EP2379859A1 - Laserzündkerze in einer vorkammer - Google Patents

Laserzündkerze in einer vorkammer

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Publication number
EP2379859A1
EP2379859A1 EP09764786A EP09764786A EP2379859A1 EP 2379859 A1 EP2379859 A1 EP 2379859A1 EP 09764786 A EP09764786 A EP 09764786A EP 09764786 A EP09764786 A EP 09764786A EP 2379859 A1 EP2379859 A1 EP 2379859A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spark plug
region
prechamber
receiving
cylinder head
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Withdrawn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
EP09764786A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Kraus
Martin Weinrotter
Pascal Woerner
Juergen Raimann
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
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
GE Jenbacher GmbH and Co OHG
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 GE Jenbacher GmbH and Co OHG, Robert Bosch GmbH filed Critical GE Jenbacher GmbH and Co OHG
Publication of EP2379859A1 publication Critical patent/EP2379859A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/12—Engines characterised by precombustion chambers with positive ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/16—Chamber shapes or constructions not specific to sub-groups F02B19/02 - F02B19/10
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/10—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder
    • F02B19/1004—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder details of combustion chamber, e.g. mounting arrangements
    • F02B19/1009—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder details of combustion chamber, e.g. mounting arrangements heating, cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/10—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder
    • F02B19/1019—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber
    • F02B19/108—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder with only one pre-combustion chamber with fuel injection at least into pre-combustion chamber, i.e. injector mounted directly in the pre-combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P13/00—Sparking plugs structurally combined with other parts of internal-combustion engines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a spark plug for an internal combustion engine, having an antechamber for receiving an ignitable medium, and having a receiving area for means for coupling laser radiation into the prechamber.
  • Such a spark plug is already known from DE 10 2006 018 973 Al.
  • the known system has the disadvantage that when increasing the prechamber volume to increase the ignition energy and a larger focal length for focusing the laser radiation used must be selected, provided that the ignition in the volume increase of the prechamber channels in the preferred range of the overflow channels should remain, which realize a fluid or plasma connection to a combustion chamber of the internal combustion engine to be ignited.
  • a disadvantage of using the larger focal length is in particular the reduction of the optical power density in the ignition point, which i.a. Laser pulses with increased energy required for a reliable ignition.
  • Prechamber contained to increase flammable fluid Compared to the conventional devices in which the prechamber extends substantially in a spatial direction relative to an end face of an ignition device adjoining the prechamber, the volume increase of the prechamber according to the invention is made possible, in particular, by the provision of the rear chamber volume region according to the invention.
  • the back chamber volume region according to the invention represents that volume fraction of the prechamber which does not lie in a first spatial direction, ie in relation to the end face of the ignition device adjoining the prechamber. away from the ignition device, like the pre-chambers of known systems, but in a second, the first spatial direction substantially opposite spatial direction.
  • this configuration according to the invention results in that the entire pre-chamber volume at least partially surrounds the combustion-chamber-side end region of the spark plug.
  • the volume center of gravity of the prechamber volume in contrast to a conventional system, is displaced in the direction of an end of the spark plug facing away from the combustion chamber due to the specially arranged rear chamber volume range.
  • the inventive configuration of the spark plug provides the increase in volume and thus the increase of the ignition energy with the same focal length of a focusing optics used.
  • a particularly efficient combustion of the ignitable medium within the prechamber is given according to an embodiment of the present invention when the rear chamber volume region of the prechamber surrounds the receiving region in an annular and / or toroidal manner.
  • the cross section of the annular receiving area surrounding Schuttingvolumens may also have other forms in addition to a circular or semicircular shape, which are usually selected depending on the desired flow conditions in the pre-chamber, etc.
  • an inlet valve for introducing a fluid, such as e.g. the flammable medium, directly into the antechamber (so-called rinsed pre-chamber)
  • a fluid such as e.g. the flammable medium
  • the exact geometry of the Hintercrovolumens or the Schuttingvolumen limiting wall sections of the prechamber be adapted to the special guidance of the fluid flow, in particular be formed asymmetrically.
  • a diameter of an annularly formed rear chamber volume region can decrease or also expand with increasing angular distance starting from the location of the inlet valve.
  • the rear chamber volume region according to the invention does not extend around the entire circumference of the receiving region of the spark plug, but only over one or more parts of the circumference.
  • the rear chamber volume region according to the invention can also be subdivided into a plurality of segments spaced apart by a respective same angle along a circumferential direction of the receiving region, wherein the segments each form an "extension" of a conventional prechamber geometry in the direction of an end of the spark plug facing away from the combustion chamber.
  • a particularly preferred configuration of the spark plug according to the invention proposes a volume fraction of about 30% to about 70% of the total volume of the prechamber for the rear chamber volume range according to the invention in order to fully exploit the potential of the invention for increasing the ignition energy in the prechamber.
  • even smaller volume fractions of the back chamber volume region according to the invention already offer the advantages according to the invention (increase in the ignition energy while maintaining the focal length).
  • An efficient cooling of the spark plug according to the invention and optionally arranged in the receiving area means for coupling laser radiation in the antechamber is given according to an embodiment of the present invention, then if the rear chamber volume region, in particular radially, preferably radially inwardly, delimiting wall sections of the receiving region have at least one, preferably at least partially circumferential, cooling channel for receiving a cooling fluid.
  • the cooling channels according to the invention can very particularly advantageously cooperate with other existing cooling channels of the spark plug or a cylinder head, which is provided for receiving the spark plug according to the invention.
  • At least one inlet valve can be provided.
  • the inlet valve may preferably be arranged in such a way, in particular in a wall portion of the spark plug which delimits the rear chamber volume region radially outwards, that it allows the introduction of the fluid directly into the rear chamber volume region.
  • the provision of further inlet valves in different sections of the posterior chamber volume area or also of the remaining antechamber is likewise conceivable.
  • the spark plug according to the invention particularly advantageously has a coupling-in optical system for coupling the laser radiation into the prechamber, which is arranged in the receiving region of the spark plug.
  • the coupling optics can be supplied with the laser radiation used for the ignition either by an optical fiber device from a laser light source arranged remotely.
  • a laser device having a laser active solid state laser device for the local generation of the laser radiation in the spark plug, in particular in the receiving area may be arranged.
  • the laser device is advantageously provided coaxially with the spark plug in its receiving area.
  • passively Q-switched laser devices for installation in the spark plug according to the invention are proposed, which may be formed in particular monolithic.
  • the pre-chamber with the special rear chamber volume range “protrudes" the combustion chamber end of the laser device or the coupling optics, in contrast to conventional systems at least by some extent in the prechamber volume, whereby the maintenance of a relatively small focal length is possible without the ignition point Having to remove too far from overflow channels, which establish a fluid connection between the pre-chamber and a combustion chamber of the internal combustion engine on the one hand, the maximum possible ignition energy in the way of increasing the volume of the pre-chamber increases, while on the other hand, the losses resulting from the unburnt mixture from the prechamber into the combustion chamber resulting losses are minimized. Namely, such losses arise in particular when the ignition point is far away from the overflow channels, which is advantageously avoided by the present invention - despite an increased prechamber volume.
  • a wall section bounding the prechamber has at least one overflow channel enabling a fluid connection to a combustion chamber of the internal combustion engine, and that the coupling optical system and / or the laser device is designed so that the laser radiation is at least an ignition point is focused, which is arranged in the region of the overflow.
  • an even more uniform ignition of the ignitable medium located in the antechamber is advantageously provided according to a further variant of the invention if the coupling optics and / or the laser device are designed such that the laser radiation is at least one first ignition point in the rear chamber volume region and preferably at least one second ignition point simultaneously is focused in the region of the overflow.
  • the prechamber of the spark plug according to the invention in particular in an application in the field of stationary engines or large gas engines, etc. integral part of the spark plug or is formed by the spark plug itself, according to a further variant of the invention can also be provided that a pre-chamber, in particular combustion chamber side, limiting Wall section at least partially formed by the cylinder head and / or is an integral part of the cylinder head. That is, in this case, portions of the cylinder head and the spark plug suitably cooperate to form the pre-chamber of the present invention.
  • a wall section bounding the pre-chamber radially outwardly is at least partially formed by the cylinder head itself and / or is an integral part of the cylinder head.
  • the inventive principle can also be realized in the form of a separate prechamber arrangement, in which the prechamber according to the invention has the above-described form as a separate component. That is, an inventive pre-chamber arrangement has a receiving area for a spark plug or means for coupling laser radiation, at least partially from the
  • the spark plug or means for coupling in laser radiation in this case can be used e.g. be screwed into the pre-chamber arrangement and are according to the invention Vorammergeometrie at least partially surrounded by the Hintercrovolumen Scheme.
  • the prechamber arrangement according to the invention can likewise be connected to the cylinder head of an internal combustion engine via a screw connection or else pluggable.
  • Figure 2a shows a partial cross section with a view in the longitudinal direction of the spark plug according to
  • FIG. 1 A first figure.
  • FIG. 2b shows a partial cross-section with a view in the longitudinal direction of a further embodiment of the spark plug according to the invention
  • Figure 2c shows a partial cross-section with a view in the longitudinal direction yet another
  • FIG. 3a shows a partial cross section of a first embodiment of a cylinder head according to the invention with a spark plug according to the invention
  • Figure 3b shows a partial cross-section of another embodiment of a cylinder head according to the invention with a spark plug according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows a first embodiment of a spark plug 100 according to the invention in a partial cross section.
  • the spark plug 100 is preferably used with internal combustion engines (not shown) operating at the lean limit, i. with an air ratio> 1.
  • internal combustion engines not shown
  • stationary large gas engines are operated at the lean limit in order to achieve the highest possible thermodynamic efficiency and at the same time to minimize nitrogen oxide (NOx) emissions.
  • NOx nitrogen oxide
  • a disadvantage of the operation at the lean limit is the low flame speed in the combustion chamber and the associated long burning time.
  • the considered large gas engines i.d.R. operated with highly turbulent combustion process. From a certain bore diameter, for example about 160mm, a high-energy ignition source is required to reliably and quickly start the combustion in a combustion chamber of the large gas engine.
  • the spark plug 100 has an antechamber 110, in which the ignition is introduced for a combustion chamber of an internal combustion engine containing the spark plug 100.
  • the prechamber 110 is charged in a manner known per se with an ignitable medium.
  • the ignitable medium contained in the pre-chamber 110 is ignited by methods described in more detail later.
  • high-energy ignition flares (not shown) through the fluid or plasma connection realizing overflow channels 112 into the combustion chamber 300 of the internal combustion engine.
  • the high-energy ignition torches reliably and quickly ignite the lean mixture present in the combustion chamber 300, which may also be ignited. is also characterized by a value range of the air ratio> 1.9.
  • the spark plug 100 has means for coupling laser radiation 135 into the prechamber 110.
  • the means for coupling laser radiation 135 into the pre-chamber 110 are formed by a laser device 130, which is associated with a coupling optics 131 at its combustion chamber end, which in addition to the spatial separation of the laser device 130 from the antechamber 110 at the same time for focusing of the Laser device 130 generates generated laser radiation 135 to the ignition point ZP, which is arranged as shown in Figure 1 in a combustion chamber side volume third of the antechamber 110.
  • a focusing lens and a combustion chamber window can also be designed separately.
  • the laser device 130 is preferably embodied as a passively Q-switched solid-state laser, to which only pumping light for optical pumping has to be supplied in a suitable manner in order to generate laser pulses with very high peak power, so-called giant pulses.
  • the pump light may be present to the laser device 130, e.g. be supplied from a remote pump light source (not shown) via a light guide device which is optically and possibly also mechanically connected to the spark plug 100 and arranged in their receiving area laser device 130, preferably at its end facing away from the combustion chamber 300.
  • the laser device 130 is preferably constructed monolithically, i. a laser-active solid and its associated passive Q-switching and input and output mirror and any existing optical amplifier, etc. are all integrated into a structural unit or arranged in or on a suitable optical medium.
  • the laser radiation 135 required for an ignition can also be generated directly by a laser light source arranged at a distance and supplied to the coupling optics 131 provided in the spark plug 100.
  • the spark plug 100 has a specially formed antechamber 110 which, with respect to an end face of an ignition device 130 adjacent to the prechamber 110, extends not only substantially in one spatial direction, namely toward the combustion chamber 300.
  • This part of the antechamber which is essentially known from conventional spark plugs, is identified in FIG. 1 by the curly bracket designated by the reference symbol V.
  • the spark plug 100 according to the invention or its prechamber 110 additionally has a special rear chamber volume region 110a, which at least partially surrounds the receiving region 120 of the spark plug 100 in a combustion chamber end region 100a of the spark plug 100.
  • the rear chamber volume region 110a according to the invention forms, in addition to the previously described part V of the prechamber 110, a further part H, which extends in a further spatial direction, namely away from the combustion chamber 300, relative to the end face or, for example, a surface of the coupling optics 131.
  • the rear chamber volume region 110a according to the invention thus leads to an increase in volume of the pre-chamber 110 compared with conventional systems, which, as can be seen from FIG. 1, is formed by the two contiguous regions H, V.
  • the special arrangement of the rear chamber volume region 110a causes a volume center of gravity of the volume of the prechamber 110 to shift toward an end of the spark plug 100 facing away from the combustion chamber 300, and the combustion chamber end of the spark plug 100 or the laser device 130 into the Prechamber 110 protrudes.
  • the required to increase the maximum ignition energy volume of the prechamber 110 is increased while at the same time only a relatively small focal length for the focusing optics of the coupling optics 131 is required to channels ZP in the combustion chamber near volume third of the pre-chamber 110 or directly in the overflow 112, through which the laser-ignited ignitable medium exits into the combustion chamber 300 of the internal combustion engine. Accordingly, by using the prechamber configuration according to the invention, an increase in the volume of the prechamber 110 can take place, and yet existing focusing optics with a predetermined focal length, as known from conventional systems, can be maintained without removing the ignition point ZP from the overflow channels 112.
  • the spark plug 100 allows a very efficient ignition of the ignitable medium in the prechamber 110 and offers by the increased prechamber volume a maximum amount of ignition energy for the ignition of the usually lean mixture in the combustion chamber 300. Due to the usable according to the invention low focal length of the focusing optics results from the associated high power density of the laser radiation 135 in the ZP ZP safe ignition in the antechamber 110, and compared to conventional systems can thus also the Pulse energy of individual laser pulses can be reduced, which increases the service life of the laser device 130.
  • the particular arrangement of the laser device 130 projecting into the prechamber 110 can also promote automatic burnout of the combustion chamber side surface of the coupling optics 131 since the combustion chamber end region 100a of the spark plug 100 according to the invention is exposed on average to higher temperatures than is the case with conventional systems in which a combustion chamber window is arranged flush with the wall bounding the antechamber.
  • the rear chamber volume region 110a of the prechamber 110 surrounds the receiving region 120 in a ring shape, in particular in a torus shape.
  • the cross-section of the rear chamber volume 110a which surrounds the receiving area 120 in a ring-shaped manner may, in addition to a circular or semicircular shape, also have other shapes, the i.d.R. be selected depending on the desired flow conditions in the pre-chamber 110 and so on.
  • FIG. 2a A cross section of the combustion-chamber-side end region 100a of the spark plug 100 from FIG. 1, viewed in the longitudinal direction, is shown in FIG. 2a. It can be seen from FIG. 2a how the rear chamber volume region 110a according to the invention annularly surrounds wall sections 120a of the receiving region 120 of the spark plug 100 and thus significantly increases the pre-chamber volume in comparison to conventional arrangements.
  • the posterior chamber volume area 110a has a
  • the laser device 130 is enclosed by a wall section 120 a of the receiving region 120 (FIG. 1) which bounds the rear chamber volume region 110 a according to the invention radially inwards and is preferably designed in one piece with the remaining body of the spark plug 100.
  • FIG. 2b shows a cross-section of a corresponding embodiment of the spark plug according to the invention, in which two kidney-shaped segments together form the rear chamber volume region 110a according to the invention.
  • Cooling channels (not shown) or the like to provide the receiving area 120 of the spark plug 100 or disposed therein components 130, 131 to be able to cool more efficiently.
  • the wall sections 120a of the receiving region 120 may also have at least one, preferably at least partially circumferential, cooling channel (not shown) for receiving a cooling fluid.
  • the cooling channel is particularly preferably in fluid communication with further cooling channels of the spark plug 100 or of a cylinder head 200 accommodating the spark plug 100, cf. FIG. 3a.
  • FIG. 2c shows a partial cross section of a further embodiment the spark plug 100 according to the invention, in which the inlet valve 140 is arranged, in particular in a wall portion 120b of the spark plug 100 radially outwardly delimiting the rear chamber volume region 110a, allowing the introduction of the fluid directly into the rear chamber volume region 110a.
  • inlet valve 140 for charging the prechamber 110 with ignitable medium.
  • the portions of the posterior chamber volume area 110 a associated with the inlet valve 140 may also contain special means for guiding or
  • the or at least one inlet valve 140 may also be disposed in another area of the prechamber 110, i. outside the posterior chamber volume area 110a, e.g. by doing
  • An antechamber that is not associated with its own inlet valve 140 is also referred to as an "unspurged antechamber.”
  • the unspurged antechamber refers to the ignitable one Medium through the overflow channels 112 directly from the combustion chamber 300.
  • the un-purged prechamber does not allow Vorhuntindividuelle adjustment of the air ratio, ie regardless of the air ratio of the present in the combustion chamber 300 mixture.
  • the maximum ignition energy due to the prechamber ignition is given when there is an almost stoichiometric mixture in the prechamber 110 as the ignitable medium.
  • the coupling optics 131 (FIG. 1) and / or the laser device 130 are designed so that the laser radiation 135 reaches at least a first ignition point in the posterior chamber volume region 110a and, preferably simultaneously, at least a second ignition point ZP is focused in the region of the overflow channel 112, whereby an even faster and more uniform ignition in the pre-chamber 110 is given.
  • pre-chamber 110 of the spark plug 100 in particular for an application in the field of stationary engines or
  • the spark plug 100 itself is formed.
  • the spark plug 100 in this case has e.g. radially outwardly in its combustion chamber end portion 100a via suitable attachment means 150 such as e.g. a thread that allows a detachable connection of the spark plug 100 with a cylinder head of an internal combustion engine.
  • suitable attachment means 150 such as e.g. a thread that allows a detachable connection of the spark plug 100 with a cylinder head of an internal combustion engine.
  • suitable attachment means 150 such as e.g. a thread that allows a detachable connection of the spark plug 100 with a cylinder head of an internal combustion engine.
  • suitable attachment means 150 such as e.g. a thread that allows a detachable connection of the spark plug 100 with a cylinder head of an internal combustion engine.
  • suitable fasteners may be provided on the spark plug 100.
  • the special design of the antechamber is realized by a cooperation of correspondingly shaped sections of the spark plug 101, 102 and of a cylinder head 200 receiving it.
  • FIG. 3 a shows a variant of the invention in which the spark plug 101 itself only defines the rear chamber volume region 110 a according to the invention by wall sections 120 a, 120 b which are correspondingly shaped in its combustion chamber end region 100 a.
  • the further regions of the pre-chamber 110 are predetermined by the geometry of the cylinder head 200, with which the spark plug 101 can be connected via suitable connecting means 151, such as a screw connection.
  • the cylinder head 200 in particular has a wall section 211 which defines the geometry of the prechamber 110 in the region V according to FIG. 1 and which delimits the prechamber 110 on the combustion chamber side.
  • FIG. 3 a shows a variant of the invention in which the spark plug 101 itself only defines the rear chamber volume region 110 a according to the invention by wall sections 120 a, 120 b which are correspondingly shaped in its combustion chamber end region 100 a.
  • the further regions of the pre-chamber 110 are predetermined by the geometry of the cylinder head 200, with which the spark plug 101 can be
  • the wall section 211 is at least partially formed by the cylinder head and / or formed as an integral part of the cylinder head 200.
  • the wall section 211 further has the overflow channels 212, which establish a fluid connection between the prechamber 110 and the combustion chamber 300.
  • portions of the cylinder head 200 and the spark plug 101 suitably cooperate to form the pre-chamber 110 formed in accordance with the present invention.
  • a wall section 220b forming the antechamber 110 in particular the rear chamber volume region 110a, to be formed radially outwardly at least partially by the cylinder head 200 itself and / or is an integral part of the cylinder head 200, cf. FIG. 3b.
  • the spark plug 102 is connected via suitable connecting means 152, such as e.g. a screw connection with the cylinder head 200 connectable.
  • the antechamber 110 is also formed by the cooperation of correspondingly shaped regions of the spark plug and the cylinder head 200.
  • a screw connection for screwing the spark plug 100 into the cylinder head 200 is provided.
  • the prechamber volume may be adjusted as needed.
  • Ignition point ZP be adjusted in the antechamber 110 at the same focal length of the focusing optics.
  • a further variant of the invention comprises a pre-chamber arrangement (not shown) designed as a separate component, which has an antechamber with the geometry according to the invention and a receiving area for a spark plug or for means for coupling laser radiation which is at least partially surrounded by the rear chamber volume area.
  • the overflow channels 112 can be designed both as straight channels or, preferably, also as swirl channels, in order to achieve even better mixing of the prechamber mixture by way of generating a swirl flow.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze (100) für eine Brennkraftmaschine, mit einer Vorkammer (110) zur Aufnahme eines zündfähigen Mediums, und mit einem Aufnahmebereich (120) für Mittel zur Einkopplung von Laserstrahlung (135) in die Vorkammer (110). Erfindungsgemäß umgibt ein einen Hinterkammervolumenbereich (110a) definierender Teil der Vorkammer (110) den Aufnahmebereich (120) in einem brennraumseitigen Endbereich (100a) der Zündkerze (100) zumindest teilweise.

Description

Beschreibung
Titel
LASERZUNDKERZE IN EINER VORKAMMER
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine, mit einer Vorkammer zur Aufnahme eines zündfähigen Mediums, und mit einem Aufnahmebereich für Mittel zur Einkopplung von Laserstrahlung in die Vorkammer.
Eine derartige Zündkerze ist bereits aus der DE 10 2006 018 973 Al bekannt. Das bekannte System hat den Nachteil, dass bei einer Vergrößerung des Vorkammervolumens zur Erhöhung der Zündenergie auch eine größere Brennweite für die Fokussierung der verwendeten Laserstrahlung gewählt werden muss, sofern der Zündpunkt bei der Volumenvergrößerung der Vorkammer nach wie vor in dem hierfür bevorzugten Bereich der Überström kanäle verbleiben soll, die eine Fluid- bzw. Plasmaverbindung zu einem Brennraum der zu zündenden Brennkraftmaschine realisieren. Nachteilig an der Verwendung der größeren Brennweite ist insbesondere die Verringerung der optischen Leistungsdichte in dem Zündpunkt, was u.a. Laserimpulse mit gesteigerter Energie für eine zuverlässige Zündung erfordert.
Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zündkerze der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine Steigerung der Zündenergie durch Volumenvergrößerung der Vorkammer möglich ist, ohne gleichzeitig Einbußen bei der Leistungsdichte der Laserstrahlung in dem Zündpunkt hinnehmen zu müssen, die sich bei den bekannten Systemen durch eine der Volumenvergrößerung der Vorkammer angepasste Vergrößerung der Brennweite einer entsprechenden Fokussieroptik ergeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein einen Hinterkammervolumenbereich definierender Teil der Vorkammer den Aufnahmebereich in einem brennraumseitigen Endbereich der Zündkerze zumindest teilweise umgibt.
Durch die erfindungsgemäße Konfiguration der Vorkammer ist vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, das gesamte Vorkammervolumen und damit auch die Menge des in der
Vorkammer enthaltenen zündfähigen Fluids zu steigern. Gegenüber den herkömmlichen Vorrichtungen, bei denen sich die Vorkammer - bezogen auf eine Stirnfläche einer an die Vorkammer grenzenden Zündeinrichtung - im wesentlichen in eine Raumrichtung erstreckt, wird die erfindungsgemäße Volumensteigerung der Vorkammer insbesondere durch die erfindungsgemäße Vorsehung des Hinterkammervolumenbereichs ermöglicht. Der erfindungsgemäße Hinterkammervolumenbereich stellt einer zweckmäßigen Definition zufolge denjenigen Volumenanteil der Vorkammer dar, der sich - bezogen auf die Stirnfläche der an die Vorkammer grenzenden Zündeinrichtung - nicht in eine erste Raumrichtung, d.h. von der Zündeinrichtung weg, erstreckt wie die Vorkammern bekannter Systeme, sondern in eine zweite, der ersten Raumrichtung im wesentlichen entgegengesetzte Raumrichtung. Im Ergebnis führt diese erfindungsgemäße Konfiguration dazu, dass das gesamte Vorkammervolumen den brennraumseitigen Endbereich der Zündkerze zumindest teilweise umgibt. D.h., bei der erfindungsgemäßen Zündkerze ist der Volumenschwerpunkt des Vorkammervolumens im Gegensatz zu einem herkömmlichen System aufgrund des speziell angeordneten Hinterkammervolumenbereichs in Richtung auf ein dem Brennraum abgewandtes Ende der Zündkerze hin verschoben.
Vorteilhaft kann bei der Erfindung trotz einer Vergrößerung des Vorkammervolumens vermöge des hinzutretenden Hinterkammervolumens - und damit einhergehender Steigerung der möglichen Zündenergie - auf eine Veränderung der Brennweite der die Laserstrahlung fokussierenden Fokussieroptik verzichtet werden, weil die erfindunsgemäße Vorsehung des Hinterkammervolumens per se keine Änderung der Geometrie der restlichen, konventionell in den Brennraum ragenden, Vorkammer erfordert.
Vielmehr bietet die erfindungsgemäße Konfiguration der Zündkerze die Volumenvergrößerung und damit die Steigerung der Zündenergie bei gleichbleibender Brennweite einer verwendeten Fokussieroptik.
Eine besonders effiziente Verbrennung des zündfähigen Mediums innerhalb der Vorkammer ist einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zufolge dann gegeben, wenn der Hinterkammervolumenbereich der Vorkammer den Aufnahmebereich ringförmig und/oder torusförmig umgibt. Der Querschnitt des ringförmig den Aufnahmebereich umgebenden Hinterkammervolumens kann neben einer Kreis- bzw. Halbkreisform auch andere Formen aufweisen, die i.d.R. in Abhängigkeit der gewünschten Strömungsverhältnisse in der Vorkammer usw. gewählt werden.
Insbesondere bei der Vorsehung eines Einlassventils zum Einbringen eines Fluids wie z.B. dem zündfähigen Medium, direkt in die Vorkammer (sog. gespülte Vorkammer), kann die genaue Geometrie des Hinterkammervolumens bzw. der das Hinterkammervolumen begrenzenden Wandabschnitte der Vorkammer zur speziellen Führung der Fluidströmung angepasst sein, insbesondere auch unsymmetrisch ausgebildet sein. Beispielsweise kann sich ein Durchmesser eines ringförmig ausgebildeten Hinterkammervolumenbereichs ausgehend von dem Ort des Einlassventils mit zunehmenden Winkelabstand verringern oder auch aufweiten.
Einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge ist es auch möglich, dass sich der erfindungsgemäße Hinterkammervolumenbereich nicht um den gesamten Umfang des Aufnahmebereichs der Zündkerze erstreckt, sondern nur über einen oder mehrere Teile des Umfangs. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Hinterkammervolumenbereich auch in mehrere, entlang einer Umfangsrichtung des Aufnahmebereichs vorzugsweise um jeweils denselben Winkel zueinander beabstandete, Segmente unterteilt sein, wobei die Segmente jeweils gleichsam eine „Erweiterung" einer herkömmlichen Vorkammergeometrie in Richtung auf ein dem Brennraum abgewandtes Ende der Zündkerze hin bilden. Bei der Realisierung des erfindungsgemäßen Hinterkammervolumenbereichs in Form der mehreren nicht vollumlaufenden Segmente ist vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, in den nicht durch die Segmente beanspruchten Volumenbereichen der Zündkerze Kühlkanäle oder dergleichen vorzusehen, um den Aufnahmebereich der Zündkerze bzw. darin angeordneten Komponenten effizienter kühlen zu können.
Eine besonders bevorzugte Konfiguration der erfindungsgemäßen Zündkerze schlägt einen Volumenanteil von etwa 30% bis etwa 70% des gesamten Volumens der Vorkammer für den erfindungsgemäßen Hinterkammervolumenbereich vor, um das Potential der Erfindung bezüglich der Steigerung der Zündenergie in der Vorkammer voll auszunutzen. Es ist jedoch offensichtlich, dass auch kleinere Volumenanteile des erfindungsgemäßen Hinterkammervolumenbereichs bereits die erfindungsgemäßen Vorteile (Steigerung der Zündenergie bei gleichzeitiger Beibehaltung der Brennweite) bieten.
Eine effiziente Kühlung der erfindungsgemäßen Zündkerze und gegebenenfalls in dem Aufnahmebereich angeordneter Mittel zur Einkopplung von Laserstrahlung in die Vorkammer ist einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zufolge dann gegeben, wenn den Hinterkammervolumenbereich insbesondere radial, vorzugsweise radial nach innen, begrenzende Wandabschnitte des Aufnahmebereichs mindestens einen, vorzugsweise zumindest teilweise umlaufend angeordneten, Kühlkanal zur Aufnahme eines Kühlfluids aufweisen. Die erfindungsgemäßen Kühlkanäle können ganz besonders vorteilhaft mit weiteren bestehenden Kühlkanälen der Zündkerze oder auch eines Zylinderkopfes, der zur Aufnahme der erfindungsgemäßen Zündkerze vorgesehen ist, zusammenwirken.
Um ein Fluid, insbesondere das zündfähige Medium, direkt in die Vorkammer der erfindungsgemäßen Zündkerze einbringen zu können, kann einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge mindestens ein Einlassventil vorgesehen sein. Das Einlassventil kann bevorzugt so angeordnet sein, insbesondere in einem den Hinterkammervolumenbereich radial nach außen begrenzenden Wandabschnitt der Zündkerze, dass es die Einbringung des Fluids direkt in den Hinterkammervolumenbereich erlaubt. Die Vorsehung weiterer Einlassventile in unterschiedlichen Abschnitten des Hinterkammervolumenbereichs oder auch der restlichen Vorkammer ist ebenfalls denkbar.
Besonders vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Zündkerze einer weiteren Ausführungsform zufolge eine Einkoppeloptik zur Einkopplung der Laserstrahlung in die Vorkammer auf, die in dem Aufnahmebereich der Zündkerze angeordnet ist. Der Einkoppeloptik kann die für die Zündung verwendete Laserstrahlung entweder durch eine Lichtleitereinrichtung von einer entfernt angeordneten Laserlichtquelle zugeführt werden.
Alternativ oder ergänzend kann auch eine einen laseraktiven Festkörper aufweisende Lasereinrichtung zur lokalen Erzeugung der Laserstrahlung in der Zündkerze, insbesondere in dem Aufnahmebereich, angeordnet sein. Bei dieser Konfiguration ist die Lasereinrichtung vorteilhaft koaxial zu der Zündkerze in deren Aufnahmebereich vorgesehen. Ganz besonders bevorzugt werden passiv gütegeschaltete Lasereinrichtungen für den Einbau in die erfindungsgemäße Zündkerze vorgeschlagen, die insbesondere auch monolithisch ausgebildet sein können.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorkammer mit dem besonderen Hinterkammervolumenbereich „ragt" das brennraumseitige Ende der Lasereinrichtung bzw. die Einkoppeloptik im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen zumindest um ein gewisses Maß in das Vorkammervolumen hinein, wodurch die Beibehaltung einer verhältnismäßig geringen Brennweite möglich ist, ohne den Zündpunkt zu weit von Überströmkanälen entfernen zu müssen, die eine Fluidverbindung zwischen der Vorkammer und einem Brennraum der Brennkraftmaschine herstellen. Dadurch wird besonders vorteilhaft einerseits die maximal mögliche Zündenergie im Wege der Volumenvergrößerung der Vorkammer erhöht, während andererseits die durch das Ausschieben unverbrannten Gemischs aus der Vorkammer in den Brennraum resultierenden Verluste minimiert werden. Solche Verluste ergeben sich nämlich insbesondere dann, wenn der Zündpunkt weit von den Überströmkanälen entfernt ist, was durch die vorliegende Erfindung - trotz eines gesteigerten Vorkammervolumens - vorteilhaft vermieden wird.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Zündkerze ist vorgesehen, dass ein die Vorkammer begrenzender Wandabschnitt mindestens einen eine Fluidverbindung zu einem Brennraum der Brennkraftmaschine ermöglichenden Überström kanal aufweist, und dass die Einkoppeloptik und/oder die Lasereinrichtung so ausgebildet ist, dass die Laserstrahlung auf mindestens einen Zündpunkt fokussiert wird, der im Bereich des Überströmkanals angeordnet ist.
Eine noch gleichmäßigere Entflammung des in der Vorkammer befindlichen zündfähigen Mediums ist einer weiteren Erfindungsvariante zufolge vorteilhaft dann gegeben, wenn die Einkoppeloptik und/oder die Lasereinrichtung so ausgebildet ist, dass die Laserstrahlung auf mindestens einen ersten Zündpunkt im Hinterkammervolumenbereich und vorzugsweise gleichzeitig auf mindestens einen zweiten Zündpunkt im Bereich des Überströmkanals fokussiert wird.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Zylinderkopf gemäß Patentanspruch 13 angegeben.
Obwohl die Vorkammer der erfindungsgemäßen Zündkerze insbesondere bei einer Anwendung im Bereich von Stationärmotoren bzw. Großgasmotoren usw. integraler Bestandteil der Zündkerze bzw. durch die Zündkerze selbst gebildet ist, kann einer weiteren Erfindungsvariante zufolge auch vorgesehen sein, dass ein die Vorkammer, insbesondere brennraumseitig, begrenzender Wandabschnitt zumindest teilweise durch den Zylinderkopf gebildet und/oder integraler Bestandteil des Zylinderkopfes ist. D.h., in diesem Falle wirken Teilbereiche des Zylinderkopfes und der Zündkerze in geeigneter Weise zusammen, um die erfindungsgemäße Vorkammer auszubilden.
Es ist insbesondere möglich, dass ein die Vorkammer radial nach außen begrenzender Wandabschnitt zumindest teilweise durch den Zylinderkopf selbst gebildet und/oder integraler Bestandteil des Zylinderkopfes ist. Das erfindungsgemäße Prinzip kann auch in Form einer separaten Vorkammeranordnung realisiert werden, bei der die erfindungsgemäße Vorkammer als separates Bauteil die vorstehend beschriebene Form aufweist. D.h., eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorkammeranordnung weist einen Aufnahmebereich für eine Zündkerze bzw. für Mittel zur Einkopplung von Laserstrahlung auf, der zumindest teilweise von dem
Hinterkammervolumenbereich umgeben wird. Die Zündkerze bzw. Mittel zur Einkopplung von Laserstrahlung können in diesem Fall z.B. in die Vorkammeranordnung eingeschraubt werden und sind der erfindungsgemäßen Vorkammergeometrie zufolge zumindest teilweise von dem Hinterkammervolumenbereich umgeben. Die erfindungsgemäße Vorkammeranordnung kann ebenfalls über eine Schraubverbindung oder auch steckbar mit dem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine verbunden werden.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündkerze in einem teilweisen Querschnitt,
Figur 2a einen teilweisen Querschnitt mit Blick in Längsrichtung der Zündkerze gemäß
Figur 1,
Figur 2b einen teilweisen Querschnitt mit Blick in Längsrichtung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündkerze,
Figur 2c einen teilweisen Querschnitt mit Blick in Längsrichtung noch einer weiteren
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündkerze,
Figur 3a einen teilweisen Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes mit einer erfindungsgemäßen Zündkerze, und Figur 3b einen teilweisen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes mit einer erfindungsgemäßen Zündkerze.
Figur 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündkerze 100 in einem teilweisen Querschnitt. Die Zündkerze 100 wird bevorzugt mit Brennkraftmaschinen (nicht gezeigt) eingesetzt, die an der Magergrenze betrieben werden, d.h. mit einer Luftzahl > 1. Insbesondere stationäre Großgasmotoren werden an der Magergrenze betrieben, um einen möglichst hohen thermodynamischen Wirkungsgrad zu erzielen und gleichzeitig Stickoxidemissionen (NOx) zu minimieren.
Ein Nachteil des Betriebs an der Magergrenze ist die geringe Flammengeschwindigkeit in dem Brennraum und die damit einhergehende lange Brenndauer. Um trotz des Betriebs im Bereich der Magergrenze möglichst kurze Brenndauern und damit einen hohen Motorwirkungsgrad zu ermöglichen, werden die betrachteten Großgasmotoren i.d.R. mit höchst turbulenten Brennverfahren betrieben. Ab einem gewissen Bohrungsdurchmesser, beispielsweise etwa 160mm, ist eine hochenergetische Zündquelle erforderlich, um die Verbrennung in einem Brennraum des Großgasmotors zuverlässig und schnell zu starten.
Daher weist die erfindungsgemäße Zündkerze 100 eine Vorkammer 110 auf, in der die Zündung für einen Brennraum einer die Zündkerze 100 enthaltenden Brennkraftmaschine eingeleitet wird. Hierzu wird die Vorkammer 110 in an sich bekannter Weise mit einem zündfähigen Medium beschickt. Anschließend wird das in der Vorkammer 110 enthaltene zündfähige Medium durch später näher beschriebene Verfahren gezündet. Danach treten aus der Vorkammer 110 infolge der darin ablaufenden Verbrennung hochenergetische Zündfackeln (nicht gezeigt) durch die eine Fluid- bzw. Plasmaverbindung realisierenden Überström kanäle 112 in den Brennraum 300 der Brennkraftmaschine. Die hochenergetischen Zündfackeln entzünden zuverlässig und schnell das in dem Brennraum 300 vorhandene magere Gemisch, das u.U. auch durch einen Wertebereich der Luftzahl > 1,9 gekennzeichnet ist.
Zur effizienten, verschleißfreien und schnellen Zündung des in der Vorkammer 110 befindlichen zündfähigen Mediums weist die erfindungsgemäße Zündkerze 100 Mittel zur Einkopplung von Laserstrahlung 135 in die Vorkammer 110 auf.
Vorliegend sind die Mittel zur Einkopplung von Laserstrahlung 135 in die Vorkammer 110 durch eine Lasereinrichtung 130 gebildet, der an ihrem brennraumseitigen Ende eine Einkoppeloptik 131 zugeordnet ist, die neben der räumlichen Trennung der Lasereinrichtung 130 von der Vorkammer 110 gleichzeitig zur Fokussierung der von der Lasereinrichtung 130 erzeugten Laserstrahlung 135 auf den Zündpunkt ZP dient, der wie aus Figur 1 ersichtlich in einem brennraumseitigen Volumensdrittel der Vorkammer 110 angeordnet ist. Weiters können auch eine Fokussieroptik und ein Brennraumfenster jeweils separat ausgeführt sein.
Die Lasereinrichtung 130 ist bevorzugt als passiv gütegeschalteter Festkörperlaser ausgeführt, dem zur Erzeugung von Laserimpulsen mit sehr hoher Spitzenleistung, sog. Riesenimpulsen, lediglich Pumplicht zum optischen Pumpen in geeigneter Weise zugeführt werden muss. Das Pumplicht kann der Lasereinrichtung 130 vorliegend z.B. von einer entfernt angeordneten Pumplichtquelle (nicht gezeigt) über eine Lichtleitereinrichtung zugeführt werden, die optisch und ggf. auch mechanisch mit der Zündkerze 100 bzw. der in ihrem Aufnahmebereich angeordneten Lasereinrichtung 130 verbunden ist, vorzugsweise an ihrem dem Brennraum 300 abgewandten Ende. Die Lasereinrichtung 130 ist bevorzugt monolithisch aufgebaut, d.h. ein laseraktiver Festkörper und die ihm zugeordnete passive Güteschaltung sowie Ein- und Auskoppelspiegel sowie ggf. vorhandene optische Verstärker usw. sind alle in eine bauliche Einheit integriert bzw. in oder auf einem geeigneten optischen Medium angeordnet.
Anstelle der lokalen Erzeugung von Laserimpulsen kann die für eine Zündung erforderliche Laserstrahlung 135 auch direkt von einer entfernt angeordneten Laserlichtquelle erzeugt und der in der Zündkerze 100 vorgesehenen Einkoppeloptik 131 zugeleitet werden.
Erfindungsgemäß weist die Zündkerze 100 eine besonders ausgebildete Vorkammer 110 aus, die sich - bezogen auf eine Stirnfläche einer an die Vorkammer 110 grenzenden Zündeinrichtung 130 - nicht nur im wesentlichen in eine Raumrichtung, nämlich auf den Brennraum 300 hin, erstreckt. Dieser von herkömmlichen Zündkerzen im wesentlichen bekannte Teil der Vorkammer ist in Figur 1 durch die mit dem Bezugszeichen V bezeichnete geschweifte Klammer gekennzeichnet.
Vielmehr weist die erfindungsgemäße Zündkerze 100 bzw. ihre Vorkammer 110 zusätzlich einen besonderen Hinterkammervolumenbereich 110a auf, der den Aufnahmebereich 120 der Zündkerze 100 in einem brennraumseitigen Endbereich 100a der Zündkerze 100 zumindest teilweise umgibt. Der erfindungsgemäße Hinterkammervolumenbereich 110a bildet zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Teil V der Vorkammer 110 einen weiteren Teil H, der sich bezogen auf die Stirnfläche bzw. vorliegend z.B. eine Oberfläche der Einkoppeloptik 131 in eine weitere Raumrichtung, nämlich von dem Brennraum 300 weg, erstreckt. Der erfindungsgemäße Hinterkammervolumenbereich 110a führt somit zur einer Volumenvergrößerung der Vorkammer 110 gegenüber herkömmlichen Systemen, die wie aus Figur 1 ersichtlich durch die beiden zusammenhängenden Bereiche H, V gebildet ist.
Gleichzeitig wird durch die besondere Anordnung des erfindungsgemäßen Hinterkammervolumenbereichs 110a bewirkt, dass sich ein Volumenschwerpunkt des Volumens der Vorkammer 110 gegenüber herkömmlichen Systemen auf ein dem Brennraum 300 abgewandtes Ende der Zündkerze 100 hin verlagert und das brennraumseitige Ende der Zündkerze 100 bzw. der Lasereinrichtung 130 in die Vorkammer 110 hineinragt.
Dadurch wird vorteilhaft der zur Steigerung der maximalen Zündenergie erforderliche Rauminhalt der Vorkammer 110 erhöht, während gleichzeitig nur eine verhältnismäßig geringe Brennweite für die Fokussieroptik der Einkoppeloptik 131 erforderlich ist, um den Zündpunkt ZP im brennraumnahen Volumendrittel der Vorkammer 110 bzw. direkt im Bereich der Überström kanäle 112 zu positionieren, durch die das lasergezündete zündfähige Medium in den Brennraum 300 der Brennkraftmaschine austritt. Durch Einsatz der erfindungsgemäßen Vorkammerkonfiguration kann demnach eine Volumenvergrößerung der Vorkammer 110 erfolgen und es kann dennoch eine bestehende Fokussieroptik mit vorgegebener Brennweite, wie sie von herkömmlichen Systemen bekannt ist, beibehalten werden, ohne den Zündpunkt ZP von den Überströmkanälen 112 zu entfernen.
Durch die in Figur 1 veranschaulichte Wahl des Zündpunkts ZP im Bereich der Überström kanäle 112 wird vorteilhaft weitestgehend vermieden, dass noch unverbranntes zündfähiges Medium von der sich ausbreitenden Flammenfront ungenutzt durch die Überströmkanäle 112 in den Brennraum 300 ausgeschoben wird. Generell ist es vorteilhaft, wenn der Zündpunkt ZP näher an mindestens einem Überström kanal 112 liegt als an einem Wandbereich der Vorkammer 110 ohne Überströmkanäle 112.
Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Zündkerze 100 eine sehr effiziente Entflammung des zündfähigen Mediums in der Vorkammer 110 und bietet durch das gesteigerte Vorkammervolumen ein Höchstmaß an Zündenergie für die Zündung des i.d.R. mageren Gemischs in dem Brennraum 300. Aufgrund der erfindungsgemäß verwendbaren geringen Brennweite der Fokussieroptik ergibt sich durch die damit einhergehende hohe Leistungsdichte der Laserstrahlung 135 in dem Zünpunkt ZP eine sichere Zündung in der Vorkammer 110, und im Vergleich zu herkömmlichen Systemen kann somit auch die Impulsenergie einzelner Laserimpulse verringert werden, was die Standzeit der Lasereinrichtung 130 steigert.
Die besondere Anordnung der in die Vorkammer 110 „hineinragenden" Lasereinrichtung 130 kann auch ein automatisches Freibrennen der brennraumseitigen Oberfläche der Einkoppeloptik 131 begünstigen, da der brennraumseitige Endbereich 100a der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 im Mittel höheren Temperaturen ausgesetzt ist, als es bei herkömmlichen Systemen der Fall ist, bei denen ein Brennraumfenster flächenbündig zu einer die Vorkammer begrenzenden Wand angeordnet ist.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform umgibt der Hinterkammervolumenbereich 110a der Vorkammer 110 den Aufnahmebereich 120 ringförmig, insbesondere torusförmig. Der Querschnitt des ringförmig den Aufnahmebereich 120 umgebenden Hinterkammervolumens 110a kann neben einer Kreis- bzw. Halbkreisform auch andere Formen aufweisen, die i.d.R. in Abhängigkeit der gewünschten Strömungsverhältnisse in der Vorkammer 110 usw. gewählt werden.
Ein Querschnitt des brennraumseitigen Endbereichs 100a der Zündkerze 100 aus Figur 1 mit Blick in Längsrichtung ist in Figur 2a gezeigt. Aus Figur 2a ist ersichtlich, wie der erfindungsgemäße Hinterkammervolumenbereich 110a Wandabschnitte 120a des Aufnahmebereichs 120 der Zündkerze 100 ringförmig umgibt und damit das Vorkammervolumen im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen wesentlich steigert.
Ganz besonders bevorzugt weist der Hinterkammervolumenbereich 110a einen
Volumenanteil von etwa 30% bis etwa 70% des gesamten Volumens der Vorkammer 110 auf, um eine in der Vorkammer 110 speicherbare Zündenergie für die Zündung des in dem Brennraum 300 (Figur 1) befindlichen Gemischs zu maximieren.
Die Lasereinrichtung 130 ist, wie aus Figur 2a ersichtlich, von einem Wandabschnitt 120a des Aufnahmebereichs 120 (Figur 1) umschlossen, der den erfindungsgemäßen Hinterkammervolumenbereich 110a radial nach innen begrenzt und vorzugsweise einstückig mit dem restlichen Körper der Zündkerze 100 ausgeführt ist.
Anstelle der Konfiguration aus Figur 2a ist es ist ferner denkbar, dass der Hinterkammervolumenbereich 110a sich nur über einen Teil des gesamten Umfangs des Aufnahmebereichs 120 erstreckt, wobei der Hinterkammervolumenbereich 110a vorzugsweise in mehrere, entlang einer Umfangsrichtung des Aufnahmebereichs 120 vorzugsweise um jeweils denselben Winkel zueinander beabstandete Segmente unterteilt ist. Figur 2b zeigt einen Querschnitt einer entsprechenden Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündkerze, bei der zwei nierenförmige Segmente zusammen den erfindungsgemäßen Hinterkammervolumenbereich 110a bilden.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 2b ist vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, in den nicht durch die Segmente 110a beanspruchten Volumenbereichen der Zündkerze 100
Kühlkanäle (nicht gezeigt) oder dergleichen vorzusehen, um den Aufnahmebereich 120 der Zündkerze 100 bzw. darin angeordneten Komponenten 130, 131 effizienter kühlen zu können.
Auch die den Hinterkammervolumenbereich 110a radial nach innen begrenzenden Wandabschnitte 120a des Aufnahmebereichs 120 (vgl. Figur 1, 2a, 2b) können vorzugsweise mindestens einen, vorzugsweise zumindest teilweise umlaufend angeordneten Kühlkanal (nicht gezeigt) zur Aufnahme eines Kühlfluids aufweisen. Der Kühlkanal steht besonders bevorzugt in Fluidverbindung mit weiteren Kühlkanälen der Zündkerze 100 oder auch eines die Zündkerze 100 aufnehmenden Zylinderkopfs 200, vgl. Figur 3a.
Eine auch als „gespülte Vorkammer" bezeichnete Konfiguration ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 dann, wenn mindestens ein Einlassventil zum Einbringen eines Fluids, insbesondere des zündfähigen Mediums, in die Vorkammer 110, vorgesehen ist. Figur 2c zeigt hierzu einen teilweisen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündkerze 100, bei der das Einlassventil 140 so angeordnet ist, insbesondere in einem den Hinterkammervolumenbereich 110a radial nach außen begrenzenden Wandabschnitt 120b der Zündkerze 100, dass es die Einbringung des Fluids direkt in den Hinterkammervolumenbereich 110a erlaubt.
Es ist auch denkbar, mehr als ein Einlassventil 140 zur Beschickung der Vorkammer 110 mit zündfähigem Medium vorzusehen. Die dem Einlassventil 140 zugeordneten Abschnitte des Hinterkammervolumenbereichs 110a können auch besondere Mittel zur Führung bzw.
Beeinflussung der Fluidströmung aufweisen, z.B. nach Art eines Drallkanals, um für eine sichere Zündung möglichst günstige Strömungsverhältnisse einzustellen. Das bzw. mindestens ein Einlassventil 140 kann auch in einem anderen Bereich der Vorkammer 110 angeordnet sein, d.h. außerhalb des Hinterkammervolumenbereichs 110a, z.B. in dem
Bereich V gemäß Figur 1.
Eine Vorkammer, der kein eigenes Einlassventil 140 zugeordnet ist, wird auch als „ungespülte Vorkammer" bezeichnet. Die ungespülte Vorkammer bezieht das zündfähige Medium durch die Überströmkanäle 112 direkt aus dem Brennraum 300. Im Gegensatz zu der gespülten Vorkammer erlaubt die ungespülte Vorkammer keine vorkammerindividuelle Einstellung der Luftzahl , d.h. unabhängig von der Luftzahl des in dem Brennraum 300 vorliegenden Gemischs.
Die maximale Zündenergie durch die Vorkammerzündung ist dann gegeben, wenn als zündfähiges Medium ein nahezu stöchiometrisches Gemisch in der Vorkammer 110 vorliegt.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündkerze 100 ist vorgesehen, dass die Einkoppeloptik 131 (Figur 1) und/oder die Lasereinrichtung 130 so ausgebildet ist, dass die Laserstrahlung 135 auf mindestens einen ersten Zündpunkt im Hinterkammervolumenbereich 110a und, vorzugsweise gleichzeitig, auf mindestens einen zweiten Zündpunkt ZP im Bereich des Überströmkanals 112 fokussiert wird, wodurch eine noch schnellere und gleichmäßigere Zündung in der Vorkammer 110 gegeben ist.
Generell ist es möglich, dass die Vorkammer 110 der erfindungsgemäßen Zündkerze 100, vgl. Figur 1, insbesondere für eine Anwendung im Bereich von Stationärmotoren bzw.
Großgasmotoren usw., integraler Bestandteil der Zündkerze 100 bzw. durch die Zündkerze
100 selbst gebildet ist. Die Zündkerze 100 verfügt in diesem Fall z.B. radial außenseitig in ihrem brennraumseitigen Endbereich 100a über geeignete Befestigungsmittel 150 wie z.B. ein Gewinde, das eine lösbare Verbindung der Zündkerze 100 mit einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ermöglicht. Alternativ oder ergänzend können auch weitere für eine
Verwendung mit dem Zielsystem geeignete Befestigungsmittel an der Zündkerze 100 vorgesehen sein.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Variante der vorliegenden Erfindung ist die besondere Gestaltung der Vorkammer durch ein Zuammenwirken entsprechend geformter Abschnitte der Zündkerze 101, 102 und eines sie aufnehmenden Zylinderkopfes 200 realisiert.
Figur 3a zeigt eine Erfindungsvariante, bei der die Zündkerze 101 selbst durch in ihrem brennraumseitigen Endbereich 100a entsprechend geformte Wandabschnitte 120a, 120b nur noch den erfindungsgemäßen Hinterkammervolumenbereich 110a definiert. Die weiteren Bereiche der Vorkammer 110 sind durch die Geometrie des Zylinderkopfes 200 vorgegeben, mit dem die Zündkerze 101 über geeignete Verbindungsmittel 151 wie z.B. eine Schraubverbindung verbindbar ist. Wie aus Figur 3a ersichtlich weist der Zylinderkopf 200 insbesondere einen Wandabschnitt 211 auf, der die Geometrie der Vorkammer 110 in dem Bereich V gemäß Figur 1 definiert und der die Vorkammer 110 brennraumseitig begrenzt. Der Wandabschnitt 211 ist wie in Figur 3a angedeutet zumindest teilweise durch den Zylinderkopf gebildet und/oder als integraler Bestandteil des Zylinderkopfes 200 ausgebildet. Der Wandabschnitt 211 weist ferner die Überströmkanäle 212 auf, die eine Fluidverbindung zwischen der Vorkammer 110 und dem Brennraum 300 herstellen.
D.h., bei der Konfiguration gemäß Figur 3a wirken Teilbereiche des Zylinderkopfes 200 und der Zündkerze 101 in geeigneter Weise zusammen, um die erfindungsgemäß geformte Vorkammer 110 auszubilden.
Es ist darüberhinaus insbesondere auch möglich, dass ein die Vorkammer 110, insbesondere den Hinterkammervolumenbereich 110a, radial nach außen begrenzender Wandabschnitt 220b zumindest teilweise durch den Zylinderkopf 200 selbst gebildet und/oder integraler Bestandteil des Zylinderkopfes 200 ist, vgl. Figur 3b. Auch bei dieser Erfindungsvariante ist die Zündkerze 102 über geeignete Verbindungsmittel 152 wie z.B. eine Schraubverbindung mit dem Zylinderkopf 200 verbindbar.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Vorkammer 110 ebenfalls durch das Zusammenwirken entsprechend geformter Bereiche der Zündkerze und des Zylinderkopfes 200 gebildet. Entlang der axialen Richtung der Zündkerze 100 ist eine Schraubverbindung zum Einschrauben der Zündkerze 100 in den Zyliderkopf 200 vorgesehen. Unter Verwendung unterschiedlich hoher Dichthülsen, die zwischen der Zündkerze 100 und dem Zylinderkopf 200 vorgesehen werden können und eine gasdichte Verbindung der die Vorkammer 110 ausbildenden Komponenten der Zündkerze 100 und des Zylinderkopfes 200 ermöglichen, kann das Vorkammervolumen je nach Bedarf angepasst werden. Gleichzeitig kann auf diese Weise die Lage des
Zündpunkts ZP in der Vorkammer 110 bei gleichbleibender Brennweite der Fokussieroptik justiert werden.
Eine weitere Erfindungsvariante besteht in einer als separates Bauteil ausgeführten Vorkammeranordnung (nicht gezeigt), die eine Vorkammer mit der erfindungsgemäßen Geometrie und einen Aufnahmebereich für eine Zündkerze bzw. für Mittel zur Einkopplung von Laserstrahlung aufweist, der zumindest teilweise von dem Hinterkammervolumenbereich umgeben wird. Die Überströmkanäle 112 (Figur 1) können sowohl als gerade Kanäle oder bevorzugt auch als Drallkanäle ausgelegt sein, um im Wege der Erzeugung einer Drallströmung eine noch bessere Durchmischung des Vorkammergemisches zu erzielen.

Claims

Ansprüche
1. Zündkerze (100) für eine Brennkraftmaschine, mit einer Vorkammer (110) zur Aufnahme eines zündfähigen Mediums, und mit einem Aufnahmebereich (120) für Mittel zur Einkopplung von Laserstrahlung (135) in die Vorkammer (110), dadurch gekennzeichnet, dass ein einen Hinterkammervolumenbereich (110a) definierender Teil der Vorkammer (110) den Aufnahmebereich (120) in einem brennraumseitigen Endbereich (100a) der Zündkerze (100) zumindest teilweise umgibt.
2. Zündkerze (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinterkammervolumenbereich (110a) der Vorkammer (110) den Aufnahmebereich (120) ringförmig und/oder torusförmig umgibt.
3. Zündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinterkammervolumenbereich (110a) sich nur über einen Teil des gesamten Umfangs des Aufnahmebereichs (120) erstreckt.
4. Zündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinterkammervolumenbereich (110a) in mehrere, entlang einer Umfangsrichtung des Aufnahmebereichs (120) vorzugsweise um jeweils denselben Winkel zueinander beabstandete, Segmente, unterteilt ist.
5. Zündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinterkammervolumenbereich (110a) einen Volumenanteil von etwa 30 Prozent bis etwa 70 Prozent des gesamten Volumens der Vorkammer (110) aufweist.
6. Zündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Hinterkammervolumenbereich (110a) insbesondere radial, vorzugsweise radial nach innen, begrenzende Wandabschnitte (120a) des Aufnahmebereichs (120) mindestens einen, vorzugsweise zumindest teilweise umlaufend angeordneten, Kühlkanal zur Aufnahme eines Kühlfluids aufweisen.
7. Zündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Einlassventil (140) zum Einbringen eines Fluids, insbesondere des zündfähigen Mediums, in die Vorkammer (110), vorgesehen ist.
8. Zündkerze (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (140) so angeordnet ist, insbesondere in einem den Hinterkammervolumenbereich (110a) radial nach außen begrenzenden Wandabschnitt (120b) der Zündkerze (100), dass es die Einbringung des Fluids direkt in den Hinterkammervolumenbereich (110a) erlaubt.
9. Zündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einkoppeloptik (131) zur Einkopplung der Laserstrahlung (135) in dem Aufnahmebereich (120) angeordnet ist.
10. Zündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine, vorzugsweise einen laseraktiven Festkörper aufweisende, Lasereinrichtung (130) zur Erzeugung der Laserstrahlung (135) in der Zündkerze (100), insbesondere in dem Aufnahmebereich (120), angeordnet ist.
11. Zündkerze (100) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei ein die Vorkammer (110) begrenzender Wandabschnitt mindestens einen eine Fluidverbindung zu einem Brennraum (300) der Brennkraftmaschine ermöglichenden Überströmkanal (112) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (131) und/oder die Lasereinrichtung (130) so ausgebildet ist, dass die Laserstrahlung (135) auf mindestens einen Zündpunkt (ZP) fokussiert wird, der im Bereich des Überströmkanals (112) angeordnet ist.
12. Zündkerze (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeloptik (131) und/oder die Lasereinrichtung (130) so ausgebildet ist, dass die Laserstrahlung (135) auf mindestens einen ersten Zündpunkt im
Hinterkammervolumenbereich (110a) und auf mindestens einen zweiten Zündpunkt (ZP) im Bereich des Überström kanals (112) fokussiert wird.
13. Zylinderkopf (200) für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer Zündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
14. Zylinderkopf (200) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein die
Vorkammer (110), insbesondere brennraumseitig, begrenzender Wandabschnitt (211) zumindest teilweise durch den Zylinderkopf (200) gebildet und/oder integraler Bestandteil des Zylinderkopfes (200) ist.
15. Zylinderkopf (200) nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Vorkammer (110), insbesondere den Hinterkammervolumenbereich (110a), radial nach außen begrenzender Wandabschnitt (22Ob) zumindest teilweise durch den Zylinderkopf (200) gebildet und/oder integraler Bestandteil des Zylinderkopfes (200) ist.
16. Vorkammeranordnung für eine Brennkraftmaschine, mit einer Vorkammer (110) zur Aufnahme eines zündfähigen Mediums, und mit einem Aufnahmebereich (120) zur Aufnahme einer Zündkerze und/oder für Mittel zur Einkopplung von Laserstrahlung (135) in die Vorkammer (110), dadurch gekennzeichnet, dass ein einen Hinterkammervolumenbereich (110a) definierender Teil der Vorkammer (110) den Aufnahmebereich (120) zumindest teilweise, insbesondere ringförmig, umgibt.
17. Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf (200) nach einem der Ansprüche 13 bis 15
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