention is based on the object of providing an ignition device with which an ignitable combustion mixture can be ignited at arbitrary time periods, at arbitrary positions in the combustion chamber and several times per combustion cycle.

Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird eine Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor zur Zündung eines Verbrennungsgemischs in einem Brennraum des Verbrennungsmotors vorgeschlagen, wobei eine Zündung des Verbrennungsgemischs mittels eines Lasers vorgesehen ist, wobei ein Mikrodisplay mit mindestens zwei lichtemittierenden Dioden vorgesehen ist, mit welchen mehrere Lichtstrahlen hochenergetischer Dichte in den Brennraum des Verbrennungsmotors einkoppelbar sind, wobei die mindestens zwei lichtemittierenden Dioden jeweils einen Lichtstrahl hoher energetischer Dichte emittieren, welcher geeignet ist, das Verbrennungsgemisch in dem Brennraum des Verbrennungsmotors zu zünden. Durch das Mikrodisplay können die Lichtstrahlen hoher energetischer Dichte quasi an beliebigen Orten des Brennraums konzentriert werden, wobei durch die Linsen des Mikrodisplays ein Lichtfeld aufgebaut wird. Dadurch ist es in Abhängigkeit der Anzahl der verwendeten lichtemittierenden Dioden und der Linsen möglich, an mehreren Orten des Brennraums zeitgleich oder zeitversetzt Zündtemperaturen für das Verbrennungsgemisch zu erreichen, so dass ein Verbrennungsgemisch auch bei Anwendungsfällen gezündet werden kann, in denen einen Zündung mittels einer konventionellen Zündkerze nicht möglich ist. Unter einem Mikrodisplay ist im Allgemeinen eine Vorrichtung zu verstehen, welche dem Betrachter ermöglicht, unterschiedliche Stellen im Raum zu fokussieren und somit ein dreidimensionales Bild darzustellen. Im Zusammenhang mit dieser Anmeldung ist unter einem Mikrodisplay ein Lichtfelddisplay zu verstehen, welches anstelle von bildgebenden Elementen aus einzelnen lichtemittierende Dioden mit hoher Energiedichte zusammengesetzt ist. Die Begriffe „Lichtstrahlen hoher energetischer Dichte“ und „Laserstrahlen“ werden in dieser Patentanmeldung synonym verwendet.According to the basic idea of the invention, an ignition device for an internal combustion engine for igniting a combustion mixture in a combustion chamber of the internal combustion engine is proposed, wherein an ignition of the combustion mixture is provided by means of a laser, wherein a microdisplay is provided with at least two light emitting diodes, with which a plurality of light beams of high energy density can be coupled into the combustion chamber of the internal combustion engine, wherein the at least two light-emitting diodes each emit a light beam of high energy density, which is suitable to ignite the combustion mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine. The microdisplay allows the light beams of high energy density to be concentrated, as it were, at arbitrary locations of the combustion chamber, a light field being built up by the lenses of the microdisplay. As a result, it is possible, depending on the number of light-emitting diodes and the lenses used, to achieve ignition temperatures for the combustion mixture at several locations of the combustion chamber at the same time or with a time delay, so that a combustion mixture can be ignited even in applications in which ignition by means of a conventional spark plug not possible. A microdisplay is generally understood to mean a device which allows the viewer to focus different points in space and thus to display a three-dimensional image. In the context of this application, a microdisplay is to be understood as a light-field display which, instead of imaging elements, consists of individual light-emitting displays light emitting diodes with high energy density is composed. The terms "high energy density light rays" and "laser beams" are used synonymously in this patent application.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Zündvorrichtung möglich.The measures listed in the dependent claims advantageous improvements and developments of the ignition device specified in the independent claim are possible.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Mikrodisplay mindestens zwei lichtemittierenden Dioden und dem Brennraum angeordnet ist, wobei die Lichtimpulse der mindestens zwei lichtemittierenden Dioden derart in den Brennraum des Verbrennungsmotors einkoppelbar sind, dass innerhalb eines Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors an mindestens zwei voneinander unabhängigen Orten des Brennraums die Zündbedingungen des brennbaren Verbrennungsgemischs erreichbar sind. Dadurch kann eine Verbrennung gestartet werden, bei der sich eine Flammenfront von mehreren Orten aus ausbreitet und somit eine schnellere und/oder vollständigere Umsetzung des Verbrennungsgemischs ermöglicht.According to a preferred embodiment, it is provided that the microdisplay is arranged at least two light-emitting diodes and the combustion chamber, wherein the light pulses of the at least two light-emitting diodes can be coupled into the combustion chamber of the internal combustion engine, that within at least two independent locations of the combustion engine within a working cycle of the internal combustion engine Combustion chamber, the ignition conditions of the combustible combustion mixture can be achieved. As a result, a combustion can be started in which a flame front propagates from a plurality of locations and thus enables a faster and / or more complete implementation of the combustion mixture.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Mikrodisplay innerhalb des Brennraums ein Volumen an hochenergetischem Licht aufspannt. Dadurch können im Gegensatz zu einem Zündfunken nicht nur an einem lokal sehr begrenzten Ort, sondern in einem größeren Volumenabschnitt des Brennraums die Zündbedingungen des Verbrennungsgemischs erreicht werden, wodurch eine bessere Verbrennung möglich ist. According to an advantageous development, it is provided that the microdisplay spans a volume of high-energy light within the combustion chamber. As a result, in contrast to a spark not only at a locally very limited location, but in a larger volume portion of the combustion chamber, the ignition conditions of the combustion mixture can be achieved, whereby a better combustion is possible.

Eine vorteilhafte Weiterentwicklung besteht darin, dass ein von den mindestens zwei lichtemittierenden Dioden und dem Mikrodisplay ausgebildetes Laserlichtfeld an einem Rand des Brennraums des Verbrennungsmotors eingebracht wird. Vorzugsweise ist das Mikrodisplay am Brennraumdach angeordnet, so dass das Mikrodisplay zu keinem Zeitpunkt durch den beweglichen Kolben oder auch andere bewegliche Teile, wie die gegebenenfalls vorhandenen Ventile des Brennraums, abgeschattet werden kann, um eine Zündung zu beliebigen Zeitpunkten sicherstellen zu können. Dadurch können auch in den Randbereichen des Brennraums Temperaturen erreicht werden, die zur Zündung eines Verbrennungsgemischs ausreichend sind. Ferner ist auf diese Weise eine Aufheizung der Brennraumwände möglich, so dass der Verbrennungsmotor nach einem Kaltstart schneller seine Betriebstemperatur erreicht und weniger Emissionen durch unverbranntes oder unvollständig verbranntes Verbrennungsgemisch entstehen.An advantageous further development consists in that a laser light field formed by the at least two light-emitting diodes and the microdisplay is introduced at an edge of the combustion chamber of the internal combustion engine. Preferably, the microdisplay is arranged on the combustion chamber roof, so that the microdisplay at any time by the movable piston or other moving parts, such as the possibly existing valves of the combustion chamber, can be shaded to ensure ignition at any time can. As a result, temperatures which are sufficient for igniting a combustion mixture can also be achieved in the peripheral regions of the combustion chamber. Furthermore, a heating of the combustion chamber walls is possible in this way, so that the internal combustion engine reaches its operating temperature after a cold start faster and less emissions caused by unburned or incompletely burned combustion mixture.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein von den mindestens zwei lichtemittierenden Dioden und dem Mikrodisplay ausgebildetes Laserlichtfeld derart regelbar ist, dass Laserstrahlen der lichtemittierenden Dioden an beliebigen räumlichen Koordinaten im Brennraum fokussiert werden können. Somit ist es beispielsweise möglich, die Lichtimpulse von zwei oder mehreren lichtemittierenden Dioden zu bündeln oder an einem gemeinsamen Punkt zu fokussieren, um lokal eine besonders hohe Temperatur im Brennraum zu erreichen.According to a further advantageous embodiment, it is provided that a laser light field formed by the at least two light-emitting diodes and the microdisplay can be regulated in such a way that laser beams of the light-emitting diodes can be focused at arbitrary spatial coordinates in the combustion chamber. Thus, it is possible, for example, to focus the light pulses from two or more light-emitting diodes or to focus them at a common point in order to locally reach a particularly high temperature in the combustion chamber.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Zündvorrichtung ist jedes Pixel des Mikrodisplays dazu eingerichtet, einen Lichtstrahl abzugeben, der bei einer Kreuzung mit einem anderen Lichtstrahl eines anderen Pixels dazu geeignet ist, ein brennfähiges Verbrennungsgemisch im Brennraum zu zünden. Dazu ist/sind vorzugsweise für jedes Pixel des Mikrodisplays ein oder mehrere separate lichtemittierende Dioden vorgesehen. Dadurch ist eine besonders einfache und besonders variable Verstellung der Lichtstrahlen möglich, wobei in einem Brennpunkt von mindestens zwei Lichtstrahlen die Zündbedingungen erreicht werden.In an advantageous embodiment of the ignition device, each pixel of the microdisplay is set up to emit a light beam which, when intersecting with another light beam of another pixel, is suitable for igniting a combustible combustion mixture in the combustion chamber. For this purpose, one or more separate light-emitting diodes are / are preferably provided for each pixel of the microdisplay. As a result, a particularly simple and particularly variable adjustment of the light beams is possible, wherein the ignition conditions are achieved in a focal point of at least two light beams.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Vielzahl von lichtemittierenden Dioden vorgesehen ist, wobei die Lichtstrahlen einer ersten Diodengruppe und einer zweiten Diodengruppe der mindestens zwei lichtemittierenden Dioden zeitgleich in den Brennraum eingeleitet werden. Dadurch ist eine gleichzeitige Zündung des Verbrennungsgemischs an zwei voneinander unabhängigen Orten im Brennraum möglich. Unter voneinander unabhängigen Orten sind in diesem Zusammenhang Orte im Brennraum zu verstehen, die nicht auf einem gemeinsamen Lichtstrahl einer lichtemittierenden Diode liegen.According to an advantageous embodiment, it is provided that a plurality of light emitting diodes is provided, wherein the light beams of a first diode group and a second diode group of the at least two light emitting diodes are introduced simultaneously into the combustion chamber. This allows a simultaneous ignition of the combustion mixture at two independent locations in the combustion chamber. In this context, mutually independent locations are to be understood as meaning locations in the combustion chamber which do not lie on a common light beam of a light-emitting diode.

Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Lichtstrahlen von zwei Gruppen unterschiedlicher lichtemittierender Dioden mit einer zeitlichen Verzögerung von maximal 5 ms in den Brennraum des Verbrennungsmotors eingeleitet werden. Somit kann eine zeitlich verzögerte Zündung an zwei voneinander unabhängigen Orten stattfinden, wobei auch ein erstes Volumen an Verbrennungsgemisch und ein zweites Volumen an Verbrennungsgemisch im Sinne einer Vorverbrennung und einer Hauptverbrennung oder einer Hauptverbrennung und einer Nachverbrennung unabhängig voneinander gezündet werden können. Besonders vorteilhaft ist dabei eine zeitliche Verzögerung von maximal 2 ms, insbesondere von maximal 1 ms, um für beide Verbrennungspunkte innerhalb eines Verbrennungszyklus hinreichend gute Kompressionsbedingungen vorzufinden.Alternatively, it is advantageously provided that the light beams of two groups of different light-emitting diodes with a time delay of up to 5 ms in the Combustion chamber of the internal combustion engine are initiated. Thus, a time-delayed ignition can take place at two independent locations, wherein also a first volume of combustion mixture and a second volume of combustion mixture in the sense of a pre-combustion and a main combustion or a main combustion and a post-combustion can be ignited independently. Particularly advantageous is a time delay of a maximum of 2 ms, in particular of a maximum of 1 ms in order to find sufficiently good compression conditions for both combustion points within a combustion cycle.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Lichtstrahlen der lichtemittierenden Dioden als gepulste Lichtstrahlen in den Brennraum des Verbrennungsmotors eingeleitet werden. Werden die Lichtstrahlen nicht als kontinuierliche Lichtstrahlen in den Brennraum eingeleitet, sondern als gepulste Lichtstrahlen, wird zum einen weniger Energie zur Erzeugung der Lichtstrahlen benötigt, zum anderen ist auf diese Weise eine höhere Energiedichte der Lichtpulse gegenüber kontinuierlichen Lichtstrahlen möglich.According to an advantageous development, it is provided that the light beams of the light-emitting diodes are introduced as pulsed light beams into the combustion chamber of the internal combustion engine. If the light beams are not introduced into the combustion chamber as continuous light beams but as pulsed light beams, on the one hand less energy is required to generate the light beams, on the other hand a higher energy density of the light pulses compared to continuous light beams is possible in this way.

Erfindungsgemäß wird ferner ein Verbrennungsmotor mit mindestens einem Brennraum beschrieben.According to the invention, an internal combustion engine with at least one combustion chamber is also described.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung, 1 a schematic representation of an internal combustion engine with an ignition device according to the invention,

2 eine zweidimensionale Darstellung eines einfachen Mikrodisplays einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung mit vier lichtemittierende Dioden, 2 2 shows a two-dimensional representation of a simple microdisplay of an ignition device according to the invention with four light-emitting diodes,

3 eine zweidimensionale Darstellung einer Zündvorrichtung mit einem Mikrodisplay und einem Verlauf der Lichtstrahlen, 3 a two-dimensional representation of an ignition device with a microdisplay and a course of the light beams,

4 eine weitere Darstellung der Zündvorrichtung aus 3 und 4 another illustration of the ignition device 3 and

5 eine schematische Darstellung zu potenziellen Zündpositionen der erfindungsgemäßen Zündvorrichtung. 5 a schematic representation of potential ignition positions of the ignition device according to the invention.

1 zeigt eine vereinfachte, schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 12 mit einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung 10. Der Verbrennungsmotor 12 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit als Einzylindermotor dargestellt, die Erfindung ist jedoch auch für Verbrennungsmotoren mit zwei und mehr Zylindern, vorzugsweise mit einer Zylinderzahl zwischen zwei und zwölf anwendbar. Der Verbrennungsmotor 12 weist einen Brennraum 14 auf, in dem ein Verbrennungsgemisch 16 zeitlich begrenzt für einen Verbrennungszyklus bevorratet werden kann. Der Brennraum 14 weist ein Fenster 32 auf, über welches die hochenergetischen Lichtstrahlen der Zündvorrichtung 10 in den Brennraum 14 eingekoppelt werden können. Der Brennraum 14 ist durch Brennraumwände und einen Kolben 34 begrenzt. Die Zündvorrichtung 10 weist mehrere lichtemittierende Dioden 20 auf, welche sich zu einem Mikrodisplay 18 zusammensetzen. Die lichtemittierenden Dioden 20 sind matrixförmig hinter einzelnen Mikrolinsen 36 des Mikrodisplays 18 angeordnet. Das Mikrodisplay 18 ist bevorzugt an einem Ort angeordnet, wo es zu keinem Zeitpunkt von sich bewegenden Bauteil, insbesondere von dem Kolben 34 oder nicht dargestellten Ventilen, verdeckt wird, so dass zu jedem Zeitpunkt ein Verbrennungsimpuls im Brennraum 14 ausgelöst werden kann. Alternativ zu der aus Gründen der Vereinfachung dargestellten Anordnung des Mikrodisplay 18 seitlich am Zylinder ist eine Anordnung im Zylinderkopf beziehungsweise einem Brennraumdach des Brennraums 14 vorgesehen. 1 shows a simplified, schematic representation of an internal combustion engine 12 with an ignition device according to the invention 10 , The internal combustion engine 12 is shown for reasons of clarity as a single-cylinder engine, but the invention is also applicable to internal combustion engines with two and more cylinders, preferably with a number of cylinders between two and twelve. The internal combustion engine 12 has a combustion chamber 14 in which a combustion mixture 16 limited in time for a combustion cycle can be stored. The combustion chamber 14 has a window 32 on, over which the high-energy light beams of the ignition device 10 in the combustion chamber 14 can be coupled. The combustion chamber 14 is through combustion chamber walls and a piston 34 limited. The ignition device 10 has several light-emitting diodes 20 which turns into a microdisplay 18 put together. The light-emitting diodes 20 are matrix-shaped behind individual microlenses 36 of the microdisplay 18 arranged. The microdisplay 18 is preferably located at a location where there is no time of moving component, in particular of the piston 34 or valves, not shown, is covered, so that at any time a combustion pulse in the combustion chamber 14 can be triggered. Alternatively to the arrangement of the microdisplay shown for reasons of simplification 18 on the side of the cylinder is an arrangement in the cylinder head or a combustion chamber roof of the combustion chamber 14 intended.

In 2 ist eine zweidimensionale Darstellung eines einfachen Mikrodisplays 18 mit vier lichtemittierenden Dioden 20 gezeigt, wobei die von den lichtemittierenden Dioden 20 emittierten, hochenergetischen Lichtstrahlen 38 durch eine Linse 36 geleitet werden und in einem Brennpunkt 42 fokussiert sind. Durch die Fokussierung von mindestens zwei hochenergetischen Lichtstahlen 38 in einem Brennpunkt 42 werden an dem Brennpunkt 42 Temperaturen erreicht, welche zur Entzündung des Verbrennungsgemischs 16 hinreichend sind.In 2 is a two-dimensional representation of a simple microdisplay 18 with four light emitting diodes 20 shown, that of the light emitting diodes 20 emitted, high energy light rays 38 through a lens 36 be directed and in a focal point 42 are focused. By focusing at least two high-energy light beams 38 in a focal point 42 be at the focal point 42 Temperatures reached, which for the ignition of the combustion mixture 16 are sufficient.

In 3 ist eine schematische Darstellung einer Erzeugung eines Zündimpulses für das Verbrennungsgemisch 16 im Brennraum 14 durch die Zündvorrichtung 10 dargestellt. Durch ein definiertes Ein- und Ausschalten bestimmter einzelner Pixel 30, das heißt einzelner lichtemittierende Dioden 20 hinter den Linsen 36 können mit dem jeweiligen Lichtstrahl 38 gezielt bestimmte Koordinaten im Brennraum 14 getroffen werden. Die Linsen 36 können einen festen Fokussierpunkt haben oder verstellbar ausgeführt werden. Bei der vorgeschlagenen Zündvorrichtung 10 ist keine zusätzliche Mechanik für das Einrichten oder Verstellen von Spiegeln notwendig, so dass die Zündvorrichtung 10 vergleichsweise robust gegen Störungen und äußere Einflüsse, zum Beispiel Erschütterungen in einem Fahrzeugbetrieb ist, da die Fokussierung der Lichtstrahlen 38 in einem Brennpunkt 42 an einem ersten Ort 22 im Brennraum 14 allein durch das Ein- beziehungsweise Ausschalten der lichtemittierenden Dioden 20 sowie die Linsen 36 erreicht wird. Die Lichtstrahlen 38 treffen im Brennpunkt 32 zusammen und entzünden dort lokal das Verbrennungsgemisch 16, wobei sich nach einer Zündung eine Flammenfront sternförmig von dem Brennpunkt 42 aus in den Brennraum 14 ausbreiten kann.In 3 is a schematic representation of a generation of an ignition pulse for the combustion mixture 16 in the combustion chamber 14 through the ignition device 10 shown. By a defined turning on and off of certain single pixels 30 that is, individual light-emitting diodes 20 behind the lenses 36 can with the respective light beam 38 targeted specific coordinates in the combustion chamber 14 to be hit. The lenses 36 can have a fixed focusing point or be made adjustable. In the proposed ignition device 10 No additional mechanism is necessary for setting up or adjusting mirrors, so that the ignition device 10 comparatively robust against disturbances and external influences, for example vibrations in a vehicle enterprise is, there the focussing of the light rays 38 in a focal point 42 in a first place 22 in the combustion chamber 14 solely by the switching on or off of the light-emitting diodes 20 as well as the lenses 36 is reached. The rays of light 38 meet in focus 32 together and ignite locally the combustion mixture 16 , wherein, after ignition, a flame front becomes star-shaped from the focal point 42 out into the combustion chamber 14 can spread.

4 zeigt die Zündvorrichtung 10 aus 3 in einer anderen Betriebsstellung. Neben der Fokussierung der Lichtstrahlen an dem ersten Ort 22 im Brennraum 14, in dem vier Lichtstrahlen 38 in einem Brennpunkt 42 aufeinandertreffen, können an zwei weiteren Orten 24 im Brennraum 14 durch das kreuzen von zwei Lichtstrahlen 38 ebenfalls die Zündbedingungen für ein Verbrennungsgemisch 16 erreicht werden, vorausgesetzt, dass auch in diesem lokalen Bereich des Brennraums 14 ein zündfähiges Verbrennungsgemisch 16 vorliegt und die Kreuzung von zwei Lichtstrahlen 38 zu einer hinreichenden Verdichtung der Energie führt, dass eine Zündtemperatur des Verbrennungsgemischs 16 erreicht wird. Unter der Annahme, dass alle Lichtstrahlen 38 der lichtemittierenden Dioden 20 jeweils die gleiche Energiedichte aufweisen können, somit aber auch gezielt unterschiedlich heiße Zündorte im Brennraum 14 geschaffen werden, wobei die Temperatur am ersten Ort 22, auf den vier Lichtstrahlen 38 fokussiert sind, im Allgemeinen höher sein dürfte als an einem Ort 24, auf den nur zwei Lichtstrahlen 38 fokussiert sind. Die Linsen 36 sind dabei vorzugsweise als Sammellinsen ausgebildet, so dass sich die Lichtstrahlen 38 in einem Brennpunkt 42 hinter der Linse 36 treffen. Dies dient nicht nur zur Konzentration mehrerer Lichtstrahlen 38 auf einem gemeinsamen Brennpunkt 42, sondern ermöglicht auch, das Fenster 32 zur Einkopplung der Lichtstrahlen 38 in den Brennraum 14 entsprechend klein und kompakt auszuführen. 4 shows the ignition device 10 out 3 in another operating position. In addition to the focus of the light rays in the first place 22 in the combustion chamber 14 in which four beams of light 38 in a focal point 42 meet at two other places 24 in the combustion chamber 14 by crossing two beams of light 38 also the ignition conditions for a combustion mixture 16 be achieved, provided that even in this local area of the combustion chamber 14 an ignitable combustion mixture 16 present and the intersection of two beams of light 38 leads to a sufficient compression of the energy that an ignition temperature of the combustion mixture 16 is reached. Assuming that all rays of light 38 the light emitting diodes 20 each may have the same energy density, but thus also specifically different hot spots in the combustion chamber 14 be created, with the temperature in the first place 22 , on the four beams of light 38 are generally higher than in one place 24 on which only two beams of light 38 are focused. The lenses 36 are preferably designed as converging lenses, so that the light beams 38 in a focal point 42 behind the lens 36 to meet. This not only serves to concentrate multiple beams of light 38 on a common focal point 42 but also allows the window 32 for coupling the light beams 38 in the combustion chamber 14 correspondingly small and compact.

5 zeigt eine schematische Darstellung zu potenziellen Zündpositionen der erfindungsgemäßen Zündvorrichtung 10. Wie in 5 zu erkennen ist, sind durch eine entsprechende Verschaltung der lichtemittierenden Dioden 20 und eine entsprechende Auswahl oder Einstellung der Linsen 36 Zündimpulse an quasi beliebigen Positionen im Brennraum 14 möglich. Dabei ist eine Unterscheidung zwischen „starken“ Zündorten 22, an denen mehr als zwei Lichtstrahlen 38 aufeinandertreffen und „schwachen“ Zündorten 24, an denen genau zwei Lichtstrahlen 38 der lichtemittierenden Dioden 20 aufeinandertreffen, möglich. Die Anzahl der möglichen Zündimpulse pro Verbrennungstakt ist durch die Anzahl der unabhängigen Knotenpunkte der Lichtstrahlen 38 begrenzt. Der Bereich des Brennraums 14, in dem ein Zündimpuls ausgelöst werden kann, ist durch die Größe des Fensters 32, den Brechungsindex der Linsen 36, sowie die Anordnung der Zündvorrichtung 10 begrenzt. Ferner ist in 5 ein Ort 40 dargestellt, an dem aktuell nicht die Zündbedingungen für ein zündfähiges Verbrennungsgemisch 16 erreicht werden. 5 shows a schematic representation of potential ignition positions of the ignition device according to the invention 10 , As in 5 can be seen are by a corresponding interconnection of the light-emitting diodes 20 and an appropriate selection or adjustment of the lenses 36 Ignition pulses at quasi arbitrary positions in the combustion chamber 14 possible. There is a distinction between "strong" ignition locations 22 , where more than two beams of light 38 clash and "weak" ignition locations 24 , where exactly two beams of light 38 the light emitting diodes 20 meet, possible. The number of possible ignition pulses per combustion cycle is determined by the number of independent nodes of the light rays 38 limited. The area of the combustion chamber 14 , in which an ignition pulse can be triggered, is determined by the size of the window 32 , the refractive index of the lenses 36 , as well as the arrangement of the ignition device 10 limited. Furthermore, in 5 a place 40 shown at the currently not the ignition conditions for an ignitable combustion mixture 16 be achieved.

Neben einer Zündung des Verbrennungsgemischs 16 kann die erfindungsgemäße Zündvorrichtung 10 auch für weitere Zwecke genutzt werden. So ist beispielsweise über die Einkopplung der Lichtstrahlen 38 eine Vorkonditionierung des Brennraums 14 möglich, so dass die Vorrichtung beispielsweise bei selbstzündenden Verbrennungsmotoren die klassische Glühkerze ersetzen kann. Ferner können gerade nach einem Kaltstart die Rohemissionen des Verbrennungsmotors 12 durch eine entsprechende Konditionierung des Brennraums 14 reduziert werden, da ein Erlöschen einer Flammenfront aufgrund von kalten Brennraumwänden und eine damit verbundene unvollständige Verbrennung des Verbrennungsgemischs 16 vermieden wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Zündvorrichtung auch dazu genutzt werden, die Brennräume 14 dahingehend zu konditionieren, dass Abgasnachbehandlungsvorrichtungen schnellstmöglich nach einem Kaltstart ihre volle Leistungsfähigkeit erreichen können.In addition to ignition of the combustion mixture 16 can the ignition device according to the invention 10 can also be used for further purposes. For example, the coupling of the light beams 38 a preconditioning of the combustion chamber 14 possible, so that the device can replace the classic glow plug, for example, in self-igniting internal combustion engines. Furthermore, just after a cold start, the raw emissions of the internal combustion engine 12 by a corresponding conditioning of the combustion chamber 14 be reduced because a flame front goes out due to cold combustion chamber walls and an associated incomplete combustion of the combustion mixture 16 is avoided. Alternatively or additionally, the ignition device can also be used to the combustion chambers 14 be conditioned so that exhaust aftertreatment devices can reach their full capacity as soon as possible after a cold start.

Auch wenn die Funktion der Zündvorrichtung 10 in den 2 bis 5 aus Gründen der Übersichtlichkeit und Vereinfachung zweidimensional dargestellt wurden, so ist eine Auslenkung und Fokussierung der Lichtstrahlen 38 in alle drei Dimensionen im Brennraum 14 möglich. Durch die vorgeschlagene Zündvorrichtung 10 ist es somit möglich, zu beliebigen Zeitpunkten an quasi beliebigen Orten 22, 24 des Brennraums 14 eine Mehrzahl von Zündimpulsen auszulösen, welche durch die Anzahl der lichtemittierende Elektroden 20 und die Anzahl der Verbünde aus lichtemittierenden Elektroden 20 und Linsen 36 begrenzt ist. Somit kann die Verbrennung des Verbrennungsgemischs 16 und somit die Effizienz des Verbrennungsmotors 12 verbessert werden.Even if the function of the ignition device 10 in the 2 to 5 For the sake of clarity and simplicity have been shown two-dimensional, so is a deflection and focusing of the light rays 38 in all three dimensions in the combustion chamber 14 possible. By the proposed ignition device 10 It is thus possible, at arbitrary times at quasi arbitrary locations 22 . 24 of the combustion chamber 14 trigger a plurality of ignition pulses, which by the number of light-emitting electrodes 20 and the number of composites of light-emitting electrodes 20 and lenses 36 is limited. Thus, the combustion of the combustion mixture 16 and thus the efficiency of the internal combustion engine 12 be improved.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Zündvorrichtung detonator
1212: Verbrennungsmotor internal combustion engine
1414: Brennraum combustion chamber
1616: Verbrennungsgemisch combustion mixture
1818: Mikrodisplay microdisplay
2020: lichtemittierende Dioden light emitting diodes
2222: Ort im Brennraum Place in the combustion chamber
2424: Ort im Brennraum Place in the combustion chamber
2626: Volumen volume
2828: Rand edge
3030: Pixel pixel
3232: Fenster window
3434: Kolben piston
3636: Linse lens
3838: Lichtstrahl hoher energetischer Dichte Light beam of high energy density
4040: Ort im Brennraum, an dem aktuell die Zündbedingung nicht erreicht wird Location in the combustion chamber where the ignition condition is currently not reached
4242: Brennpunkt focus

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102011100991 A1 [0006]
DE 102013216552 A1 [0007]

Claims

Ignition device ( 10 ) for an internal combustion engine ( 12 ) for igniting a combustion mixture in a combustion chamber ( 14 ) of the internal combustion engine ( 12 ), wherein ignition of the combustion mixture ( 16 ) is provided by means of a laser, characterized in that a microdisplay ( 18 ) with at least two light-emitting diodes ( 20 ) is provided, with which several light beams ( 38 ) high-energy density in the combustion chamber ( 14 ) of the internal combustion engine ( 12 ) can be coupled, wherein the at least two light-emitting diodes ( 20 ) each have a light beam ( 38 ) emit high energy density, which is suitable to a combustion mixture in the combustion chamber ( 14 ) of the internal combustion engine ( 12 ) to ignite.

Ignition device ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the microdisplay ( 18 ) at least two light emitting diodes ( 20 ), wherein the light pulses of the at least two light-emitting diodes ( 20 ) in the combustion chamber ( 14 ) of the internal combustion engine ( 12 ) can be coupled, that within a working cycle of the internal combustion engine ( 12 ) in at least two independent locations ( 22 . 24 ) of the combustion chamber ( 14 ) the ignition conditions of the combustible combustion mixture ( 16 ) are reachable.

Ignition device ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the microdisplay ( 18 ) within the combustion chamber ( 14 ) a volume ( 26 ) spans on high-energy light.

Ignition device ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that one of the at least two light-emitting diodes ( 20 ) and the microdisplay ( 18 ) trained laser light field to the edge ( 28 ) of the combustion chamber ( 14 ) of the internal combustion engine ( 12 ) is introduced.

Ignition device ( 10 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that one of the at least two light-emitting diodes ( 20 ) and the microdisplay ( 18 ) formed laser light field is controllable such that light rays ( 38 ) of the light-emitting diodes ( 20 ) at any spatial coordinates in the combustion chamber ( 14 ) can be focused.

Ignition device ( 10 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that each pixel ( 30 ) of the microdisplay ( 18 ) is adapted to receive a light beam ( 38 ) emitted at an intersection with another light beam ( 38 ) of another pixel ( 30 ) is suitable for producing a combustible combustion mixture ( 16 ) in the combustion chamber ( 14 ) to ignite.

Ignition device ( 10 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that a plurality of light-emitting diodes ( 20 ), the light beams ( 38 ) of a first diode group and a second diode group of the at least two light-emitting diodes ( 20 ) at the same time in the combustion chamber ( 14 ) of the internal combustion engine ( 12 ) be initiated.

Ignition device ( 10 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that a plurality of light-emitting diodes ( 20 ), the light beams ( 38 ) of a first diode group and a second diode group of the at least two light-emitting diodes ( 20 ) with a time delay of a maximum of 5 ms, preferably of a maximum of 2 ms, into the combustion chamber ( 14 ) of the internal combustion engine ( 12 ) be initiated.

Ignition device ( 10 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the light beams ( 38 ) the at least two light emitting diodes ( 20 ) as pulsed light beams ( 38 ) in the combustion chamber ( 14 ) of the internal combustion engine ( 12 ) be initiated.

Internal combustion engine ( 12 ) with at least one combustion chamber ( 14 ), in which an ignitable combustion mixture ( 16 ) can be stored and ignited, the internal combustion engine ( 12 ) a window ( 32 ) for coupling a high-energy light beam ( 38 ), characterized in that at the window ( 32 ) an ignition device ( 10 ), in particular a microdisplay ( 18 ) is arranged according to one of claims 1 to 9.