EP2126343A2 - Laserzündung für gasgemische - Google Patents

Laserzündung für gasgemische

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Publication number
EP2126343A2
EP2126343A2 EP08734845A EP08734845A EP2126343A2 EP 2126343 A2 EP2126343 A2 EP 2126343A2 EP 08734845 A EP08734845 A EP 08734845A EP 08734845 A EP08734845 A EP 08734845A EP 2126343 A2 EP2126343 A2 EP 2126343A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ignition device
absorber body
combustion chamber
ignition
prechamber
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.)
Granted
Application number
EP08734845A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2126343B1 (de
Inventor
Dieter Kuhnert
Maurice Kettner
Georg Maul
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.)
Multitorch GmbH
Original Assignee
Multitorch 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 Multitorch GmbH filed Critical Multitorch GmbH
Publication of EP2126343A2 publication Critical patent/EP2126343A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2126343B1 publication Critical patent/EP2126343B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • 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
    • F02P13/00—Sparking plugs structurally combined with other parts of internal-combustion engines

Definitions

  • the invention relates to the field of laser ignition of gas mixtures. It is directed in particular to an ignition device for igniting a flammable or explosive gas mixture in a main combustion chamber, in particular for igniting a fuel-air mixture or fuel gas-air mixture in an internal combustion engine, comprising a high-temperature resistant absorber body, the entstammendem in contact with the main combustion chamber Gas mixture is arranged and having a gas mixture facing the combustion chamber inside, and a Lichtleitweg for guiding a laser beam to the absorber body for heating the absorber body with the laser beam until reaching an ignition temperature required for igniting the gas mixture on the combustion chamber inside the absorber body, the Lichtleitweg to to the absorber body is formed such that the laser beam has no direct contact with the gas mixture of the main combustion chamber, and a corresponding method.
  • the invention is directed to an ignition device and a method for igniting fuel gas-air mixtures with a heated by a laser beam hot-spot surface with quickly changeable temperatures.
  • Lasers for generating laser beams are known in the prior art (see, for example, DE 39 26 956 Al). Further, laser ignitions are known in the prior art, in which the laser beam is focused on a position within the combustion chamber, ie in the combustion chamber a certain Route runs through the gas mixture to be ignited. This focus is either on an absorber, which converts the laser light into heat, or directly in the gas mixture in the combustion chamber. These laser ignitions do not ignite with the desired reliability. In recent years, various laser ignition devices have been proposed for internal combustion engines. However, these have hitherto been very expensive or complex (DE 28 49 458 A1, DE 199 11 737 A1, US Pat. No.
  • a major disadvantage of such laser ignitions is that they only produce an extremely small ignition core, and in connection with the comparatively coarse-grained flow and turbulence structure in the combustion chamber, in particular of large gas engines, locally very strongly fluctuating charge states (composition, temperature, velocity , Turbulence) exist. This results in greater fluctuations in the ignition and thus in particular the torque of the engine. Furthermore, there is the particular problem in lean operation that the mixture extinguished immediately after the ignition, since too much heat is removed from the flame kernel. For the above reasons, therefore, the ignition and combustion potential of the laser ignition can not be fully utilized.
  • the document DE 22 07 392 A discloses a generic Zündvor- direction.
  • hot spot laser ignition to be designated ignition devices in which the ignition by heating a directed to the combustion chamber surface by means of a laser, but not enforced, because thus the ignition not with the required reliability of the high-frequency ignition pulses of internal combustion engines, especially at higher speeds, or with sufficiently long life.
  • WO 2004/001221 A1 describes a starting aid for an internal combustion engine in which a surface arranged in the combustion chamber is heated by means of a laser beam. This surface is heated constantly and is, for example, a glow stick projecting into the combustion chamber or another point in the combustion chamber. An atechamber is not provided.
  • a prechamber ignition with a laser was proposed in DE 10 2006 018 973 A1 published after the priority date of the present application.
  • the laser is focused on a Zündort, which is located in the gas-air mixture within the antechamber.
  • a further prechamber ignition with a laser was proposed in DE 10 2005 050 435 A1 published after the priority date of the present application.
  • a laser By means of a laser while a portion of the receiving device of a laser heater is heated, which protrudes into the pre-chamber space.
  • the geometry and the material of the heated portion of the receiving device are adapted to the required ignition conditions.
  • the use of a separate absorber body which is heated by the laser is not disclosed.
  • the invention has for its object to improve the properties of the known hot-spot laser ignitions such that it is applicable in practical operation in internal combustion engines.
  • An ignition device for igniting a combustible or explosive gas mixture in a main combustion chamber, in particular for igniting a fuel-air mixture or fuel gas-air mixture in an internal combustion engine, comprising a high-temperature resistant absorber body arranged in contact with the main combustion chamber entstammendem gas mixture is and which has a gas mixture facing the combustion chamber inside, and a Lichtleitweg for guiding a laser beam to the absorber body for heating the absorber body with the laser beam until reaching an ignition temperature required for the ignition of the gas mixture on the combustion chamber inside the absorber body, wherein the Lichtleitweg up to the Absorbent body is designed such that the laser beam has no direct contact with the gas mixture of the main combustion chamber, so has the peculiarity that the absorber body on the combustion chamber inside a prechamber with at least one it is upstream of the prechamber and the main combustion chamber connecting overflow, wherein the combustion chamber inside the absorber body faces the gas mixture of the prechamber and the Lichtleitweg is formed to
  • a corresponding method for igniting a combustible or explosive gas mixture in a main combustion chamber in particular for igniting a fuel-air mixture or fuel gas-air mixture in an internal combustion engine, in which a high temperature resistant absorber body with a combustion chamber inside facing combustion chamber inside in contact The gas mixture is arranged entstammendem the main combustion chamber, and along a Lichtleitweges a laser beam is passed to the absorber body, wherein the absorber body is heated with the laser beam until on the combustion chamber inside the absorber body required for the ignition of the gas mixture ignition temperature is achieved, wherein the Lichtleitweg bis to the absorber body in such a way is formed so that the laser beam has no direct contact with the gas mixture of the main combustion chamber, has the peculiarity that the absorber body on the combustion chamber inside an antechamber is preceded by at least one connecting the prechamber and the main combustion space overflow, wherein the combustion chamber inside the absorber body the gas mixture of Pre-chamber facing arranged and the Lichtleitweg is formed
  • the Lichtleitweg is formed to the absorber body such that the laser beam has no direct contact with the gas mixture of the combustion chamber or the antechamber, it should be understood that the combustion chamber or the antechamber is completely sealed against the Lichtleitweg Thus, the laser beam does not pass through the main combustion chamber or the pre-chamber or not through the gas mixture to be ignited therein.
  • Prechamber ignition is known in conventional ignition methods based on electric spark ignition.
  • Prechamber ignition devices in particular prechamber spark plugs, have been known for many years and have also been introduced into the series, in particular in the case of lean and / or exhaust gas recirculation stationarily operated gas engines. They are mainly used to reduce the raw NOx emission of an internal combustion engine while maintaining low fuel consumption and torque fluctuation. In English-speaking countries such detonators are referred to as prochamber spark plugs.
  • the pre-chamber of an electric pre-chamber spark plug is a small, an area around and / or before the ignition electrodes lying space against the main combustion chamber delimiting chamber, usually with several circumferentially arranged holes and a central narrow bore, which as overflow or, in particular at greater wall thickness of the prechamber , referred to as overflow channels, is provided.
  • these narrow holes represent a high flow resistance; As a result, the compression pressure can only be delayed in the prechamber.
  • Embodiments of pre-chamber ignitions with and without a corresponding piston recess, into which the pre-chamber is immersed in the compression stroke, are known.
  • pre-chamber spark plugs with enrichment of the fuel-air mixture in the piston recess arises when immersing the pre-chamber in the piston recess a pressure gradient between the main combustion chamber and pre-chamber, so that the rich fuel-air mixture that has been collected in the piston recess, through the narrow Drilling at high flow rate enters the prechamber.
  • an ignitable, highly turbulent, relatively homogeneous mixture is formed in the prechamber at the ignition time. This mixture is dependent neither on a special charge movement in the cylinder nor on a special injection jet geometry. After the ignition, the flames shoot as a result of the positive pressure gradient through the narrow holes in the main combustion chamber and quickly capture the remaining, relatively lean fuel-air mixture.
  • the emerging flame jets rapidly and simultaneously involve large areas of the lean fuel-air mixture in the main combustion chamber in the combustion.
  • the intense penetration of the flame front in the main combustion chamber leads to a faster and more complete fuel conversion than with a spherical flame propagation emanating from an ignition point.
  • the mixture Due to the flow conditions during compression and the increasing pressure difference between the main combustion chamber and the prechamber, which induces a flow from the prechamber environment into the interior of the prechamber, the mixture, which is located in the vicinity of a piston depression, flows via the overflow holes into the prechamber.
  • the mixture By high flow velocities when flowing a good mixture formation for the heterogeneous fuel-air mixture of the cylinder and thus particularly ignitable mixture is generated in the pre-chamber.
  • the Mixture formation is thus decoupled from the underlying cylinder internal flow, so that negative influences from cyclic fluctuations of the flow are minimized.
  • the flamed mixture shoots in the form of torch jets as a result of the strong pressure increase over the prechamber holes in the main combustion chamber and there ignites the heterogeneous basic mixture
  • the ignition process in the main combustion chamber is therefore triggered by a preceding prechamber ignition process.
  • This pre-chamber ignition process comprises two stages, namely a charging step and a discharging step, in the case of prechamber spark plugs having electrodes.
  • the charging step the prechamber is filled with a fresh gas-air mixture by the compression stroke of the engine or piston. This residual gas from the previous ignition is pressed into a rearward area. This achieves a very rapid ignition of the ignition mixture in the antechamber during ignition.
  • the pressure and the temperature in the antechamber rise very rapidly, so that the combustion products are pressed in the form of torch jets through the overflow of the pre-chamber in the main combustion chamber and trigger the ignition of the gas mixture.
  • the improvement of the properties of a laser ignition in an internal combustion engine is based on the displacement of the ignition point or the ignition area in an antechamber, in particular a pre-chamber spark plug.
  • a fuel-air mixture is supplied from the main combustion chamber via overflow openings to the prechamber.
  • a flame of the mixture with the laser ignition wherein at the ignition a particularly favorable for the laser ignition flow state is generated, which allows the safe ignition of the mixture.
  • the invention of a combination of the hot-spot laser ignition with a pre-chamber arrangement improves the properties of hot-spot laser ignition, especially in large gas engines, in terms of safety and uniformity of ignition and combustion, while high long-term properties, especially for the characteristics of the coupling the laser ignition energy, and reduces the effort to improve the ignition of pre-chamber spark plugs, in particular a safe ignition and uniform energy conversion at air ratios lambda> 2.0 is achieved, which is not possible with the respective individual system (hot-spot laser ignition, prechamber ignition) ,
  • the invention has the following advantages:
  • the invention can set ignition timing in spark-ignition engines precisely and reproducibly.
  • a peculiarity of the flow in the antechamber is the fine-balled turbulence structure. Therefore, the combination of a hot-spot laser ignition with a prechamber to achieve a much safer ignition than with a laser ignition or hot spot laser ignition without prechamber.
  • the ignition of the gas mixture in the antechamber is further supported by the comparatively higher wall temperatures of the antechamber with lower heat losses than in the main combustion chamber.
  • the favorable ignition conditions make it possible to design the hotspot in such a way that the smallest possible substrate surface (approx. 0.5 mm diameter) must be changed by the smallest possible increase in temperature. This reduces the cost and economic operation can be achieved.
  • the invention provides an ignition device for igniting fuel gas-air mixtures with high ignition pulse frequency in the combustion chamber of a spark-ignition engine.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of a hot-spot laser spark plug with antechamber according to the invention
  • FIG. 2 shows a cross-section to FIG. 1 in the plane of the oblique overflow openings
  • Fig. 3 is a detail view of Fig. 1;
  • Fig. 4 is a detail view of Fig. 3;
  • Fig. 5 is a modification to Fig. 4;
  • FIG 6 is an illustration of the time course of the laser pulse power when using the invention in an internal combustion engine.
  • FIG. 8 is a detail view of FIG. 7.
  • the main combustion chamber 1 is equal to the ignited by the hot-spot combustion chamber.
  • the ignition device is designed in the form of a spark plug 2 which can be mounted in the wall of a cylinder head 18.
  • the spark plug 2 comprises an external thread 3 and a seal 4, whereby it can be screwed sealingly into the wall of the cylinder head 18.
  • It comprises a high-temperature-resistant absorber body 5, which is arranged in contact with the main combustion chamber 1 entstammendem gas mixture, with a gas mixture, namely the gas mixture in an antechamber 10 facing the combustion chamber inner side.
  • the spark plug 2 comprises a Lichtleitweg for guiding a laser beam 7 on the absorber body 5 for heating the Absorberkör- pers 5 with the laser beam 7 until reaching a required for the ignition of the gas mixture ignition temperature on the combustion chamber inside 6 of the absorber body 5, wherein the Lichtleitweg to is formed to the absorber body 5 such that the laser beam 7 no direct Kon- clock to the gas mixture of the main combustion chamber 1 or the antechamber
  • the laser 8 and possibly a laser beam optics 9 can be integrated into the spark plug 2.
  • the spark plug 2 includes an antechamber 10, which is upstream of the absorber body 5 on the combustion chamber inner side 6 and the over-chamber 10 and the main combustion chamber 1 connecting overflow openings 11.
  • the pre-chamber 10 is formed as a hollow cylinder and advantageously comprises between 1 and 20, preferably 3 to 8 overflow openings 11.
  • 11 may extend axially and / or radially and / or obliquely, relative to the axis in the longitudinal section shown in FIG. 1, through the wall of the pre-chamber 10.
  • the absorber body 5 is preferably not arranged flush with the wall in the pre-chamber 10, but protrudes on a base or projection 19 a piece in the antechamber 10 into it.
  • the absorber body 5 is then arranged on a projection 19 which projects into the prechamber 10 with a certain depth of immersion.
  • the immersion depth of the projection 19 into the pre-chamber 10 is advantageously between 5% and 35%, preferably between 10% and 25% of the (axial) length of the prechamber 10.
  • This projection 19 has advantages for creating a "breathing space" for the Mixture formation in the prechamber 10, the formation of a favorable flow in the prechamber 10 and the ignition behavior of the gas mixture.
  • the absorber body 5 When the spark plug 2 is screwed into the wall of the main combustion chamber 1, ie, into the cylinder head 18, the absorber body 5 is arranged in the region of the wall of the main combustion chamber 1.
  • the absorber body 5 is a high temperature resistant substrate with or without coating.
  • the setting of the temperature of the pre-chamber 10 surface facing the combustion chamber inside 6, carried out by timed heating the back of the absorber body 5, its prechamber 10 facing away from the combustion chamber outside 14.
  • the heating is done by the pulsed laser beam 7, the best possible absorbent back substrate surface hits.
  • the surface temperature of the protruding into the pre-chamber 10 combustion chamber inside 6 is below the temperature required for the mixture ignition. By switching on the laser pulse, the surface temperature is increased so far that a safe mixture ignition takes place. About the time of heating the ignition timing of the mixture is set and controlled.
  • the spark plug 2 with an in particular substantially cylindrical pre-chamber 10 in the form of a screwed into a cylinder head assembly 18 has a plurality of overflow openings 11, which establish a connection between the prechamber 10 and the main combustion chamber 1.
  • the preferably centrally arranged laser device 8 has a beam optics 9, which focuses the laser beam 7 on the absorber body 5, so that it forms an ignition point.
  • the inlet beams produced in the overflow openings 11 during the compression stroke in the pre-chamber 10 advantageously meet with their axes in a meeting point substantially close to the axis, which is located in the region of the absorber body 5 or away from it.
  • the meeting point and its surroundings is a selected area within the pre-chamber 10 with high and particularly feinballiger turbulence, which is particularly in connection with the very short discharge of the laser 8 with high short-term performance in an excellent manner to a safe ignition of the mixture in the prechamber 10th , with a desired fast-growing flame core.
  • the ignition that the fuel-air mixture to be ignited on the absorber body 5 passes from the main combustion chamber 1 to the ignition point during the compression stroke of the engine.
  • the incombustible residual gas from the previous working cycle which is still present in the prechamber 10 at the beginning of the compression, is displaced by the forming flow into the rear part of the prechamber 10 during the compression stroke.
  • this leads to particularly small fluctuations of the mixture composition and mixture temperature, because in particular as a result of the inflow of the gas via the overflow openings 11 from different regions of the main combustion chamber 1 in front of the prechamber 10, the mixture composition and the mixture temperature at the absorber body 5 are respectively averaged. Due to the substantially near-axis position of the ignition point, the extinguishing effects due to solid surfaces on the flame core forming after ignition are also particularly low.
  • the formation of a suitable flow in the prechamber 10 can be improved if the prechamber has overflow openings 11 which run tangentially, as shown in the cross section in FIG. 2, which is in the plane of the oblique overflow openings 11 in FIG runs.
  • the overflow openings 11 are not directed to the axis, but (obliquely) tangentially to a circle extending around the axis whose radius can be between zero and the radius of the prechamber 10.
  • an advantageous rotational flow in the prechamber 10 is formed.
  • FIG. 1 shows a prechamber spark plug with a front prechamber 12 and rear prechamber 13, with the overflow openings 11 opening into the front prechamber 12.
  • a central overflow opening 11 is shown, impressed on the one hand the gas mixture to be ignited by the entering into the anterior chamber 12 jet an axial flow component in the direction of the rear pre-chamber 13 and the oblique, tangentially entering Matterströmöffnun- conditions 11 in the rear prechamber 13 a rotary flow is generated.
  • the axial flow component has the effect that only fresh mixture from the main combustion chamber 1 at the hot spot is present at the ignition time and, after the fresh mixture has ignited, the flame propagation in the rear prechamber 13 is greatly accelerated by the existing rotary flow.
  • the rapid ignition also detects the existing mixture in the front pre-chamber 12 and torch jets in the main combustion chamber 1, which cause a particularly rapid and uniform conversion of the main mixture in the main combustion chamber 1.
  • the prechamber 10 is divided in the axial direction into a front prechamber 12 and a rear prechamber 13, wherein the rear prechamber 13 is located farther from the main combustion chamber 1 than the front prechamber 12 and wherein the diameter of the rear prechamber 13 greater than the diameter of the front prechamber 12.
  • the diameter of the rear pre-chamber 13 is between 5% and 100%, preferably between 10% and 30% greater than the diameter of the front prechamber 12.
  • the (axial) length of the rear prechamber 13 is advantageously between 5% and 200%, preferably between 10% and 80% of the length of the front pre-chamber 12.
  • the formation of a rear pre-chamber 13 has advantages for creating a "breathing space" for the mixture formation in the pre-chamber 10, the formation of a favorable flow in the pre-chamber 10 and the ignition behavior of the gas mixture ,
  • Fig. 3 shows a detail to Fig. 1, namely the laser 8, the beam optics 9, the Lichtleitweg and the absorber body 5.
  • the pre-chamber 10 and the outer casing of the spark plug 2 are not shown in this illustration.
  • FIG. 4 shows a detailed illustration of the lower end of the arrangement of FIG. 3, in which it can be clearly seen that the absorber body 5 consists of a material absorbing the laser light, the combustion chamber outer side 14 facing away from the antechamber 10 with respect to the interior of the combustion chamber 6 is sealed.
  • the absorber body 5 represents, as it were, a "black window" which is heated from its rear side by means of the laser beam 7.
  • the absorber body 5 is thus a high temperature resistant component which is sealed in the wall of the pre-chamber 10 inserted or used.
  • the material of the absorber body 5 can thus be selected independently of the material of the wall of the prechamber 10 and adapted to the ignition conditions.
  • the material of the absorber body 5 is different from the material of the wall of the pre-chamber 10, which carries the absorber body 5.
  • the absorber body 5 may be made of suitable materials, for example of a ceramic and / or of a tungsten carbide.
  • the absorber body 5 is preferably disc-shaped.
  • the absorber body 5 has a diameter of less than 10 mm, preferably less than 5 mm, more preferably less than 2 mm.
  • the absorber body 5 advantageously has a recess 17 in which its thickness is reduced.
  • the recess 17 may be formed on the inside of the combustion chamber 6 and / or the outside of the combustion chamber 14.
  • the recess 17 advantageously has a diameter of less than 1 mm, preferably less than 0.5 mm, and the thickness of the absorber body 5 in the region of the recess 17 is advantageously less than 2 mm, preferably less than 1 mm and more preferably less than 0.5 mm ,
  • a thick absorber body 5 is advantageous in order to withstand the high cylinder pressures.
  • the absorber body 5 shows a modified embodiment of FIG. 4 in a spark plug 2 with a beam guide through a transparent material and an absorption of the laser beam 7 in an attached on the transparent material absorbent coating which forms the absorber body 5.
  • the absorber body 5 is formed as the laser light absorbing, preferably deep black material, which is arranged on the combustion chamber inner side 6 of a window material 15 facing the pre-chamber 10.
  • the absorber body 5 can be arranged on the combustion chamber outer side 14 of the window material 15 facing away from the prechamber 10, or, as shown in FIG. 4, on the prechamber 10 facing combustion chamber inside 6 of the window material 15 may be arranged, wherein the window material 15 is transparent to the laser light.
  • the absorber body 5 can consist, for example, of a ceramic, in particular a sintered ceramic, preferably of aluminum oxide or aluminum nitride, of a metallic substance, of carbide, boride, silicide or nitride.
  • the window material 15 may be disc-shaped or designed as a light guide rod 16. It consists for example of a tungsten silicate glass, a boron-silicate glass or sapphire.
  • the light path immediately upstream of the absorber body 5 or the window material 15 can run through air, protective gas or a light guide or light guide rod 16.
  • FIG. 6 shows the course of the laser pulse power P as a function of the time t. It can be seen that the laser beam 7 is pulsed in the working cycle T of the internal combustion engine.
  • the pulse frequency of the laser pulses is advantageously between 1 Hz and 2,000 Hz, preferably between 1 Hz and 50 Hz.
  • the pulse duration of the laser pulses is advantageously between 0.1 ⁇ s and 1 min, preferably between 1 ⁇ s and 1 s, particularly preferably between 1 ⁇ s and 1 ms, the long pulse durations in particular for temperature increase during cold start of an internal combustion engine may be appropriate.
  • the rise time of the laser pulses is advantageously between 1 ns and 1 ms, preferably between 100 ns and 10 ⁇ s, and the decay time of the laser pulses advantageously between 1 ns and 1 ms, preferably between 100 ns and 10 ⁇ s.
  • FIG. 7 shows the associated time profile of the surface temperature TO of the absorber body 5 on the inside of the combustion chamber 6.
  • the required ignition temperature of each cycle may vary due to the influence of mixture composition, pressure, temperature and flow parameters at the ignition point.
  • the required increase in time Surface temperature TO results from the requirement of the timing of the ignition timing of the mixture.
  • FIG. 8 shows in a detail view to FIG. 7 the time profile of the surface temperature TO for a single laser pulse.

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Description

Laserzündung für Gasgemische
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Laserzündung von Gasgemischen. Sie richtet sich insbesondere auf eine Zündvorrichtung zum Zünden eines brennbaren oder explosionsfähigen Gasgemischs in einem Hauptbrennraum, insbesondere zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemischs bzw. Brenngas-Luft-Gemischs in einer Brennkraftmaschine, umfassend einen hochtemperaturfesten Absorberkörper, der in Kontakt zu dem Hauptbrennraum entstammendem Gasgemisch angeordnet ist und der eine dem Gasgemisch zugewandte Brennrauminnenseite aufweist, und einen Lichtleitweg zum Leiten eines Laserstrahls auf den Absorberkörper zum Erhitzen des Absorberkörpers mit dem Laserstrahl bis zum Erreichen einer für das Zünden des Gasgemischs erforderlichen Zündtemperatur auf der Brennrauminnenseite des Absorberkörpers, wobei der Lichtleitweg bis zu dem Absorberkörper derart ausgebildet ist, dass der Laserstrahl keinen direkten Kontakt zu dem Gasgemisch der des Hauptbrennraumes hat, sowie ein entsprechendes Verfahren.
Die Erfindung richtet sich also auf eine Zündvorrichtung und ein Verfahren zum Entflammen von Brenngas-Luftgemischen mit einer durch einen Laserstrahl erhitzten Hot-Spot-Oberfläche mit schnell veränderbaren Tem- peraturen.
Laser zum Erzeugen von Laserstrahlen sind im Stand der Technik bekannt (siehe z.B. DE 39 26 956 Al). Ferner sind im Stand der Technik Laserzündungen bekannt, bei denen der Laserstrahl auf eine Stelle innerhalb des Brennraumes fokussiert wird, also im Brennraum eine gewisse Strecke durch das zu zündende Gasgemisch verläuft. Dieser Fokus liegt entweder auf einem Absorber, der das Laserlicht in Wärme umwandelt, oder direkt in dem Gasgemisch im Brennraum. Diese Laserzündungen zünden nicht mit der gewünschten Zuverlässigkeit. In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Laserzündeinrichtungen für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Diese sind aber bisher noch sehr teuer bzw. aufwändig (DE 28 49 458 Al, DE 199 11 737 Al, US 6,053,140 A, WO 2005/028856 Al = EP 1 519 038 Al und EP 1 519 038 Al, WO 2005/021959 Al, DE 203 20 983 Ul = EP 1 329 631 A2, DE 103 50 101 Al, DE 10 2004 061194 Al, JP 10196508, JP 59155573, JP 60150480, JP 63212772, JP 8068374).
Ein wesentlicher Nachteil derartiger Laserzündungen besteht darin, dass sie nur einen extrem kleinen Zündkern erzeugen, wobei im Zusammen- hang mit der vergleichsweise grobballigen Strömungs- und Turbulenzstruktur im Brennraum, insbesondere von Großgasmotoren, lokal am Zündort sehr stark schwankende Ladungszustände (Zusammensetzung, Temperatur, Geschwindigkeit, Turbulenz) bestehen. Dadurch ergeben sich größere Schwankungen bei der Entflammung und damit insbesondere auch beim Drehmoment des Motors. Weiterhin besteht im Magerbetrieb das besondere Problem, dass das Gemisch unmittelbar nach der Entflammung wieder verlöscht, da dem Flammenkern zuviel Wärme entzogen wird. Aus den vorgenannten Gründen kann deshalb das zündungs- und verbrennungstechnische Potential der Laserzündung bisher nicht voll genutzt werden. Zudem ergeben sich bei längerem Betrieb Verschmutzungen bzw. Ablagerungen auf der den rauen Brennraumbedingungen ausgesetzten Oberfläche des optischen Fensters der Laserzündeinrichtung, was im Langzeitbetrieb zu einer Verminderung der Energieübertragung von der Laserzündeinrichtung an die Zündstelle führt. Zudem wird bei der Laserzündung im "offenen" Brennraum eine schnelle Ausbreitung der Flammenfront vom Zündort aus in alle Bereiche des Brennraums hinein nicht gefördert.
Das Dokument DE 22 07 392 A offenbart eine gattungsgemäße Zündvor- richtung. In der Praxis haben sich derartige, als "Hot-Spot-Laserzündung" zu bezeichnenden Zündvorrichtungen, bei denen das Zünden durch Erhitzen einer zum Brennraum gerichteten Oberfläche mittels eines Lasers erfolgt, jedoch bisher nicht durchgesetzt, weil sich damit die Zündung nicht mit der erforderlichen Zuverlässigkeit die hochfrequenten Zündim- pulse von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei höheren Drehzahlen, oder mit ausreichend hoher Lebensdauer durchführen ließ.
Die WO 2004/001221 Al beschreibt ein Starthilfsmittel für einen Verbrennungsmotor, bei dem mittels eines Laserstrahles eine in dem Brennraum angeordnete Fläche erhitzt wird. Diese Fläche wird konstant erhitzt und ist beispielsweise ein in den Brennraum ragender Glühstift oder ein anderer Punkt im Brennraum. Eine Vorkammer ist nicht vorgesehen.
Eine Vorkammerzündung mit einem Laser wurde in der nach dem Priori- tätstag der vorliegenden Anmeldung veröffentlichten DE 10 2006 018 973 Al vorgeschlagen. Der Laser wird dabei auf einen Zündort fokussiert, der im Gas-Luft-Gemisch innerhalb der Vorkammer liegt.
Eine weitere Vorkammerzündung mit einem Laser wurde in der nach dem Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung veröffentlichten DE 10 2005 050 435 Al vorgeschlagen. Mittels eines Lasers wird dabei ein Abschnitt der Aufnahmeeinrichtung einer Laserheizeinrichtung erhitzt, der in den Vorkammerraum hineinragt. Die Geometrie und der Werkstoff des erhitzten Abschnitts der Aufnahmeeinrichtung werden den erforderlichen Zünd- bedingungen angepasst. Die Verwendung eines separaten Absorberkörpers, der durch den Laser erhitzt wird, ist nicht offenbart.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Eigenschaften der bekannten Hot-Spot-Laserzündungen derart zu verbessern, dass sie im prakti- sehen Betrieb bei Brennkraftmaschinen anwendbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Zündvorrichtung bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen der beigefügten unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehöriger Zeichnung.
Eine erfindungsgemäße Zündvorrichtung zum Zünden eines brennbaren oder explosionsfähigen Gasgemischs in einem Hauptbrennraum, insbesondere zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemischs bzw. Brenngas-Luft- Gemischs in einer Brennkraftmaschine, umfassend einen hochtempera- turfesten Absorberkörper, der in Kontakt zu dem Hauptbrennraum entstammendem Gasgemisch angeordnet ist und der eine dem Gasgemisch zugewandte Brennrauminnenseite aufweist, und einen Lichtleitweg zum Leiten eines Laserstrahls auf den Absorberkörper zum Erhitzen des Absorberkörpers mit dem Laserstrahl bis zum Erreichen einer für das Zünden des Gasgemischs erforderlichen Zündtemperatur auf der Brennrauminnenseite des Absorberkörpers, wobei der Lichtleitweg bis zu dem Absor- berkörper derart ausgebildet ist, dass der Laserstrahl keinen direkten Kontakt zu dem Gasgemisch des Hauptbrennraumes hat, weist also die Besonderheit auf, dass dem Absorberkörper auf der Brennrauminnenseite eine Vorkammer mit mindestens einer die Vorkammer und den Hauptbrennraum verbindenden Überströmöffnung vorgelagert ist, wobei die Brennrauminnenseite des Absorberkörpers dem Gasgemisch der Vorkammer zugewandt ist und der Lichtleitweg bis zu dem Absorberkörper derart ausgebildet ist, dass der Laserstrahl keinen direkten Kontakt zu dem Gasgemisch der Vorkammer hat.
Ein entsprechendes Verfahren zum Zünden eines brennbaren oder explosionsfähigen Gasgemischs in einem Hauptbrennraum, insbesondere zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemischs bzw. Brenngas-Luft-Gemischs in einer Brennkraftmaschine, bei dem ein hochtemperaturfester Absorberkörper mit einer der Brennrauminnenseite zugewandten Brennrauminnen- seite in Kontakt zu dem Hauptbrennraum entstammendem Gasgemisch angeordnet wird, und entlang eines Lichtleitweges ein Laserstrahl auf den Absorberkörper geleitet wird, wobei der Absorberkörper mit dem Laserstrahl erhitzt wird, bis auf der Brennrauminnenseite des Absorberkörpers eine für das Zünden des Gasgemischs erforderliche Zündtemperatur erreicht wird,, wobei der Lichtleitweg bis zu dem Absorberkörper derart ausgebildet ist, dass der Laserstrahl keinen direkten Kontakt zu dem Gasgemisch des Hauptbrennraumes hat, weist die Besonderheit auf, dass dem Absorberkörper auf der Brennrauminnenseite eine Vorkammer mit mindestens einer die Vorkammer und den Hauptbrennraum verbindenden Überströmöffnung vorgelagert wird, wobei die Brennrauminnenseite des Absorberkörpers dem Gasgemisch der Vorkammer zugewandt angeordnet wird und der Lichtleitweg bis zu dem Absorberkörper derart ausgebildet wird, dass der Laserstrahl keinen direkten Kontakt zu dem Gasgemisch der Vorkammer hat.
Das Merkmal, dass der Lichtleitweg bis zu dem Absorberkörper derart ausgebildet ist, dass der Laserstrahl keinen direkten Kontakt zu dem Gasgemisch des Brennraumes bzw. der Vorkammer hat, ist dabei so zu verstehen, dass der Brennraum bzw. die Vorkammer vollständig gegen den Lichtleitweg abgedichtet ist, also der Laserstrahl nicht durch den Hauptbrennraum oder die Vorkammer bzw. nicht durch das zu zündende Gasgemisch darin verläuft.
Die Vorkammerzündung ist bei konventionellen, auf einer elektrischen Funkenzündung basierenden Zündverfahren bekannt. Vorkammerzündeinrichtungen, insbesondere Vorkammerzündkerzen, sind seit vielen Jahren bekannt und auch in die Serie eingeführt worden, insbesondere bei mager und/oder mit Abgasrückführung stationär betriebenen Gasmotoren. Sie werden vor allem zur Verminderung der NOx-Rohemission eines Verbren- nungsmotors bei gleichzeitig niedrigen Werten für den Kraftstoffverbrauch und die Verminderung der Drehmomentschwankungen verwendet. Im englischen Sprachraum werden derartige Zündvorrichtungen als Prechamber Spark Plugs bezeichnet.
Die Vorkammer einer elektrischen Vorkammerzündkerze ist eine kleine, einen Bereich um und/oder vor den Zündelektroden liegenden Raum gegen den Hauptbrennraum abgrenzende Kammer, die zumeist mit mehreren umlaufend angeordneten Bohrungen und einer zentralen engen Bohrung, die als Überströmöffnungen oder, insbesondere bei größerer Wandstärke der Vorkammer, als Überströmkanäle bezeichnet werden, versehen ist. Während der Kompressionsphase stellen diese engen Bohrungen einen hohen Strömungswiderstand dar; hierdurch kann sich der Kompressionsdruck nur verzögert in der Vorkammer einstellen. Es sind Ausführungsformen von Vorkammer-Zündungen mit und ohne entspre- chende Kolbenmulde, in die die Vorkammer im Kompressionstakt eintaucht, bekannt.
Bei Ausführungsformen von Vorkammer-Zündkerzen mit Anfettung des Kraftstoff-Luftgemisches in der Kolbenmulde entsteht beim Eintauchen der Vorkammer in die Kolbenmulde ein Druckgefälle zwischen Hauptbrennraum und Vorkammer, so dass das fette Kraftstoff-Luft-Gemisch, das in der Kolbenmulde aufgefangen wurde, durch die engen Bohrungen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in die Vorkammer eintritt. Dabei entsteht in der Vorkammer zum Zündzeitpunkt idealerweise ein zündfähi- ges, hochturbulentes, relativ homogenes Gemisch. Dieses Gemisch ist weder von einer besonderen Ladungsbewegung im Zylinder noch von einer speziellen Einspritzstrahlgeometrie abhängig. Nach der erfolgten Zündung schießen die Flammen infolge des positiven Druckgefälles durch die engen Bohrungen in den Hauptbrennraum und erfassen schnell das restliche, relativ magere Kraftstoff-Luft-Gemisch. Durch die heraustretenden Flammenstrahlen werden rasch und gleichzeitig weite Bereiche des mageren Kraftstoff-Luft-Gemisches im Hauptbrennraum an der Verbrennung beteiligt. Das intensive Durchdringen der Flammenfront im Hauptbrennraum führt zu einer schnelleren und vollständigeren Kraftstoffum- setzung als bei einer von einem Zündort ausgehenden sphärischen Flammenausbreitung.
Bedingt durch die Strömungsverhältnisse während der Kompression und die anwachsende Druckdifferenz zwischen Hauptbrennraum und Vorkam- mer, die eine Strömung aus der Vorkammerumgebung ins Innere der Vorkammer induziert, strömt das Gemisch, das sich in der Nähe einer Kolbenmulde befindet, über die Überströmbohrungen in die Vorkammer. Durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten beim Einströmen wird eine gute Gemischbildung für das heterogene Kraftstoff- Luftgemisch des Zylinders und damit besonders zündfähige Gemisch in der Vorkammer erzeugt. Die Gemischbildung ist somit von der zugrundeliegenden Zylinderinnenströmung entkoppelt, so dass negative Einflüsse aus zyklischen Schwankungen der Strömung minimiert werden. Nach Zündung des homogenen Gemisches in der Vorkammer schießt das entflammte Gemisch in Form von Fackelstrahlen in Folge des starken Druckanstieges über die Vorkammerbohrungen in den Hauptbrennraum und entzündet dort weiträumig das heterogene Grundgemisch
Der Zündvorgang im Hauptbrennraum wird also durch einen vorausge- henden Vorkammerzündvorgang ausgelöst. Dieser Vorkammerzündvorgang umfasst bei Vorkammerzündkerzen mit Elektroden zwei Stufen, nämlich einen Aufladeschritt und einen Entladeschritt. Während des Aufladeschritts wird die Vorkammer durch den Kompressionstakt des Motors bzw. Kolbens mit einem frischen Gas-Luft-Gemisch gefüllt. Dabei wird Restgas aus der vorausgegangen Zündung in einen rückwärtig liegenden Bereich gedrückt. Dadurch erzielt man eine sehr schnelle Entflammung des Zündgemischs in der Vorkammer beim Zünden. Nach dem Zünden des Gemischs in der Vorkammer steigen der Druck und die Temperatur in der Vorkammer sehr schnell an, so dass die Verbrennungsprodukte in Form von Fackelstrahlen durch die Überströmöffnungen der Vorkammer in den Hauptbrennraum gedrückt werden und dort die Zündung des Gasgemisches auslösen.
Für weitere Einzelheiten zu elektrischen Vorkammerzündungen wird auf die Literatur Bezug genommen, beispielsweise die Dokumente WO 98/45588 Al, WO 03/071644 Al und EP 0 675 272 Al.
Zur Verbesserung der Eigenschaften von Vorkammerzündungen wurden in neuerer Zeit Lösungen vorgeschlagen, bei denen durch Anreicherung des mageren Gemischs in der Vorkammer mit Kraftstoff verbesserte Zün- dungs- und Entflammungseigenschaften erreicht werden (DE 44 19 429 Al, DE 197 14 796 Al, DE 10 2004 039818 Al, DE 10 2004 043143 Al, DE 100 16 558 Al). Diese Verfahren sind aber sehr aufwändig, da sie neben dem Gemischbildungssystem für das Hauptgemisch im Haupt- brennraum ein zusätzliches Gemischbildungs- oder Einspritzsystem zur Bildung des Gemischs in der Vorkammer mit erfordern.
Im Rahmen der Erfindung wurde gefunden, dass sich die bekannten Kon- zepte der Hot-Spot-Laserzündung und der Vorkammer in vorteilhafterweise kombinieren lassen, um eine verbesserte, den praktischen Anforderungen entsprechende Entzündung des Hauptgemisches im Hauptbrennraum mittels Hot-Spot-Laserzündung zu erzielen.
Die Verbesserung der Eigenschaften einer Laserzündung bei einem Verbrennungsmotor beruht dabei auf der Verlagerung der Zündstelle bzw. des Zündgebietes in eine Vorkammer, insbesondere einer Vorkammerzündkerze. Dabei wird während des Kompressionstaktes vom Hauptbrennraum ein Kraftstoff-Luft-Gemisch über Überströmöffnungen der Vor- kammer zugeführt. Bei Annäherung an den oberen Totpunkt des Kolbens erfolgt in der Vorkammer eine Entflammung des Gemischs mit der Laserzündung, wobei am Zündort ein für die Laserzündung besonders günstiger Strömungszustand erzeugt wird, der die sichere Entflammung des Gemischs ermöglicht. Durch eine besonders schnelle Verbrennung des Gemischs in der Vorkammer werden Zündfackelstrahlen erzeugt, die zu einer schnellen und gleichmäßigen Umsetzung des Gemischs im Hauptbrennraum führen.
Die Erfindung aus einer Kombination der Hot-Spot-Laserzündung mit einer Vorkammeranordnung verbessert die Eigenschaften der Hot-Spot- Laserzündung, insbesondere bei Großgasmotoren, hinsichtlich Sicherheit und Gleichmäßigkeit der Entflammung und Verbrennung, bei gleichzeitig hohen Langzeiteigenschaften, insbesondere für die Eigenschaften der Ein- koppelung der Laserzündenergie, und vermindert den Aufwand bei der Verbesserung der Entflammung bei Vorkammerzündkerzen, wobei insbesondere eine sichere Entflammung und gleichmäßige Energieumsetzung bei Luftzahlen Lambda > 2,0 erreicht wird, was mit dem jeweiligen Einzelsystem (Hot-Spot-Laserzündung, Vorkammerzündung) nicht möglich ist. Die Erfindung hat folgende Vorteile:
- Im Vergleich zu existierenden Glühzündverfahren (z.B. bei Modellbaumotoren) für die Entflammung vorgemischter Gemische mit konstanter Oberflächentemperatur kann mit der Erfindung der Zündzeitpunkt in fremdgezündeten Motoren präzise und reproduzierbar eingestellt werden.
- Bei einer hochtransienten Temperaturführung am Hot-Spot in der Vorkammerzündkerze ergibt sich die gleiche Funktion wie bei einer bekannten elektrischen Vorkammerzündkerze, da ein zeitgerechtes Entflammen des brennbaren Gemisches in der Vorkammer durch den
Hot-Spot erfolgt.
- Bei einer hochtransienten Temperaturführung wird bewirkt, dass vor und nach der Entflammungsphase alle Wandtemperaturen am Laser- Hot-Spot-System sicher unterhalb der Entflammungstemperatur Me- gen. Damit wird die Gefahr unkontrollierter Glühzündungen vermieden. Beim konventionellen Aufbau mit metallischen Zündelektroden und keramischem Kerzenfuß besteht dagegen stets die Gefahr von Glühzündungen, da begrenzte Oberflächenzonen durch unzureichende Wärmeabfuhr zu Glühzündungen Anlass geben können. - Wegen der feinballigen Turbulenzstruktur innerhalb der Vorkammer ergeben sich bessere Entflammungsbedingungen. Die sichere Entflammung durch Hot-Spot-Systeme setzt voraus, dass das Gemisch mit möglichst feinballiger Turbulenz die heiße Oberfläche berührt. Dadurch ist der Energiebedarf wegen der kleinen Dimensionen der Turbulenz- ballen geringer als bei großen Ballen. Eine Besonderheit der Strömung in der Vorkammer ist die feinballige Turbulenzstruktur. Daher ist in der Kombination einer Hot-Spot-Laserzündung mit einer Vorkammer eine wesentlich sichere Entflammung zu erreichen als mit einer Laserzündung oder Hot-Spot-Laserzündung ohne Vorkammer. - Unterstützt wird das Entflammen des Gasgemisches in der Vorkammer weiterhin durch die vergleichsweise höheren Wandtemperaturen der Vorkammer bei geringeren Wärmeverlusten als im Hauptbrennraum. - Die günstigen Entflammungsbedingungen ermöglichen es, den Hot- Spot so auszulegen, dass eine möglichst kleine Substratfläche (ca. 0,5 mm Durchmesser) um eine möglichst geringe Temperaturerhöhung verändert werden muss. Dadurch sinkt der Kostenaufwand und ein wirtschaftlicher Betrieb kann erreicht werden.
- Durch den bei der Funkenzündung entstehenden Verschleiß der Zündelektrode ist die Lebensdauer der Vorkammerkerze in konventioneller Bauweise begrenzt. Dieser Nachteil verstärkt sich insbesondere bei hohen spezifischen Zylinderleistungen (hohe Mitteldrücke) durch den höheren Zündspannungsbedarf infolge des höheren Dichteniveaus.
Dabei tritt ein unvermeidbarer Verschleiß ("Abbrand") der Elektroden auf, durch den die Lebensdauer begrenzt wird. Insbesondere bei weiterer Leistungserhöhung der Motoren (Aufladung) und damit den zunehmenden höheren Zünddrücken nehmen die Durchbruchspannung und damit der Elektrodenverschleiß zu. Diese Verschleißprobleme bestehen bei der Hot-Spot-Laserzündung nicht, da die Oberflächentemperaturen am Absorber viel niedriger sind als am Zündfunken. Zusätzlich ist die Entflammungsneigung durch das höhere Dichteniveau stark begünstigt. Insgesamt hat die erfindungsgemäße Zündvor- richtung einen unmerklichen Verschleiß und damit eine annähernd unbegrenzte Lebensdauer.
- Die Erfindung schafft eine Zündvorrichtung zum Entflammen von Brenngas-Luft-Gemischen mit hoher Zündimpulsfrequenz in dem Brennraum eines fremdgezündeten Motors.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Die beschriebenen Merkmale können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Hot-Spot-Laserzündkerze mit Vorkammer; Fig. 2 einen Querschnitt zu Fig. 1 in der Ebene der schrägen Überströmöffnungen;
Fig. 3 eine Detailansicht zu Fig. 1; Fig. 4 eine Detailansicht zu Fig. 3; Fig. 5 eine Abwandlung zu Fig. 4;
Fig. 6 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Laserpulsleistung bei Verwendung der Erfindung in einer Brennkraftmaschine;
Fig. 7 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Oberflächentemperatur des Absorbers bei Verwendung der Erfindung in einer Brennkraftmaschine; und
Fig. 8 eine Detailansicht zu Fig. 7.
Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Zündvorrichtung zum Zünden eines brennbaren oder explosionsfähigen Gasgemischs in einem Haupt- brennraum 1, insbesondere zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemischs bzw. Brenngas-Luft-Gemischs in einer Brennkraftmaschine. Bei einer Hot- Spot-Laserzündung nach dem Stand der Technik, d.h. ohne Vorkammer 10, ist der Hauptbrennraum 1 gleich dem von dem Hot-Spot entflammten Brennraum. Die Zündvorrichtung ist in Form einer in die Wandung eines Zylinderkopfes 18 montierbaren Zündkerze 2 ausgebildet. Hierzu umfasst die Zündkerze 2 ein Außengewinde 3 und eine Dichtung 4, womit sie dichtend in die Wandung des Zylinderkopfes 18 eingeschraubt werden kann. Sie umfasst einen hochtemperaturfesten Absorberkörper 5, der in Kontakt zu dem Hauptbrennraum 1 entstammendem Gasgemisch ange- ordnet ist, mit einer dem Gasgemisch, nämlich dem Gasgemisch in einer Vorkammer 10 zugewandten Brennrauminnenseite 6.
Ferner umfasst die Zündkerze 2 einen Lichtleitweg zum Leiten eines Laserstrahls 7 auf den Absorberkörper 5 zum Erhitzen des Absorberkör- pers 5 mit dem Laserstrahl 7 bis zum Erreichen einer für das Zünden des Gasgemischs erforderlichen Zündtemperatur auf der Brennrauminnenseite 6 des Absorberkörpers 5, wobei der Lichtleitweg bis zu dem Absorberkörper 5 derart ausgebildet ist, dass der Laserstrahl 7 keinen direkten Kon- takt zu dem Gasgemisch des Hauptbrennraumes 1 oder der Vorkammer
10 hat. Der Laser 8 und ggf. eine Laserstrahloptik 9 können in die Zündkerze 2 integriert sein.
Neben dem Absorberkörper 5 und dem Lichtweg umfasst die Zündkerze 2 eine Vorkammer 10, die dem Absorberkörper 5 auf der Brennrauminnenseite 6 vorgelagert ist und die Vorkammer 10 und den Hauptbrennraum 1 verbindende Überströmöffnungen 11 aufweist. Die Vorkammer 10 ist als Hohlzylinder ausgebildet und umfasst vorteilhafterweise zwischen 1 und 20, bevorzugt 3 bis 8 Überströmöffnungen 11. Die Überströmöffnungen
11 können axial und/oder radial und/oder schräg, bezogen auf die Achse in dem in Fig. 1 dargestellten Längsschnitt, durch die Wandung der Vorkammer 10 verlaufen.
Der Absorberkörper 5 ist bevorzugt nicht wandbündig in der Wandung der Vorkammer 10 angeordnet, sondern ragt auf einem Sockel oder Vorsprung 19 ein Stück in die Vorkammer 10 hinein. Der Absorberkörper 5 ist dann auf einem Vorsprung 19 angeordnet, der mit einer gewissen Eintauchtiefe in die Vorkammer 10 hineinragt. Die Eintauchtiefe des Vor- sprungs 19 in die Vorkammer 10 beträgt vorteilhafterweise zwischen 5% und 35%, bevorzugt zwischen 10% und 25% der (axialen) Länge der Vorkammer 10. Dieser Vorsprung 19 hat Vorteile für die Schaffung eines "Atmungsraumes" für die Gemischbildung in der Vorkammer 10, die Ausbildung einer günstigen Strömung in der Vorkammer 10 und das Zünd- verhalten des Gasgemischs.
Wenn die Zündkerze 2 in die Wandung des Hauptbrennraumes 1, d.h. in den Zylinderkopf 18 eingeschraubt ist, ist der Absorberkörper 5 im Bereich der Wand des Hauptbrennraumes 1 angeordnet. Der Absorber- körper 5 ist ein hochtemperaturresistentes Substrat ohne oder mit Beschichtung. Die Einstellung der Temperatur der zur Vorkammer 10 gerichteten Oberfläche, der Brennrauminnenseite 6, erfolgt durch zeitlich gesteuerte Beheizung der Rückseite des Absorberkörpers 5, seiner der Vorkammer 10 abgewandten Brennraumaußenseite 14. Die Beheizung erfolgt durch den gepulsten Laserstrahl 7, der auf eine möglichst gut absorbierende rückwärtige Substrat-Oberfläche trifft. Vor dem Einschalten des Laserimpulses ist die Oberflächentemperatur der in die Vorkammer 10 hineinragenden Brennrauminnenseite 6 unter der für die Gemischzündung erforderlichen Temperatur. Durch Einschalten des Laserimpulses wird die Oberflächentemperatur soweit erhöht, dass eine sichere Gemischentzündung stattfindet. Über den Zeitpunkt der Beheizung wird der Zündzeitpunkt des Gemisches eingestellt und gesteuert.
Die Zündkerze 2 mit einer insbesondere im Wesentlichen zylindrischen Vorkammer 10 in Form einer in einen Zylinderkopf 18 einschraubbaren Anordnung hat mehrere Überströmöffnungen 11, die eine Verbindung zwischen der Vorkammer 10 und dem Hauptbrennraum 1 herstellen. Die vorzugsweise zentral angeordnete Lasereinrichtung 8 besitzt eine Strahloptik 9, die den Laserstrahl 7 auf den Absorberkörper 5 fokussiert, so dass dieser eine Zündstelle bildet. Die während des Verdichtungstaktes in den Überströmöffnungen 11 erzeugten Eintrittstrahlen in die Vorkammer 10 treffen sich mit ihren Achsen vorteilhaft in einem im Wesentlichen achsnahen Treffpunkt, der sich im Bereich des Absorberkörpers 5 oder entfernt davon befindet. Der Treffpunkt und dessen Umgebung ist ein ausgewählter Bereich innerhalb der Vorkammer 10 mit hoher und besonders feinballiger Turbulenz, der sich insbesondere in Verbindung mit der sehr kurzen Entladedauer des Lasers 8 mit hoher kurzzeitiger Leistung in hervorragender Weise zu einer sicheren Entflammung des Gemischs in der Vorkammer 10, mit einem gewünschten schnell wachsenden Flam- menkern, eignet.
Besonders vorteilhaft für die Zündung ist dabei, dass das an dem Absor- perkörper 5 zu zündende Kraftstoff-Luft-Gemisch während des Verdichtungstaktes des Motors aus dem Hauptbrennraum 1 zur Zündstelle gelangt. Dadurch wird das bei Verdichtungsbeginn noch allein in der Vorkammer 10 befindliche unbrennbare Restgas aus dem vorhergehenden Arbeitzyklus während des Verdichtungstaktes durch die sich ausbildende Strömung in den hinteren Teil der Vorkammer 10 verdrängt. Zudem führt dies zu besonders geringen Schwankungen der Gemischzusammenset- zung und Gemischtemperatur, weil insbesondere als Folge des Zustroms des Gases über die Überströmöffnungen 11 aus unterschiedlichen Bereichen des Hauptbrennraums 1 vor der Vorkammer 10 die Gemischzusammensetzung und die Gemischtemperatur an dem Absorberkörper 5 jeweils gemittelt werden. Durch die im Wesentlichen achsnahe Lage der Zünd- stelle sind zudem die Löscheffekte durch feste Oberflächen auf den sich nach der Zündung ausbildenden Flammenkern besonders gering.
Die Ausbildung einer geeigneten Strömung in der Vorkammer 10 kann verbessert werden, wenn die Vorkammer Überströmöffnungen 11 auf- weist, die tangential verlaufen, wie es in dem Querschnitt in Fig. 2 dargestellt ist, der in der Ebene der schrägen Überströmöffnungen 11 in Fig. 1 verläuft. Die Überströmöffnungen 11 sind dabei nicht auf die Achse gerichtet, sondern (schräg) tangential auf einen um die Achse verlaufenden Kreis, dessen Radius zwischen Null und dem Radius der Vorkammer 10 liegen kann. Hierdurch bildet sich eine vorteilhafte Drehströmung in der Vorkammer 10 aus.
Die Fig. 1 zeigt eine Vorkammerzündkerze mit einer vorderen Vorkammer 12 und hinteren Vorkammer 13, wobei in die vordere Vorkammer 12 die Überströmöffnungen 11 einmünden. Zudem ist eine zentrale Überströmöffnung 11 dargestellt, mit der einerseits dem zu zündenden Gasgemisch durch den in die vordere Vorkammer 12 eintretenden Strahl eine axiale Strömungskomponente in Richtung auf die hintere Vorkammer 13 aufgeprägt und durch die schrägen, tangential eintretenden Überströmöffnun- gen 11 in der hinteren Vorkammer 13 eine Drehströmung erzeugt wird. Die axiale Strömungskomponente bewirkt, dass zum Zündzeitpunkt ausschließlich Frischgemisch aus dem Hauptbrennraum 1 am Hot-Spot vorhanden ist und nach Entflammung des Frischgemisches die Flammenausbreitung in der hinteren Vorkammer 13 durch die vorhandene Drehströ- mung stark beschleunigt wird. Die schnelle Entflammung erfasst auch das vorhandene Gemisch in der vorderen Vorkammer 12 und es treten Fackelstrahlen in den Hauptbrennraum 1 aus, die eine besonders schnelle und gleichmäßige Umsetzung des Hauptgemischs im Hauptbrennraum 1 bewirken. Allgemein ist es vorteilhaft, wenn die Vorkammer 10 in axialer Richtung in eine vordere Vorkammer 12 und eine hintere Vorkammer 13 aufgeteilt ist, wobei die hintere Vorkammer 13 weiter von dem Hauptbrennraum 1 als die vordere Vorkammer 12 gelegen ist und wobei der Durchmesser der hinteren Vorkammer 13 größer als der Durchmesser der vorderen Vorkammer 12 ist. Vorteilhafterweise ist der Durchmesser der hinteren Vorkammer 13 zwischen 5% und 100%, bevorzugt zwischen 10% und 30% größer als der Durchmesser der vorderen Vorkammer 12. Die (axiale) Länge der hinteren Vorkammer 13 beträgt vorteilhafterweise zwischen 5% und 200%, bevorzugt zwischen 10% und 80% der Länge der vorderen Vorkammer 12. Die Ausbildung einer hinteren Vorkammer 13 hat Vorteile für die Schaffung eines "Atmungsraumes" für die Gemischbildung in der Vorkammer 10, die Ausbildung einer günstigen Strömung in der Vorkammer 10 und das Zündverhalten des Gasgemischs.
Die Fig. 3 zeigt ein Detail zu Fig. 1, nämlich den Laser 8, die Strahloptik 9, den Lichtleitweg und den Absorberkörper 5. Die Vorkammer 10 und das äußere Gehäuse der Zündkerze 2 sind in dieser Darstellung nicht eingezeichnet.
Die Fig. 4 zeigt in einer Detaildarstellung das untere Ende der Anordnung von Fig. 3, in der man gut erkennen kann, dass der Absorberkörper 5 aus einem das Laserlicht absorbierenden Material besteht, dessen der Vorkammer 10 abgewandte Brennraumaußenseite 14 gegenüber der Brenn- rauminnenseite 6 abgedichtet ist. Der Absorberköper 5 stellt in dieser Ausführungsform sozusagen ein "schwarzes Fenster" dar, das von seiner Rückseite her mittels des Laserstrahls 7 erhitzt wird. Der Absorberkörper 5 ist also ein hochtemperaturfestes Bauteil, das abgedichtet in die Wandung der Vorkammer 10 eingelassen bzw. eingesetzt ist. Das Material des Absorberkörpers 5 kann somit unabhängig von dem Material der Wandung der Vorkammer 10 gewählt und den Zündbedingungen ange- passt werden. Vorzugsweise ist das Material des Absorberkörpers 5 verschieden von dem Material der Wandung der Vorkammer 10, die den Absorberkörper 5 trägt. Im Gegensatz zu bekannten Laserzündsystemen ist hierbei eine Einkopp- lung des Laserstrahls 7 durch einen optischen Zugang in die Vorkammer 10 nicht erforderlich, wodurch die verfahrensbedingten Nachteile von Verschmutzungen/Ablagerungen umgangen werden. Zusätzlich ist eine gerin- gere Laserstrahlleistung erforderlich. Der Absorberkörper 5 kann aus geeigneten Materialien, beispielsweise aus einer Keramik und/oder aus einem Wolfram-Carbid bestehen. Der Absorberkörper 5 ist vorzugsweise scheibenförmig ausgebildet. Vorteilhafterweise hat der Absorberkörper 5 einen Durchmesser von weniger als 10 mm, bevorzugt weniger als 5 mm, besonders bevorzugt weniger als 2 mm.
Ferner weist der Absorberkörper 5 vorteilhafterweise eine Aussparung 17 auf, in der seine Dicke reduziert ist. Die Aussparung 17 kann auf der Brennrauminnenseite 6 und/oder der Brennraumaußenseite 14 ausgebil- det sein. Die Aussparung 17 hat vorteilhafterweise einen Durchmesser von weniger als 1 mm, bevorzugt weniger als 0,5 mm, und die Dicke des Absorberkörpers 5 im Bereich der Aussparung 17 liegt vorteilhafterweise unter 2 mm, bevorzugt unter 1 mm und besonders bevorzugt unter 0,5 mm. Aus Festigkeitsgründen ist ein dicker Absorberkörper 5 vorteil- haft, um den hohen Zylinderdrücken standzuhalten. Aus Gründen der Wärmeleitung und zum Erzielen einer möglichst schnellen Erwärmung bei möglichst kleiner Laserleistung ist es jedoch wünschenswert, wenn der Absorberkörper 5 dünn ist. Diesen sich widersprechenden Anforderungen kann mit einer Aussparung 17 entsprochen werden.
Die Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführung zu Fig. 4 bei einer Zündkerze 2 mit einer Strahlführung durch einen transparenten Werkstoff und einer Absorption des Laserstrahls 7 in einer auf dem transparenten Werkstoff angebrachten absorbierenden Beschichtung, die den Absorberkörper 5 bildet. Dabei ist der Absorberkörper 5 als das Laserlicht absorbierendes, vorzugsweise tiefschwarzes Material ausgebildet, das auf der der Vorkammer 10 zugewandten Brennrauminnenseite 6 eines Fenstermaterials 15 angeordnet ist. Der Absorberkörper 5 kann auf der der Vorkammer 10 abgewandten Brennraumaußenseite 14 des Fenstermaterials 15 angeord- net sein, oder, wie in Fig. 4 dargestellt ist, auf der der Vorkammer 10 zugewandten Brennrauminnenseite 6 des Fenstermaterials 15 angeordnet sein, wobei das Fenstermaterial 15 für das Laserlicht durchlässig ist.
Der Absorberkörper 5 kann bei diesen Ausführungsformen beispielsweise aus einer Keramik, insbesondere einer Sinter-Keramik, vorzugsweise aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid, einem metallischen Stoff, aus Car- bid, Borid, Silicid oder Nitrid bestehen. Das Fenstermaterial 15 kann scheibenförmig oder als Lichtleitstab 16 ausgebildet sein. Es besteht beispielsweise aus einem Wolfram-Silikatglas, einem Bor-Silikatglas oder Saphir.
Der dem Absorberkörper 5 bzw. dem Fenstermaterial 15 unmittelbar vorgelagerte Lichtweg kann durch Luft, Schutzgas oder einen Lichtleiter oder Lichtleitstab 16 verlaufen.
Die Fig. 6 zeigt den Verlauf der Laserpulsleistung P als Funktion der Zeit t. Man erkennt, dass der Laserstrahl 7 im Arbeitszyklus T der Brennkraftmaschine gepulst wird. Die Pulsfrequenz der Laserpulse beträgt vorteilhafterweise zwischen 1 Hz und 2.000 Hz, bevorzugt zwischen 1 Hz und 50 Hz. Die Pulsdauer der Laserpulse liegt vorteilhafterweise zwischen 0,1 μs und 1 min, bevorzugt zwischen 1 μs und 1 s, besonders bevorzugt zwischen 1 μs und 1 ms, wobei die langen Pulsdauern insbesondere zum Temperaturaufbau beim Kaltstart einer Brennkraftmaschine zweckmäßig sein können. Die Anstiegszeit der Laserpulse beträgt vorteilhafterweise zwischen 1 ns und 1 ms, bevorzugt zwischen 100 ns und 10 μs, und die Abklingzeit der Laserpulse vorteilhafterweise zwischen 1 ns und 1 ms, bevorzugt zwischen 100 ns und 10 μs.
In Fig. 7 ist der zugehörige zeitliche Verlauf der Oberflächentemperatur TO des Absorberkörpers 5 auf der Brennrauminnenseite 6 dargestellt. Jeweils kurz nach dem Auslösen eines Laserpulses wird die zur Gemischzündung erforderliche Zündtemperatur TZ überschritten. Die erforderliche Zündtemperatur des jeweiligen Zyklus kann infolge des Einflusses von Gemischzusammensetzung, Druck, Temperatur und Strömungsparameter an der Zündstelle schwanken. Der erforderliche zeitliche Anstieg der Oberflächentemperatur TO ergibt sich aus der Anforderung der zeitlichen Lage des Zündzeitpunkts des Gemisches. Durch Vorgabe der Pulsdauer und Pulsanzahl kann die Oberflächentemperatur TO zur Gemischentzündung an unterschiedliche Betriebzustände eines Motors angepasst werden (Kaltstart, Instationärbetrieb, Drehzahl, Last).
Die Fig. 8 zeigt in einer Detailansicht zu Fig. 7 den zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperatur TO für einen einzelnen Laserpuls.
Bezugszeichenliste
1 Hauptbrennraum
2 Zündkerze
3 Außengewinde
4 Dichtung
5 Absorberkörper
6 Brennrauminnenseite
7 Laserstrahl
8 Laser
9 Laserstrahloptik
10 Vorkammer
11 Überströmöffnung
12 Vordere Vorkammer
13 Hintere Vorkammer
14 Brennraumaußenseite
15 Fenstermaterial
16 Lichtleitstab
17 Aussparung
18 Zylinderkopf
19 Vorsprung
P Laserpulsleistung
T Arbeitszyklus
TO Oberflächentemperatur
TZ Zϋndtemperatur t Zeit

Claims

Patentansprüche
1. Zündvorrichtung zum Zünden eines brennbaren oder explosionsfähigen Gasgemischs in einem Hauptbrennraum (1), insbesondere zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemischs bzw. Brenngas-Luft-Gemischs in einer Brennkraftmaschine, umfassend einen hochtemperaturfesten Absorberkörper (5), der in Kontakt zu dem Hauptbrennraum ( 1) entstammendem Gasgemisch angeordnet ist, mit einer dem Gasgemisch zugewandten Brennrauminnenseite (6), und einen Lichtleitweg zum Leiten eines Laserstrahls (7) auf den Absorberkörper (5) zum Erhitzen des Absorberkörpers (5) mit dem Laserstrahl (7) bis zum Erreichen einer für das Zünden des Gasgemischs erforderlichen Zündtemperatur (TZ) auf der Brennrauminnenseite (6) des Absorberkörpers (5), wobei der Lichtleitweg bis zu dem Absorberkörper (5) derart ausgebildet ist, dass der Laserstrahl (7) keinen direkten Kontakt zu dem Gasgemisch des Hauptbrennraumes (1) hat, dadurch gekennzeichnet, dass dem Absorberkörper (5) auf der Brennrauminnenseite (6) eine Vor- kammer (10) mit mindestens einer die Vorkammer (10) und den
Hauptbrennraum (1) verbindenden Überströmöffnung (11) vorgelagert ist, wobei die Brennrauminnenseite (6) des Absorberkörpers (5) dem Gasgemisch der Vorkammer (10) zugewandt ist und der Lichtleitweg bis zu dem Absorberkörper (5) derart ausgebildet ist, dass der Laserstrahl (7) keinen direkten Kontakt zu dem Gasgemisch der Vorkammer (10) hat.
2. Zündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper (5) im Bereich der Wand des Hauptbrennraumes (1) angeordnet ist.
3. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper (5) scheibenförmig ausgebildet ist.
4. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper (5) einen Durchmesser von weniger als 10 mm, bevorzugt weniger als 5 mm, besonders bevorzugt weniger als 2 mm hat.
5. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper (5) eine Aussparung ( 17) aufweist, in der seine Dicke reduziert ist.
6. Zündvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (17) einen Durchmesser von weniger als 1 mm, bevorzugt weniger als 0,5 mm hat.
7. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper (5) im Bereich der Aus- sparung (17) eine Dicke von weniger als 2 mm, bevorzugt weniger als 1 mm und besonders bevorzugt weniger als 0,5 mm hat.
8. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Absorberkörpers (5) verschieden von dem Material der Wandung der Vorkammer (10) ist, die den Absorberkörper (5) trägt.
9. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper (5) aus einem das Laserlicht absorbierenden Material besteht, dessen der Vorkammer (10) abgewandte Brennraumaußenseite (14) gegenüber der Brennrauminnenseite (6) abgedichtet ist.
10. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper (5) aus einer
Keramik und/oder aus einem Wolfram-Carbid besteht.
11. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper (5) als das Laser- licht absorbierendes, vorzugsweise tiefschwarzes Material ausgebildet ist, das auf der der Vorkammer (10) zugewandten Brennrauminnenseite (6) eines Fenstermaterials (15) angeordnet ist.
12. Zündvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper (5) auf der der Vorkammer (10) abgewandten Brennraumaußenseite (14) des Fenstermaterials (15) angeordnet ist.
13. Zündvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich- net, dass der Absorberkörper (5) auf der der Vorkammer (10) zugewandten Brennrauminnenseite (6) des Fenstermaterials (15) angeordnet und das Fenstermaterial (15) für das Laserlicht durchlässig ist.
14. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper (5) aus einer Keramik, insbesondere einer Sinter-Keramik, vorzugsweise aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid, einem metallischen Stoff, aus Carbid, Borid, Silicid oder Nitrid besteht.
15. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenstermaterial (15) scheibenförmig ausgebildet ist.
16. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenstermaterial (15) als Lichtleitstab (16) ausgebildet ist.
17. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenstermaterial (15) ein Wolfram-Silikatglas, ein Bor-Silikatglas oder Saphir ist.
18. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Absorberkörper (5) bzw. dem Fenstermaterial (15) unmittelbar vorgelagerte Lichtweg durch Luft, Schutzgas oder einen Lichtleiter oder Lichtleitstab (16) verläuft.
19. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (7) gepulst wird.
20. Zündvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfrequenz der Laserpulse zwischen 1 Hz und 2.000 Hz, bevorzugt zwischen 1 Hz und 50 Hz beträgt.
21. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer der Laserpulse zwischen 0,1 μs und 1 min, bevorzugt zwischen 1 μs und 1 s, besonders bevorzugt zwischen 1 μs und 1 ms beträgt.
22. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Anstiegszeit der Laserpulse zwischen 1 ns und 1 ms, bevorzugt zwischen 100 ns und 10 μs beträgt.
23. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Abklingzeit der Laserpulse zwischen 1 ns und 1 ms, bevorzugt zwischen 100 ns und 10 μs beträgt.
24. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (8) in die Zündvorrichtung integriert ist.
25. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in Form einer in die Wandung eines Zylinderkopfes (18) montierbare, vorzugweise in ein Gewinde einschraubbare Zündkerze (2) ausgebildet ist, die den Absorberkörper (5), einen Teil des Lichtweges und die Vorkammer (10) umfasst.
26. Zündvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (8) in die Zündkerze (2) integriert ist.
27. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (10) als Hohlzylinder ausgebildet ist.
28. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (10) zwischen 1 und
20, bevorzugt 3 bis 8 Überströmöffnungen (11) aufweist.
29. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (10) axial und/oder radial und/oder schräg verlaufende Überströmöffnungen (11) aufweist.
30. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (10) Überströmöff- nungen (11) aufweist, die tangential verlaufen.
31. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (10) in axialer Richtung in eine vordere Vorkammer (12) und eine hintere Vorkammer (13) aufgeteilt ist, wobei die hintere Vorkammer (13) weiter von dem Hauptbrennraum ( 1) als die vordere Vorkammer (12) gelegen ist und wobei der Durchmesser der hinteren Vorkammer (13) größer als der Durchmesser der vorderen Vorkammer (12) ist.
32. Zündvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der hinteren Vorkammer (13) zwischen 5% und 100%, bevorzugt zwischen 10% und 30% größer ist als der Durchmesser der vorderen Vorkammer (12).
33. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 32, dadurch gekennzeichnet das die Länge der hinteren Vorkammer (13) zwischen 5% und 200%, bevorzugt zwischen 10% und 80% der Länge der vorderen Vorkammer (12) beträgt.
34. Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper (5) auf einem Vorsprung (19) angeordnet ist, der mit einer Eintauchtiefe in die Vorkammer (10) hineinragt.
35. Zündvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintauchtiefe des Vorsprungs (19) in die Vorkammer (10) zwischen 5% und 35%, bevorzugt zwischen 10% und 25% der Länge der Vorkammer (10) beträgt.
36. Brennkraftmaschine, insbesondere Benzinmotor oder Gasmotor, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Zündvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
37. Anwendung einer Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 35 zum Zünden eines brennbaren oder explosionsfähigen Gasgemischs in einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Benzinmotor oder Gasmotor.
38. Verfahren zum Zünden eines brennbaren oder explosionsfähigen Gasgemischs in einem Hauptbrennraum (1), insbesondere zum Zün- den eines Kraftstoff-Luft-Gemischs bzw. Brenngas-Luft-Gemischs in einer Brennkraftmaschine, bei dem ein hochtemperaturfester Absorberkörper (5) mit einer dem Gasgemisch zugewandten Brennrauminnenseite (6) in Kontakt zu dem Hauptbrennraum (1) entstammendem Gasgemisch angeordnet wird, und entlang eines Lichtleitweges ein Laserstrahl (7) auf den Absorberkörper (5) geleitet wird, wobei der Absorberkörper (5) mit dem Laserstrahl (7) erhitzt wird, bis auf der Brennrauminnenseite (6) des Absorberkörpers (5) eine für das Zünden des Gasgemischs erforderliche Zündtemperatur (TZ) erreicht wird, wobei der Lichtleitweg bis zu dem Absorberkörper (5) derart ausgebildet ist, dass der Laserstrahl (7) keinen direkten Kontakt zu dem Gasgemisch des Hauptbrennraumes (1) hat, dadurch gekennzeichnet, dass dem Absorberkörper (5) auf der Brennrauminnenseite (6) eine Vorkammer (10) mit mindestens einer die Vorkammer (10) und den Hauptbrennraum (1) verbindenden Überströmöffnung (11) vorgelagert wird, wobei die Brennrauminnenseite (6) des Absorberkörpers (5) dem Gasgemisch der Vorkammer (10) zugewandt angeordnet wird und der Lichtleitweg bis zu dem Absorberkörper (5) derart ausgebildet wird, dass der Laserstrahl (7) keinen direkten Kontakt zu dem Gasgemisch der Vorkammer (10) hat.
39. Brennkraftmaschine, insbesondere Benzinmotor oder Gasmotor, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch gezündet wird.
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