EP2238341A2 - Laserzündeinrichtung - Google Patents

Laserzündeinrichtung

Info

Publication number
EP2238341A2
EP2238341A2 EP09707237A EP09707237A EP2238341A2 EP 2238341 A2 EP2238341 A2 EP 2238341A2 EP 09707237 A EP09707237 A EP 09707237A EP 09707237 A EP09707237 A EP 09707237A EP 2238341 A2 EP2238341 A2 EP 2238341A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
chamber window
ignition device
fastening element
laser
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Withdrawn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
EP09707237A
Other languages
English (en)
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 EP2238341A2 publication Critical patent/EP2238341A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

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 laser ignition device, comprising a base body and a combustion chamber window for coupling laser light into the combustion chamber of an internal combustion engine, wherein the combustion chamber window in the region of the laser light exit surface rests against a receiving collar of the base body and a fastener the combustion chamber window in the region of the laser light entry surface pressurized fixed to the body , Furthermore, the invention relates to an internal combustion engine with such a laser ignition device.
  • the laser ignition is an ignition concept for Otto engine operated internal combustion engines, the principle of which is based on that an intense laser pulse is coupled into the combustion chamber of the internal combustion engine and focused there on a focal point. At this focal point, the intensity of the radiation exceeds a threshold sufficient to ionize the fuel-air mixture and subsequently to ignite a plasma arc.
  • This plasma bomb is able to ignite a fuel-air mixture in a manner similar to the spark of a conventional electric 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 of the internal combustion engine.
  • This unit is referred to by analogy with conventional electric spark ignition, for example, as a laser spark plug.
  • the ignition laser is optically e.g. pumped by a semiconductor laser which may be connected to the laser spark plug by an optical fiber.
  • the coupling optics is arranged. This consists of a suitable lens system for focusing the laser light and a so-called combustion chamber window, which represents the last optical element before the beam entrance of the laser light into the combustion chamber.
  • the advantage of laser ignition over conventional electric spark ignition systems is that the spark is free to the depth of the Brennraums can be placed, where optimal flaming conditions prevail.
  • This advantage requires that laser ignition systems, especially in high-performance systems such as large engines, find use in which particularly high ignition temperatures and pressures occur. Therefore, one of the main problems with laser ignition devices is the sealing of the combustion chamber window and the ignition laser to the combustion chamber.
  • the applicant's EP 1 820 948 A1 describes a laser ignition device with base body and combustion chamber window, the combustion chamber window abutting a receiving collar of the base body in the area of the laser light exit surface and a fastening element the combustion chamber window laterally pressurized.
  • endurance tests have shown that such a system can be leaking in the event of severe temperature changes.
  • Object of the present invention is therefore to provide a laser ignition device of the type mentioned, in which the described problems are reduced.
  • a laser ignition device is to be provided which remains tight in all operating states and at elevated temperatures.
  • a laser ignition device comprising a base body and a combustion chamber window for coupling laser light into the combustion chamber of an internal combustion engine, wherein the combustion chamber window in the region of the laser light exit surface rests against a receiving collar of the base body and a fastener the combustion chamber window in the region of the laser light entrance surface pressurized fixed on the base body, wherein the fastener is designed such that the pressure exerted by the fastener on the combustion chamber window pressure remains substantially constant or increased with temperature increase of the base body and / or the combustion chamber window, it is possible the different relative changes in length between fastener, combustion chamber window and body at temperature change of cold to minimize operating temperature.
  • An essential finding in the context of the invention is therefore that the individual elements of the laser ignition device have a different longitudinal extent, which leads to gap formations can come through which gas from the combustion chamber in the laser ignition device can penetrate.
  • the fastening element has a higher thermal expansion coefficient than the main body and / or the combustion chamber window.
  • the pressure on the combustion chamber window can be increased with a thermal expansion, that an additional pressure is exerted on the combustion chamber window, which keeps the combustion chamber window tight, by increasing the length of the fastening element.
  • the sum of thermal expansion of the fastening element and the combustion chamber window should correspond at least to the thermal expansion over that length of the base body between which the combustion chamber window is pressurized.
  • the fastening element acts on the combustion chamber window by means of spring action with pressure.
  • the force or the pressure which is exerted on the combustion chamber window can be kept substantially constant even when the temperature increases.
  • the fastening element has a plate spring, since this represents a particularly simple way of exerting spring force.
  • the fastening element is designed as a clamping sleeve. Further favorable embodiments provide that the fastening element is formed substantially sleeve-shaped or cylinder jacket-shaped. In a structurally very simple embodiment can further be provided that the fastening element is fixed on the side facing away from the combustion chamber window with the base body. In this case, it has proved to be advantageous if the Fastener attached to the body insoluble, preferably welded, since so the degree of attachment is particularly high.
  • At least one sealing element is arranged between the fastening element and the combustion chamber window and that at least one sealing element is arranged between the combustion chamber window and receiving collar, since an additional sealing effect is achieved in this way.
  • fastening element may be designed in several parts, so that at least one further intermediate element would be provided which the bias of the
  • Fastening element favors. In this case, could be achieved with the intermediate element, a prefixing of Brennraumfesters on the body and the
  • Main fixation for example, a gas-tight weld
  • the intermediate element could for example be screwed or clamped.
  • fastening element recesses for example in the form of at least one groove, which serve to relieve the pressure.
  • the laser ignition device is a laser spark plug.
  • the invention also relates to an internal combustion engine having a laser ignition device of the aforementioned type.
  • FIG. 1 shows schematically a laser ignition device, installed in a simplified illustrated internal combustion engine
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a laser ignition device in cross section
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a laser ignition device in cross section
  • Fig. 5 shows a fourth embodiment of a laser ignition device in cross section
  • Fig. 6 is a fastener according to FIG. 5 in oblique view.
  • Fig. 1 is roughly simplified and schematically an internal combustion engine with a cylinder 14 is shown, which has a piston 13 which is moved up and down in the cylinder 14, and which together form the combustion chamber 15.
  • the actual laser ignition device is shown as a simplified laser spark plug, wherein in FIG. 1, the base body 1 can be seen, in which the actual ignition laser is arranged. Since ignition lasers are known per se, will not be discussed here in detail.
  • the ignition laser is supplied with pumping light via the light guide 11 from a pump light source 10 (e.g., a pump laser).
  • the amplification then takes place in the ignition laser until laser light with sufficient intensity for ignition in the combustion chamber 15 can be coupled in the combustion chamber 15 via a coupling optics (not shown).
  • the laser light is focused on the focal point 3, in which the ignition takes place.
  • an inlet valve 17 is further shown, via which a fuel-air mixture can be introduced into the combustion chamber 15. After combustion, the exhaust gas is discharged via an outlet valve 18.
  • Fig. 2 the front portion of the laser ignition device according to the invention is shown in cross section. For reasons of clarity, the ignition laser and the coupling optics are not shown, since both can be carried out according to the prior art.
  • the laser light is focused in the operating state of the laser ignition device from the upper part of the figure along the optical axis A via the combustion chamber window 2 to the focal point 3.
  • the laser light is thus guided along the axis A from the ignition laser to the laser light entrance surface 2a of the combustion chamber window 2 through the combustion chamber window 2 and coupled to the laser light exit surface 2a of the combustion chamber window 2 from the laser ignition and subsequently led to the focal point 3, in which it comes to plasma ignition.
  • the optical window 2 is transparent to laser light and has a thickness d.
  • the combustion chamber window 2 is located in the region of the laser light exit surface 2a on the receiving collar 5 of the main body 1 of the laser ignition device.
  • the fastening element 6 fastens the combustion chamber window 2 to the main body 1 by pressurizing the combustion chamber window 2 along the axis A in the region of the laser light entry surface 2 b.
  • the combustion chamber window is thus clamped in some areas between the fastening element 6 and receiving collar 5 on the opposite side surfaces.
  • the fastener 6 has the combustion chamber window 2 to the receiving collar 5 of the base body 1.
  • the fastener 6 has a higher coefficient of thermal expansion ⁇ as the body 1 and combustion chamber 2.
  • the length of the fastener 6 is designated by ld, the length of fastener plus the thickness of the combustion chamber window denoted by I.
  • the fastening element 6 is designed as a clamping sleeve and has the shape of a cylinder jacket. In the area of the side facing away from the combustion chamber window 2 6b of the fastener 6 this is attached to the base body. This is indicated by a weld 7. Conceivable but would also fasteners on additional screw etc.
  • a variant is indicated in which between the combustion chamber window 2 at the light inlet surface 2b, a sealing element 8 is applied, which is acted upon by the fastening element 6 in addition to pressure to improved sealing on the one hand and a preservation of the combustion chamber window 2 on the other achieve.
  • fastening element 6 can additionally also have a (sufficient) sealing function with respect to the combustion gases of the internal combustion engine under all possible conditions of use.
  • this seal can also be done by separate Sealing elements 8, for example, between the combustion chamber window and support collar of the body done (eg by soft iron or brass sealing rings).
  • the material of the fastening element 6 is additionally selected so that the thermal expansion coefficient ⁇ (namely, the so-called coefficient of linear expansion) is higher than the thermal expansion coefficient of the material of the main body 1 of the laser ignition device.
  • the design of the combustion chamber window fastening in the laser ignition device with the aid of the fastening element 6 takes place in such a way that the sum of the length expansion of the combustion chamber window 2 and fastener 6 is approximately equal to or slightly greater than the extension of the base body 1 over the length of the clamping :
  • Thermal expansion coefficient is significantly higher than that of the main body. 1
  • the material can be 1.4562 having a linear thermal expansion coefficient of 13.5 4 IO "6/0 K for the main body. 1, for example, the material can then be chosen 1.4301 as the material for the fastening element 2 having a linear thermal expansion coefficient of 16.5 MO " 6/0 K can be selected.
  • the thermal expansion coefficient of the combustion chamber window 2 is about 0.5 * 10 "6 / ° K
  • the length of the fastening element 6 can be selected so that the temperature-induced change in length of the sum of the relevant construction elements is less than the elastic expansion or compression reserve of the clamping device.
  • an axially arched fastener is proposed (see also Fig. 3).
  • Fig. 3 shows a further embodiment of the laser ignition device analogous to FIG. 2, so that the same components will not be discussed in detail and reference is made to FIG. 2.
  • the fastening element 6 is designed so that there is a spring effect on the combustion chamber window 2, on the
  • the fastening element 6 is as
  • the fastening element 6 springs during the clamping process, whereby a high elastic expansion range is achieved, which can accommodate the different changes in length of the components within the elastic stretch region, without the contact pressure of the combustion chamber window 2 on support collar 5 of the body drops below a permissible level.
  • the fastening element 6, the clamping sleeve in addition to the bias and the sealing function relative to the combustion chamber pressure and the combustion gases have.
  • a separate component for example in the form of a sealing ring with corresponding properties and of a suitable material may also be provided for the sealing function here.
  • a further embodiment is shown, which corresponds to the embodiment of FIG. 2 of the essential components.
  • the essential difference is that the fastening element 6 has an additional recess 10 in the form of a groove, which serves for the pressure relief.
  • the fastening element 6 has an additional recess 10 in the form of a groove, which serves for the pressure relief.
  • the recess 10 favors that such exhaust gas can flow out of the laser ignition device and via the additional pressure equalization openings 11.
  • the recesses 10 are arranged between the base body and fastener 6 and are in communication with the pressure equalization opening 11. (The embodiment shows additional sealing elements (9 ) between combustion chamber window 2 and receiving collar 5).
  • FIG. 5 corresponds substantially to the embodiment of FIG. 4, wherein the fastening element 6 is formed in two parts and has an intermediate element 12, the first prefixed by means of the lower part 6 of the fastener, the combustion chamber window 2 under bias. Subsequently, welding takes place here (for example by means of laser welding) to form the gas-tight laser seam 7.
  • the pressure compensation opening 11 naturally has to be arranged in an area in which it is not exposed to combustion chamber pressure.
  • the base body must be installed in such a way in the cylinder head of a cylinder of an internal combustion engine, that the pressure equalization opening 11 is sealed to the combustion chamber.
  • this can be achieved, for example, by the base body 1 protruding into the combustion chamber only up to the lower edge or only slightly above the lower edge of the base body 1 and laterally screwed into a nut thread on the cylinder head, for example via a screw thread with optionally additional sealing elements the pressure compensation opening 11 is arranged above the thread and any sealing elements.
  • Fig. 6 shows the fastener 6 of the embodiment of FIG. 4 and the lower part of the fastener 6 of FIG. 5 with a direct view of the recess 10, which is clearly seen formed as an elongated groove.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)

Abstract

Laserzündeinrichtung, umfassend einen Grundkörper (1) und ein Brennraumfenster (2) zum Einkoppeln von Laserlicht in den Brennraum (4) einer Brennkraftmaschine, wobei das Brennraumfenster (2) im Bereich der Laserlichtaustrittsfläche (2a) an einem Aufnahmebund (5) des Grundkörpers (1) anliegt und ein Befestigungselement (6) das Brennraumfenster (2) im Bereich der Laserlichteintrittsfläche (2b) mit Druck beaufschlagt am Grundkörper (1) fixiert, wobei das Befestigungselement (6) derart ausgebildet ist, dass der vom Befestigungselement (6) auf das Brennraumfenster (2) ausgeübte Druck bei Temperaturerhöhung des Grundkörpers (1) und/oder des Brennraumfensters (2) im Wesentlichen konstant bleibt oder erhöht wird; sowie eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Laserzündeinrichtung.

Description

Laserzündeinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Laserzündeinrichtung, umfassend einen Grundkörper und ein Brennraumfenster zum Einkoppeln von Laserlicht in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei das Brennraumfenster im Bereich der Laserlichtaustrittsfläche an einem Aufnahmebund des Grundkörpers anliegt und ein Befestigungselement das Brennraumfenster im Bereich der Laserlichteintrittsfläche mit Druck beaufschlagt am Grundkörper fixiert. Weiters betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Laserzündeinrichtung.
Die Laserzündung ist ein Zündungskonzept für ottomotorisch betriebene Brennkraftmaschinen, dessen Prinzip darauf beruht, dass ein intensiver Laserimpuls in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingekoppelt und dort auf einen Brennpunkt fokussiert wird. In diesem Brennpunkt überschreitet die Intensität der Strahlung einen Schwellenwert, der zur Ionisation des Treibstoff-Luftgemisches und in der Folge zur Zündung eines Plasmafunkens ausreicht. Dieser Plasmafunke ist in ähnlicher Weise wie der Funke einer konventionellen elektrischen Funkenzündung in der Lage, ein Treibstoff-Luftgemisch zu entflammen.
Für die Anwendung in Brennkraftmaschinen sind die derzeit am intensivsten verfolgten Laserzündkonzepte in der Weise ausgeführt, dass der Laserimpuls von einem Festkörperlaser erzeugt wird, der zusammen mit der Ein- und Auskoppeloptik in einem am Zylinderkopf der Brennkraftmaschine befestigten Gehäuse integriert ist. Diese Einheit wird in Analogie mit der konventionellen elektrischen Funkenzündung beispielsweise als Laserzündkerze bezeichnet. Der Zündlaser wird optisch z.B. von einem Halbleiterlaser gepumpt, der mit der Laserzündkerze durch eine optische Faser verbunden sein kann. Zwischen Zündlaser und Brennraum der Brennkraftmaschine ist die Einkoppeloptik angeordnet. Diese besteht aus einem geeigneten Linsensystem zur Fokussierung des Laserlichtes sowie einem sogenannten Brennraumfenster, das das letzte optische Element vor dem Strahleintritt des Laserlichtes in den Brennraum darstellt.
Der Vorteil der Laserzündung gegenüber herkömmlichen elektrischen Funkenzündsystemen besteht darin, dass der Zündfunke frei in die Tiefe des Brennraums gelegt werden kann, wo optimale Entflammungsbedingungen vorherrschen. Dieser Vorteil bedingt, dass Laserzündsysteme, insbesondere bei Hochleistungssystemen wie z.B. Großmotoren, Einsatz finden, bei denen besonders hohe Zündtemperaturen und Drücke auftreten. Daher stellt eines der Hauptprobleme bei Laserzündeinrichtungen die Abdichtung des Brennraumfensters und des Zündlasers zum Brennraum dar. Die EP 1 820 948 A1 der Anmelderin beschreibt eine Laserzündeinrichtung mit Grundkörper und Brennraumfenster, wobei das Brennraumfenster im Bereich der Laserlichtaustrittsfläche an einem Aufnahmebund des Grundkörpers anliegt und ein Befestigungselement das Brennraumfenster seitlich mit Druck beaufschlagt. Dauertests haben jedoch gezeigt, dass ein solches System im bei starken Temperaturveränderungen undicht werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Laserzündeinrichtung der eingangs genannten Gattung bereitzustellen, bei der die geschilderten Probleme vermindert sind. Insbesondere soll eine Laserzündeinrichtung bereitgestellt werden, die in sämtlichen Betriebszuständen und bei erhöhten Temperaturen dicht bleiben.
Diese Aufgabe wird durch eine Laserzündeinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Mit einer Laserzündeinrichtung, umfassend einen Grundkörper und ein Brennraumfenster zum Einkoppeln von Laserlicht in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei das Brennraumfenster im Bereich der Laserlichtaustrittsfläche an einem Aufnahmebund des Grundkörpers anliegt und ein Befestigungselement das Brennraumfenster im Bereich der Laserlichteintrittsfläche mit Druck beaufschlagt am Grundkörper fixiert, wobei das Befestigungselement derart ausgebildet ist, dass der vom Befestigungselement auf das Brennraumfenster ausgeübte Druck bei Temperaturerhöhung des Grundkörpers und/oder des Brennraumfensters im Wesentlichen konstant bleibt oder erhöht wird, ist es möglich, die unterschiedlichen relativen Längenänderungen zwischen Befestigungselement, Brennraumfenster und Grundkörper bei Temperaturwechsel von kaltem zu betriebswarmen Zustand zu minimieren. Eine wesentliche Erkenntnis im Rahmen der Erfindung liegt also darin, dass die einzelnen Elemente der Laserzündeinrichtung eine unterschiedliche Längenausdehnung aufweisen, wodurch es zu Spaltbildungen kommen kann, durch die Gas aus dem Brennraum in die Laserzündeinrichtung eindringen kann.
In einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass das Befestigungselement einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Grundkörper und/oder das Brennraumfenster. In diesem Fall lässt sich der Druck auf das Brennraumfenster bei einer Wärmeausdehnung erhöhen, dass durch stärkere Längenausdehnung des Befestigungselementes ein zusätzlicher Druck auf das Brennraumfenster ausgeübt wird, der das Brennraumfenster dicht hält. Dabei sollte die Summe aus Wärmeausdehnung des Befestigungselementes und des Brennraumfensters zumindest der Wärmeausdehnung über jene Länge des Grundkörpers entsprechen zwischen der das Brennraumfenster mit Druck beaufschlagt wird.
In einer alternativen Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass das Befestigungselement mittels Federwirkung das Brennraumfenster mit Druck beaufschlagt. Mittels Federwirkung lässt sich auch bei Temperaturerhöhung die Kraft bzw. der Druck, der auf das Brennraumfenster ausgeübt wird, im Wesentlichen konstant halten.
Dabei kann vorgesehen sein, dass das Befestigungselement eine Tellerfeder aufweist, da dies eine besonders einfache Art zur Ausübung von Federkraft darstellt.
Die genannten Möglichkeiten, nämlich höherer Wärmeausdehnungskoeffizient und Federwirkung des Befestigungselementes, lassen sich selbstverständlich kombinieren, was die Einbausicherheit weiter verbessert.
Es kann vorgesehen sein, dass das Befestigungselement als Spannhülse ausgebildet ist. Weitere günstige Ausführungsformen sehen vor, dass das Befestigungselement im Wesentlichen hülsenförmig oder zylindermantelförmig ausgebildet ist. In einer baulich sehr einfachen Ausgestaltung kann weiters vorgesehen sein, dass das Befestigungselement auf der dem Brennraumfenster abgewandten Seite mit dem Grundkörper befestigt ist. In diesem Fall hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Befestigungselement mit dem Grundkörper unlösbar befestigt, vorzugsweise verschweißt ist, da so der Grad der Befestigung besonders hoch ist.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass zwischen Befestigungselement und Brennraumfenster zumindest ein Dichtelement angeordnet ist und dass zwischen Brennraumfenster und Aufnahmebund zumindest ein Dichtelement angeordnet ist, da so ein zusätzlicher Dichteffekt erzielt wird.
Weiters kann das Befestigungselement mehrteilig ausgebildet sein, sodass zumindest ein weiteres Zwischenelement vorgesehen wäre, welches die Vorspannung des
Befestigungselementes begünstigt. In diesem Fall ließe sich mit dem Zwischenelement eine Vorfixierung des Brennraumfesters am Grundkörper erzielen und die
Hauptfixierung (beispielsweise eine gasdichte Schweißnaht) anschließend vereinfacht anbringen. Das Zwischenelement könnte beispielsweise aufgeschraubt oder eingespannt werden.
Zusätzlich kann das Befestigungselement Ausnehmungen, beispielsweise in Form zumindest einer Nut, aufweisen, welche der Druckentlastung dienen.
Im einfachsten Fall ist die Laserzündeinrichtung eine Laserzündkerze.
Die Erfindung betrifft auch eine Brennkraftmaschine mit einer Laserzündeinrichtung der vorgenannten Art.
Weitere Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Figuren- und Figurenbeschreibungen. Es zeigt
Fig. 1 schematisch eine Laserzündeinrichtung, eingebaut in eine vereinfacht dargestellte Brennkraftmaschine,
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Laserzündeinrichtung im Querschnitt, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Laserzündeinrichtung im Querschnitt,
Fig.4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Laserzündeinrichtung im Querschnitt,
Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Laserzündeinrichtung im Querschnitt und
Fig. 6 ein Befestigungselement gemäß Fig. 5 im Schrägriss. In Fig. 1 ist grob vereinfacht und schematisch eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinder 14 dargestellt, der einen Kolben 13, der im Zylinder 14 auf- und abbewegbar ist, aufweist und die gemeinsam den Brennraum 15 bilden.
Die eigentliche Laserzündeinrichtung ist als vereinfachte Laserzündkerze dargestellt, wobei in der Fig. 1 der Grundkörper 1 erkennbar ist, in dem der eigentliche Zündlaser angeordnet ist. Da Zündlaser an sich bekannt sind, wird hier nicht näher auf diesen eingegangen. Der Zündlaser wird von einer Pumplichtquelle 10 (z.B. ein Pumplaser) mit Pumplicht über den Lichtleiter 11 versorgt. Im Zündlaser erfolgt daraufhin die Verstärkung, bis Laserlicht mit ausreichender Intensität zur Zündung im Brennraum 15 über eine nicht gezeigte Einkoppeloptik in dem Brennraum 15 gekoppelt werden kann. Das Laserlicht wird auf den Brennpunkt 3 fokussiert, in dem die Zündung erfolgt. Schematisch ist weiters ein Einlassventil 17 dargestellt, über welches ein Treibstoff- Luftgemisch in den Brennraum 15 eingebracht werden kann. Nach erfolgter Verbrennung wird das Abgas über ein Auslassventil 18 ausgelassen.
In der Fig. 2 ist der vordere Abschnitt der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung im Querschnitt dargestellt. Aus Übersichtsgründen sind der Zündlaser und die Einkoppeloptik nicht dargestellt, da beide nach Stand der Technik ausgeführt werden können. Das Laserlicht wird im Betriebszustand der Laserzündeinrichtung vom oberen Teil der Figur entlang der optischen Achse A über das Brennraumfenster 2 auf den Brennpunkt 3 fokussiert. Das Laserlicht wird also entlang der Achse A vom Zündlaser hin zur Laserlichteintrittsfläche 2a des Brennraumfensters 2 durch das Brennraumfenster 2 geführt und an der Laserlichtaustrittsfläche 2a des Brennraumfensters 2 aus der Laserzündeinrichtung ausgekoppelt und in weiterer Folge zum Brennpunkt 3 geführt, in dem es zur Plasmazündung kommt. Das optische Fenster 2 ist durchlässig für Laserlicht und weist eine Dicke d auf. Das Brennraumfenster 2 liegt im Bereich der Laserlichtaustrittsfläche 2a am Aufnahmebund 5 des Grundkörpers 1 der Laserzündeinrichtung an. Das Befestigungselement 6 befestigt das Brennraumfenster 2 am Grundkörper 1 , indem es das Brennraumfenster 2 entlang der Achse A im Bereich der Laserlichteintrittsfläche 2b mit Druck beaufschlagt. Das Brennraumfenster wird also zwischen Befestigungselement 6 und Aufnahmebund 5 an den gegenüberliegenden Seitenflächen bereichsweise eingeklemmt. Im einfachsten Fall, wie in der linken Hälfte der Fig. 2 dargestellt, drückt das Befestigungselement 6 das Brennraumfenster 2 an den Aufnahmebund 5 des Grundkörpers 1. Das Befestigungselement 6 weist dabei einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten α auf als Grundkörper 1 bzw. Brennraumfenster 2. Die Länge des Befestigungselementes 6 ist mit l-d bezeichnet, die Länge Befestigungselement plus Dicke des Brennraumfensters ist mit I bezeichnet. Das Befestigungselement 6 ist als Spannhülse ausgebildet und weist die Form eines Zylindermantels auf. Im Bereich der dem Brennraumfenster 2 abgewandten Seite 6b des Befestigungselementes 6 ist dieses mit dem Grundkörper befestigt. Dies ist angedeutet durch eine Schweißnaht 7. Denkbar wären aber auch Befestigungen über zusätzliche Schraubelemente etc.
In der rechten Hälfte der Fig. 2 ist eine Ausführungsvariante angedeutet, bei der zwischen Brennraumfenster 2 an der Lichteintrittsfläche 2b ein Dichtelement 8 anliegt, das vom Befestigungselement 6 zusätzlich mit Druck beaufschlagt wird, um eine verbesserte Abdichtung einerseits und eine Schonung des Brennraumfensters 2 andererseits zu erzielen.
Ein Rechenbeispiel soll die Wirkung der Erfindung kurz erläutern anhand der Ausführung gemäß Fig. 2 (linke Ausführung ohne zusätzliche Dichtelemente 8) bei einem Befestigungselement 6 in Form eines Zylindermantels mit einer entsprechenden Dehnlänge I, die von der dem Brennraumfenster 2 abgewandten Seite mit dem Grundkörper 1 verspannt ist, und die das Brennraumfenster 2 an den Aufnahmebund 5 des Grundkörpers 1 andrückt. Die Verbindung des Befestigungselementes 6 mit dem Grundkörper 1 kann beispielsweise durch eine Schraubverbindung erfolgen, wobei eine Befestigungsmutter, die z.B. mit definiertem Drehmoment oder mit einem definierten Verdrehwinkel angezogen wird, welches das Befestigungselement 6 gegen das Brennraumfenster 2 verspannt. Eine andere Möglichkeit stellt eine Schweißverbindung dar, wobei die Schweißung von Befestigungselement 6 und Grundkörper 1 in einem definiert vorverspannten Zustand (z.B. mit Hilfe einer Vorspanneinrichtung) erfolgt. Das Befestigungselement 6 kann neben der Sicherstellung einer kraftschlüssigen Auflage des Brennraumfensters 2 am Anlagebund 5 unter allen möglichen Einsatzbedingungen zusätzlich auch eine (ausreichende) Dichtfunktion gegenüber den Verbrennungsgasen der Brennkraftmaschine aufweisen. Diese Abdichtung kann jedoch auch durch separate Dichtelemente 8, z.B. zwischen Brennraumfenster und Auflagebund des Grundkörpers erfolgen (z.B. durch Weicheisen- oder Messingdichtringe).
Der Werkstoff des Befestigungselementes 6 wird zusätzlich so ausgewählt, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient α (und zwar der sogenannte Längenausdehnungskoeffzient) höher ist, als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Werkstoffes des Grundkörpers 1 der Laserzündeinrichtung. Die Gestaltung der Brennraumfensterbefestigung in der Laserzündeinrichtung mit Hilfe des Befestigungselementes 6 erfolgt in der Art und Weise, dass die Summe der Längen- Ausdehnung von Brennraumfenster 2 und Befestigungselement 6 etwa gleich oder etwas größer ist, als die Ausdehnung des Grundkörpers 1 über die Länge der Einspannung:
Da die Wärmeausdehnung des Brennraumfensters 2 wesentlich geringer ist, als die von Metallen, lässt sich diese Bedingung dadurch erfüllen, dass für das Befestigungselement 6 ein Werkstoff gewählt wird, dessen
Wärmeausdehnungskoeffizient deutlich höher ist, als jener des Grundkörpers 1.
Beispielsweise kann für den Grundkörper 1 der Werkstoff 1.4562 mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 13,5 4IO"6 /0K eingesetzt werden. Als Werkstoff für das Befestigungselement 2 kann dann z.B. der Werkstoff 1.4301 gewählt werden, mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 16,5 MO"6 /0K gewählt werden. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Brennraumfensters 2 beträgt ca. 0,5 *10"6 /°K
Daraus ergibt sich folgende Kalkulation:
I * 13,5 * 10-6 = d * 0,5 * 10"6 + (l-d) * 16,5 'lO"6 bzw.
I * (13,5 - 16,5) = d * (0,5 - 16,5) bzw. I = d * 5,3 dabei ist: I = gesamte Einspannlänge; d = Dicke des Brennraumfensters
Bei einer Dicke d des Brennraumfensters von 7mm ergibt sich damit eine Mindestlänge des Befestigungselementes 6 von 37 mm Grundsätzlich kann bei ausreichenden Platzverhältnissen die Länge des Befestigungselementes 6 so gewählt werden, dass die temperaturbedingte Längenänderung der Summe der relevanten Konstruktionselemente geringer ist, als die elastische Dehn- bzw. Stauchreserve der Spannvorrichtung. Um die Elastizität dieser Spannvorrichtung bei begrenzten Platzverhältnissen zu erhöhen, wird erfindungsgemäß zusätzlich oder alternativ, eine axial verwölbtes Befestigungselement vorgeschlagen (siehe auch Fig. 3).
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführung der Laserzündeinrichtung analog zur Fig. 2, sodass auf dieselben Bauteile nicht näher eingegangen wird und auf die Fig. 2 verwiesen wird. Im Unterschied zur Fig. 2 ist das Befestigungselement 6 so ausgebildet, dass es Federwirkung auf das Brennraumfenster 2, und zwar auf der
Laserlichteintrittsfläche 2a mit Druck beaufschlagt. Das Befestigungselement 6 ist als
Tellerfeder ausgebildet und an der dem Brennraumfenster 2 abgewandten Seite 6b mit dem Grundkörper 1 über die Schweißnaht 7 befestigt. Auch hier ist auf der linken Seite eine Variante ohne zusätzliches Dichtelement gezeigt, während auf der rechten Seite eine Variante mit Dichtelement 8 angedeutet ist.
Durch die Verwölbung federt das Befestigungselement 6 beim Spannvorgang ein, wodurch ein hoher elastischer Dehnbereich erreicht wird, der die unterschiedlichen Längenänderungen der Bauelemente innerhalb des elastischen Streckbereiches aufnehmen kann, ohne dass der Anpressdruck des Brennraumfensters 2 am Auflagebund 5 des Grundkörpers unter ein zulässiges Maß absinkt. Auch hier kann das Befestigungselement 6 die Spannhülse zusätzlich zur Vorspannung auch die Abdichtfunktion gegenüber den Brennraumdruck bzw. den Verbrennungsgasen aufweisen. Für die Dichtfunktion kann aber auch hier ein separates Bauelement (z.B. in Form eines Dichtringes mit entsprechenden Eigenschaften und aus geeignetem Werkstoff) vorgesehen sein.
In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, welches von den wesentlichen Bestandteilen dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 entspricht. Wesentlicher Unterschied ist, dass das Befestigungselement 6 eine zusätzliche Ausnehmung 10 in der Form einer Nut aufweist, welche der Druckentlastung dient. Aus dem Brennraum 4 stammendes Abgas, das unter hohem Druck steht, kann über die Dichtelemente 8 zwischen Grundkörper 1 , Brennraumfenster 2 und gegebenenfalls Befestigungselement 6 dringen. Die Ausnehmung 10 begünstigt dabei, dass solches Abgas wieder aus der Laserzündeinrichtung ausströmen kann und zwar über die zusätzlichen Druckausgleichöffnungen 11. Die Ausnehmungen 10 sind zwischen Grundkörper und Befestigungselement 6 angeordnet und stehen in Verbindung mit der Druckausgleichsöffnung 11. (Das Ausführungsbeispiel zeigt zusätzliche Dichtelemente (9) zwischen Brennraumfenster 2 und Aufnahmebund 5).
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4, wobei das Befestigungselement 6 zweiteilig ausgebildet ist und ein Zwischenelement 12 aufweist, das zuerst mittels des unteren Teils 6 des Befestigungselementes das Brennraumfenster 2 unter Vorspannung vorfixiert. Anschließend erfolgt hier eine Verschweißung (z.B. mittels Laserschweißen) unter Bildung der gasdichten Lasernaht 7.
In den Ausführungsbeispielen sowohl der Fig. 4 als auch der Fig. 5 muss die Druckausgleichsöffnung 11 natürlich in einem Bereich angeordnet sein, in dem sie keinem Brennraumdruck ausgesetzt ist. Das bedeutet, dass das der Grundkörper derart in den Zylinderkopf eines Zylinders einer Brennkraftmaschine eingebaut werden muss, dass die Druckausgleichsöffnung 11 zum Brennraum hin abgedichtet ist. In der Praxis lässt sich dies beispielsweise dadurch erzielen, indem der Grundkörper 1 nur bis zur Unterkante oder nur geringfügig oberhalb der Unterkante des Grundkörpers 1 in den Brennraum ragt und seitlich beispielsweise über ein Schraubgewinde mit optional zusätzlichen Dichtelementen in ein Muttergewinde am Zylinderkopf eingedreht wird, wobei die Druckausgleichsöffnung 11 oberhalb des Gewindes und allfälliger Dichtelemente angeordnet ist.
Fig. 6 zeigt das Befestigungselement 6 des Ausführungsbeispiels der Fig. 4 bzw. den unteren Teil des Befestigungselementes 6 der Fig. 5 mit direktem Blick auf die Ausnehmung 10, die deutlich erkennbar als längliche Nut ausgebildet ist.

Claims

Patentansprüche:
1. Laserzündeinrichtung, umfassend einen Grundkörper (1) und ein Brennraumfenster (2) zum Einkoppeln von Laserlicht in den Brennraum (4) einer Brennkraftmaschine, wobei das Brennraumfenster (2) im Bereich der
Laserlichtaustrittsfläche (2a) an einem Aufnahmebund (5) des Grundkörpers (1) anliegt und ein Befestigungselement (6) das Brennraumfenster (2) im Bereich der Laserlichteintrittsfläche (2b) mit Druck beaufschlagt am Grundkörper (1) fixiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (6) derart ausgebildet ist, dass der vom
Befestigungselement (6) auf das Brennraumfenster (2) ausgeübte Druck bei Temperaturerhöhung des Grundkörpers (1) und/oder des Brennraumfensters (2) im Wesentlichen konstant bleibt oder erhöht wird.
2. Laserzündeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das
Befestigungselement (6) einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Grundkörper (1) und/oder das Brennraumfenster (2).
3. Laserzündeinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (6) als Spannhülse ausgebildet ist.
4. Laserzündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (6) mittels Federwirkung das Brennraumfenster (2) mit Druck beaufschlagt.
5. Laserzündeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (6) eine Tellerfeder aufweist.
6. Laserzündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (6) auf der dem
Brennraumfenster (2) abgewandten Seite (6b) mit dem Grundkörper (1) befestigt ist.
7. Laserzündeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (6) mit dem Grundkörper unlösbar befestigt, vorzugsweise verschweißt ist.
8. Laserzündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement im Wesentlichen hülsenförmig oder zylindermantelförmig ausgebildet ist.
9. Laserzündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Befestigungselement (6) und
Brennraumfenster (2) zumindest ein Dichtelement (8) angeordnet ist.
10. Laserzündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Brennraumfenster (2) und Aufnahmebund zumindest ein Dichtelement angeordnet ist.
11. Brennkraftmaschine, umfassend eine Laserzündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
EP09707237A 2008-02-07 2009-01-20 Laserzündeinrichtung Withdrawn EP2238341A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AT2002008A AT506343B1 (de) 2008-02-07 2008-02-07 Laserzündeinrichtung
PCT/AT2009/000017 WO2009097635A2 (de) 2008-02-07 2009-01-20 Laserzündeinrichtung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2238341A2 true EP2238341A2 (de) 2010-10-13

Family

ID=40718835

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP09707237A Withdrawn EP2238341A2 (de) 2008-02-07 2009-01-20 Laserzündeinrichtung

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2238341A2 (de)
AT (1) AT506343B1 (de)
WO (1) WO2009097635A2 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2324234A1 (de) * 2008-08-08 2011-05-25 Robert Bosch GmbH Zündeinrichtung für eine laserzündung einer brennkraftmaschine

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9742156B2 (en) 2007-08-31 2017-08-22 Robert Bosch Gmbh Laser spark plug having an improved seal between the combustion chamber window and the casing
DE102007041528A1 (de) * 2007-08-31 2009-03-05 Robert Bosch Gmbh Zündeinrichtung für eine Laserzündung einer Brennkraftmaschine
DE102011087192A1 (de) * 2011-11-28 2013-05-29 Robert Bosch Gmbh Gehäuse für eine Laserzündkerze
US8833323B2 (en) 2009-02-02 2014-09-16 Robert Bosch Gmbh Ignition laser
AT512253B1 (de) * 2011-11-22 2013-11-15 Ge Jenbacher Gmbh & Co Ohg Laserzündkerze
DE102011087191A1 (de) * 2011-11-28 2013-05-29 Robert Bosch Gmbh Gehäuse für eine Laserzündkerze und Herstellungsverfahren hierfür
DE102011087193A1 (de) * 2011-11-28 2013-05-29 Robert Bosch Gmbh Gehäuse für eine Laserzündkerze
JP6290739B2 (ja) * 2014-07-17 2018-03-07 京セラ株式会社 レーザープラグ用絶縁基体およびレーザープラグ

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4422323A (en) * 1981-02-20 1983-12-27 Robert Bosch Gmbh Combustion process observation element construction
JPS59101585A (ja) * 1982-11-30 1984-06-12 Nippon Denso Co Ltd 内燃機関の点火装置
AT503275A1 (de) * 2006-02-20 2007-09-15 Ge Jenbacher Gmbh & Co Ohg Aufnahmevorrichtung zur befestigung eines brennraumfensters
DE102007041528A1 (de) * 2007-08-31 2009-03-05 Robert Bosch Gmbh Zündeinrichtung für eine Laserzündung einer Brennkraftmaschine

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2009097635A3 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2324234A1 (de) * 2008-08-08 2011-05-25 Robert Bosch GmbH Zündeinrichtung für eine laserzündung einer brennkraftmaschine

Also Published As

Publication number Publication date
WO2009097635A3 (de) 2009-10-29
AT506343A1 (de) 2009-08-15
WO2009097635A2 (de) 2009-08-13
AT506343B1 (de) 2010-12-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AT506343B1 (de) Laserzündeinrichtung
EP1482168B1 (de) Niederhalter für ein Brennstoffeinspritzventil
AT508983B1 (de) Laserzündkerze für brennkraftmaschine
AT506201B1 (de) Laserzündeinrichtung
DE102006057627A1 (de) Druckmesseinrichtung
EP2358991A1 (de) Laserinduzierte fremdzündung für eine brennkraftmaschine
EP2072811A1 (de) Vorrichtung zum Einkoppeln von Laserlicht in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine
DE102014201832A1 (de) Laseroszilliervorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung
DE102005043963A1 (de) Fensterelement für eine optische Einrichtung
DE10109408A1 (de) Befestigungsvorrichtung
WO2010015500A1 (de) Zündeinrichtung für eine laserzündung einer brennkraftmaschine
DE2445902A1 (de) Rohrverbindung
DE10126336A1 (de) Zylinderkopf und daran montierter Injektor
DE19829553A1 (de) Druckventil
DE102015209263B3 (de) Hochdruckanschlussvorrichtung, Kraftstoffhochdruckpumpe und Verfahren zum Herstellen einer Hochdruckanschlussvorrichtung für eine Kraftstoffhochdruckpumpe
DE10133167A1 (de) Kraftstoffhochdruckvorrichtung
WO2005021959A1 (de) Verbrennungsmotor mit laser-zündsystem
DE102011086005A1 (de) Kraftstoffinjektor, Verfahren zur Montage eines Kraftstoffinjektors sowie Spanneinrichtung zur Montage eines Kraftstoffinjektors
DE19951012A1 (de) Aktor
EP1319128B1 (de) Kraftstoffeinspritzventil für brennkraftmaschinen
DE19914714C2 (de) Injektor für Speicher-Kraftstoffeinspritzsysteme
EP1706633B1 (de) Injektor mit einer spannvorrichtung zum einbau in einem zylinderkopf sowie spannvorrichtung
DE102007016866A1 (de) Hochdichter Kraftstoffinjektor
DE102017214504A1 (de) Verbindungsanordnung zwischen einem Druckrohrstutzen und einem Hochdruckanschluss eines Common-Rail-Einspritzsystems
EP3098434B1 (de) Kraftstoffeinspritzsystem

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20100625

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL BA RS

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20160629

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: GRANT OF PATENT IS INTENDED

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20161110