DE19911737A1

DE19911737A1 - Brennkraftmaschine mit Fremdzündung

Info

Publication number: DE19911737A1
Application number: DE19911737A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Feichtinger; Horst Tschetsch
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 1998-03-24
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 1999-10-07
Anticipated expiration: 2019-03-17
Also published as: AT2623U1; US6053140A; DE19911737C2

Abstract

Um bei einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, bei der die Zündung eines verdichteten Kraftstoffgemisches zumindest teilweise durch zumindest einen über mindestens einen Lichtleiter (9) in einen Brennraum (7) eingebrachten, auf einen Zündort (17) fokussierten Laserstrahl (16) erfolgt, den konstruktiven Aufwand und Platzbedarf zu verringern, ist vorgesehen, daß der Lichtleiter (9) in einem den Brennraum (7) begrenzenden Dichtelement (6) liegt, welches in einer den Brennraum (7) durchsetzenden Schnittebene (6a) angeordnet ist, wobei vorzugsweise das Dichtelement (6) durch eine Zylinderkopfdichtung (5) gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, bei der die Zündung eines verdichteten Kraftstoffgemisches zumindest teilweise durch zumindest einen über mindestens einen Lichtleiter in einen Brennraum eingebrachten, auf einen Zündort fokussierten Laser strahl erfolgt.

Bei Brennkraftmaschinen mit einer Vielzahl von konstruktionsbedingten Öffnungen in der Brennraumdeckfläche, insbesondere bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen mit direkter Einspritzung und mehreren Ein- und Auslaßventilen, ergeben sich oft Probleme bei der opti malen Anordnung der notwendigen Mündungen für Gaswechselkanäle, Zündkerzen und Ein spritzventile im Zylinderkopf. Durch die räumlichen Zwänge müssen manchmal Kompromis se bei der konstruktiven Gestaltung eingegangen werden.

Aus der DE 28 49 458 C2 ist eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art bekannt, bei der ein durch einen Laserstrahl gebildeter Strahlungsimpuls durch einen strahlungsdurch lässigen Wandabschnitt der Brennkammer eingestrahlt wird. Der Nachteil dieses Zündsystems ist, daß für die Einbringung des Laserstrahles in den Brennraum Öffnungen bzw. Fenster in der Brennraumwand vorgesehen sein müssen, was im allgemeinen mit einem relativ großen konstruktiven Aufwand verbunden ist. In der US 4 416 226 A ist eine ähnliche Laserzündvor richtung für eine Brennkraftmaschine beschrieben, bei der der Laserstrahl über eine Öffnung in der Brennraumdeckfläche zugeführt wird. Dabei kann es zu den erwähnten Platzproblemen bei Brennkraftmaschinen mit vielen in den Brennraum mündenden Bauteilen kommen.

Aus der EP 0 167 608 B1 ist eine Brennkraftmaschine mit Zündung durch in die Brennkam mer einführbare hochenergetische Strahlen bekannt; bei der in einer Ausführungsvariante die Lichtleiter in einem Lichtleitergehäuse untergebracht sind, welches die Gestalt eines Ringes hat, der eine kleine Gesamthöhe besitzt und dessen Innendurchmesser dem Zylinderdurch messer entspricht. Der Ring ist dabei zwischen dem Motorblock und dem Zylinderkopf unter Zwischenlage von Zylinderkopfdichtungen angeordnet. Der das Lichtleitergehäuse bildende Ring ist weiters aus zwei gleichen Hälften zusammengesetzt, wobei in die ineinanderliegen den Flächen der Hälften Halbrillen zur Aufnahme der Lichtleiter eingearbeitet sind. Die Hälften sind insbesondere aus technischer Keramik oder aus Invar-Stahl gefertigt und zusam mengeklebt und mit Silberlot zusammengelötet. Mit dem separaten Lichtleitergehäuse ist ein weiterer Bauteil erforderlich, dessen Herstellung zudem recht aufwendig ist. Problematisch ist weiters, daß das Lichtleitergehäuse beidseits durch Zylinderkopfdichtungen abgedichtet wer den muß. Durch die Vielzahl an Dichtflächen können Abdichtungsprobleme, insbesondere durch unterschiedliche Flächenpressung infolge Fertigungstoleranzen, auftreten. Bei der EP 0 167 608 B1 ist keine Fokussierung der Laserstrahlen, sondern eine fächerartige Verteilung einer Vielzahl von Laserstrahlen vorgesehen. Durch den Strahlenfächer soll eine Schicht ge schaffen werden, die netzartig oder gitterartig von einer Vielzahl von hochenergetischen Strahlen durchsetzt ist, sodaß im Zündzeitpunkt in dieser Schicht eine sich im wesentlichen über den gesamten Zylinderquerschnitt oder Brennkammerquerschnitt erstreckende Zünd schicht erzeugt werden kann. Von dieser sollen sich dem Brennkammerquerschnitt im we sentlichen entsprechende stabile Flammenfronten zu den Brennkammerwänden und zur Kol benstirnfläche hin ausbreiten. Es ist allerdings relativ aufwendig und schwierig, ohne Fokus sierung die zur Zündung des Kraftstoffgemisches erforderliche Energiedichte bereitzustellen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und bei einer Brennkraftma schine der eingangs genannten Art mit möglichst geringem konstruktiven Aufwand und Platzbedarf eine Laserzündung zu realisieren.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Lichtleiter in einem den Brennraum begrenzenden Dichtelement liegt, welches in einer den Brennraum durchsetzenden Schnit tebene angeordnet ist, wobei vorzugsweise das Dichtelement durch eine Zylinderkopfdichtung gebildet ist. Dadurch kann mit geringem konstruktiven Aufwand und äußerst geringem Platz bedarf eine Laserzündung realisiert werden, wobei auch konventionelle Brennkraftmaschinen nachgerüstet werden können.

Aus der AT 400 769 B ist es bekannt, in einem Dichtelement optische Sensoren anzuordnen, um Verbrennungsvorgänge im Brennraum bei einer im Betrieb befindlichen Brennkraftma schine auf optoelektronische Weise zu erfassen. Das Dichtelement wird dabei beispielsweise durch eine Zylinderkopfdichtung gebildet.

Weiters ist es aus der AT 1 103 U1 bekannt, Sensor- und Lichtemitterleitungen in der Zylin derkopfdichtung anzuordnen, um auf optoelektronische Weise und ohne grobe Eingriffe in die Brennraumgeometrie von Serienmotoren laserinduzierte Fluoreszenz- und Raman-Streuung- Meßmethoden zur quantitativen Messung von gasförmigen und flüssigen Stoffen im Brenn raum zu verwenden.

Der Lichtleiter mündet vorzugsweise etwa in radialer Richtung in der Schnittebene in den Brennraum ein, um eine zentrale Zündung zu erreichen.

Eine sehr einfache Ausführungsvariante sieht vor, daß die Fokussierung des Laserstrahles durch ein lokal angeschmolzenes Lichtleiterende im Bereich der Mündung in den Brennraum erfolgt. Durch die etwa kugelförmig angeschmolzenen Lichtleiterenden wird der eingebrachte Laserstrahl annähernd in einem Punkt fokussiert. Gleichzeitig wird eine radiale Verankerung des Lichtleiters in der Zylinderkopfdichtung erreicht. Selbstverständlich kann auch eine Fo kussierung durch Verwendung eines optischen Linsensystems mit zumindest einer Sammel linse im Bereich der Mündung des Lichtleiters in den Brennraum erreicht werden. Das Lin sensystem kann in einer sehr kompakten und einfachen Ausführungsvariante zumindest eine Kugellinse aufweisen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß pro Zylinder mehre re im Dichtelement angeordnete, vorzugsweise auf unterschiedliche Zündorte fokussierte Lichtleiter vorgesehen sind, wobei es vorteilhaft ist, daß die Lichtleiter einzeln oder gruppen weise mit Laserstrahlen beaufschlagbar sind. Dadurch kann gezielt in mehreren und unter schiedlichen Brennraumbereichen eventuell auch zeitversetzt, gezündet werden, wodurch die Zahl und die Orte der Zündungen last- und/oder drehzahlabhängig variiert werden können. Sehr vorteilhaft ist es dabei, wenn über zumindest einen Lichtleiter mindestens eine Meßgröße über den Verbrennungsvorgang im Brennraum erfaßbar und einer Auswerteeinheit zuführbar ist. Die Daten von ausgewerteten Meßgrößen können der Zündregeleinrichtung als weitere Parameter zugeführt werden, wodurch die Laserzündung unter Berücksichtigung des spezifi schen realen Zustandes im Brennraum - etwa der momentanen Kraftstoffverteilung - erfolgen kann.

Dabei können gleichzeitig oder abwechselnd zur Laserzündung über die Lichtleiter Messun gen im Brennraum, beispielsweise die Detektion von Kraftstofftropfen, Kraftstoftkonzentrati onsmessungen und Gaszusammensetzungsmessungen während des Motorbetriebes durchge führt werden. Falls erforderlich, kann vorgesehen sein, daß über zumindest einen Lichtleiter Meßlicht in den Brennraum einbringbar ist. Alternativ dazu kann - insbesondere bei der De tektion von Kraftstofftropfen - auch die Hintergrundstrahlung im Brennraum für Intensitäts messungen ausgenützt werden.

Um den baulichen und energetischen Aufwand zur Realisierung der Laserzündung möglichst gering zu halten, ist es äußerst vorteilhaft, wenn der Laserstrahl durch eine optisch mit zumin dest einem Lichtleiter verbindbare, gütegestaltbare kohärente Lichtquelle, vorzugsweise einen gepulsten Halbleiterlaser, erzeugbar ist. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß von der güte gestaltbaren kohärenten Lichtquelle zumindest zwei aufeinanderfolgende Laserstrahlimpulse, vorzugsweise unterschiedlicher Energiedichte und/oder Impulsdauer, erzeugbar sind. Wie aus der US 4 416 226 A bekannt ist, kann dabei beispielsweise durch einen ersten Laserimpuls mit hoher Energiedichte das Kraftstoffgemisch lokal angeregt und ein Plasma erzeugt werden. Ein zweiter, nachfolgender Laserimpuls von geringerer Energiedichte, aber längerer Dauer führt dem Plasma daraufhin weiter Energie bis zur sicheren Zündung des Kraftstoffgemisches zu.

Die Laserzündung kann sowohl als Hauptzündung, als auch als Hilfszündung zu einer kon ventionellen Funkenzündung eingesetzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Zylinder der erfindungsgemäßen Brennkraftma schine in einer ersten Ausführungsvariante,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausfüh rungsvariante der Erfindung,

Fig. 3a, 3b und 3c das Detail III in Fig. 2 in drei verschiedenen weiteren Ausführungs varianten der Erfindung,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Zylinder gemäß einer weiteren erfindungsgemä ßen Ausführungsvariante.

Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsbeispielen mit gleichen Bezugszeichen verse hen.

Fig. 1 zeigt einen Zylinder 1 mit einem hin- und hergehenden Kolben 2. Zwischen dem Zy linderblock 3 und dem Zylinderkopf 4 ist ein als Zylinderkopfdichtung 5 ausgebildetes Dicht element 6 angeordnet. Mit 6a ist eine den Brennraum 7 durchsetzende Schnittebene bezeich net. Mit Bezugszeichen 8 sind schematisch Gaswechselventile für Gaswechselkanäle 8a ange deutet. In die Zylinderkopfdichtung 5 ist ein Lichtleiter 9 integriert, welcher etwa radial mit dem Brennraum 7 optisch verbunden ist. Der Lichtleiter 9 ist weiters mit einer gütegestaltba ren kohärenten Lichtquelle 10, beispielsweise einen gepulsten Halbleiterlaser, verbunden, welche Lichtquelle 10 durch eine Zündregeleinrichtung 11 gesteuert wird. Die Zündregelein richtung 11 beinhaltet einen Laserregler 12 und einen Zündzeitpunktregler 13, wobei die Re gelung in Abhängigkeit von Motorbetriebsparametern 14, wie Kurbelwellenwinkel, Drehzahl, Motortemperatur, Gaspedalstellung, Abgasqualität, Kraftstoffmeßgrößen oder ähnliches, er folgt. Im Bereich des Eintrittes in den Brennraum 7 ist im Anschluß an den Lichtleiter 9 eine Fokussiereinrichtung 15 vorgesehen, welche den in den Brennraum 7 austretenden Laserstrahl 16 in einem Zündpunkt 17 fokussiert, wie aus Fig. 2 hervorgeht.

Die Fokussiereinrichtung 15 kann aus einem optischen Linsensystem 18 mit einer oder meh reren Linsen bestehen. In der in Fig. 3a gezeigten Ausführung weist das Linsensystem 18 eine Kugellinse 19 auf, welche in eine radiale Ausnehmung 20 eines metallenen Dichtringes 5a der Zylinderkopfdichtung 5 eingesetzt ist. Die beispielsweise aus Quarz oder Saphir gebildete Kugellinse 19 steht in optischem Kontakt mit dem Lichtleiter 9, welcher beispielsweise aus einer in einem Metallröhrchen 21 angeordneten Glasfaser besteht. Die Kugellinse 19 ist im Ausführungsbeispiel in eine die Zylinderkopfdichtung 5 quer zum Lichtleiter 9 durchsetzende Bohrung 22 eingesetzt und beidseitig durch elastische Scheibchen 24, beispielsweise aus Te flon, gesichert und vor den Vorspannkräften in der Zylinderkopfdichtung 5 geschützt. Die Scheibchen 24 können auf einer separaten, mit der Zylinderkopfdichtung 5 verbundenen Hal terung oder Folie, oder zusammen mit dem an den Brennraum grenzenden metallenen Dich tring 5a befestigt sein.

Die Fokussierung des im Lichtleiter 9 transportierten Laserstrahles kann aber auch dadurch erreicht werden, daß der Lichtleiter 9 ein lokal angeschmolzenes, annähernd kugelförmiges Lichtleiterende 25 aufweist, wie in Fig. 3b gezeigt ist. Neben der äußerst einfachen Herstel lung der Fokussiereinrichtung 15 hat dies den Vorteil, daß der Lichtleiter 9 axial durch das Lichtleiterende 25 in der Zylinderkopfdichtung 5 verankert ist.

Die Fokussiereinrichtung 15 kann auch aus einem Linsensystem 18 mit mehreren hinterein ander angeordneten optischen Linsen 26a, 26b, 26c erfolgen. Die Linsen 26a, 26b, 26c sind über Distanzröhrchen 27 voneinander beabstandet und werden in die Zylinderkopfdichtung 5a von der Seite des Brennraumes in die Form 23 und 5a eingepreßt. Diese Ausführung ist in Fig. 3c dargestellt.

In der Zylinderkopfdichtung 5 können um den Umfang verteilt, mehrere Lichtleiter 9, 9a an geordnet sein. Wie Fig. 2 zeigt, können über zumindest einen Lichtleiter 9a dabei Meßgrößen über den Verbrennungsvorgang im Brennraum 7 erfaßt werden und einer schematisch ange deuteten Auswerteeinheit 11a und/oder der Zündregeleinrichtung 11 zugeführt werden. Die bewerteten Daten können weiters als Einflußgrößen für die Steuerung der kohärenten Licht quelle 10 verwendet werden. Weiters ist auf diese Weise eine aktive, optische Brennraumdia gnose durchführbar, insbesondere wenn über Lichtleiter 9a Meßlicht in den Brennraum 7 ein gebracht wird. Mit 16a ist der Meßerfassungsbereich im Brennraum 7 angedeutet. Bezugszei chen 28 symbolisiert eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung.

Je nach Lichtquelle und Art des Meßlichtes und der Auswerteeinheit kommen folgende Mes sungen in Frage:

1) Detektion von Kraftstofftropfen:
Durch Auswertung des an Kraftstofftropfen gestreuten Lichtes, das beispielsweise aus einer Weißlichtquelle oder einem kontinuierlichen Laser stammt und in den Brennraum 7 eingestrahlt wird, können Kraftstofftropfen nachgewiesen werden. Es ist auch denkbar, die kohärente Lichtquelle 10 als Meßlichtquelle einzusetzen. Die Streulichtintensität von Kraftstofftropfen macht sich als Intensitätsspitzen gegenüber der Hintergrundstrahlung bemerkbar.
2) Kraftstoffkonzentrationsmessung:
Als Lichtquelle wird beispielsweise ein UV-Pulslaser verwendet. Gemessen wird die vom Laserlicht induzierte Fluoreszenz des Kraftstoffes, wobei die Lichtintensität der Indikator für die Kraftstoffkonzentration im Meßbereich zur Zeit des Laserpulses ist.
3) Gaszusammensetzungsmessung:
Als Lichtquelle dient dabei ein UV-Pulslaser. Von geeigneten Sensoren können über die Lichtleiter 9a, beispielsweise die Raman-Linien von O₂, N₂, CH, H₂O, etc. erfaßt werden. Die Intensitätsverhältnisse zwischen Wellenlängenbereichen sind dabei ein Maß für die Gaszusammensetzung im Meßbereich zum Zeitpunkt des Laserpulses.
4) Erfassung der Gaszusammensetzungsänderung während des Motorzyklusses:
Dabei kann der zeitliche Verlauf der spektralen Intensitäten erfaßt werden. Als Licht quelle kann etwa ein kontinuierlicher Laser verwendet werden.

Auf diese Weise kann auch eine präzise und quantitative simultane Messung von Lambdawert und Restgasanteil der Ladung in Otto-Motoren mit Hilfe von UV-laserinduzierter Raman- Streuung, eventuell in Verbindung mit empfindlicher Kurzzeitkameratechnik, durchgeführt werden. Die Raman-Streuung bietet insbesondere den Vorteil, daß in Einzelzyklen simultan die Konzentration von Kraftstoff, O₂, N₂ und H₂O im Endgas gemessen werden kann. Daraus kann die Bestimmung des Lambda-Wertes und des Restgasanteiles mit besonders hoher Prä zision erfolgen, da sich diese Größe als Verhältnisse von zwei der angegebenen Konzentratio nen ergeben, was viele sonst üblicherweise bei optischen Verfahren auftretende Fehler elimi niert.

Mit laserinduzierter Fluoreszenz kann die flächige Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum des Motors kurbelwinkel- und zyklusaufgelöst vermessen werden. Dabei können insbesondere zyklusbedingte Schwankungen festgestellt werden.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsvariante sind in der Zylinderkopfdichtung 5 mehrere, um den Umfang verteilte, radial zum Brennraum 7 führende Lichtleiter 9 vorgesehen. Die durch die Lichtleiter 9 in den Brennraum 7 eintretenden Laserstrahlen sind auf unterschiedli che Zündorte 17 fokussiert und können einzeln oder gruppenweise aktiviert werden. Insbe sondere in Ausführungsvarianten, bei denen gleichzeitig der Brennraum in der in Fig. 2 ge zeigten Weise überwacht und vermessen wird, ist es möglich, die Zündung selektiv in jenen Brennraumbereichen einzuleiten, in denen sich gerade ein zündfähiges Gemisch befindet. Selbstverständlich ist es auch denkbar, die erfindungsgemäße Laserzündung als Hilfszündung für eine in Fig. 4 strichliert angedeutete Zündkerze 29 einzusetzen.

Durch die in die Zylinderkopfdichtung 5 integrierten Lichtleiter 9 sind keine weiteren Boh rungen, Fenster od. dgl. im Zylinderkopf 4 oder in den Wänden des Zylinders 1 erforderlich. Es ist somit auch möglich, konventionelle Brennkraftmaschinen mit Laserzündung nachzurü sten.

Um mit möglichst geringem Energieaufwand eine zuverlässige Zündung im Brennraum 7 zu erreichen, können pro Zündung mehrere Laserstrahlimpulse eingesetzt werden. So kann bei spielsweise durch einen ersten Laserimpuls mit hoher Energiedichte ein Plasmabereich im Kraftstoffgemisch erzeugt werden. Durch einen zweiten Impuls mit niedriger Energiedichte aber längerer Impulsdauer wird weiter Energie zugeführt, bis die Zündung erfolgt. Auf diese Weise können relativ leistungsschwache Laser eingesetzt werden.

Claims

1. Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, bei der die Zündung eines verdichteten Kraft stoffgemisches zumindest teilweise durch zumindest einen über mindestens einen Lichtleiter (9) in einen Brennraum (7) eingebrachten, auf einen Zündort (17) fokussier ten Laserstrahl (16) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (9) in einem den Brennraum (7) begrenzenden Dichtelement (6) liegt, welches in einer den Brenn raum (7) durchsetzenden Schnittebene (6a) angeordnet ist, wobei vorzugsweise das Dichtelement (6) durch eine Zylinderkopfdichtung (5) gebildet ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (9) etwa in der Schnittebene (6a) etwa radial in den Brennraum (7) einmündet.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokus sierung des Laserstrahles (16) durch ein lokal angeschmolzenes Lichtleiterende (25) im Bereich der Mündung in den Brennraum (7) erfolgt.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokus sierung des Laserstrahles (16) durch ein zumindest eine Sammellinse (26a) aufweisendes optisches Linsensystem (18) im Bereich der Mündung des Lichtleiters (9) in den Brenn raum (7) erfolgt.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem (18) zumindest eine Kugellinse (19) aufweist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß pro Zylinder (1) mehrere im Dichtelement (6) angeordnete Lichtleiter (9, 9a) vorgesehen sind.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Lichtleiter (9) auf unterschiedliche Zündorte (17) fokussiert sind.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht leiter (9) einzeln oder gruppenweise mit Laserstrahlen (16) beaufschlagbar sind.

9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß über zumindest einen Lichtleiter (9a) mindestens eine Meßgröße über den Verbren nungsvorgang im Brennraum (7) erfaßbar und einer Auswerteeinheit zuführbar ist.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß über zumindest einen Lichtleiter (9a) Meßlicht (16a) in den Brennraum (7) einbringbar ist.

11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (16) durch eine optisch mit zumindest einen Lichtleiter (9) verbindbare, gütegestaltbare kohärente Lichtquelle (10), vorzugsweise einen gepulsten Halbleiterla ser, erzeugbar ist.