EP2072811A1 - Device for focusing laser light in a combustion chamber of a combustion engine - Google Patents

Device for focusing laser light in a combustion chamber of a combustion engine Download PDF

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Publication number
EP2072811A1
EP2072811A1 EP08021432A EP08021432A EP2072811A1 EP 2072811 A1 EP2072811 A1 EP 2072811A1 EP 08021432 A EP08021432 A EP 08021432A EP 08021432 A EP08021432 A EP 08021432A EP 2072811 A1 EP2072811 A1 EP 2072811A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
window
laser
laser light
structural element
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Withdrawn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
EP08021432A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Friedrich Gruber
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
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 filed Critical GE Jenbacher GmbH and Co OHG
Publication of EP2072811A1 publication Critical patent/EP2072811A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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

Definitions

  • the invention relates to a device for coupling laser light in a combustion chamber of an internal combustion engine, comprising a combustion chamber window and a structural element, wherein the combustion chamber window on the structural element is releasably fastened. Furthermore, the invention relates to a laser spark plug, a cylinder of an internal combustion engine and an internal combustion engine comprising a device of the aforementioned type.
  • the laser ignition is currently in an intensive development phase, whereby in addition to the actual laser technology, great attention is currently placed on the motor aspects, in particular on the feasibility of the series.
  • the principle of laser ignition is based on the fact that an intense laser pulse is introduced into the combustion chamber of the engine and focused there on a focal point. At this focal point, the intensity exceeds a threshold sufficient to ignite a plasma arc.
  • This plasma bomb is able to ignite a fuel-air mixture in the combustion chamber of an engine in a similar way as the spark of a conventional spark ignition.
  • the laser pulse is generated by a solid-state laser, which is integrated together with the input and output optics in a housing attached to the cylinder head.
  • This unit is called in analogy with the conventional spark ignition as a laser spark plug.
  • the ignition laser is typically optically pumped by a semiconductor laser connected to the laser spark plug via an optical fiber.
  • the pumping process during which the excitation of the laser-active atoms in the solid-state crystal takes place until the laser pulse starts to oscillate, takes approximately 200 ⁇ s - 400 ⁇ s.
  • the ignition pulse itself has the duration of a few nanoseconds.
  • the coupling optics of the laser pulse into the combustion chamber of the internal combustion engine consists of a suitable lens system and the so-called combustion chamber window, which represents the last optical element before the jet entry into the combustion chamber.
  • the advantage of the laser ignition compared to the conventional spark ignition is, inter alia, that the spark can be placed freely in the depth of the combustion chamber, where optimal flaming conditions exist.
  • the combustion introduction takes place in the conventional spark ignition in the immediate vicinity of the combustion chamber wall, wherein the flat, the spark limiting electrodes hinder the Flammkem Struktur.
  • the energy of the laser spark can be greatly increased by increasing the power of the laser system, without resulting in increased wear, as is the case for example in the spark ignition by the electrode wear.
  • Another advantage of laser ignition is that with increasing engine power, the minimum required pulse energy (that is, that energy of the plasma arc that is minimally required to ignite the fuel-air mixture) decreases.
  • the conventional spark ignition systems are increasingly reaching the system limits in the future planned engine output.
  • One of the main problems in the realization and serial implementation of the laser ignition is, among other things, the guarantee or maintenance of the optical properties of the combustion chamber window over the running time of the engine.
  • high thermochemical loads and the deposition of solid residues from the combustion process can cloud the surface, thereby both weakening (ie, partially absorbing) and scattering the beam, resulting in either a substantial reduction in energy Plasmafunkens or even to the absence of the plasma arc leads.
  • the object is to provide a device of the type mentioned, in which the disadvantages mentioned are reduced.
  • a device for coupling laser light into a combustion chamber of an internal combustion engine, comprising a combustion chamber window and a structural element, wherein the combustion chamber window on the structural element is detachably fastened, which is characterized in that an optical window is provided, which is arranged on the structural element and the combustion chamber window is at least partially covered.
  • combustion chamber window By a structure element releasably fastened combustion chamber window can be easily replaced with appropriate contamination or damage to the combustion chamber window without, as before, the entire laser spark plug must be replaced.
  • Other prior art devices provide for integrating the combustion chamber window firmly into the cylinder of a combustion chamber. With such combustion chamber windows, an exchange can either not occur at all. When using laser ignition devices, such as laser spark plugs, the entire device must be replaced if the combustion chamber window is damaged or dirty.
  • the structural element can be understood, for example, as a kind of basic body.
  • the combustion chamber window is preceded by an optical window.
  • an optical window is provided, which is arranged on the structural element and is at least partially covered by the combustion chamber window.
  • This optical window can be designed to be particularly robust like a conventional combustion chamber window, so that the releasably attachable combustion chamber window can be made thinner, since the device or the laser light generating device by this optical window of the high temperatures, reactive conditions and pressures in the combustion chamber primarily shielded while the actual combustion chamber window only serves to protect the optical window.
  • the optical window represents the area where the laser light is extracted from the laser light generating device.
  • combustion chamber window can be easily replaced and replaced by loosening the attachment and the laser ignition device can be re-used in the engine block.
  • the combustion chamber window can be fastened to the structural element by means of a holding device. It may be conveniently provided that the cover by means of the holding device is non-positively and / or positively fastened to the structural element.
  • a particularly simple type of fixation can be realized by the combustion chamber window can be screwed by means of the holding device on the structural element.
  • a thread on the structural element and a corresponding mating thread can be provided on the holding device.
  • the screw is not only one of the simplest attachment mechanisms, but also the preferred, as a screw is both a stable and easily detachable connection.
  • attachment mechanisms such as a bayonet lock or latching connections, in which a catch projection on one part (structural element or holding device) and a receptacle for the latching projection is provided on the other part (holding device or structural element).
  • the fastening device is at least partially formed of metal or consists essentially of metal. It is particularly preferably provided that the combustion chamber window with the holding device is releasably attachable, since the combustion chamber window thus represents the only replacement part, while the remaining part of the holding device can be reused. Thus, the actual wear part is reduced to an ideally cost-effective element made of transparent or permeable material for the laser light used.
  • combustion chamber window is positively inserted in the cover and / or frictionally engaged.
  • the combustion chamber window is made at least in the region in which laser light is passed through the group of glass, sapphire, quartz, borosilicate glass, AION or mixtures thereof.
  • the device has a laser light generating device for emitting laser light. Furthermore, it can be provided that the device and the laser light generating device and optionally the optical window are formed as - preferably one-piece - laser spark plug.
  • the invention further relates to a laser spark plug comprising a device of the aforementioned type, and a cylinder of an internal combustion engine comprising a device of the aforementioned type wherein a part of the cylinder is formed by the structural element.
  • a laser spark plug comprising a device of the aforementioned type
  • a cylinder of an internal combustion engine comprising a device of the aforementioned type wherein a part of the cylinder is formed by the structural element.
  • the combustion chamber window on the cylinder or cylinder head of the cylinder is detachably fastened by means of a holding element.
  • the invention relates to an internal combustion engine comprising a device and / or a cylinder of the aforementioned type.
  • the device in the Fig. 1 represents a preferred embodiment.
  • the device further comprises a laser light generating device in the form of a Laser spark plug for emitting laser light, indicated by limiting beams 4.
  • the holding device 2 is releasably secured by means of a screw through a corresponding thread 11 on the holding device 2 and mating thread 12 on the structural element 1 and the device, which is formed entirely as a laser spark plug.
  • the laser light generating device is shown only in sections, since it can be made according to the prior art known per se.
  • the distances 13 between Auskoppelapt 8 and coupling optics 6 are chosen to be larger in practice in the ideal case than in the Fig. 1 (and also in the Fig. 2 ) in order to allow a better heat distribution in the device, or to avoid overheating in the device.
  • the optical window 5 limits the actual laser light generating device or laser spark plug. In practice, this means that, for example, a laser spark plug which is known per se and which is delimited at the laser light exit surface by an optical window 5, which normally takes on the task of a combustion chamber window, can be used.
  • a replaceable combustion chamber window 3 of preferably more favorable material can then be attached to the structural element 1 at this laser spark plug, for example via the holding device 2.
  • the combustion chamber window 3 is located on the optical window 5 or on the laser light exit surface 5a of the laser spark plug 1, since the pressure from the combustion chamber 10 is transferred to the optical window 5 (which itself anyway designed for such pressure loads).
  • the combustion chamber window 3 covers the optical window 5 and thus prevents deposits from the combustion chamber 10 from depositing on the optical window 3.
  • the holding device 2 is designed in the manner of a union nut. Between the optical window 5 of the holding device 2, the combustion chamber window 3 is arranged, which is pressed by the union nut to the laser light generating device or the laser light exit surface 5a of the optical window 5.
  • the laser light beam path 4 is focused by the coupling optics 6 on the focal point 7, which initiates the plasma ignition of a fuel-air mixture in the combustion chamber 10.
  • the typical combustion products are formed in which, for example, unburned residues are contained, which in the prior art directly on the laser light exit surface 5a of knock down the optical window 5.
  • the laser light generating device 1 can now be taken out of the engine block. Then, the holding device 2 is removed from the laser spark plug 1 and replaced the separate element 3. Subsequently, the "regenerated" laser spark plug can be reinserted into the engine block.
  • the holding device 2 can be made, for example, from a cylinder-shell-shaped basic body with holding elements for frictional or positive fastening to the structural element 1.
  • the cylinder jacket-shaped base body 2a may have a support web 2b, which is annular in the present case. This can just as well have other forms. It should only be suitable for fixing an element 3 for the laser light exit surface. Decisive for the optimal functioning of the device is that the optical window 5 in the course of the laser light 4 and the combustion chamber window 3 in the region of the laser light exit surface d is substantially transparent to the laser light 4 of the laser light generating device 1.
  • the invention eliminates the problem that, if the surface of the combustion chamber window is damaged or impaired, the complete Laser spark plug must be replaced.
  • This plate is not permanently connected to the laser spark plug, but is pressed here with a union nut to the optical window 5 of the laser spark plug 1,
  • the protective plate 3 is simple and inexpensive to manufacture, as well as easily and quickly cleaned or replaced can be.
  • the choice of material for this plate 3 can be limited solely to the thermo-chemical resistance, which opens up a higher potential for optimization than if additional aspects such as heat conduction and mechanical load bearing capacity must also be taken into account.
  • the thickness and the surface of the protective plate or protective combustion chamber window 3 can be selected so that radiation reflection is avoided as far as possible.
  • the claimed term "substantially permeable to the laser light” means that low absorption in the corresponding wavelength range transmission losses of ⁇ 25%, preferably ⁇ 10%, particularly preferably ⁇ 5% means.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

An internal combustion engine has laser beam (4) ignition within the combustion chamber (10). The laser beam is introduced to the cylinder through a window (3) held in situ by a structural element (1) from which it is detachable. The laser window has an optical window (5) attached to the structural element and partly covered by the combustion chamber window (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Laserlicht in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend ein Brennraumfenster und ein Strukturelement, wobei das Brennraumfenster am Strukturelement lösbar befestigbar ist. Weiters betrifft die Erfindung eine Laserzündkerze, einen Zylinder einer Brennkraftmaschine und eine Brennkraftmaschine umfassend eine Vorrichtung der vorgenannten Art.The invention relates to a device for coupling laser light in a combustion chamber of an internal combustion engine, comprising a combustion chamber window and a structural element, wherein the combustion chamber window on the structural element is releasably fastened. Furthermore, the invention relates to a laser spark plug, a cylinder of an internal combustion engine and an internal combustion engine comprising a device of the aforementioned type.

Die Laserzündung befindet sich derzeit in einer intensiven Entwicklungsphase, wobei neben der eigentlichen Lasertechnologie derzeit ein großes Augenmerk auf die motorischen Aspekte, insbesondere auf die Umsetzbarkeit in die Serie gelegt wird. Das Prinzip der Laserzündung beruht darauf, dass ein intensiver Laserimpuls in den Brennraum des Motors eingeleitet und dort auf einen Brennpunkt fokussiert wird. In diesem Brennpunkt überschreitet die Intensität einen Schwellwert, der zur Zündung eines Plasmafunkens ausreicht. Dieser Plasmafunke ist in ähnlicher Weise wie der Funke einer konventionellen Funkenzündung in der Lage, ein Treibstoff-Luftgemisch im Brennraum eines Motors zu entflammen.The laser ignition is currently in an intensive development phase, whereby in addition to the actual laser technology, great attention is currently placed on the motor aspects, in particular on the feasibility of the series. The principle of laser ignition is based on the fact that an intense laser pulse is introduced into the combustion chamber of the engine and focused there on a focal point. At this focal point, the intensity exceeds a threshold sufficient to ignite a plasma arc. This plasma bomb is able to ignite a fuel-air mixture in the combustion chamber of an engine in a similar way as the spark of a conventional spark ignition.

Für die Anwendung bei Brennkraftmaschinen sind die derzeit am intensivsten verfolgten Laserzündungskonzepte in der Weise ausgeführt, dass der Laserimpuls von einem Festkörperlaser erzeugt wird, der zusammen mit der Ein- und Auskoppeloptik in einem am Zylinderkopf befestigten Gehäuse integriert ist. Diese Einheit wird in Analogie mit der konventionellen Funkenzündung als Laserzündkerze bezeichnet. Der Zündlaser wird in der Regel optisch von einem Halbleiterlaser gepumpt, der mit der Laserzündkerze über eine optische Faser verbunden ist. Der Pumpvorgang, während dem die Anregung der laseraktiven Atome im Festkörperkristall bis zum Anschwingen und Durchbruch des Laserimpulses erfolgt, dauert etwa 200 µs - 400 µs. Der Zündimpuls selbst hat die Dauer von wenigen Nanosekunden.For the application in internal combustion engines currently the most intensively pursued laser ignition concepts are designed in such a way that the laser pulse is generated by a solid-state laser, which is integrated together with the input and output optics in a housing attached to the cylinder head. This unit is called in analogy with the conventional spark ignition as a laser spark plug. The ignition laser is typically optically pumped by a semiconductor laser connected to the laser spark plug via an optical fiber. The pumping process, during which the excitation of the laser-active atoms in the solid-state crystal takes place until the laser pulse starts to oscillate, takes approximately 200 μs - 400 μs. The ignition pulse itself has the duration of a few nanoseconds.

Die Einkoppeloptik des Laserpulses in den Brennraum der Brennkraftmaschine besteht aus einem geeigneten Linsensystem sowie dem sogenannten Brennraumfenster, das das letzte optische Element vor dem Strahleintritt in den Brennraum darstellt.The coupling optics of the laser pulse into the combustion chamber of the internal combustion engine consists of a suitable lens system and the so-called combustion chamber window, which represents the last optical element before the jet entry into the combustion chamber.

Der Vorteil der Laserzündung gegenüber der herkömmlichen Funkenzündung besteht unter anderem darin, dass der Zündfunke frei in die Tiefe des Brennraumes gelegt werden kann, wo optimale Entflammungsbedingungen bestehen. Im Gegensatz dazu erfolgt die Verbrennungseinleitung bei der konventionellen Funkenzündung in unmittelbarer Brennraumwandnähe, wobei die flächigen, den Zündfunken begrenzenden Elektroden die Flammkembildung behindern. Die Energie des Laserfunkens kann durch Anhebung der Leistung der Lasersystems stark gesteigert werden, ohne dass sich dadurch ein erhöhter Verschleiß ergibt, wie es beispielsweise bei der Funkenzündung durch den Elektrodenverschleiß gegeben ist.The advantage of the laser ignition compared to the conventional spark ignition is, inter alia, that the spark can be placed freely in the depth of the combustion chamber, where optimal flaming conditions exist. In contrast, the combustion introduction takes place in the conventional spark ignition in the immediate vicinity of the combustion chamber wall, wherein the flat, the spark limiting electrodes hinder the Flammkembildung. The energy of the laser spark can be greatly increased by increasing the power of the laser system, without resulting in increased wear, as is the case for example in the spark ignition by the electrode wear.

Ein weiterer Vorteil der Laserzündung besteht darin, dass mit zunehmender Motorleistung die erforderliche Mindestpulsenergie (das ist jene Energie es Plasmafunkens, die zur Entflammung des Brennstoff- Luftgemisches minimal erforderlich ist) abnimmt. Demgegenüber erreichen die konventionellen Funkenzündsystem bei den in Zukunft geplanten Motorleistungen zusehends die Systemgrenzen.Another advantage of laser ignition is that with increasing engine power, the minimum required pulse energy (that is, that energy of the plasma arc that is minimally required to ignite the fuel-air mixture) decreases. In contrast, the conventional spark ignition systems are increasingly reaching the system limits in the future planned engine output.

Zu den Hauptproblemen bei der Realisierung und serienmäßigen Umsetzung der Laserzündung zählt unter anderem die Gewährleistung bzw. Beibehaltung der optischen Eigenschaften des Brennraumfensters über die Laufzeit des Motors. Speziell bei der brennraumseitigen Grenzfläche des Brennraumfensters können hohe thermochemischen Belastungen und die Ablagerung fester Rückstände aus dem Verbrennungsprozess zur Trübung der Oberfläche führen, wodurch sowohl der Strahl geschwächt (d.h. teilw. absorbiert) als auch gestreut wird, was entweder zu einer erheblichen Reduktion der Energie des Plasmafunkens oder aber auch zum Ausbleiben des Plasmafunkens führt.One of the main problems in the realization and serial implementation of the laser ignition is, among other things, the guarantee or maintenance of the optical properties of the combustion chamber window over the running time of the engine. Especially at the combustion chamber side interface of the combustion chamber window, high thermochemical loads and the deposition of solid residues from the combustion process can cloud the surface, thereby both weakening (ie, partially absorbing) and scattering the beam, resulting in either a substantial reduction in energy Plasmafunkens or even to the absence of the plasma arc leads.

Diesem Problem begegnet man üblicherweise damit, dass durch hohe Pulsenergien zum einen Reserven für laufzeitbedingte Abschwächungen und Verluste geschaffen werden, und zum anderen durch die hohen Pulsleistungen ein Freibrenneffekt der Fensteroberfläche angestrebt wird. Der Nachteil dieser Vorgangsweise besteht in erheblichen Mehrkosten für die dafür erforderliche hohe Laserleistung und in der hohen spezifischen Belastung der optischen Grenzflächen insbesondere des Brennraumfensters. Die DE 10 2005 043 963 A1 und die US 4,422,323 beschreiben Vorrichtungen der eingangs genannten Gattung. Bei diesen kann das Brennraumfenster ausgetauscht werden.This problem is usually met with the fact that reserves for run-time-related attenuations and losses are created by high pulse energies on the one hand, and on the other hand the burnishing effect of the window surface is aimed at by the high pulse powers. The disadvantage of this procedure consists in considerable additional costs for the required high laser power and in the high specific load of the optical interfaces, in particular of the combustion chamber window. The DE 10 2005 043 963 A1 and the US 4,422,323 describe Devices of the type mentioned. In these, the combustion chamber window can be replaced.

Ausgehend vom Stand der Technik stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung bereitzustellen, bei der die genannten Nachteile verringert sind. Insbesondere soll gewährleistet werden, dass die Laufzeit der Laserlichterzeugungsvorrichtung erhöht wird und die Kosten niedrig gehalten werden.Starting from the prior art, therefore, the object is to provide a device of the type mentioned, in which the disadvantages mentioned are reduced. In particular, it should be ensured that the running time of the laser light generating device is increased and the costs are kept low.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorgesehen ist also eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Laserlicht in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend ein Brennraumfenster und ein Strukturelement, wobei das Brennraumfenster am Strukturelement lösbar befestigbar ist, welches gekennzeichnet ist, dass ein optisches Fenster vorgesehen ist, welches am Strukturelement angeordnet ist und vom Brennraumfenster zumindest bereichsweise abgedeckt wird.This object is solved by the features of claim 1. Thus, a device is provided for coupling laser light into a combustion chamber of an internal combustion engine, comprising a combustion chamber window and a structural element, wherein the combustion chamber window on the structural element is detachably fastened, which is characterized in that an optical window is provided, which is arranged on the structural element and the combustion chamber window is at least partially covered.

Durch ein am Strukturelement lösbar befestigbares Brennraumfenster kann bei entsprechender Verschmutzung oder Beschädigung des Brennraumfensters einfach ausgetauscht werden, ohne dass wie bisher die gesamte Laserzündkerze ausgetauscht werden muss. Andere Vorrichtungen nach Stand der Technik sehen vor, das Brennraumfenster fest in den Zylinder eines Brennraumes zu integrieren. Bei solchen Brennraumfenstern kann ein Austausch entweder gar nicht erfolgen. Bei der Verwendung von Laserzündeinrichtungen, wie Laserzündkerzen, muss die ganze Einrichtung ausgetauscht werden, wenn das Brennraumfenster beschädigt oder verschmutzt ist. Das Strukturelement kann beispielsweise als eine Art Grundkörper verstanden werden.By a structure element releasably fastened combustion chamber window can be easily replaced with appropriate contamination or damage to the combustion chamber window without, as before, the entire laser spark plug must be replaced. Other prior art devices provide for integrating the combustion chamber window firmly into the cylinder of a combustion chamber. With such combustion chamber windows, an exchange can either not occur at all. When using laser ignition devices, such as laser spark plugs, the entire device must be replaced if the combustion chamber window is damaged or dirty. The structural element can be understood, for example, as a kind of basic body.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass dem Brennraumfenster ein optisches Fenster vorgelagert ist. Dabei ist ein optisches Fenster vorgesehen, welches am Strukturelement angeordnet ist und vom Brennraumfenster zumindest bereichsweise abgedeckt wird. Dieses optische Fenster kann besonders robust wie ein herkömmliches Brennraumfenster ausgebildet sein, sodass das lösbar befestigbare Brennraumfenster dünner gestaltet werden kann, da die Vorrichtung bzw. die Laserlichterzeugungsvorrichtung durch dieses optische Fenster von den hohen Temperaturen, reaktiven Bedingungen und Drücken im Brennraum primär abgeschirmt ist, während das eigentliche Brennraumfenster nur mehr dem Schutz des optischen Fensters dient. Das optische Fenster stellt den Bereich dar, an dem das Laserlicht aus der Laserlichterzeugungsvorrichtung ausgekoppelt wird.According to the invention it is provided that the combustion chamber window is preceded by an optical window. In this case, an optical window is provided, which is arranged on the structural element and is at least partially covered by the combustion chamber window. This optical window can be designed to be particularly robust like a conventional combustion chamber window, so that the releasably attachable combustion chamber window can be made thinner, since the device or the laser light generating device by this optical window of the high temperatures, reactive conditions and pressures in the combustion chamber primarily shielded while the actual combustion chamber window only serves to protect the optical window. The optical window represents the area where the laser light is extracted from the laser light generating device.

Da ein leicht austauschbares Brennraumfenster alleine naturgemäß kostengünstiger ist als die gesamte Laserzündkerze bzw. Laserzündeinrichtung, kann das Brennraumfenster durch Lösen der Befestigung in einfacher Weise ausgetauscht und ersetzt werden und die Laserzündeinrichtung erneut in den Motorblock eingesetzt werden.Since an easily replaceable combustion chamber window is naturally more cost-effective than the entire laser spark plug or laser ignition device, the combustion chamber window can be easily replaced and replaced by loosening the attachment and the laser ignition device can be re-used in the engine block.

Günstigerweise ist vorgesehen, dass das Brennraumfenster mittels einer Haltevorrichtung am Strukturelement befestigbar ist. Dabei kann günstigerweise vorgesehen sein, dass die Abdeckung mittels der Haltevorrichtung kraftschlüssig und/oder formschlüssig am Strukturelement befestigbar ist. Eine besonders einfache Art der Fixierung kann realisiert werden, indem die Brennraumfenster mittels der Haltevorrichtung am Strukturelement aufschraubbar ist. Hierfür kann ein Gewinde am Strukturelement sowie ein entsprechendes Gegengewinde an der Haltevorrichtung vorgesehen sein. Die Schraubverbindung stellt nicht nur eine der einfachsten Befestigungsmechanismen dar, sondern auch die bevorzugte, da eine Schraubverbindung sowohl eine stabile als auch leicht wieder lösbare Verbindung darstellt. Daneben wären aber auch andere Befestigungsmechanismen möglich, wie beispielsweise ein Bajonettverschluss oder Rastverbindungen, bei denen an einem Teil (Strukturelement oder Haltevorrichtung) ein Rastvorsprung und am anderen Teil (Haltevorrichtung oder Strukturelement) eine Aufnahme für den Rastvorsprung vorgesehen ist.It is expediently provided that the combustion chamber window can be fastened to the structural element by means of a holding device. It may be conveniently provided that the cover by means of the holding device is non-positively and / or positively fastened to the structural element. A particularly simple type of fixation can be realized by the combustion chamber window can be screwed by means of the holding device on the structural element. For this purpose, a thread on the structural element and a corresponding mating thread can be provided on the holding device. The screw is not only one of the simplest attachment mechanisms, but also the preferred, as a screw is both a stable and easily detachable connection. In addition, however, other attachment mechanisms would be possible, such as a bayonet lock or latching connections, in which a catch projection on one part (structural element or holding device) and a receptacle for the latching projection is provided on the other part (holding device or structural element).

Günstigerweise ist weiters vorgesehen, dass die Befestigungsvorrichtung zumindest bereichsweise aus Metall ausgebildet ist oder im Wesentlichen aus Metall besteht. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Brennraumfenster mit der Haltevorrichtung lösbar befestigbar ist, da so das Brennraumfenster das einzige Austauschteil darstellt, während der übrige Teil der Haltevorrichtung wieder verwendet werden kann. Somit reduziert sich das eigentliche Verschleißteil auf ein im Idealfall kostengünstiges Element aus für das verwendete Laserlicht transparente bzw. durchlässige Material.Conveniently, it is further provided that the fastening device is at least partially formed of metal or consists essentially of metal. It is particularly preferably provided that the combustion chamber window with the holding device is releasably attachable, since the combustion chamber window thus represents the only replacement part, while the remaining part of the holding device can be reused. Thus, the actual wear part is reduced to an ideally cost-effective element made of transparent or permeable material for the laser light used.

Dabei kann vorgesehen sein, dass das Brennraumfenster in der Abdeckung formschlüssig und/oder reibschlüssig eingebracht ist.It can be provided that the combustion chamber window is positively inserted in the cover and / or frictionally engaged.

Um die Kosten für die Fertigung des Brennraumfensters gering zu halten, kann vorgesehen sein, dass das Brennraumfenster zumindest in dem Bereich, in dem Laserlicht durchgeleitet wird aus der Gruppe Glas, Saphir, Quarz, Borosilikatglas, AION bzw. Mischungen daraus gefertigt ist.In order to keep the costs for the production of the combustion chamber window low, it can be provided that the combustion chamber window is made at least in the region in which laser light is passed through the group of glass, sapphire, quartz, borosilicate glass, AION or mixtures thereof.

Weiters ist bevorzugt vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Laserlichterzeugungseinrichtung zur Abgabe von Laserlicht aufweist. Weiters kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung und die Laserlichterzeugungsvorrichtung und gegebenenfalls das optische Fenster als - vorzugsweise einstückige - Laserzündkerze ausgebildet sind.Furthermore, it is preferably provided that the device has a laser light generating device for emitting laser light. Furthermore, it can be provided that the device and the laser light generating device and optionally the optical window are formed as - preferably one-piece - laser spark plug.

Die Erfindung betrifft weiters eine Laserzündkerze umfassend eine Vorrichtung der vorgenannten Art, sowie einen Zylinder einer Brennkraftmaschine umfassend eine Vorrichtung der vorgenannten Art wobei ein Teil des Zylinders durch das Strukturelement gebildet wird. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass das Brennraumfenster am Zylinder bzw. Zylinderkopf des Zylinders lösbar mittels eines Halteelementes befestigbar ist. Die Erfindung betrifft schließlich eine Brennkraftmaschine umfassend eine Vorrichtung und / oder einen Zylinder der vorgenannten Art.The invention further relates to a laser spark plug comprising a device of the aforementioned type, and a cylinder of an internal combustion engine comprising a device of the aforementioned type wherein a part of the cylinder is formed by the structural element. In this case, it can be provided that the combustion chamber window on the cylinder or cylinder head of the cylinder is detachably fastened by means of a holding element. Finally, the invention relates to an internal combustion engine comprising a device and / or a cylinder of the aforementioned type.

Weitere Vorteile und Details ergeben sich aus der Figur und der dazu gehörigen Figurenbeschreibung.Further advantages and details emerge from the figure and the associated description of the figures.

Es zeigen

Fig. 1
einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Querschnitt und
Fig. 2
einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels in Querschnitt.
Show it
Fig. 1
a section of an embodiment of a device according to the invention in cross-section and
Fig. 2
a section of a second embodiment in cross section.

Die Vorrichtung in der Fig. 1 stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dar. Das eigentliche Brennraumfenster 3, welche das letzte optische Element vor dem Strahleintritt 4 in den Brennraum 10 einer Brennkraftmaschine darstellt, ist dabei mittels einer Haltevorrichtung 2 an eine Strukturelement 1 lösbar befestigt. Die Vorrichtung umfasst weiters eine Laserlichterzeugungsvorrichtung in Form einer Laserzündkerze zur Abgabe von Laserlicht, angedeutet durch Begrenzungsstrahlen 4. Die Haltevorrichtung 2 ist mittels eines Schraubverschlusses über ein entsprechendes Gewinde 11 an der Haltevorrichtung 2 und Gegengewinde 12 am Strukturelement 1 bzw. der Vorrichtung, die insgesamt als Laserzündkerze ausgebildet ist, lösbar befestigt. Die Laserlichterzeugungsvorrichtung ist nur ausschnittsweise gezeigt, da sie nach an sich bekanntem Stand der Technik gefertigt sein kann. Aus einem Resonator 9 und dem Auskoppelspiegel 8 wird Laserlicht (angedeutet durch die seitlichen Begrenzungsstrahlen 4) in Richtung der Einkoppeloptik 6, die durch eine Linse dargestellt ist, zum optischen Fenster 5 hingeleitet. Die Abstände 13 zwischen Auskoppelspiegel 8 und Einkoppeloptik 6 sind in der Praxis im Idealfall größer gewählt als in der Fig. 1 (und auch in der Fig. 2) angedeutet, um eine bessere Wärmeverteilung in der Vorrichtung zu ermöglichen, bzw. um ein Überhitzen in der Vorrichtung zu vermeiden. Das optische Fenster 5 begrenzt dabei die eigentliche Laserlichterzeugungsvorrichtung bzw. Laserzündkerze. In der Praxis bedeutet dies, dass z.B. eine an sich bekannte Laserzündkerze, die an der Laserlichtaustrittsfläche von einem optischen Fenster 5, welches normalerweise die Aufgabe eines Brennraumfensters übernimmt, begrenzt ist, verwendet werden kann. An dieser Laserzündkerze kann dann z.B. über die Haltevorrichtung 2 am Strukturelement 1 ein austauschbares Brennraumfenster 3 aus vorzugsweise günstigerem Material befestigt werden. Im einfachsten Fall - wie auch in der Fig. gezeigt - liegt das Brennraumfenster 3 am optischen Fenster 5 bzw. an der Laserlichtaustrittsfläche 5a der Laserzündkerze 1 an, da so der Druck aus dem Brennraum 10 auf das optische Fenster 5 übertragen wird (welches an sich ohnehin auf solche Druckbelastungen ausgelegt ist). Gleichzeitig deckt das Brennraumfenster 3 das optische Fenster 5 ab und verhindert so, dass sich Ablagerungen aus dem Brennraum 10 am optischen Fenster 3 ablagern.The device in the Fig. 1 represents a preferred embodiment. The actual combustion chamber window 3, which represents the last optical element in front of the beam inlet 4 into the combustion chamber 10 of an internal combustion engine, is releasably secured by means of a holding device 2 to a structural element 1. The device further comprises a laser light generating device in the form of a Laser spark plug for emitting laser light, indicated by limiting beams 4. The holding device 2 is releasably secured by means of a screw through a corresponding thread 11 on the holding device 2 and mating thread 12 on the structural element 1 and the device, which is formed entirely as a laser spark plug. The laser light generating device is shown only in sections, since it can be made according to the prior art known per se. From a resonator 9 and the Auskoppelspiegel 8 laser light (indicated by the lateral boundary beams 4) in the direction of the coupling optics 6, which is represented by a lens, guided to the optical window 5. The distances 13 between Auskoppelspiegel 8 and coupling optics 6 are chosen to be larger in practice in the ideal case than in the Fig. 1 (and also in the Fig. 2 ) in order to allow a better heat distribution in the device, or to avoid overheating in the device. The optical window 5 limits the actual laser light generating device or laser spark plug. In practice, this means that, for example, a laser spark plug which is known per se and which is delimited at the laser light exit surface by an optical window 5, which normally takes on the task of a combustion chamber window, can be used. A replaceable combustion chamber window 3 of preferably more favorable material can then be attached to the structural element 1 at this laser spark plug, for example via the holding device 2. In the simplest case - as shown in the figure - the combustion chamber window 3 is located on the optical window 5 or on the laser light exit surface 5a of the laser spark plug 1, since the pressure from the combustion chamber 10 is transferred to the optical window 5 (which itself anyway designed for such pressure loads). At the same time, the combustion chamber window 3 covers the optical window 5 and thus prevents deposits from the combustion chamber 10 from depositing on the optical window 3.

Die Haltevorrichtung 2 ist dabei in der Art einer Überwurfmutter ausgestaltet. Zwischen optischen Fenster 5 der Haltevorrichtung 2 ist das Brennraumfenster 3 angeordnet, das von der Überwurfmutter an die Laserlichterzeugungsvorrichtung bzw. die Laserlichtaustrittsfläche 5a des optischen Fensters 5 gedrückt wird. Der Laserlichtstrahlengang 4 wird von der Einkoppeloptik 6 auf den Brennpunkt 7 fokussiert, welcher die Plasmazündung eines Treibstoff-Luftgemisches im Brennraum 10 einleitet. Durch die Verbrennung des Treibstoff-Luftgemisches bilden sich die typischen Verbrennungsprodukte in denen z.B. unverbrannte Rückstände enthalten sind, die sich beim Stand der Technik direkt auf der Laserlichtaustrittsfläche 5a des optischen Fensters 5 niederschlagen. Durch Dazwischenschalten des gesonderten Elementes 3 im Bereich des optischen Fensters 5 bildet sich nun dieser Niederschlag nicht mehr direkt am optischen Fenster 5, welches beim Stand der Technik als Brennraumfenster dient sondern am vorgelagerten Brennraumfenster 3, das im einfachsten Fall aus Glas gefertigt ist. Bei einem gewissen Verschmutzungsgrad kann nun die Laserlichterzeugungsvorrichtung 1, aus dem Motorblock herausgenommen werden. Sodann wird die Haltevorrichtung 2 von der Laserzündkerze 1 abgenommen und das gesonderte Element 3 ausgetauscht. Anschließend kann die so "regenerierte" Laserzündkerze wieder in den Motorblock eingesetzt werden. Die Haltevorrichtung 2 kann dabei z.B. aus einem zylindermantelförmigen Grundkörper bestehen mit Halteelementen zur kraftschlüssigen oder formschlüssigen Befestigung am Strukturelement 1 gefertigt sein. Der zylindermantelförmige Grundkörper 2a kann dabei einen Auflagesteg 2b aufweisen, der im vorliegenden Fall kreisringförmig ausgebildet ist. Dieser kann aber genauso gut andere Formen aufweisen. Er sollte nur dazu geeignet sein, ein Element 3 für die Laserlichtaustrittsfläche zu fixieren. Entscheidend für das optimale Funktionieren der Vorrichtung ist, dass die das optische Fenster 5 im Verlaufsbereich des Laserlichtes 4 und das Brennraumfenster 3 im Bereich der Laserlichtaustrittsfläche d im Wesentlichen durchlässig ist für das Laserlicht 4 der Laserlichterzeugungsvorrichtung 1 ist.The holding device 2 is designed in the manner of a union nut. Between the optical window 5 of the holding device 2, the combustion chamber window 3 is arranged, which is pressed by the union nut to the laser light generating device or the laser light exit surface 5a of the optical window 5. The laser light beam path 4 is focused by the coupling optics 6 on the focal point 7, which initiates the plasma ignition of a fuel-air mixture in the combustion chamber 10. By combustion of the fuel-air mixture, the typical combustion products are formed in which, for example, unburned residues are contained, which in the prior art directly on the laser light exit surface 5a of knock down the optical window 5. By interposing the separate element 3 in the region of the optical window 5, this precipitate now no longer forms directly on the optical window 5, which serves as the combustion chamber window in the prior art but on the upstream combustion chamber window 3, which is made of glass in the simplest case. At a certain degree of contamination, the laser light generating device 1 can now be taken out of the engine block. Then, the holding device 2 is removed from the laser spark plug 1 and replaced the separate element 3. Subsequently, the "regenerated" laser spark plug can be reinserted into the engine block. In this case, the holding device 2 can be made, for example, from a cylinder-shell-shaped basic body with holding elements for frictional or positive fastening to the structural element 1. The cylinder jacket-shaped base body 2a may have a support web 2b, which is annular in the present case. This can just as well have other forms. It should only be suitable for fixing an element 3 for the laser light exit surface. Decisive for the optimal functioning of the device is that the optical window 5 in the course of the laser light 4 and the combustion chamber window 3 in the region of the laser light exit surface d is substantially transparent to the laser light 4 of the laser light generating device 1.

Durch die in der Praxis als sehr nützlich empfundene Gestaltung der Laserzündkerze als baulich integrale Einheit von der Einkopplung des Pumplichtes bis zur Einkopplung des Laserpulses in den Brennraum lässt sich durch die Erfindung das Problem beseitigen, dass bei Beschädigung oder Beeinträchtigung der Oberfläche des Brennraumfensters, die komplette Laserzündkerze ersetzt werden muss.Due to the design of the laser spark plug perceived as very useful in practice as a structurally integral unit from the coupling of the pump light to the coupling of the laser pulse into the combustion chamber, the invention eliminates the problem that, if the surface of the combustion chamber window is damaged or impaired, the complete Laser spark plug must be replaced.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel (Fig. 1) wird am brennraumseitigen Ende des Brennraumfensters, das gleichzeitig die Austrittsfläche d des Zündimpulses aus der Laserzündkerze 1 darstellt, also ein für das Laserlicht transparentes "Schutzplättchen" (=eigentliches Brennraumfenster) angeordnet ist. Dieses Plättchen ist nicht fix mit der Laserzündkerze verbunden, sondern wird hier mit einer Überwurfmutter an das optische Fenster 5 der Laserzündkerze 1 angedrückt,In the embodiment shown ( Fig. 1 ) is at the combustion chamber end of the combustion chamber window, which simultaneously represents the exit surface d of the ignition pulse from the laser spark plug 1, so a transparent to the laser light "protective plate" (= actual combustion chamber window) is arranged. This plate is not permanently connected to the laser spark plug, but is pressed here with a union nut to the optical window 5 of the laser spark plug 1,

Der Vorteil dieses Vorschlages liegt darin, dass das Schutzplättchen 3 einfach und kostengünstig in der Herstellung ist, sowie einfach und rasch gereinigt bzw. ersetzt werden kann. Darüber hinaus kann bei der Materialauswahl für dieses Plättchen 3 ausschließlich auf die thermo-chemische Resistenz beschränken, was ein höheres Optimierungspotenzial erschließt, als wenn zusätzlich Aspekte wie Wärmeleitung und mechanische Belastbarkeit mit in Betracht gezogen werden müssen. Ebenso kann die Dicke und die Oberfläche des Schutzplättchens bzw. Schutzbrennraumfensters 3 so gewählt werden, dass Strahlungsreflexion möglichst vermieden wird.The advantage of this proposal is that the protective plate 3 is simple and inexpensive to manufacture, as well as easily and quickly cleaned or replaced can be. In addition, the choice of material for this plate 3 can be limited solely to the thermo-chemical resistance, which opens up a higher potential for optimization than if additional aspects such as heat conduction and mechanical load bearing capacity must also be taken into account. Likewise, the thickness and the surface of the protective plate or protective combustion chamber window 3 can be selected so that radiation reflection is avoided as far as possible.

Angemerkt sei an dieser Stelle, dass der anspruchsgemäße Begriff "im Wesentlichen durchlässig für das Laserlicht" meint, dass geringe Absorption im entsprechenden Wellenlängenbereich Transmissionsverluste von <25%, vorzugsweise <10%, besonders bevorzugt <5% bedeutet.It should be noted at this point that the claimed term "substantially permeable to the laser light" means that low absorption in the corresponding wavelength range transmission losses of <25%, preferably <10%, particularly preferably <5% means.

Neben der in der Fig. 1 gezeigten Variante ist aber ebenso eine Variante wie in Fig. 2 vorgesehen, bei der das optische Fenster 5 fehlt und die Haltevorrichtung 2 mit dem Brennraumfenster 3 an der Vorrichtung 1 direkt befestigt wird. In diesem Fall ist das Brennraumfenster 3 natürlich entsprechend zu dimensionieren, sodass es den Bedingungen im Brennraum 10 stand hält. Ansonsten ist gegenüber der Variante der Fig. 1 kein nennenswerter Unterschied vorhanden, sodass auf die Figurenbeschreibung zu Fig. 1 verwiesen wird.In addition to in the Fig. 1 but shown variant is just as a variant as in Fig. 2 provided in which the optical window 5 is missing and the holding device 2 with the combustion chamber window 3 is attached directly to the device 1. In this case, of course, the combustion chamber window 3 is to be dimensioned accordingly so that it withstands the conditions in the combustion chamber 10. Otherwise, opposite to the variant of Fig. 1 no significant difference exists, so to the description of the figures Fig. 1 is referenced.

Claims (14)

Vorrichtung zum Einkoppeln von Laserlicht (4) in einen Brennraum (10) einer Brennkraftmaschine, umfassend ein Brennraumfenster (3) und ein Strukturelement (1), wobei das Brennraumfenster (3) am Strukturelement (1) lösbar befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Fenster (5) vorgesehen ist, welches am Strukturelement (1) angeordnet ist und vom Brennraumfenster (3) zumindest bereichsweise abgedeckt wird.Device for coupling laser light (4) into a combustion chamber (10) of an internal combustion engine, comprising a combustion chamber window (3) and a structural element (1), wherein the combustion chamber window (3) can be detachably fastened to the structural element (1), characterized in that optical window (5) is provided, which is arranged on the structural element (1) and at least partially covered by the combustion chamber window (3). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster (3) mittels einer Haltevorrichtung (2) am Strukturelement (1) befestigbar ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the combustion chamber window (3) by means of a holding device (2) on the structural element (1) can be fastened. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (2) kraftschlüssig und/oder formschlüssig am Strukturelement (1) befestigbar ist.Apparatus according to claim 2, characterized in that the holding device (2) non-positively and / or positively on the structural element (1) can be fastened. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (2) auf das Strukturelement (1) aufschraubbar ist.Apparatus according to claim 2 or claim 3, characterized in that the holding device (2) on the structural element (1) can be screwed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (2) im Wesentlichen aus Metall ausgebildet ist.Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the holding device (2) is formed substantially of metal. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster (3) aus der Gruppe Glas, Saphir, Quarz, Borosilicatglas, AION gefertigt ist.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the combustion chamber window (3) from the group glass, sapphire, quartz, borosilicate glass, AION is made. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster (3) an der Haltevorrichtung (2) formschlüssig und/oder reibschlüssig befestigbar ist.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the combustion chamber window (3) on the holding device (2) is positively and / or frictionally fastened. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Laserlichterzeugungseinrichtung (1) zur Abgabe von Laserlicht.Device according to one of claims 1 to 7, characterized by a laser light generating device (1) for emitting laser light. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster an das optische Fenster (5) mittels der Haltevorrichtung (2) anpressbar ist.Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the combustion chamber window to the optical window (5) by means of the holding device (2) can be pressed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als - vorzugsweise einstückige - Laserzündkerze ausgebildet ist.Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the device is formed as - preferably one-piece - laser spark plug. Laserzündkerze umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Laser spark plug comprising a device according to one of claims 1 to 9. Zylinder einer Brennkraftmaschine umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Teil des Zylinders durch das Strukturelement (1) gebildet wird.A cylinder of an internal combustion engine comprising a device according to any one of claims 1 to 9, wherein a part of the cylinder is formed by the structural element (1). Brennkraftmaschine umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.Internal combustion engine comprising a device according to one of claims 1 to 10. Brennkraftmaschine umfassend einen Zylinder nach Anspruch 12.Internal combustion engine comprising a cylinder according to claim 12.
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