EP1329631A2 - Verbrennungsmotor - Google Patents

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Publication number
EP1329631A2
EP1329631A2 EP03000165A EP03000165A EP1329631A2 EP 1329631 A2 EP1329631 A2 EP 1329631A2 EP 03000165 A EP03000165 A EP 03000165A EP 03000165 A EP03000165 A EP 03000165A EP 1329631 A2 EP1329631 A2 EP 1329631A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser light
cylinder
internal combustion
combustion engine
combustion chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03000165A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1329631A3 (de
Inventor
Günther HERDIN
Johann Klausner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Innio Jenbacher GmbH and Co OG
Original Assignee
GE Jenbacher GmbH and Co OHG
Jenbacher Zuendsysteme GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GE Jenbacher GmbH and Co OHG, Jenbacher Zuendsysteme GmbH filed Critical GE Jenbacher GmbH and Co OHG
Priority to DE20320983U priority Critical patent/DE20320983U1/de
Publication of EP1329631A2 publication Critical patent/EP1329631A2/de
Publication of EP1329631A3 publication Critical patent/EP1329631A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B1/00—Engines characterised by fuel-air mixture compression
    • F02B1/12—Engines characterised by fuel-air mixture compression with compression ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/3011—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion
    • F02D41/3017—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion characterised by the mode(s) being used
    • F02D41/3035—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion characterised by the mode(s) being used a mode being the premixed charge compression-ignition mode
    • F02D41/3041—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion characterised by the mode(s) being used a mode being the premixed charge compression-ignition mode with means for triggering compression ignition, e.g. spark plug

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with at least one cylinder, in the combustion of a compressed in the cylinder by a piston homogeneous Fuel-air mixture initiated by a time-controlled spark ignition becomes.
  • gasoline engines are referred to in the literature as gasoline engines.
  • gasoline engines is a homogeneous fuel-air mixture (Variation of the fuel-air ratio lambda over the combustion chamber of less than 10%) via spark ignition, usually a spark plug, ignited.
  • spark ignition usually a spark plug
  • spark plugs ignited.
  • precious metal for example, platinum alloys
  • Unfavorable is also the Fact that with spark plugs the electrode distance after a certain Operating time must be readjusted. This is the shutdown of the Internal combustion engine necessary.
  • the Fuel-air ratio of the fuel-air mixture in the combustion chamber is greater than 1.9 and for temporally controlled spark ignition at least one laser light source, at least one optical transmission device and at least one Einkopplungsoptik provided for focusing laser light in a combustion chamber are.
  • a variant of the invention is that for time-controlled spark ignition at least one laser light source, at least one optical transmission device and at least one input optics for focusing laser light into one Combustion chamber are provided, and that the piston of at least one cylinder a Has piston recess and at least one focus of the laser light at the top Tot Vietnameseslage the piston in the piston recess is.
  • the laser ignition makes it possible the ignition of the fuel-air mixture "deeper" in the combustion chamber, in particular in to lay the piston recess. It has been shown that this is beneficial to the Ignition ability affects.
  • the ignition energy of or for an ignition process used laser light pulse (s) below 20 mJ (Millijoule) and at optimum ignition point may even be less than 3 mJ.
  • laser light pulse s
  • This in turn allows the Use of very inexpensive lasers, for example a diode pumped Solid-state laser, in particular a Nd / YAG laser. It is even possible, directly Use laser diodes as laser light sources for the ignition laser pulse.
  • the time-controlled Spark ignition at least one laser light source, at least one optical Transmission device and at least one coupling-in optics for focusing Laser light are provided in a combustion chamber, and that for igniting the fuel-air mixture in a cylinder two or more laser light beams with spatial staggered focus position are provided.
  • this measure can also be with you relatively slowly propagating flame fronts in lean fuel-air mixtures a reliable ignition can be achieved.
  • this double or multiple ignition also allows a direct Intensity control, if one actively detects the cylinder pressure of each cylinder and a control device supplies. It is easy to do so based on the cylinder pressure determine if the first laser pulse has already led to the ignition. If so, then is the second and any further laser pulses at a standard level stay. But has not led the first laser pulse to an ignition, which is in reflects a lower cylinder pressure rise, so the engine control or the control provided therein immediately the second laser pulse in its intensity and, if appropriate, increase in duration, in order nevertheless to ensure reliable ignition to achieve this work cycle.
  • the internal combustion engine shown in FIG. 1 is a six-cylinder stationary gasoline engine 1 with an intake tract 2 and a Exhaust 3.
  • a gas mixer 3 via the line 4 supplied gas, For example, methane, mixed with the line 5 supplied air.
  • gas mixer can also be a injection of gas into an air line.
  • the gas-air mixture is compressed and passes over the mixture cooler 7 and the throttle valve 8 in the space in front of the not closer shown intake valves of the engine 1.
  • the turbine 9 arranged the turbocharger. So far corresponds to the Motoranordung the state of Technology.
  • This laser ignition includes a generally designated 10 Laser light source, in the present embodiment of flexible light guides 11 existing optical transmission device and for each of the six cylinders one schematically illustrated coupling optics 12.
  • This coupling optics consists in essentially from a focusing lens or lens arrangement and a Combustion chamber window, through which the light can enter from outside into the combustion chamber.
  • the laser light source 10 is controlled by an electronic motor control 13, from the angle encoder 14, a crank angle ⁇ and the schematic shown transducers or measuring devices 15 and 16 receives values that the Motor power N or the speed n correspond.
  • the electronic engine control still values for the current cylinder pressure, which is detected via transducer 17.
  • the cylinder pressure values are designated P1 to P6.
  • each cylinder a separate laser in the laser light source 10 his. But it is also possible to work with a single laser and the Laser light beams for the individual cylinders, for example by beam splitters or rotating mirrors, split.
  • laser light sources for one or more cylinders may preferably diode laser pumped solid state lasers, such as YB lasers or Nd / YAG lasers, be provided. These laser light sources can be active or passive Q-switched laser to allow an exact timing triggering.
  • the wavelength of the laser light used is favorably above 400 nm, preferably over 800 nm, ie in the infrared range. But other wavelengths are quite conceivable and possible.
  • the ignition energy of a Ignition process used laser pulse is less than 20 mJ, preferably less than 5 mJ. Even with lean mode of operation can be optimal position of the focus and the Intensity distribution even with ignition energies of less than 3 mJ.
  • the Pulse duration of the individual laser light pulse is favorably between 1 ns and 10 ns, preferably between 5 ns and 50 ns. This also allows the use of Laser diodes that directly provide the ignition laser pulse than not just one Pump solid state laser.
  • a piston 19 is shown in top dead center.
  • the Piston 19 has a piston recess 19a with a depth t between the upper edge 19b and the bottom 19c of the piston bowl.
  • the intake valve 20 and the exhaust valve 21 are shown only schematically because they correspond to the prior art.
  • the Piston can also be a combustion chamber disc or a depression, up to the Cylinder liner is sufficient. In such a, for example, a nose annular circumferential recess is an "external" Piston bowl.
  • a combustion chamber window 22 is now preferably made of sapphire, via the laser light 23 after focusing on the lens 24 in the combustion chamber 25 is introduced as a triggered laser ignition pulse.
  • the combustion chamber 25 is a pre-chamberless Main combustion chamber in which the focus 26 of the laser light is located.
  • the focus 26 of the laser light lies in the piston recess 19a of the Piston 19, and at a distance a, between 25% and 75% of the bowl depth d is. Due to this spatial position of the focus far inside the combustion chamber A good ignition even over lean air-fuel mixtures Lambda value of 1.9.
  • FIG. 3 shows another embodiment with two combustion chamber windows 22 and two Einkopplungsoptiken 24, each one via the Lichtleitphase 11 supplied Laser light pulse at spatially offset locations (focus 26) in the combustion chamber into focus.
  • the two Laser light pulses can be from the same laser light source or the same laser come. But it is also possible to use separate lasers. Also can these two laser light pulses offset in time to the ignition during one and the same Working cycle or to initiate the same be used.
  • the laser ignition also allows a possible through the possible small combustion chamber window lateral access to the combustion chamber (eg normal to the cylinder axis).
  • the coupling optics may include one or more lenses 24. It is also possible to design the combustion chamber window 22 itself as a lens.
  • the coupling-in optics Laser light beam not focused down to a maximum small beam cross-section. Rather, it has been shown when the maximum measured transversely to the beam direction Intensity half-width of the laser light beam in focus between 20 ⁇ m and 300 ⁇ m, preferably between 40 microns and 100 microns.
  • FIGS. 4a and 4b show the intensity distribution in the two mutually perpendicular and both perpendicular to the beam direction X and Y.
  • Figs. 4a and 4b show that the intensity half-widths in the directions X and Y, namely the sizes B X and B Y are different in size. However, they are both conveniently located in the above-mentioned area. In any case, it is favorable if the intensity half-widths B X and B Y are above 40 ⁇ m. Likewise favorable, a bell-shaped in the cross-sectional profile intensity distribution, as shown in FIGS. 4a and 4b in about, has been found to be low.
  • Fig. 6 shows that the laser ignition according to the invention also in a Combustion engine can be used with an antechamber.
  • the antechamber is denoted by 27. It may, but need not, be a separate one Fuel supply (gas line 28) have.
  • the antechamber points in the usual way a prechamber combustion chamber 27 a, which via overflow openings 29 with the Main combustion chamber 25 communicates.
  • the focus is 26 of the page over the Lens-shaped combustion chamber windows coupled laser light is located in the Center of the prechamber combustion chamber 26.
  • the laser ignition according to the invention is not only suitable for stationary gas engines, but also for (mobile) petrol engines or (mobile) gas engines.
  • the laser ignition is also suitable for the new combustion concepts of the Diesel Engine - HCCI (Homogeneous Compressed Charge Ignition), where they are can preferably be used as ignition indicator.
  • Diesel Engine - HCCI Homogeneous Compressed Charge Ignition

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Abstract

Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, bei dem die Verbrennung eines im Zylinder durch einen Kolben komprimierten homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches durch eine zeitlich gesteuerte Fremdzündung eingeleitet wird, wobei das Kraftstoff-Luft-Verhältnis des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum (25) größer als 1,9 ist und zur zeitlich gesteuerten Fremdzündung mindestens eine Laserlichtquelle (10), mindestens eine optische Übertragungseinrichtung (11) und mindestens eine Einkopplungsoptik (12) zum Fokussieren von Laserlicht in einen Brennraum (25) vorgesehen sind. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, bei dem die Verbrennung eines im Zylinder durch einen Kolben komprimierten homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches durch eine zeitlich gesteuerte Fremdzündung eingeleitet wird.
Derartige Motoren werden in der Literatur als Ottomotoren bezeichnet. Sie können beispielsweise als Vergaser-Ottomotoren, Einspritz-Ottomotoren oder Gas-Ottomotoren ausgeführt sein, wobei letztere mit einem im Normalzustand gasförmigen Kraftstoff betrieben werden. Bei Ottomotoren wird ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch (Variation des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses Lamda über den Brennraum von weniger als 10%) über eine Fremdzündung, üblicherweise eine Zündkerze, gezündet. Vor allem bei stationären Gasmotoren mit immer höheren spezifischen Leistungen hat sich gezeigt, dass die Standzeiten der Zündkerzen nicht zufriedenstellend lange sind. Man hat dann versucht, durch Edelmetallauflagen, beispielsweise Platinlegierungen, die Standzeiten zu erhöhen. Dies ist auch teilweise gelungen, jedoch sind die Standzeiten insgesamt immer noch nicht zufriedenstellend. Ungünstig ist auch die Tatsache, dass bei Zündkerzen der Elektrodenabstand nach einer bestimmten Betriebsdauer nachgestellt werden muss. Dazu ist das Abschalten des Verbrennungsmotors nötig.
Weiters ist es bekannt, Motoren in magerer Betriebsweise zu betreiben, dh mit einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis Lambda, welches weit über dem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnis von Lambda = 1 liegt. Typische Lambda-Werte von solchen Magermotoren mit einem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch bei Erdgas liegen in der Größenordnung von 1,4 bis 1,7. Im günstigsten Fall sind Werte bis zu 1,8 möglich. Zur Reduzierung der Schadstoffemissionen, insbesondere der NOx-Anteile in den Abgasen, wäre ein höherer Lambda-Wert, also ein magereres Gemisch günstig. Versuche der Anmelderin und die einschlägige Literatur (beispielsweise "Internal Combustion Engine Fundamentals, John B. Heywood, McGraw Hillbook Company, 1988, Seiten 403 und 426) zeigen jedoch klar, dass mit einer Funkenzündung über Zündkerzen magere Gemische mit einem Lambda-Wert von über etwa 1,7 in einem Verbrennungsmotor (Ottomotor) mit homogenem Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht zündbar sind.
Zur Vermeidung dieser Probleme ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Kraftstoff-Luft-Verhältnis des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum größer als 1,9 ist und zur zeitlich gesteuerten Fremdzündung mindestens eine Laserlichtquelle, mindestens eine optische Übertragungseinrichtung und mindestens eine Einkopplungsoptik zum Fokussieren von Laserlicht in einen Brennraum vorgesehen sind.
Versuche der Anmelderin haben gezeigt, dass mit einer Laserzündung anstelle der bisherigen Funkenzündung über Zündkerzen auch sehr magere Gemische mit einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis Lambda von größer als 1,9 sicher zündbar sind. Die Zündung von Kraftstoff-Luft-Gemischen mittels Laserzündung ist an sich bereits bekannt. Überraschenderweise haben aber Versuche der Anmelderin gezeigt, dass das bestehende Vorurteil der Fachwelt, dass sich magere Kraftstoff-Luft-Gemische mit einem Lambda-Wert von größer als 1,7 nicht fremdzünden lassen, gerade mit der Laserzündung überwinden lassen. Es wurde somit erstmals ein fremdgezündeter, sehr magerer Ottomotor möglich, der sich neben einem geringen Kraftstoffverbrauch auch durch sehr niedrige Emissionswerte, insbesondere NOx-Werte auszeichnet.
Versuche der Anmelderin haben gezeigt, dass die Laserzündung auch bei magersten Kraftstoff-Luft-Gemischen mit einem Lambda-Wert von größer als 2 und sogar größer als 2,1 sicher gezündet werden können. Solche Magermotoren stellen bevorzugt die Ausführungsformen der Erfindung dar.
Eine Variante der Erfindung besteht darin, dass zur zeitlich gesteuerten Fremdzündung mindestens eine Laserlichtquelle, mindestens eine optische Übertragungseinrichtung und mindestens eine Einkopplungsoptik zum Fokussieren von Laserlicht in einen Brennraum vorgesehen sind, und dass der Kolben mindestens eines Zylinders eine Kolbenmulde aufweist und wenigstens ein Fokus des Laserlichts bei oberer Totpunktslage des Kolbens in der Kolbenmulde liegt. Die Laserzündung ermöglicht es, den Zündort des Kraftstoff-Luft-Gemisches "tiefer" in den Brennraum, insbesondere in die Kolbenmulde zu legen. Es hat sich gezeigt, dass sich dies günstig auf die Zündfähigkeit auswirkt.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass die Zündenergie des oder der für einen Zündvorgang eingesetzten Laserlichtpuls(e) unter 20 mJ (Millijoule) und bei optimalem Zündort sogar unter 3 mJ liegen kann. Dies wiederum ermöglicht den Einsatz von sehr kostengünstigen Lasern, beispielsweise einem Diodengepumpten Festkörperlaser, insbesondere einen Nd/YAG-Lasers. Es ist sogar möglich, direkt Laserdioden als Laserlichtquellen für den Zündlaserpuls zu verwenden.
Während bisherige Überlegungen dahin gingen, den Laserlichtstrahl möglichst stark herunterzufokussieren, um eine hohe räumliche Energiedichte zu bekommen, haben wiederum Versuche der Anmelderin gezeigt, dass ein endlicher, nicht gegen Null gehender Strahlquerschnitt des Laserlichtstrahles im Fokus günstig ist. Besonders günstig ist eine in etwa glockenförmige laterale Intensitätsverteilung mit einer Halbwärtsbreite in der Größenordnung zwischen 20 µm und 300 µm, vorzugsweise zwischen 40 µm und 100 µm. Es ist entgegen früherer Erwartungen also durchaus günstig, wenn die Intensitäts-Halbwertsbreite über 40 µm liegt, was sich durch eine entsprechende Einkopplungsoptik leicht erreichen lässt.
Zur Zündung von besonders mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen (vor allem bei großvolumigen stationären Gasmotoren) ist es günstig, wenn zur zeitlich gesteuerten Fremdzündung mindestens eine Laserlichtquelle, mindestens eine optische Übertragungseinrichtung und mindestens eine Einkopplungsoptik zum Fokussieren von Laserlicht in einen Brennraum vorgesehen sind, und dass zum Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder zwei oder mehrere Laserlichtstrahlen mit räumlich versetzter Fokuslage vorgesehen sind. Durch diese Maßnahme kann auch bei sich relativ langsam ausbreitenden Flammfronten in mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen eine zuverlässige Zündung erzielt werden.
Es ist bei Ottomotoren grundsätzlich bereits bekannt, pro Arbeitstakt zwei oder mehrere Zündimpulse zur Zündung an verschiedenen Orten zu verwenden. Bei stationären Magergasmotoren wurde eine Mehrfachzündung bisher jedoch nicht eingesetzt. Versuche der Anmelderin haben gezeigt, dass mit einer solchen Doppeloder Mehrfachzündung bei Magermotoren hervorragende Ergebnisse erzielt werden können. Es ist zu vermuten, dass die guten Zündeigenschaften bei dieser Variante darauf zurückzuführen sind, dass der erste Laserpuls eine Dissoziation der Kraftstoffanteile in Komponenten hervorruft, die dann durch den zweiten oder weitere Laserpulse leichter entzündbar sind.
Jedenfalls ermöglicht diese Doppel- oder Mehrfachzündung auch eine direkte Intensitätsregelung, wenn man den Zylinderdruck jedes Zylinders aktiv erfasst und einer Regeleinrichtung zuführt. Man kann nämlich anhand des Zylinderdrucks leicht feststellen, ob der erste Laserpuls bereits zur Zündung geführt hat. Wenn dies der Fall ist, können der zweite und allfällige weitere Laserpulse auf einem Standardniveau bleiben. Hat aber der erste Laserpuls nicht zu einer Zündung geführt, was sich in einem geringeren Zylinderdruckanstieg widerspiegelt, so kann die Motorsteuerung bzw. die darin vorgesehene Regelung sofort den zweiten Laserpuls in seiner Intensität und gegebenenfalls in seiner Dauer erhöhen, um dennoch eine sichere Zündung bei diesem Arbeitstakt zu erzielen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert.
  • Die Fig. 1 zeigt ein Schema eines Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors,
  • die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsvariante eines Zylinders eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors in einem schematischen Längsschnitt,
  • die Fig. 3 zeigt dieselbe Darstellung wie die Fig. 2 für ein anderes Ausführungsbeispiel, die Fig. 4a und 4b zeigen den Intensitätsverlauf des Laserlichtstrahles im Fokus in eine erste Richtung X senkrecht auf den Laserlichtstrahl und in eine zweite auf die Richtung X senkrecht in Richtung Y,
  • die Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Laserlichtintensität bei einer geregelten Dreifachzündung pro Arbeitstakt,
  • die Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors anhand eines Zylinders mit einer Vorkammer.
    • Bei dem in Fig. 1 dargestellten Verbrennungsmotor handelt es sich um einen sechszylindrigen stationären Gas-Ottomotor 1 mit einem Einlasstrakt 2 und einem Auspufftrakt 3. In einem Gasmischer 3 wird über die Leitung 4 zugeführtes Gas, beispielsweise Methan, mit über die Leitung 5 zugeführter Luft gemischt. Anstelle eines üblichen Gasmischers kann auch eine Eindüsung von Gas in eine Luftleitung erfolgen.
    Über den Turbolader-Verdichter 6 wird das Gas-Luft-Gemisch verdichtet und gelangt über den Gemischkühler 7 und die Drosselklappe 8 in den Raum vor die nicht näher dargestellten Einlassventile des Motors 1. In der Abgasleitung 3 ist das Turbinenrad 9 des Turboladers angeordnet. Soweit entspricht die Motoranordung dem Stand der Technik.
    Neu ist, dass der in Fig. 1 dargestellte Motor mit einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis Lambda (λ) größer als 1,9 betrieben ist und zur Zündung eine Laserzündung vorgesehen ist. Diese Laserzündung umfasst eine allgemein mit 10 bezeichnete Laserlichtquelle, eine beim vorliegenden Ausführungsbeispiel aus flexiblen Lichtleitern 11 bestehende optische Übertragungseinrichtung und für jeden der sechs Zylinder eine schematisch dargestellte Einkopplungsoptik 12. Diese Einkopplungsoptik besteht im wesentlichen aus einer fokussierenden Linse bzw. Linsenanordnung und einem Brennraumfenster, über das das Licht von außen in den Brennraum gelangen kann. Die Laserlichtquelle 10 wird von einer elektronischen Motorsteuerung 13 angesteuert, die aus dem Winkelgeber 14, einem Kurbelwinkelwert α und die schematisch dargestellten Aufnehmer bzw. Messeinrichtungen 15 und 16 Werte empfängt, die der Motorleistung N bzw. der Drehzahl n entsprechen. Außerdem empfängt die elektronische Motorsteuerung noch Werte für den aktuellen Zylinderdruck, welcher über Aufnehmer 17 erfasst wird. Die Zylinderdruckwerte sind mit P1 bis P6 bezeichnet. Zur zeitlichen Festlegung der Laserzündimpulse zu den einzelnen Zylindern wird vor allem das Kurbelwellenwinkelsignal herangezogen, wie dies bei Funkenzündungen an sich bereits bekannt ist.
    Es kann für jeden Zylinder ein eigener Laser in der Laserlichtquelle 10 vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, mit einem einzigen Laser zu arbeiten und die Laserlichtstrahlen für die einzelnen Zylinder, beispielsweise durch Strahlteiler oder rotierende Spiegel, aufzuteilen.
    Als Laserlichtquellen für einen oder mehrere Zylinder können vorzugsweise diodenlasergepumpte Festkörperlaser, wie beispielsweise YB-Laser oder Nd/YAG-Laser, vorgesehen sein. Diese Laserlichtquellen können einen aktiv oder passiv gütegeschalteten Laser umfassen, um eine exakte zeitliche Triggerung zu erlauben. Die Wellenlänge des verwendeten Laserlichts liegt günstigerweise über 400 nm, vorzugsweise über 800 nm, also im Infrarotbereich. Andere Wellenlängen sind aber durchaus denkbar und möglich.
    Es hat sich gezeigt, dass es ausreicht, wenn die Zündenergie des für einen Zündvorgang eingesetzten Laserpulses unter 20 mJ, vorzugsweise unter 5 mJ liegt. Selbst bei magerer Betriebsweise kann man bei optimaler Lage des Fokus und der Intensitätsverteilung sogar mit Zündenergien von unter 3 mJ auskommen. Die Pulsdauer des einzelnen Laserlichtpulses liegt günstigerweise zwischen 1 ns und 10 ns, vorzugsweise zwischen 5 ns und 50 ns. Dies erlaubt auch den Einsatz von Laserdioden, die direkt den Zündlaserpuls bereitstellen, als nicht nur einen Festkörperlaser pumpen.
    Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Fig. 2 wird ein Ausführungsbeispiel näher erläutert. Im Zylinder 18 ist ein Kolben 19 in oberer Totpunktslage dargestellt. Der Kolben 19 weist eine Kolbenmulde 19a mit einer Tiefe t zwischen der Oberkante 19b und dem Boden 19c der Kolbenmulde auf. Das Einlassventil 20 und das Auslassventil 21 sind nur schematisch dargestellt, weil sie dem Stand der Technik entsprechen. Der Kolben kann auch eine Brennraumscheibe bzw. eine Vertiefung, die bis an die Zylinderbüchse reicht, aufweisen. Bei der einer solchen, beispielsweise um eine Nase ringförmig umlaufenden Vertiefung handelt es sich um eine "außenliegende" Kolbenmulde.
    Anstelle der bisherigen Zündkerze ist nunmehr ein Brennraumfenster 22 vorzugsweise aus Saphir vorgesehen, über das Laserlicht 23 nach Fokussierung über die Linse 24 in den Brennraum 25 als getriggerter Laserzündimpuls eingebracht wird.
    Wie die Fig. 2 zeigt, handelt es sich bei dem Brennraum 25 um einen vorkammerlosen Hauptbrennraum, in dem der Fokus 26 des Laserlichts liegt.
    Genauer gesagt, liegt der Fokus 26 des Laserlichts in der Kolbenmulde 19a des Kolbens 19, und zwar in einem Abstand a, der zwischen 25% und 75% der Muldentiefe d beträgt. Durch diese räumliche Lage des Fokus weit im Inneren des Brennraumes wird eine gute Entzündung auch bei mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen über einem Lambda-Wert von 1,9 erzielt.
    Die Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform mit zwei Brennraumfenstern 22 und zwei Einkopplungsoptiken 24, die jeweils einen über die Lichtleitphase 11 zugeführten Laserlichtimpuls an räumlich versetzten Stellen (Fokus 26) in den Brennraum hineinfokussieren. Bei diesem Ausführungsbeispiel gibt es also zwei räumlich beabstandete Zündstellen, was vor allem bei sehr mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen und großvolumigen Motoren zu einer verbesserten Zündung führt. Die beiden Laserlichtpulse können aus derselben Laserlichtquelle bzw. demselben Laser stammen. Es ist aber auch möglich, getrennte Laser zu verwenden. Auch können diese beiden Laserlichtpulse zeitlich versetzt zur Zündung während ein und desselben Arbeitstaktes bzw. zur Einleitung desselben eingesetzt werden.
    Die Laserzündung erlaubt auch durch das mögliche kleine Brennraumfenster einen seitlichen Zugang zum Brennraum (zB normal zur Zylinderachse).
    Die Einkopplungsoptik kann eine oder mehrere Linsen 24 aufweisen. Es ist aber auch möglich, das Brennraumfenster 22 selbst als Linse zu gestalten.
    Wie bereits eingangs erwähnt, ist es günstig, wenn die Einkopplungsoptik den Laserlichtstrahl nicht auf einen maximal kleinen Strahlquerschnitt herunterfokussiert. Vielmehr hat sich gezeigt, wenn die quer zur Strahlrichtung gemessene maximale Intensitätshalbwertsbreite des Laserlichtstrahls im Fokus zwischen 20 µm und 300 µm, vorzugsweise zwischen 40 µm und 100 µm liegt.
    Die Fig. 4a und 4b zeigen die Intensitätsverteilung in die beiden untereinander senkrechten und beide senkrecht auf die Strahlrichtung liegenden Richtungen X und Y. Diese Fig. 4a und 4b zeigen, dass die Intensitäts-Halbwertsbreiten in den Richtungen X und Y, nämlich die Größen BX und BY verschieden groß sind. Sie liegen aber beide günstigerweise in dem oben angeführten Bereich. Jedenfalls ist es günstig, wenn die Intensitäts-Halbwertsbreiten BX und BY über 40 µm liegen. Ebenfalls günstig hat sich eine im Querschnittsprofil glockenförmige Intensitätsverteilung, wie sie die Fig. 4a und 4b in etwa zeigen, als günstig herausgestellt.
    Die Fig. 5 zeigt eine zeitliche Abfolge von Laserzündimpulsen zur Zündung bzw. Einleitung aufeinanderfolgender Arbeitstakte, wobei pro Zündvorgang 3 Intensität verschieden hohe Laserlichtimpulse in knapper zeitlicher Aufeinanderfolge zum Einsatz kommen. Durch eine solche zeitlich gestaffelte Mehrfachzündung kann eine zuverlässige Entzündung auch von sehr mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen erzielt werden. Außerdem erlaubt eine solche Mehrfachzündung eine Echtzeitregelung der Laserlichtintensität über den Zylinderdruck, und zwar dergestalt, dass dann, wenn der erste Laserlichtpuls zu keiner Zündung führt (was an einem flacheren Anstieg des gemessenen Zylinderdruck erkennbar ist), die Intensität des zweiten Laserlichtimpulses erhöht wird, wie dies bei der dritten Zündimpulsgruppe in Fig. 5 rechts gezeigt ist. Die erhöhte Lichtintensität führt dann zu einer sicheren Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Man kann damit die Laserlichtenergie auf ein Minimum reduzieren und dennoch eine zuverlässige Zündung erzielen. Dies ist im Hinblick auf die Kosten und die Lebensdauer der verwendeten Komponenten von großen Vorteil.
    Die Fig. 6 zeigt, dass die erfindungsgemäße Laserzündung auch bei einem Verbrennungsmotor mit einer Vorkammer eingesetzt werden kann.
    Die Vorkammer ist mit 27 bezeichnet. Sie kann, muss aber nicht, eine gesonderte Kraftstoffzuführung (Gasleitung 28) aufweisen. Die Vorkammer weist in üblicher Weise einen Vorkammerbrennraum 27a auf, der über Überströmöffnungen 29 mit dem Hauptbrennraum 25 in Verbindung steht. Der Fokus 26 des von der Seite über das linsenförmig ausgebildete Brennraumfenster eingekoppelten Laserlichts liegt im Zentrum des Vorkammer-Brennraums 26.
    Die erfindungsgemäße Laserzündung eignet sich nicht nur für stationäre Gasmotoren, sondern auch für (mobile) Benzinmotoren oder (mobile) Gasmotoren.
    Die Laserzündung ist auch geeignet für die neuen Verbrennungskonzepte des Dieselmotors - HCCI (Homogeneus Compressed Charge Ignition), wo sie vorzugsweise als Zündindikator eingesetzt werden kann.

    Claims (27)

    1. Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, bei dem die Verbrennung eines im Zylinder durch einen Kolben komprimierten homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches durch eine zeitlich gesteuerte Fremdzündung eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff-Luft-Verhältnis des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum (25) größer als 1,9 ist und zur zeitlich gesteuerten Fremdzündung mindestens eine Laserlichtquelle (10), mindestens eine optische Übertragungseinrichtung (11) und mindestens eine Einkopplungsoptik (12) zum Fokussieren von Laserlicht in einen Brennraum (25) vorgesehen sind.
    2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder einen vorkammerlosen Hauptbrennraum (25) mit Ein- und Auslassventilen (20, 21) aufweist und mindestens ein Fokus (26) des Laserlichtes im Hauptbrennraum (25) liegt. (Fig. 2)
    3. Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, bei dem die Verbrennung eines im Zylinder durch einen Kolben komprimierten homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches durch eine zeitlich gesteuerte Fremdzündung eingeleitet wird, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur zeitlich gesteuerten Fremdzündung mindestens eine Laserlichtquelle (10), mindestens eine optische Übertragungseinrichtung (11) und mindestens eine Einkopplungsoptik (12) zum Fokussieren von Laserlicht in einen Brennraum (25) vorgesehen sind, und dass der Kolben (19) mindestens eines Zylinders eines Kolbenmulde (19a) aufweist und wenigstens ein Fokus (26) des Laserlichts bei oberer Totpunktslage des Kolbens (19) in der Kolbenmulde (19a) liegt. (Fig. 2)
    4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) mindestens eines Fokus (26) des Laserlichts vom Boden (19e) der Kolbenmulde (19a) zwischen 25% und 75% der Muldentiefe (d) liegt. (Fig. 2)
    5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylindern eine Vorkammer aufweist, in die gegebenenfalls eine gesonderte Kraftstoff-Zufuhr mündet und deren Vorkammer-Brennraum über Überströmöffnungen mit dem Hauptbrennraum in Verbindung steht, wobei mindestens ein Fokus des Laserlichts im Vorkammer-Brennraum liegt und das Kraftstoff-Luft-Verhältnis im Hauptbrennraum oder im Vorkammerbrennraum über 1,9 liegt.
    6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er ein vorzugsweise mehrzylindriger Vergaser-Ottomotor, ein Einspritz-Ottomotor oder ein mit im Normalzustand gasförmigen Kraftstoff betriebenen Gas-Ottomotor (1) ist.
    7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er ein stationärer Motor (1) ist.
    8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle einen vorzugsweise diodenlasergepumpten Festkörperlaser aufweist, wobei als Festkörperlaser bevorzugt ein Yb-Laser und/oder Nd-Laser - vorzugsweise Nd-Laser mit G4+sättigbarem Absorber - und/oder ein Nd/YAG-Laser ist.
    9. Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, bei dem die Verbrennung eines im Zylinder durch einen Kolben komprimierten homogenen Krafstoff-Luft-Gemisches durch eine zeitlich gesteuerte Fremdzündung eingeleitet wird, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserlichtquelle zumindest eine Laserdiode zum direkten Erzeugen von zur Fremdzündung eingesetzten Laserlichtpulse aufweist.
    10. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle zumindest eine Laserdiode umfasst, deren Licht über eine Einkopplungsoptik, einen vorzugsweise flexiblen Lichtleiter und eine Einkopplungsoptik in den Brennraum gelangt.
    11. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle einen aktiv oder passiv gütegeschalteten Laser umfasst.
    12. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des Laserlichts über 400 nm, vorzugsweise über 800 nm, liegt.
    13. Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, bei dem die Verbrennung eines im Zylinder durch einen Kolben komprimierten homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches durch eine zeitlich gesteuerte Fremdzündung eingeleitet wird, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur zeitlich gesteuerten Fremdzündung mindestens eine Laserlichtquelle (10), mindestens eine optische Übertragungseinrichtung (11) und mindestens eine Einkopplungsoptik (12) zum Fokussieren von Laserlicht in einen Brennraum (25) vorgesehen sind, und dass die Zündenergie des oder der für einen Zündvorgang eingesetzten Laserlichtpuls(e) unter 20 mJ, vorzugsweise unter 5 mJ liegt.
    14. Verbrennungsmotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündenergie des oder der für einen Zündvorgang eingesetzten Laserlichtpuls(e) unter 3 mJ liegt.
    15. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer eines Laserlichtpulses zwischen 1 ns und 100 ns, vorzugsweise zwischen 5 ns und 50 ns liegt.
    16. Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, bei dem die Verbrennung eines im Zylinder durch einen Kolben komprimierten homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches durch eine zeitlich gesteuerte Fremdzündung eingeleitet wird, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur zeitlich gesteuerten Fremdzündung mindestens eine Laserlichtquelle (10), mindestens eine optische Übertragungseinrichtung (11) und mindestens eine Einkopplungsoptik (12) zum Fokussieren von Laserlicht in einen Brennraum (25) vorgesehen sind, und dass die quer zur Strahlrichtung gemessene Intensitäts-Halbwertsbreite (bx, by) des Laserlichtstrahles im Fokus über 40 µm liegt.
    17. Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, bei dem die Verbrennung eines im Zylinder durch einen Kolben komprimierten homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches durch eine zeitlich gesteuerte Fremdzündung eingeleitet wird, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur zeitlich gesteuerten Fremdzündung mindestens eine Laserlichtquelle (10), mindestens eine optische Übertragungseinrichtung (11) und mindestens eine Einkopplungsoptik (12) zum Fokussieren von Laserlicht in einen Brennraum (25) vorgesehen sind, und dass die quer zur Strahlrichtung gemessene maximale Intensitäts-Halbwertsbreite (bx, by) des Laserlichtstrahles im Fokus (26) zwischen 20 µm und 300 µm, vorzugsweise zwischen 40 µm und 100 µm liegt.
    18. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Übertragungseinrichtung flexible Lichtleiter (11) umfasst.
    19. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplungsoptik ein vorzugsweise aus Saphir bestehendes Brennraumfenster (22) und außerhalb des Brennraumes eine Linse (24) oder eine Linsenanordnung zum Fokussieren von Laserlicht durch das Brennraumfenster (22) hindurch in den Brennraum (25) aufweist.
    20. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster (22) der Einkoppelungsoptik selbst als Linse ausgebildet ist.
    21. Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, bei dem die Verbrennung eines im Zylinder durch einen Kolben komprimierten homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches durch eine zeitlich gesteuerte Fremdzündung eingeleitet wird, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur zeitlich gesteuerten Fremdzündung mindestens eine Laserlichtquelle (10), mindestens eine optische Übertragungseinrichtung (11) und mindestens eine Einkopplungsoptik (12) zum Fokussieren von Laserlicht in einen Brennraum (25) vorgesehen sind, und dass zum Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder (18) zwei oder mehrere Laserlichtstrahlen mit räumlich versetzter Fokuslage (26) vorgesehen sind. (Fig. 3)
    22. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Zylinder zwei oder mehrere Laserlichtquellen vorgesehen sind.
    23. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Motorsteuerung (13) vorgesehen, die in Abhängigkeit von erfassten Motorparametern, wie beispielsweise dem Kurbelwellenwinkel (α), der Drehzahl (n), der Motorleistung (N), dem aktuellen Zylinderdruck (Pi) im Brennraum die Laserlichtquelle(n) (10) ansteuert und dabei Laserlichtparameter wie die zeitliche Abfolge, die Pulsdauer und/oder die Zündenergie festlegt.
    24. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch pro Arbeitstakt eines Zylinders durch mindestens zwei zeitlich aufeinanderfolgende Laserlichtpulse gezündet wird.
    25. Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, bei dem die Verbrennung eines im Zylinder durch einen Kolben komprimierten homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches durch eine zeitlich gesteuerte Fremdzündung eingeleitet wird, insbesondere nach Anspruch 23 und 24, dadurch gekennzeichnet, dass zur zeitlich gesteuerten Fremdzündung mindestens eine Laserlichtquelle (10), mindestens eine optische Übertragungseinrichtung (11) und mindestens eine Einkopplungsoptik (12) zum Fokussieren von Laserlicht in einen Brennraum (25) vorgesehen sind, und dass eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, die die Zündenergie eines zweiten und/oder allfälliger weiterer Laserlichtpulse während desselben Arbeitstaktes eines Zylinders in Abhängigkeit vom aktuellen Zylinderdruck nach dem ersten Laserlichtpuls regelt. (Fig. 5)
    26. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraft-Luft-Verhältnis des Kraft-Luft-Gemisches größer als 2, vorzugsweise größer als 2,1 ist.
    27. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass als Kraftstoff ein Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoffgemisch, insbesondere Benzin, Dieselöl, Erdgas oder Propan, eingesetzt ist.
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