EP2358991A1 - Laser-induced spark ignition for an internal combustion engine - Google Patents

Laser-induced spark ignition for an internal combustion engine

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Publication number
EP2358991A1
EP2358991A1 EP09752835A EP09752835A EP2358991A1 EP 2358991 A1 EP2358991 A1 EP 2358991A1 EP 09752835 A EP09752835 A EP 09752835A EP 09752835 A EP09752835 A EP 09752835A EP 2358991 A1 EP2358991 A1 EP 2358991A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser
ignition
diaphragm
combustion chamber
housing
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Withdrawn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
EP09752835A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Pascal Woerner
Manfred Vogel
Juergen Raimann
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch 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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2358991A1 publication Critical patent/EP2358991A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current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 an ignition device for an internal combustion engine, wherein the ignition is triggered by an ignition laser.
  • an ignition which is referred to below as laser ignition, is known for example from WO 2005/066488 A1.
  • the ignition laser has a combustion chamber window which is transmissive to the laser pulses emitted by the ignition laser.
  • the combustion chamber window must withstand the high pressures and temperatures prevailing in the combustion chamber over the entire service life of the internal combustion engine, without the optical properties of the combustion chamber window being adversely affected.
  • the invention has for its object to make the laser ignition more reliable, trouble-free and low-maintenance.
  • This object is achieved with a laser ignition device for an internal combustion engine, comprising an ignition laser with a laser-active solid, a combustion chamber window and a housing, achieved in that at the end of the housing, on which the combustion chamber window is arranged, a diaphragm is provided.
  • This diaphragm ensures that the surface of the combustion chamber window is not affected by the exhaust gases and the gas flows in the combustion chamber. As a result, the formation of deposits on the combustion chamber window is drastically reduced. These deposits originate from the exhaust gases in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the diaphragm according to the invention By the diaphragm according to the invention, first, the amount of precipitating on the combustion chamber window residues is drastically reduced. Secondly, the momentum with which these residues impinge on the surface of the combustion chamber window is significantly reduced. Both effects ensure that the deposits on the combustion chamber window are significantly reduced and that the few deposits adhere less firmly to the combustion chamber window. As a result, the laser ignition device according to the invention is more reliable, trouble-free and low-maintenance.
  • the diameter of the laser pulse which can also be referred to as the beam diameter, can be determined according to the standard DIN EN ISO 11 145. This standard belongs to the expertise of a specialist in the field of laser technology, so that detailed explanations of the determination of the beam diameter by reference to the standard are dispensable.
  • the laser pulse of the laser ignition device is focused on an ignition point ZP and the optical precision of the focusing optics is very high, it is possible to dimension the diaphragm so that a gap of less than 1 mm exists between the outer contour of the laser pulse and that of the diaphragm , preferably of less than 0.5 mm, and more preferably less than 0.25 mm.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the diaphragm is conical, wherein the diameter of the diaphragm increases in the direction of the combustion chamber window and a cone angle of the diaphragm substantially corresponds to an exit angle of the laser pulse.
  • the aperture over the entire length with a distance of less than 1 mm, preferably less than 0.5 mm and particularly preferably with a distance of less than 0.25 mm, is arranged around the laser pulse around , The length of the aperture in the direction of the optical axis of the ignition laser, the penetration of exhaust gases and the attachment of impurities on the combustion chamber window is further reduced.
  • An advantageous embodiment of the laser ignition device according to the invention provides that the diaphragm is designed as a separate component and is attached to the housing of the ignition laser, in particular on a shoulder of the housing.
  • the ignition laser has a combustion chamber window, this is acted upon by the use of the diaphragm according to the invention only with comparatively low temperatures and with a significantly smaller amount of exhaust gases. As a result, the transmissivity of the combustion chamber window remains sufficiently high over the entire service life of the internal combustion engine to ensure undisturbed operation of the internal combustion engine.
  • the diaphragm shields the ignition laser only in regions, namely via a
  • the main flow direction of the exhaust gases in the combustion chamber must be determined separately for each engine type. So that the aperture is correctly positioned to the ignition laser, it is recommended to secure the ignition laser in a form-fitting and secure against rotation in the cylinder head of the internal combustion engine.
  • a mounted on the ignition laser nose which cooperates with a correspondingly shaped recess in the cylinder head, it can be ensured that the aperture is positioned in the manner described above relative to the ignition laser.
  • the diaphragm shields the ignition laser over a circumferential angle of less than 200 °, preferably from 160 ° to 180 °. This ensures sufficient shielding for many applications with minimal costs and minimal influence on the gas flow in the combustion chamber.
  • Figure 1 a is a schematic representation of an internal combustion engine with a laser-based ignition device
  • Figure 1 b is a schematic representation of the ignition device of Figure 1 and
  • FIGS 2 and 3 embodiments of inventive ignition laser.
  • FIG. 1 a An internal combustion engine in FIG. 1 a bears the reference number 10 overall. It can be used to drive a motor vehicle (not shown).
  • the internal combustion engine 10 comprises a plurality of cylinders, of which only one is designated by the reference numeral 12 in FIG.
  • a combustion chamber 14 of the cylinder 12 is limited by a piston 16.
  • Fuel enters the combustion chamber 14 directly through an injector 18 which is connected to a fuel rail, also referred to as a rail.
  • fuel 22 is ignited by means of a laser pulse 24 which is radiated from an ignition laser 26 comprehensive ignition device 27 into the combustion chamber 14.
  • the ignition laser 26 is fed via a light guide device 28 with a pumping light, which is provided by a pumping light source 30.
  • the pumping light source 30 is controlled by a control unit 32, which also controls the injector 18.
  • the pumping light source 30 feeds a plurality of optical waveguide devices 28 for different ignition lasers 26, which are each assigned to a cylinder 12 of the internal combustion engine 10.
  • the pumping light source 30 has a plurality of individual laser light sources 340, which are connected to a pulse power supply 36.
  • a "stationary" distribution of pump light to the various ignition lasers 26 is realized so that no optical distributors or the like between the pump light source 30 and the ignition lasers 26 are required.
  • the ignition laser 26 has, for example, a laser-active solid 44 with a passive Q-switching circuit 46, which together with a Einkoppelapt 42nd and an output mirror 48 forms an optical resonator.
  • the ignition laser 26 Upon application of a pumping light generated by the pumping light source 30, the ignition laser 26 generates a laser pulse 24 in a manner known per se, which is focused by focusing optics 52 onto an ignition point ZP located in the combustion chamber 14 (FIG.
  • Components are separated from the combustion chamber 14 by a combustion chamber window 58.
  • FIG 2 the detail X of Figure 1 b is shown greatly enlarged in partial longitudinal section. From this greatly enlarged illustration it becomes clear that the combustion chamber window 58 is sealingly connected to the housing 38.
  • the seal between the housing 38 and the combustion chamber window may be formed in the region of the reference numeral 60 in the form of a cohesive or non-positive connection.
  • the housing 38 is made of a heat-resistant material and, as a result, also has sufficient fatigue strength at the operating temperatures prevailing in the combustion chamber.
  • the housing 38 is formed in two parts. It comprises an inner sleeve 62 and an outer sleeve 64.
  • the outer sleeve 64 has a shoulder 66 at an end facing the combustion chamber 14 (see FIG. 1 a).
  • the shoulder 66 serves to press the combustion chamber window 58 against the inner sleeve 62 and thereby increase the tightness in the region of the reference numeral 60.
  • a female thread is provided on the outer sleeve 64, which cooperates with a corresponding bolt thread of the inner sleeve 62. This thread, consisting of female thread and bolt thread is indicated in its entirety by the reference numeral 68.
  • a further sealing surface 72 is formed between the shoulder 66 and the combustion chamber window.
  • the end facing the combustion chamber 14 of the ignition laser 26 is shown significantly enlarged.
  • focusing optics which focuses the laser pulse 24 to the ignition point ZP, which corresponds to the focus of the optics of the ignition laser 26.
  • the outer contour of the focused laser pulse 24 is indicated by the conical H ü ulia (without reference numeral). These envelope lines intersect in the Ignition point ZP and exit with a diameter D A from the combustion chamber window 58.
  • the invention provides to see between the combustion chamber window 58 and the ignition point ZP to arrange a panel 74.
  • the diameter of the diaphragm is denoted by the reference numeral D 6 .
  • the diameter D 6 of the aperture 74 is selected as small as possible. As a result, it is sufficient if the diaphragm 74 has a radial distance to the laser pulse 24 or its outer contour of less than 1 mm, preferably less than 0.5 mm and particularly preferably less than 0.25 mm. This dimensioning of the diameter D 6 of the diaphragm 74 results in that the ignition power of the laser pulse 24 is not reduced and, on the other hand, the gas exchange between the combustion chamber and the "dead space" 70 present between the diaphragm 74 and the combustion chamber window 58 is minimized.
  • Aperture 74 may for example be soldered, welded or otherwise secured in the form of a sheet metal disc to the outer sleeve 64.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of an aperture according to the invention
  • the aperture 74 is shown. The main differences can be seen in the fact that the aperture 74 is part of the outer sleeve 64 and the aperture 74 is conical.
  • the cone angle ß of the aperture 74 corresponds to the angle ⁇ of the laser pulse 24.
  • Dead space 70 was further reduced in this embodiment compared to the embodiment shown in Figure 2, even fewer deposits on the combustion chamber window 58 are deposited.

Landscapes

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Abstract

A laser ignition device is proposed for an internal combustion engine comprising an ignition laser (26), wherein an orifice (74) is mounted in front of a combustion chamber window (58).

Description

Beschreibung description
Titeltitle
Laserinduzierte Fremdzündung für eine BrennkraftmaschineLaser-induced spark ignition for an internal combustion engine
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, wobei die Zündung durch einen Zündlaser ausgelöst wird. Eine solche Zündung, die nachfolgend als Laserzündung bezeichnet wird, ist beispielsweise aus der WO 2005/066488 A1 bekannt.The invention relates to an ignition device for an internal combustion engine, wherein the ignition is triggered by an ignition laser. Such an ignition, which is referred to below as laser ignition, is known for example from WO 2005/066488 A1.
Der Zündlaser weist ein Brennraumfenster auf, welches transmissiv für die von dem Zündlaser emittierten Laserimpulse ist. Gleichzeitig muss das Brennraumfenster den im Brennraum herrschenden hohen Drücke und Temperaturen über die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine widerstehen, ohne dass die optischen Eigenschaften des Brennraumfensters nachteilig beeinflusst werden.The ignition laser has a combustion chamber window which is transmissive to the laser pulses emitted by the ignition laser. At the same time, the combustion chamber window must withstand the high pressures and temperatures prevailing in the combustion chamber over the entire service life of the internal combustion engine, without the optical properties of the combustion chamber window being adversely affected.
Dabei können an der dem Brennraum zugewandten Oberfläche des Brennraumfensters Oberflächentemperaturen von über 600° C und Drücke von über 250 bar während des Arbeitstakts der Brennkraftmaschine auftreten. Außerdem können chemisch aggressive Bestandteile der Abgase das Brennraumfernster schädigen und Ablagerungen auf dem Brennraumfenster dessen Transmissivität reduzieren.In this case, surface temperatures of more than 600 ° C. and pressures of more than 250 bar can occur during the working cycle of the internal combustion engine on the surface of the combustion chamber window facing the combustion chamber. In addition, chemically aggressive constituents of the exhaust gases can damage the combustion chamber and reduce deposits on the combustion chamber window whose transmissivity.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Laserzündeinrichtung zuverlässi- ger, störungsfreier und wartungsärmer zu gestalten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, umfassend einen Zündlaser mit einem laseraktiven Festkörper, ein Brennraumfenster und ein Gehäuse, dadurch gelöst, dass an dem Ende des Gehäuses, an welchem das Brennraumfenster angeordnet ist, eine Blende vorgesehen ist.The invention has for its object to make the laser ignition more reliable, trouble-free and low-maintenance. This object is achieved with a laser ignition device for an internal combustion engine, comprising an ignition laser with a laser-active solid, a combustion chamber window and a housing, achieved in that at the end of the housing, on which the combustion chamber window is arranged, a diaphragm is provided.
Diese Blende sorgt dafür, dass die Oberfläche des Brennraumfensters nicht von den Abgasen und den im Brennraum befindlichen Gasströmungen tangiert wird. In Folge dessen wird die Bildung von Ablagerungen auf dem Brennraumfenster drastisch reduziert. Diese Ablagerungen stammen von den Abgasen im Brenn- räum der Brennkraftmaschine.This diaphragm ensures that the surface of the combustion chamber window is not affected by the exhaust gases and the gas flows in the combustion chamber. As a result, the formation of deposits on the combustion chamber window is drastically reduced. These deposits originate from the exhaust gases in the combustion chamber of the internal combustion engine.
Durch die erfindungsgemäße Blende wird erstens die Menge der sich auf dem Brennraumfenster niederschlagenden Rückstände drastisch reduziert. Zweitens wird der Impuls mit dem diese Rückstände auf die Oberfläche des Brennraumfensters auftreffen, deutlich reduziert wird. Beide Effekte sorgen jeweils dafür, dass die Ablagerungen auf dem Brennraumfenster deutlich verringert und die wenigen Ablagerungen weniger fest am Brennraumfenster haften. In Folge dessen ist die erfindungsgemäße Laserzündeinrichtung zuverlässiger, störungsfreier und wartungsärmer.By the diaphragm according to the invention, first, the amount of precipitating on the combustion chamber window residues is drastically reduced. Secondly, the momentum with which these residues impinge on the surface of the combustion chamber window is significantly reduced. Both effects ensure that the deposits on the combustion chamber window are significantly reduced and that the few deposits adhere less firmly to the combustion chamber window. As a result, the laser ignition device according to the invention is more reliable, trouble-free and low-maintenance.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, den Durch- messer der Blende so zu bemessen, dass ein Laserimpuls des Zündlasers dieIn a further advantageous embodiment of the invention, it is provided to dimension the diameter of the diaphragm so that a laser pulse of the ignition laser the
Blende ungehindert passieren kann. Allerdings soll der Durchmesser der Blende auch nicht größer als unbedingt nötig sein, um das Brennraumfenster bestmöglich zu schützen. Dabei kann der Durchmesser des Laserimpulses, der auch als Strahldurchmesser bezeichnet werden kann, gemäß der Norm DIN EN ISO 11 145 ermittelt werden. Diese Norm gehört zum Fachwissen eines Fachmanns auf den Gebiet der Lasertechnik, so dass detaillierte Erläuterungen zur Ermittlung des Strahldurchmessers durch den Verweis auf die Norm entbehrlich sind.Aperture can pass unhindered. However, the diameter of the aperture should not be greater than absolutely necessary to best protect the combustion chamber window. The diameter of the laser pulse, which can also be referred to as the beam diameter, can be determined according to the standard DIN EN ISO 11 145. This standard belongs to the expertise of a specialist in the field of laser technology, so that detailed explanations of the determination of the beam diameter by reference to the standard are dispensable.
Da der Laserimpuls der Laserzündeinrichtung auf einen Zündpunkt ZP fokussiert wird und die optische Genauigkeit der Fokussieroptik sehr hoch ist, ist es mög- lieh, die Blende so zu bemessen, dass zwischen der Außenkontur des Laserimpulses und dem der Blende ein Spalt von weniger als 1 mm, bevorzugt von weniger als 0,5 mm, und besonders bevorzugt von weniger als 0,25 mm, vorhanden ist. Je kleiner der Durchmesser der Blende ist, desto weniger Gase strömen in die Blende ein und können somit an das Brennraumfenster gelangen.Since the laser pulse of the laser ignition device is focused on an ignition point ZP and the optical precision of the focusing optics is very high, it is possible to dimension the diaphragm so that a gap of less than 1 mm exists between the outer contour of the laser pulse and that of the diaphragm , preferably of less than 0.5 mm, and more preferably less than 0.25 mm. The smaller the diameter of the diaphragm, the less gas flows into the diaphragm and can thus reach the combustion chamber window.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Blende konisch ausgebildet ist, wobei der Durchmesser der Blende in Richtung des Brennraumfensters zunimmt und ein Kegelwinkel der Blende im Wesentlichen einem Austrittswinkel des Laserimpulses entspricht. Auch hier ist es möglich, dass die Blende über die gesamte Länge mit einem Abstand von weniger als 1 mm, bevorzugt von weniger als 0,5 mm und besonders bevorzugt mit einem Abstand von weniger als 0,25 mm, um den Laserimpuls herum angeordnet ist. Durch die Länge der Blende in Richtung der optischen Achse des Zündlasers wird das Eindringen von Abgasen und das Anlagern von Verunreinigungen auf dem Brennraumfenster weiter verringert. Gleichzeitig wird das Totvolumen der Blende verringert, was sich vorteilhaft auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine auswirkt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung sieht vor, dass die Blende als separates Bauteil ausgebildet ist und am Gehäuse des Zündlasers, insbesondere an einem Absatz des Gehäuses, befestigt ist.A further advantageous embodiment of the invention provides that the diaphragm is conical, wherein the diameter of the diaphragm increases in the direction of the combustion chamber window and a cone angle of the diaphragm substantially corresponds to an exit angle of the laser pulse. Again, it is possible that the aperture over the entire length with a distance of less than 1 mm, preferably less than 0.5 mm and particularly preferably with a distance of less than 0.25 mm, is arranged around the laser pulse around , The length of the aperture in the direction of the optical axis of the ignition laser, the penetration of exhaust gases and the attachment of impurities on the combustion chamber window is further reduced. At the same time, the dead volume of the diaphragm is reduced, which has an advantageous effect on the operating behavior of the internal combustion engine. An advantageous embodiment of the laser ignition device according to the invention provides that the diaphragm is designed as a separate component and is attached to the housing of the ignition laser, in particular on a shoulder of the housing.
Dadurch ist es möglich, auch bereits in Fertigung befindliche Laserzündeinrichtungen mit der erfindungsgemäßen Blende nachzurüsten. Des Weiteren ist es möglich, den Durchmesser der Blende und den Kegelwinkel der Blende durch einThis makes it possible to retrofit laser ignition devices already in production with the diaphragm according to the invention. Furthermore, it is possible, the diameter of the aperture and the cone angle of the aperture by a
Auswechseln des separaten Bauteils an die optischen Eigenschaften des Zündlasers anzupassen. So kann es beispielsweise erforderlich sein, bei der Verwendung eines Zündlasers in Brennräumen mit unterschiedlichen Brennraumgeometrien, den Zündpunkt ZP des Zündlasers mehr oder weniger weit entfernt vom Brennraumfenster anzuordnen. Eine solche Änderung des Zündpunkts erfordert in aller Regel eine Anpassung von Durchmesser und Kegelwinkel der Blende. Dies kann mit einer als separates Bauteil ausgeführten Blende ohne Weiteres geschehen.Replacement of the separate component to match the optical properties of the ignition laser. For example, when using an ignition laser in combustion chambers with different combustion chamber geometries, it may be necessary to arrange the ignition point ZP of the ignition laser more or less far away from the combustion chamber window. Such a change of the ignition point usually requires an adjustment of diameter and cone angle of the diaphragm. This can be done with a designed as a separate component aperture without further notice.
Es ist jedoch in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ebenfalls ohne Weiteres möglich, die Blende einstückig mit dem Gehäuse des Zündlasers auszubilden.However, it is also readily possible in a further advantageous embodiment of the invention to form the aperture integrally with the housing of the ignition laser.
Wenn der Zündlaser ein Brennraumfensters aufweist, wird dies bei durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Blende nur mit vergleichsweise geringen Temperaturen und mit einer deutlich geringeren Menge von Abgasen beaufschlagt. Dadurch bleibt die Transmissivität des Brennraumsfensters über die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine ausreichend hoch, um einen ungestörten Betrieb der Brennkraftmaschine zu gewährleisten.If the ignition laser has a combustion chamber window, this is acted upon by the use of the diaphragm according to the invention only with comparatively low temperatures and with a significantly smaller amount of exhaust gases. As a result, the transmissivity of the combustion chamber window remains sufficiently high over the entire service life of the internal combustion engine to ensure undisturbed operation of the internal combustion engine.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laserzündeinrich- tung schirmt die Blende den Zündlaser nur bereichsweise, nämlich über einenIn a further advantageous embodiment of the laser ignition device according to the invention, the diaphragm shields the ignition laser only in regions, namely via a
Umfangswinkel von weniger als 360 °, ab. Dabei ist darauf zu achten, dass die Blende in eingebautem Zustand des Zündlasers bezogen auf die Hauptströmungsrichtung der Abgase im Brennraum stromaufwärts des Zündlasers angeordnet ist. Wenn die Blende in dieser Weise relativ zu dem Zündlaser positioniert ist, wird die gewünschte Abschirmung erreicht.Circumferential angle of less than 360 °, from. It is important to ensure that the aperture is arranged in the installed state of the ignition laser relative to the main flow direction of the exhaust gases in the combustion chamber upstream of the ignition laser. When the shutter is positioned relative to the ignition laser in this manner, the desired shielding is achieved.
Die Hauptströmungsrichtung der Abgase im Brennraum ist für jeden Motortyp gesondert zu ermitteln. Damit die Blende richtig zu dem Zündlaser positioniert ist, empfiehlt es sich, den Zündlaser formschlüssig und verdrehsicher in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine zu befestigen. Durch eine an dem Zündlaser angebrachte Nase, die mit einer entsprechend geformten Vertiefung im Zylinderkopf zusammenwirkt, kann sichergestellt werden, dass die Blende in der oben beschriebenen Weise relativ zu dem Zündlaser positioniert ist.The main flow direction of the exhaust gases in the combustion chamber must be determined separately for each engine type. So that the aperture is correctly positioned to the ignition laser, it is recommended to secure the ignition laser in a form-fitting and secure against rotation in the cylinder head of the internal combustion engine. By a mounted on the ignition laser nose, which cooperates with a correspondingly shaped recess in the cylinder head, it can be ensured that the aperture is positioned in the manner described above relative to the ignition laser.
Als besonders geeignet hat es sich erwiesen, wenn die Blende den Zündlaser über einen Umfangswinkel von weniger als 200°, bevorzugt von 160 ° bis 180°, abschirmt. Damit ist eine für viele Anwendungen ausreichende Abschirmung bei minimalen Kosten und minimaler Beeinflussung der Gasströmung im Brennraum gewährleistet.It has proven particularly suitable if the diaphragm shields the ignition laser over a circumferential angle of less than 200 °, preferably from 160 ° to 180 °. This ensures sufficient shielding for many applications with minimal costs and minimal influence on the gas flow in the combustion chamber.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehm- bar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein. Kurze Beschreibung der Zeichnungen In der Zeichnung zeigt:Further advantages and advantageous embodiments of the invention are the following drawing, the description and the claims removable bar. All of the features disclosed in the drawing, the description and the claims can be essential to the invention both individually and in any combination with one another. Brief description of the drawings In the drawing:
Figur 1 a eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer laserbasierten Zündeinrichtung; Figur 1 b eine schematische Darstellung der Zündeinrichtung aus Figur 1 undFigure 1 a is a schematic representation of an internal combustion engine with a laser-based ignition device; Figure 1 b is a schematic representation of the ignition device of Figure 1 and
Figuren 2 und 3 Ausführungsformen erfindungsgemäßer Zündlaser.Figures 2 and 3 embodiments of inventive ignition laser.
Ausführungsformen der Erfindung Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur 1 a insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie kann zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs dienen. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in Figur 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 12 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18, der an einen auch als Rail bezeichneten Kraftstoff-DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION An internal combustion engine in FIG. 1 a bears the reference number 10 overall. It can be used to drive a motor vehicle (not shown). The internal combustion engine 10 comprises a plurality of cylinders, of which only one is designated by the reference numeral 12 in FIG. A combustion chamber 14 of the cylinder 12 is limited by a piston 16. Fuel enters the combustion chamber 14 directly through an injector 18 which is connected to a fuel rail, also referred to as a rail.
Druckspeicher 20 angeschlossen ist.Accumulator 20 is connected.
In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der von einer einen Zündlaser 26 umfassenden Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird der Zündlaser 26 über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit einem Pumplicht gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einem Steuergerät 32 gesteuert, das auch den Injektor 18 ansteuert.Injected into the combustion chamber 14 fuel 22 is ignited by means of a laser pulse 24 which is radiated from an ignition laser 26 comprehensive ignition device 27 into the combustion chamber 14. For this purpose, the ignition laser 26 is fed via a light guide device 28 with a pumping light, which is provided by a pumping light source 30. The pumping light source 30 is controlled by a control unit 32, which also controls the injector 18.
Wie aus Figur 1 b hervorgeht, speist die Pumplichtquelle 30 mehrere Lichtleitereinrichtungen 28 für verschiedene Zündlaser 26, die jeweils einem Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 10 zugeordnet sind. Hierzu weist die Pumplichtquelle 30 mehrere einzelne Laserlichtquellen 340 auf, die mit einer Pulsstromversorgung 36 verbunden sind. Durch das Vorhandensein der mehreren einzelnen Laserlichtquellen 340 ist gleichsam eine „ruhende" Verteilung von Pumplicht an die verschiedenen Zündlaser 26 realisiert, so dass keine optischen Verteiler oder dergleichen zwischen der Pumplichtquelle 30 und den Zündlasern 26 erforderlich sind.As can be seen from FIG. 1 b, the pumping light source 30 feeds a plurality of optical waveguide devices 28 for different ignition lasers 26, which are each assigned to a cylinder 12 of the internal combustion engine 10. For this purpose, the pumping light source 30 has a plurality of individual laser light sources 340, which are connected to a pulse power supply 36. As a result of the presence of the plurality of individual laser light sources 340, a "stationary" distribution of pump light to the various ignition lasers 26 is realized so that no optical distributors or the like between the pump light source 30 and the ignition lasers 26 are required.
Der Zündlaser 26 weist beispielsweise einen laseraktiven Festkörper 44 mit einer passiven Güteschaltung 46 auf, die zusammen mit einem Einkoppelspiegel 42 und einem Auskoppelspiegel 48 einen optischen Resonator bildet. Unter Beaufschlagung mit von der Pumplichtquelle 30 erzeugtem Pumplicht erzeugt der Zündlaser 26 in an sich bekannter Weise einen Laserimpuls 24, der durch eine Fokussieroptik 52 auf einen in dem Brennraum 14 (Figur 1 a) befindlichen Zünd- punkt ZP fokussiert ist. Die in dem Gehäuse 38 des Zündlasers 26 vorhandenenThe ignition laser 26 has, for example, a laser-active solid 44 with a passive Q-switching circuit 46, which together with a Einkoppelspiegel 42nd and an output mirror 48 forms an optical resonator. Upon application of a pumping light generated by the pumping light source 30, the ignition laser 26 generates a laser pulse 24 in a manner known per se, which is focused by focusing optics 52 onto an ignition point ZP located in the combustion chamber 14 (FIG. The existing in the housing 38 of the ignition 26
Komponenten sind durch ein Brennraumfenster 58 von dem Brennraum 14 getrennt.Components are separated from the combustion chamber 14 by a combustion chamber window 58.
In Figur 2 ist das Detail X der Figur 1 b stark vergrößert im Teillängsschnitt dargestellt. Aus dieser stark vergrößerten Darstellung wird deutlich, dass das Brenn- raumfenster 58 mit dem Gehäuse 38 dichtend verbunden ist. Die Abdichtung zwischen Gehäuse 38 und Brennraumfenster kann im Bereich des Bezugszeichens 60 in Form einer stoffschlüssigen oder kraftschlüssigen Verbindung ausgebildet sein.In Figure 2, the detail X of Figure 1 b is shown greatly enlarged in partial longitudinal section. From this greatly enlarged illustration it becomes clear that the combustion chamber window 58 is sealingly connected to the housing 38. The seal between the housing 38 and the combustion chamber window may be formed in the region of the reference numeral 60 in the form of a cohesive or non-positive connection.
Wegen der hohen thermischen Belastungen ist darauf zu achten, dass das Ge- häuse 38 aus einem warmfesten Werkstoff besteht und in Folge dessen auch eine ausreichende Dauerfestigkeit bei den im Brennraum herrschenden Betriebstemperaturen aufweist.Because of the high thermal loads, care must be taken that the housing 38 is made of a heat-resistant material and, as a result, also has sufficient fatigue strength at the operating temperatures prevailing in the combustion chamber.
Bei den in Figur 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Gehäuse 38 zweiteilig ausgebildet. Es umfasst eine Innenhülse 62 und eine Außenhülse 64. Die Außenhülse 64 weist an einem dem Brennraum 14 (siehe Figur 1 a) zugewandten Ende einen Absatz 66 auf. Der Absatz 66 dient dazu, das Brennraumfenster 58 gegen die Innenhülse 62 zu pressen und dadurch die Dichtheit im Bereich des Bezugszeichens 60 zu erhöhen. Zu diesem Zweck ist an der Außenhülse 64 ein Muttergewinde vorgesehen, welches mit einem entsprechenden Bolzengewinde der Innenhülse 62 zusammenwirkt. Dieses Gewinde, bestehend aus Muttergewinde und Bolzengewinde, ist in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 68 gekennzeichnet. Durch das Verspannen von Außenhülse 64 und Innenhülse 62 entsteht zwischen dem Absatz 66 und dem Brennraumfenster eine weitere Dichtfläche 72 In Figur 2 ist das dem Brennraum 14 des Zündlasers 26 zugewandte Ende deutlich vergrößert dargestellt. Im Inneren des Gehäuses 38 befindet sich eine nicht dargestellte Fokussieroptik, welche den Laserimpuls 24 auf den Zündpunkt ZP, der dem Brennpunkt der Optik des Zündlasers 26 entspricht, fokussiert. Die Außenkontur des fokussierten Laserimpulses 24 ist durch die kegelförmigen H ü Uli— nien (ohne Bezugszeichen) angedeutet. Diese Hülllinien schneiden sich im Zündpunkt ZP und treten mit einem Durchmesser DA aus dem Brennraumfenster 58 aus.In the embodiments illustrated in Figures 2 and 3, the housing 38 is formed in two parts. It comprises an inner sleeve 62 and an outer sleeve 64. The outer sleeve 64 has a shoulder 66 at an end facing the combustion chamber 14 (see FIG. 1 a). The shoulder 66 serves to press the combustion chamber window 58 against the inner sleeve 62 and thereby increase the tightness in the region of the reference numeral 60. For this purpose, a female thread is provided on the outer sleeve 64, which cooperates with a corresponding bolt thread of the inner sleeve 62. This thread, consisting of female thread and bolt thread is indicated in its entirety by the reference numeral 68. Due to the bracing of the outer sleeve 64 and the inner sleeve 62, a further sealing surface 72 is formed between the shoulder 66 and the combustion chamber window. In FIG. 2, the end facing the combustion chamber 14 of the ignition laser 26 is shown significantly enlarged. Inside the housing 38 is not shown focusing optics, which focuses the laser pulse 24 to the ignition point ZP, which corresponds to the focus of the optics of the ignition laser 26. The outer contour of the focused laser pulse 24 is indicated by the conical H ü ulia (without reference numeral). These envelope lines intersect in the Ignition point ZP and exit with a diameter D A from the combustion chamber window 58.
Damit die dem Brennraum zugewandte Seite des Brennraumfensters 58 den Abgasen möglichst wenig ausgesetzt ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, zwi- sehen dem Brennraumfenster 58 und dem Zündpunkt ZP eine Blende 74 anzuordnen. Der Durchmesser der Blende ist mit dem Bezugszeichen D6 gekennzeichnet.So that the combustion chamber facing side of the combustion chamber window 58 is exposed to the exhaust gases as little as possible, the invention provides to see between the combustion chamber window 58 and the ignition point ZP to arrange a panel 74. The diameter of the diaphragm is denoted by the reference numeral D 6 .
Dabei ist der Durchmesser D6 der Blende 74 so klein wie möglich gewählt. Im Ergebnis ist es ausreichend, wenn die Blende 74 einen radialen Abstand zu dem Laserimpuls 24 beziehungsweise dessen Außenkontur von weniger als 1 mm, bevorzugt von weniger als 0,5 mm und besonders bevorzugt von weniger als 0,25 mm, aufweist. Diese Bemessung des Durchmessers D6 der Blende 74 führt dazu, dass die Zündleistung des Laserimpulses 24 nicht verringert wird, und andererseits der Gasaustausch zwischen dem Brennraum und dem zwischen Blen- de 74 und Brennraumfenster 58 vorhandenen "Totraum" 70 minimiert wird. DieThe diameter D 6 of the aperture 74 is selected as small as possible. As a result, it is sufficient if the diaphragm 74 has a radial distance to the laser pulse 24 or its outer contour of less than 1 mm, preferably less than 0.5 mm and particularly preferably less than 0.25 mm. This dimensioning of the diameter D 6 of the diaphragm 74 results in that the ignition power of the laser pulse 24 is not reduced and, on the other hand, the gas exchange between the combustion chamber and the "dead space" 70 present between the diaphragm 74 and the combustion chamber window 58 is minimized. The
Blende 74 kann beispielsweise in Form einer Blechscheibe auf die äußere Hülse 64 aufgelötet, geschweißt oder auf andere Weise befestigt werden.Aperture 74 may for example be soldered, welded or otherwise secured in the form of a sheet metal disc to the outer sleeve 64.
Je weniger Abgase aus dem Brennraum in den Totraum 70 gelangen, desto weniger Ablagerungen schlagen sich auf dem Brennraumfenster 58 nieder. Häufig ist es vorteilhaft, die Blende 74 möglichst nah in Richtung des Zündpunks ZP zu verlagern. Allerdings hat dies auch eine Grenze, da der Zündpunkt ZP möglichst in der Mitte des Brennraums 14, angeordnet sein soll und die Blende 74 die Strömungsverhältnisse im Brennraum 14 (siehe Figur 1a) möglichst wenig beeinträchtigen soll. In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen BlendeThe less exhaust gases pass from the combustion chamber into the dead space 70, the less deposits are deposited on the combustion chamber window 58. It is often advantageous to shift the diaphragm 74 as close as possible in the direction of the ignition point ZP. However, this also has a limit, since the ignition point ZP is to be arranged in the middle of the combustion chamber 14, if possible, and the diaphragm 74 should have as little effect as possible on the flow conditions in the combustion chamber 14 (see FIG. 1a). FIG. 3 shows a further embodiment of an aperture according to the invention
74 dargestellt. Die wesentlichen Unterschiede sind darin zu sehen, dass die Blende 74 Teil der äußeren Hülse 64 ist und die Blende 74 konisch ausgebildet ist. Der Kegelwinkel ß der Blende 74 entspricht dabei dem Winkel α des Laserimpulses 24. Auch hierbei ist darauf zu achten, dass der radiale Abstand zwi- sehen Blende 74 und dem Zündimpuls 24 möglichst gering ist. Dadurch, dass der74 is shown. The main differences can be seen in the fact that the aperture 74 is part of the outer sleeve 64 and the aperture 74 is conical. The cone angle ß of the aperture 74 corresponds to the angle α of the laser pulse 24. Here, too, it is important to ensure that the radial distance between see aperture 74 and the ignition pulse 24 is as low as possible. Because of that
Totraum 70 bei diesem Ausführungsbeispiel gegenüber dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel noch weiter verkleinert wurde, werden nochmals weniger Ablagerungen auf dem Brennraumfenster 58 niedergeschlagen. Dead space 70 was further reduced in this embodiment compared to the embodiment shown in Figure 2, even fewer deposits on the combustion chamber window 58 are deposited.

Claims

Ansprüche claims
1. Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine (10) umfassend einen1. Laser ignition device for an internal combustion engine (10) comprising a
Zündlasers (26) mit einem laseraktiven Festkörper (44), ein Brennraumfenster (58) und ein Gehäuse (38), dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ende des Gehäuses (38), an welchem das Brennraumfenster (58) angeordnet ist, eine Blende (74) vorgesehen ist. Ignition laser (26) having a laser-active solid (44), a combustion chamber window (58) and a housing (38), characterized in that at the end of the housing (38) on which the combustion chamber window (58) is arranged, a diaphragm ( 74) is provided.
2. Laserzündeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein2. Laser ignition device according to claim 1, characterized in that a
Durchmesser (D6) der Blende (74) so bemessen ist, dass ein Laserimpuls (24) des Zündlasers (26) die Blende (74) ungehindert passieren kann.Diameter (D 6 ) of the diaphragm (74) is dimensioned so that a laser pulse (24) of the ignition laser (26), the diaphragm (74) can pass unhindered.
3. Laserzündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (74) konisch ausgebildet ist, wobei der Durchmesser (D6) der Blende (74) in Richtung des Brennraumfensters (58) zunimmt, und dass ein Kegelwinkel (ß) der Blende (74) im Wesentlichen einem Austrittswinkel (α) des Laserimpulses (24) entspricht.3. laser ignition device according to one of the preceding claims, characterized in that the diaphragm (74) is conical, wherein the diameter (D 6 ) of the diaphragm (74) in the direction of the combustion chamber window (58) increases, and that a cone angle (ß) the diaphragm (74) substantially corresponds to an exit angle (α) of the laser pulse (24).
4. Laserzündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (74) als separates Bauteil ausgebildet ist, und dass die Blende (74) am Gehäuse (38) des Zündlasers (26), insbesondere an einem Absatz (66) des Gehäuses (38), befestigt ist.4. laser ignition device according to one of the preceding claims, characterized in that the diaphragm (74) is formed as a separate component, and that the diaphragm (74) on the housing (38) of the ignition laser (26), in particular on a shoulder (66) of the Housing (38) is attached.
5. Laserzündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (74) einstückig mit dem Gehäuse (38) des Zündlasers (26), insbesondere einem Absatz (66) des Gehäuses (38), aus- gebildet ist.5. laser ignition device according to one of the preceding claims, characterized in that the diaphragm (74) integral with the housing (38) of the ignition laser (26), in particular a shoulder (66) of the housing (38), is formed.
6. Laserzündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (38) eine Innenhülse (62) und eine Außenhülse (64) umfasst.6. Laser ignition device according to one of the preceding claims, characterized in that the housing (38) comprises an inner sleeve (62) and an outer sleeve (64).
7. Laserzündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in eingebautem Zustand des Zündlasers (26) die7. laser ignition device according to one of the preceding claims, characterized in that in the installed state of the ignition laser (26) the
Blende (74) im Wesentlichen bündig mit einer Brennraumwand einer Brennkraftmaschine abschließt. Aperture (74) is substantially flush with a combustion chamber wall of an internal combustion engine.
8. Laserzündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (74) den Zündlaser (76) nur teilweise abschirmt, und dass die Blende (74) in eingebautem Zustand des Zündlasers (76) bezogen auf die Hauptströmungsrichtung der Abgase im Brennraum (14) stromaufwärts des Zündlasers (76) angeordnet ist.8. laser ignition device according to one of the preceding claims, characterized in that the diaphragm (74) shields the ignition laser (76) only partially, and that the diaphragm (74) in the installed state of the ignition laser (76) relative to the main flow direction of the exhaust gases in the combustion chamber (14) is located upstream of the ignition laser (76).
9. Laserzündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (74) den Zündlaser (76) über einen Um- fangswinkel von maximal 200°, bevorzugt von 160 ° bis 180° abschirmt. 9. Laser ignition device according to one of the preceding claims, characterized in that the diaphragm (74) shields the ignition laser (76) over a circumferential angle of at most 200 °, preferably from 160 ° to 180 °.
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