EP2414666A1 - Laserzündkerze und vorkammermodul hierfür - Google Patents

Laserzündkerze und vorkammermodul hierfür

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Publication number
EP2414666A1
EP2414666A1 EP10705374A EP10705374A EP2414666A1 EP 2414666 A1 EP2414666 A1 EP 2414666A1 EP 10705374 A EP10705374 A EP 10705374A EP 10705374 A EP10705374 A EP 10705374A EP 2414666 A1 EP2414666 A1 EP 2414666A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser
spark plug
prechamber
chamber
laser spark
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Withdrawn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
EP10705374A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Pascal Woerner
Manfred Vogel
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 EP2414666A1 publication Critical patent/EP2414666A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • 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
    • F02B19/12—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
    • F02B19/18—Transfer passages between chamber and cylinder
    • 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 laser spark plug, in particular for an internal combustion engine of a motor vehicle, with an antechamber and a laser device for irradiating laser pulses in the antechamber.
  • the laser device and / or the pre-chamber is adapted to focus the laser pulses on a focal point, which lies in the region of an inner surface of the prechamber.
  • Configuration advantageously allows a reliable ignition by laser pulses with relatively low pulse energy compared to conventional systems, because particularly favorable flow conditions prevail with low flow velocities in the region of the inner surface.
  • results from the inventive arrangement of the focal point a Particularly efficient combustion of the ignitable mixture contained in the prechamber, without a significant amount of unburned gas is expelled from the antechamber into the combustion chamber. This is the case in particular when the focal point lies in the region of the inner surface of a region of the prechamber facing the combustion chamber or in the area of the overflow bores.
  • the laser device is adapted to direct the laser pulses on the
  • the laser device can have a focusing optics whose focal length is matched to the geometry of the prechamber. According to Applicant's investigations, the plasma generation that takes place in this configuration can be directly on the surface of the prechamber material-in contrast to the plasma generation in the past
  • Pre-chamber gas - the laser energy required for the ignition are chosen to be particularly low.
  • Antechamber in the region of the focal point has a material accumulation. As a result, the material wear caused by the selection of the focal point according to the invention in the area of the focal point is prevented.
  • the antechamber in the region of the focal point has a sacrificial material, in particular with regard to the absorption capacity for the laser pulses and / or a melting temperature and / or other physical properties of the formation of the remaining Pre-chamber used material differs.
  • the usually metallic sacrificial material is preferably selected so that the generation of a metal plasma for the ignition of the prechamber gas is possible even with particularly low pulse energies of the laser pulses.
  • the shape and amount of the sacrificial material should be selected so that even under the continuous laser-induced erosion as possible favorable ignition conditions are ensured.
  • the pre-chamber itself has focusing means for focusing the laser pulses. This can advantageously be dispensed with, to provide the laser device with a corresponding focusing optics.
  • the laser device can be advantageously designed to irradiate the laser pulses substantially unfocused, in particular as a parallel beam, on the focusing of the antechamber. Even a slightly diverging beam is well possible.
  • the laser device it is also possible to focus the laser pulses by means of the laser device to a point which is outside the antechamber.
  • a laser pulse having a non-vanishing beam cross-section is incident on the pre-chamber focusing means which causes further focusing, for example, combined with reflection of the laser pulse.
  • a required with the laser device focusing optics with relatively large focal length can be made much easier with the same optical quality, as the focusing optics used in conventional laser spark plugs with much smaller focal length.
  • a particularly efficient focusing by the focusing means of the antechamber is given according to the invention when the focusing means arranged in the antechamber are designed as concave mirrors, for example as a parabolic mirror or as a cone gap.
  • the provision according to the invention of the focusing means integrated in the prechamber advantageously permits the selection of a focal point arranged directly in the region of an inner surface of the prechamber, which leads to a particularly favorable combustion within the prechamber. Especially with concave mirror configurations, extremely short focal focussing agents can be realized in the prechamber.
  • the antechamber of the laser spark plug according to the invention can be thermally very well connected to the cylinder head of the internal combustion engine.
  • One more increased heat dissipation from the area of the pre-chamber is given by the fact that the pre-chamber has a highly heat-conductive material, in particular copper and / or brass.
  • magnetic means can advantageously be provided in the region of the prechamber which bind magnetic particles formed during the laser ignition.
  • care must be taken to ensure efficient cooling in order to keep the area of the pre-chamber having the magnetic means below the Curie temperature of the magnetic means.
  • the magnet means may in particular comprise ring magnets and / or a plurality of individual magnets arranged circumferentially around a longitudinal axis of the laser spark plug, which are designed in particular as rare earth magnets (eg neodymium, samarium cobalt) which may have Curie temperatures> 400 ° C.
  • rare earth magnets eg neodymium, samarium cobalt
  • the magnetic means according to the invention also serve to deflect electrically charged particles, for example ions from the combustion, away from the combustion chamber window.
  • Vortropmodul for a laser spark plug according to claims 1 1 and 12 indicated.
  • the pre-chamber module according to the invention can be provided as a separate component and, for example, during a manufacturing process insoluble with the rest
  • the pre-chamber module according to the invention can also be designed releasably connectable to the laser spark plug, for example by means of a corresponding screw connection.
  • 1 shows a laser-based ignition system for an internal combustion engine of a
  • FIG. 2 a shows an enlarged view of a combustion chamber-facing end region of the laser spark plug according to the invention from FIG. 1,
  • FIG. 2b shows a partial view of a further embodiment of a laser spark plug according to the invention
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the laser spark plug according to the invention
  • FIG. 4 shows yet another embodiment of the laser spark plug according to the invention, in which the pre-chamber is provided with focusing means for focusing the pre-chamber
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the laser spark plug according to the invention.
  • FIG. 1 shows a laser-based ignition system for an internal combustion engine of a
  • the ignition system includes a pump light source 10 having, for example, a semiconductor diode laser for generating laser radiation for optically pumping a laser device.
  • the laser radiation generated by the pumping light source 10 is forwarded via an optical waveguide device 11 to a laser device 120 integrated in the laser spark plug 100 according to the invention.
  • the laser device 120 may, for example, be a laser-active solid with a passive Q-switching (not shown), with which laser pulses 20 of high power can be generated in a manner known per se.
  • the laser device 120 has a focusing optics 121 for focusing the laser pulses 20 onto a focal point FP arranged in the pre-chamber 110 of the laser spark plug 100.
  • a combustion chamber window 122 is between the focusing optics 121 and the prechamber
  • FIG. 2 a shows an end region of the laser spark plug 100 according to the invention facing the combustion chamber in an enlarged view.
  • the laser device 120, 121 (FIG. 1) according to the invention is designed such that it has the
  • Laser pulses 20 bundles on a focal point FP, which is located in the region of the inner surface 1 10a of the prechamber 1 10, in this case directly on the inner surface 1 10a.
  • a metal plasma 20a is advantageously produced according to the invention, which serves to ignite an air / fuel mixture present in the prechamber 110.
  • the costs for the laser device 120 can be reduced, and on the other hand the service life of the laser spark plug 100 according to the invention is increased.
  • the pre-chamber 1 10 of the laser spark plug 100 has overflow channels 125, which in a conventional manner, a fluid connection between the pre-chamber 1 10 and the
  • Produce combustion chamber 200 ( Figure 1).
  • the arrangement, geometry and number of overflow channels 125 is variable and can be adapted by flow simulations to the needs of the respective internal combustion engine.
  • the prechamber 110 it may be advantageous for the prechamber 110 to have a central overflow channel 125 ', cf. FIG. 2b.
  • the laser device 120 (FIG. 1) of the laser spark plug 100 may advantageously be designed so that the focal point FP is desaxial with respect to the optical axis A of the laser spark plug 10, as shown in FIG Start leaching in a flow area with relatively low flow velocities.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention, in which a sacrificial material 11 is provided in the area of the focus point FP, which is in particular with regard to its absorption capacity for the laser pulses 20 and / or a melting temperature and / or further physical properties the remaining pre-chamber 1 10 used material differs.
  • a material accumulation 11 1 of the pre-chamber 110 forming material for example by a local increase in the wall thickness.
  • the material removal caused by the laser-induced erosion is counteracted, which has a positive effect on the service life of the pre-chamber 110 or the entire laser spark plug 100.
  • FIG. 4 shows a further very advantageous embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention, in which focusing means formed as a concave mirror 15 are arranged directly in the prechamber 110.
  • the laser device 120 (FIG. 1) irradiates the laser pulses 20 substantially unfocused, in particular as a parallel beam, onto the focusing means 15.
  • the geometry of the concave mirror 1 15 can advantageously be achieved a very small focal length for the concave mirror 115, so that the present case fixed by the pre-chamber 1 10 focus point FP comparable to the variants of the invention described above, although not directly on the surface 110 a - but in the region of the inner surface of a combustion chamber facing end portion of the pre-chamber 110 is located.
  • the concave mirror 1 15 may preferably have a parabolic cross-sectional shape or be formed as a simple cone gap, whereby a production is simplified.
  • the laser pulses 20 by means of the laser device 120, 121 to a virtual focal point FP ', which is outside the pre-chamber 1 10.
  • the laser pulse 20 with a non-vanishing beam cross-section impinges on the focusing means 115 of the antechamber 110, which causes a further focusing combined with a reflection of the laser pulse 20 to the "internal" focus point FP
  • a focusing optics 121 required for this purpose in the laser device 120 is relatively large This makes it possible, for example, to dispense with the use of aspherical focusing lenses in the laser device 120, which considerably reduces the manufacturing costs.
  • FIG. 1 Another very advantageous embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention is shown in FIG. 1 in this variant of the invention.
  • Magnetic means 130 provided in the first chamber 110 the magnetic particles released during laser ignition and thus bind or bind, in the case of electrically charged particles, the particles so that they do not reach the window, which advantageously reduces contamination of the combustion chamber window 122 becomes.
  • the magnet means 130 may in particular comprise ring magnets and / or a plurality of individual magnets arranged circumferentially around a longitudinal axis of the laser spark plug 100, which are designed in particular as rare earth magnets (eg neodymium, samarium cobalt) which may have Curie temperatures> 400 ° C.
  • rare earth magnets eg neodymium, samarium cobalt
  • Electromagnet is also conceivable, if the laser spark plug 100 has corresponding control lines. It is also conceivable to design and arrange the magnetic means 130 in such a way that they can influence the shaping and movement of the ignition plasma 20a in addition to the function of particle binding, possibly together with the flow-shaping overflow channels 125. A particularly efficient heat dissipation from the pre-chamber 1 10 results on the one hand by a one-piece design of the prechamber 110 with the laser spark plug 100.
  • prechamber 1 10 it is also conceivable to realize the prechamber 1 10 according to the invention by means of a prechamber module 110 formed as a separate component.
  • the separate pre-chamber module 110 may likewise have the material accumulation 11 according to the invention or a sacrificial material suitable for laser ignition. It is also possible that an antechamber module 110 according to the invention is as described above with reference to FIG.
  • the prechamber module 110 which is designed as a separate component, can be permanently connected to the rest of the laser spark plug 100 during a manufacturing process, for example.
  • the prechamber module 110 according to the invention can also be detachably designed to be connectable to the laser spark plug 100, for example by means of a corresponding screw connection.
  • the laser spark plug 100 according to the invention or the inventive
  • Pre-chamber module 110 can be used advantageously in internal combustion engines of motor vehicles or even in stationary large-scale gas engines.
  • a temporal multi-pulse ignition in which a plurality of laser pulses 20 are emitted within an ignition cycle, can also be realized by the invention.
  • the inventive arrangement of the focal point FP in the region of the inner surface 110a, in particular in a combustion chamber facing end portion of the pre-chamber 1 10, allows optimal ignition of arranged in the main combustion chamber 200 air / fuel mixture, resulting in an overall better combustion and thus a larger power of the internal combustion engine and / or lower emissions.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einer Vorkammer (110) und einer Lasereinrichtung (120) zur Einstrahlung von Laserimpulsen (20) in die Vorkammer (110). Erfindungsgemäß ist die Lasereinrichtung (120) und/oder die Vorkammer (110) dazu ausgebildet, die Laserimpulse (20) auf einen Fokuspunkt (FP) zu bündeln, der im Bereich einer Innenoberfläche (110a) der Vorkammer (110) liegt.

Description

Beschreibung
Titel
Laserzündkerze und Vorkammermodul hierfür
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze, insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einer Vorkammer und einer Lasereinrichtung zur Einstrahlung von Laserimpulsen in die Vorkammer.
Eine derartige Laserzündkerze ist bereits aus der DE 10 2006 018 973 A1 bekannt.
Nachteilig an der bekannten Laserzündkerze ist das Erfordernis, Laserimpulse mit sehr hoher Impulsenergie erzeugen zu müssen, um eine zuverlässige Generierung eines
Zündplasmas in der Vorkammer zu gewährleisten.
Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündkerze der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine Zündung auch unter Verwendung von Laserimpulsen mit geringerer Impulsenergie zuverlässig möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Laserzündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Lasereinrichtung und/oder die Vorkammer dazu ausgebildet ist, die Laserimpulse auf einen Fokuspunkt zu bündeln, der im Bereich einer Innenoberfläche der Vorkammer liegt. Die erfindungsgemäße
Konfiguration ermöglicht vorteilhaft eine zuverlässige Zündung durch Laserimpulse mit im Vergleich zu herkömmlichen Systemen verhältnismäßig geringer Impulsenergie, weil besonders günstige Strömungsverhältnisse mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Innenoberfläche vorherrschen. Darüber hinaus ergibt sich durch die erfindungsgemäße Anordnung des Fokuspunkts eine besonders effiziente Verbrennung des in der Vorkammer enthaltenen zündfähigen Gemischs, ohne dass eine wesentliche Menge noch unverbrannten Gases aus der Vorkammer in den Brennraum ausgetrieben wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Fokuspunkt im Bereich der Innenoberfläche eines brennraumzugewandten Bereichs der Vorkammer liegt oder im Bereich der Überströmbohrungen.
Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze, bei der eine weitere Verringerung der für eine zuverlässige Zündung minimal erforderlichen Impulsenergie der Laserimpulse möglich ist, ist vorgesehen, dass die Lasereinrichtung dazu ausgebildet ist, die Laserimpulse direkt auf die
Innenoberfläche der Vorkammer zu bündeln. Hierzu kann die Lasereinrichtung über eine Fokussieroptik verfügen, deren Brennweite auf die Geometrie der Vorkammer abgestimmt ist. Untersuchungen der Anmelderin zufolge kann durch die bei dieser Konfiguration erfolgende Plasmagenerierung direkt auf der Oberfläche des Vorkammermaterials - im Gegensatz zur seitherigen Plasmagenerierung in dem
Vorkammergas - die für die Zündung benötigte Laserenergie besonders gering gewählt werden.
Besonders hohe Standzeiten der erfindungsgemäßen Laserzündkerze können einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zufolge dadurch erzielt werden, dass die
Vorkammer im Bereich des Fokuspunkts eine Materialanhäufung aufweist. Dadurch wird dem durch die erfindungsgemäße Auswahl des Fokuspunkts bedingten Materialverschleiß im Bereich des Fokuspunkts vorgebeugt.
Eine in ihrer Effizienz noch weiter gesteigerte Laserzündung ist erfindungsgemäß dann möglich, wenn die Vorkammer im Bereich des Fokuspunkts ein Opfermaterial aufweist, das sich insbesondere hinsichtlich des Absorptionsvermögens für die Laserimpulse und/oder einer Schmelztemperatur und/oder weiterer physikalischer Eigenschaften von dem zur Ausbildung der restlichen Vorkammer verwendeten Material unterscheidet. Das i.d.R. metallische Opfermaterial wird bevorzugt so ausgewählt, dass bereits mit besonders geringen Impulsenergien der Laserimpulse die Generierung eines Metallplasmas für die Zündung des Vorkammergases möglich ist. Die Form und Menge des Opfermaterials ist so zu wählen, dass auch unter der fortwährenden laserinduzierten Erosion möglichst gleichbleibende günstige Zündverhältnisse gewährleistet sind. Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ist vorgesehen, dass die Vorkammer selbst Fokussiermittel zur Fokussierung der Laserimpulse aufweist. Hierdurch kann vorteilhaft darauf verzichtet werden, die Lasereinrichtung mit einer entsprechenden Fokussieroptik zu versehen.
Vielmehr kann die Lasereinrichtung vorteilhaft dazu ausgebildet sein, die Laserimpulse im wesentlichen unfokussiert, insbesondere als Parallelstrahl, auf die Fokussiermittel der Vorkammer einzustrahlen. Auch ein leicht divergierender Strahl ist gut möglich.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Laserimpulse mittels der Lasereinrichtung auf einen Punkt zu fokussieren, der außerhalb der Vorkammer liegt. In diesem Fall trift ein Laserimpuls mit einem nichtverschwindenden Strahlquerschnitt auf die Fokussiermittel der Vorkammer, die eine weitere Fokussierung - beispielsweise kombiniert mit einer Reflexion des Laserimpulses - bewirken. Eine hierfür in der Lasereinrichtung erforderliche Fokussieroptik mit verhältnismäßig großer Brennweite kann wesentlich einfacher mit derselben optischen Güte gefertigt werden, als die bei herkömmlichen Laserzündkerzen verwendeten Fokussieroptiken mit sehr viel kleinerer Brennweite. Dadurch kann beispielsweise auf den Einsatz asphärischer Fokussierlinsen in der Lasereinrichtung verzichtet werden, was die Fertigungskosten deutlich senkt.
Eine besonders effiziente Fokussierung durch die Fokussiermittel der Vorkammer ist erfindungsgemäß dann gegeben, wenn die in der Vorkammer angeordneten Fokussiermittel als Hohlspiegel ausgebildet sind, beispielsweise als Parabolspiegel oder auch als Kegelspalt.
Die erfindungsgemäße Vorsehung der in die Vorkammer integrierten Fokussiermittel erlaubt vorteilhaft die Auswahl eines direkt im Bereich einer Innenoberfläche der Vorkammer angeordneten Fokuspunkts, was zu einer besonders günstigen Verbrennung innerhalb der Vorkammer führt. Speziell mit Hohlspiegelkonfigurationen lassen sich extrem kurzbrennweitige Fokussiermittel in der Vorkammer realisieren.
Zur Vermeidung von unerwünschten Glühzündungen kann die Vorkammer der erfindungsgemäßen Laserzündkerze thermisch sehr gut an den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angebunden werden. Beispielsweise ist es hierzu vorteilhaft, die Laserzündkerze zusammen mit der Vorkammer einstückig auszubilden. Eine weiter gesteigerte Wärmeableitung aus dem Bereich der Vorkammer ist dadurch gegeben, dass die Vorkammer ein hochwärmeleitfähiges Material aufweist, insbesondere Kupfer und/oder Messing.
Um eine Verschmutzung eines Brennraumfensters oder sonstiger optischer
Komponenten der Laserzündkerze zu verhindern, die an die Vorkammer grenzen, können im Bereich der Vorkammer vorteilhaft Magnetmittel vorgesehen werden, welche während der Laserzündung entstehende magnetische Partikel binden. Bei dieser Konfiguration der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ist auf eine effiziente Kühlung zu achten, um den die Magnetmittel aufweisenden Bereich der Vorkammer unterhalb der Curietemperatur der Magnetmittel zu halten. Die Magnetmittel können insbesondere Ringmagnete und/oder mehrere umlaufend um eine Längsachse der Laserzündkerze angeordnete Einzelmagnete aufweisen, die insbesondere als Seltenerdmagnete (z.B. Neodym, Samarium-Cobalt) ausgebildet sind, welche Curietemperaturen > 400 0C besitzen können. Der Einsatz von Elektromagneten ist ebenfalls denkbar. Neben der Bindung von magnetischen Partikeln dienen die erfindungsgemäßen Magnetmittel auch dazu, elektrisch geladene Partikel, z.B. Ionen aus der Verbrennung, von dem Brennraumfenster weg abuzulenken.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein
Vorkammermodul für eine Laserzündkerze gemäß den Patentansprüchen 1 1 und 12 angegeben.
Das erfindungsgemäße Vorkammermodul kann als separates Bauteil vorgesehen sein und beispielsweise während eines Fertigungsprozesses unlösbar mit der restlichen
Laserzündkerze verbunden werden. Alternativ hierzu kann das erfindungsgemäße Vorkammermodul auch lösbar mit der Laserzündkerze verbindbar ausgelegt sein, beispielsweise mittels einer entsprechenden Schraubverbindung.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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 und 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 bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 ein laserbasiertes Zündsystem für eine Brennkraftmaschine eines
Kraftfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze,
Figur 2a eine vergrößerte Ansicht eines brennraumzugewandten Endbereichs der erfindungsgemäßen Laserzündkerze aus Figur 1 ,
Figur 2b eine teilweise Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze,
Figur 3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze,
Figur 4 noch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze, bei der die Vorkammer über Fokussiermittel zur Fokussierung der
Laserimpulse verfügt, und
Figur 5 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze.
Figur 1 zeigt ein laserbasiertes Zündsystem für eine Brennkraftmaschine eines
Kraftfahrzeugs. Das Zündsystem verfügt über eine Pumplichtquelle 10, die beispielsweise einen Halbleiter-Diodenlaser aufweist, um Laserstrahlung zum optischen Pumpen einer Lasereinrichtung zu erzeugen. Die von der Pumplichtquelle 10 erzeugte Laserstrahlung wird über eine Lichtleitereinrichtung 11 an eine in der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 integrierte Lasereinrichtung 120 weitergeleitet. Bei der Lasereinrichtung 120 kann es sich beispielsweise um einen laseraktiven Festkörper mit einer passiven Güteschaltung (nicht gezeigt) handeln, mit dem in an sich bekannter Weise Laserimpulse 20 hoher Leistung erzeugt werden können. Die Lasereinrichtung 120 verfügt über eine Fokussieroptik 121 zur Fokussierung der Laserimpulse 20 auf einen in der Vorkammer 1 10 der Laserzündkerze 100 angeordneten Fokuspunkt FP.
Ein Brennraumfenster 122 ist zwischen der Fokussieroptik 121 und der Vorkammer
1 10 angeordnet.
Figur 2a zeigt einen brennraumzugewandten Endbereich der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 in vergrößerter Darstellung. Wie aus Figur 2a ersichtlich ist, ist die erfindungsgemäße Lasereinrichtung 120,121 (Figur 1 ) so ausgebildet, dass sie die
Laserimpulse 20 auf einen Fokuspunkt FP bündelt, der im Bereich der Innenoberfläche 1 10a der Vorkammer 1 10, vorliegend direkt auf der Innenoberfläche 1 10a, liegt. Durch die direkte Beaufschlagung der Innenoberfläche 1 10a der Vorkammer 110 mit Laserimpulsen 20 wird erfindungsgemäß vorteilhaft ein Metallplasma 20a erzeugt, das zur Zündung eines in der Vorkammer 110 vorhandenen Luft-/Kraftstoffgemischs dient.
Hierfür sind im Gegensatz zu der (Gas-)Plasmaerzeugung bei den herkömmlichen Systemen, bei denen der Fokuspunkt nicht auf einer metallischen Oberfläche liegt, weitaus geringere Laserleistungsdichten erforderlich.
Dadurch können einerseits die Kosten für die Lasereinrichtung 120 reduziert werden, und andererseits wird die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 gesteigert.
Die Vorkammer 1 10 der Laserzündkerze 100 verfügt über Überströmkanäle 125, die in an sich bekannter Weise eine Fluidverbindung zwischen der Vorkammer 1 10 und dem
Brennraum 200 (Figur 1 ) herstellen. Die Anordnung, Geometrie und Anzahl der Überströmkanäle 125 ist variabel und kann durch Strömungssimulationen an den Bedarf der jeweiligen Brennkraftmaschine angepasst werden.
Für manche Brennverfahren beziehungsweise Brennraumgeometrien kann es vorteilhaft sein, dass die Vorkammer 1 10 einen zentralen Überströmkanal 125' aufweist, vergleiche Figur 2b. Um dennoch eine zuverlässige Laserzündung zu ermöglichen, kann die Lasereinrichtung 120 (Figur 1 ) der Laserzündkerze 100 vorteilhaft so ausgebildet sein, dass der Fokuspunkt FP wie in Figur 2b gezeigt bezüglich der optischen Achse A der Laserzündkerze 10 desachsiert ist, damit die Entflammlung in einem Strömungsbereich mit verhältnismäßig geringen Strömungsgeschwindigkeiten starten kann.
Durch eine tangentiale Anordnung der Überströmkanäle 125 kann ferner vorteilhaft in der Vorkammer 110 ein Drall erzeugt werden, der eine verbesserte Vermischung von
Frischgas mit dem in der Vorkammer 110 befindlichen Restgas gewährleistet.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der im Bereich des Fokuspunkts FP ein Opfermaterial 1 11 vorgesehen ist, das sich insbesondere hinsichtlich seines Absorptionsvermögens für die Laserimpulse 20 und/oder einer Schmelztemperatur und/oder weiterer physikalischer Eigenschaften von dem zur Ausbildung der restlichen Vorkammer 1 10 verwendeten Material unterscheidet.
Auf diese Weise kann neben der reinen Materialvorhaltung, die dem gesteigerten
Verschleiß durch die erfindungsgemäße Auswahl des Fokuspunkts FP Rechnung trägt, gleichzeitig eine verbesserte Plasmaerzeugung durch geeignete Materialauswahl realisiert werden.
Alternativ oder ergänzend zu einem separaten Opfermaterial kann im Bereich des
Fokuspunkts FP auch eine Materialanhäufung 1 11 des die Vorkammer 110 bildenden Materials vorgesehen werden, beispielsweise durch eine lokale Vergrößerung der Wanddicke. Dadurch wird dem durch die laserinduzierte Erosion bedingten Materialabtrag entgegengewirkt, was sich positiv auf die Standzeit der Vorkammer 110 bzw. der gesamten Laserzündkerze 100 auswirkt.
Figur 4 zeigt eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der vorliegend als Hohlspiegel 1 15 ausgebildete Fokussiermittel direkt in der Vorkammer 1 10 angeordnet sind. Bei dieser Erfindungsvariante kann die Lasereinrichtung 120 (Figur 1 ) die Laserimpulse 20 im wesentlichen unfokussiert, insbesondere als Parallelstrahl, auf die Fokussiermittel 1 15 einstrahlen. Durch eine geeignete Auswahl der Geometrie des erfindungsgemäßen Hohlspiegels 1 15 kann vorteilhaft eine sehr geringe Brennweite für den Hohlspiegel 115 erzielt werden, so dass der vorliegend durch die Vorkammer 1 10 festgelegte Fokuspunkt FP vergleichbar zu den vorstehend beschriebenen Erfindungsvarianten - zwar nicht direkt auf der Oberfläche 110a - jedoch im Bereich der Innenoberfläche eines brennraumzugewandten Endbereichs der Vorkammer 110 liegt. Der Hohlspiegel 1 15 kann bevorzugt eine parabolische Querschnittsform aufweisen oder auch als einfacher Kegelspalt ausgebildet sein, wodurch eine Fertigung vereinfacht wird.
Alternativ zu der Einstrahlung eines Parallelstrahls auf den Hohlspiegel 1 15 ist es auch möglich, die Laserimpulse 20 mittels der Lasereinrichtung 120, 121 auf einen virtuellen Fokuspunkt FP' zu fokussieren, der außerhalb der Vorkammer 1 10 liegt. In diesem Fall trift der Laserimpuls 20 mit einem nichtverschwindenden Strahlquerschnitt auf die Fokussiermittel 115 der Vorkammer 110, die eine weitere Fokussierung kombiniert mit einer Reflexion des Laserimpulses 20 auf den „internen" Fokuspunkt FP bewirken. Eine hierfür in der Lasereinrichtung 120 erforderliche Fokussieroptik 121 mit verhältnismäßig großer Brennweite kann wesentlich einfacher mit derselben optischen Güte gefertigt werden, als die bei herkömmlichen Laserzündkerzen verwendeten Fokussieroptiken mit sehr viel kleinerer Brennweite. Dadurch kann beispielsweise auf den Einsatz asphärischer Fokussierlinsen in der Lasereinrichtung 120 verzichtet werden, was die Fertigungskosten deutlich senkt.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 ist in Figur 5 abgebildet. Bei dieser Erfindungsvariante sind im
Bereich der Vorkammer 110 Magnetmittel 130 vorgesehen, die bei der Laserzündung frei werdende magnetische Partikel anziehen und damit gleichsam binden oder, im Falle elektrisch geladener Partikel, die Partikel ablenken, so dass sie nicht auf das Fenster gelangen, wodurch vorteilhaft eine Verschmutzung des Brennraumfensters 122 verringert wird.
Die Magnetmittel 130 können insbesondere Ringmagnete und/oder mehrere umlaufend um eine Längsachse der Laserzündkerze 100 angeordnete Einzelmagnete aufweisen, die insbesondere als Seltenerdmagnete (z.B. Neodym, Samarium-Cobalt) ausgebildet sind, welche Curietemperaturen > 400 0C besitzen können. Der Einsatz von
Elektromagneten ist ebenfalls denkbar, sofern die Laserzündkerze 100 über entsprechende Ansteuerleitungen verfügt. Es ist ferner vorstellbar, die Magnetmittel 130 so auszubilden und anzuordnen, dass sie neben der Funktion der Partikelbindung - ggf. zusammen mit den strömungsformenden Überströmkanälen 125 - die Formung und Bewegung des Zündplasmas 20a beeinflussen können. Eine besonders effiziente Wärmeableitung aus der Vorkammer 1 10 ergibt sich einerseits durch eine einstückige Ausbildung der Vorkammer 110 mit der Laserzündkerze 100.
Es ist alternativ hierzu jedoch auch denkbar, die erfindungsgemäße Vorkammer 1 10 durch ein als ein separates Bauteil ausgebildetes Vorkammermodul 1 10 zu realisieren. Das separate Vorkammermodul 1 10 kann gleichenfalls über die erfindungsgemäße Materialanhäufung 1 11 beziehungsweise ein für die Laserzündung geeignetes Opfermaterial verfügen. Es ist ferner ebenfalls möglich, dass ein erfindungsgemäßes Vorkammermodul 110 die vorstehend unter Bezugnahme auf Figur 4 beschriebenen
Fokussiermittel aufweist.
Das als separates Bauteil ausgeführte Vorkammermodul 1 10 kann beispielsweise während eines Fertigungsprozesses unlösbar mit der restlichen Laserzündkerze 100 verbunden werden. Alternativ hierzu kann das erfindungsgemäße Vorkammermodul 110 auch lösbar mit der Laserzündkerze 100 verbindbar ausgelegt sein, beispielsweise mittels einer entsprechenden Schraubverbindung.
Die erfindungsgemäße Laserzündkerze 100 bzw. das erfindungsgemäße
Vorkammermodul 110 kann vorteilhaft bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen oder auch bei stationären Großgasmotoren verwendet werden. Eine zeitliche Mehrpulszündung, bei der innerhalb eines Zündzyklus mehrere Laserimpulse 20 abgegeben werden, ist ebenfalls durch die Erfindung realisierbar.
Die erfindungsgemäße Anordnung des Fokuspunkts FP im Bereich der Innenoberfläche 110a, insbesondere in einem brennraumzugewandten Endbereich der Vorkammer 1 10, ermöglicht eine optimale Entflammung des in dem Hauptbrennraum 200 angeordneten Luft-/Kraftstoffgemischs, was insgesamt zu einer besseren Verbrennung und somit einer größeren Leistung der Brennkraftmaschine und/oder geringeren Emissionen führt.

Claims

Ansprüche
1. Laserzündkerze (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einer Vorkammer (110) und einer Lasereinrichtung (120) zur Einstrahlung von Laserimpulsen (20) in die Vorkammer (110), dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (120) und/oder die Vorkammer
(1 10) dazu ausgebildet ist, die Laserimpulse (20) auf einen Fokuspunkt (FP) zu bündeln, der im Bereich einer Innenoberfläche (110a) der Vorkammer
(1 10) liegt.
2. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Lasereinrichtung (120) dazu ausgebildet ist, die Laserimpulse (20) direkt auf die Innenoberfläche (110a) der Vorkammer (110) zu bündeln.
3. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (110) im Bereich des Fokuspunkts (FP) eine Materialanhäufung
(1 11 ) aufweist.
4. Laserzündkerze (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (110) im Bereich des Fokuspunkts (FP) ein Opfermaterial aufweist, das sich insbesondere hinsichtlich des
Absorptionsvermögens für die Laserimpulse (20) und/oder einer Schmelztemperatur und/oder weiterer physikalischer Eigenschaften von dem zur Ausbildung der restlichen Vorkammer (1 10) verwendeten Material unterscheidet.
5. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (1 10) selbst Fokussiermittel zur Fokussierung der Laserimpulse (20) aufweist.
6. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Fokussiermittel als Hohlspiegel (1 15) ausgebildet sind, insbesondere als Parabolspiegel oder Kegelspalt.
7. Laserzündkerze (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (120) dazu ausgebildet ist, die Laserimpulse (20) im wesentlichen unfokussiert, insbesondere als Parallelstrahl, auf die Fokussiermittel einzustrahlen, oder die Laserimpulse
(20) auf einen Punkt zu fokussieren, der außerhalb der Vorkammer (1 10) liegt.
8. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserzündkerze (100) zusammen mit der
Vorkammer (110) einstückig ausgebildet ist.
9. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (1 10) ein hochwärmeleitfähiges Material aufweist, insbesondere Kupfer und/oder Messing.
10. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Vorkammer (1 10) Magnetmittel (130) vorgesehen sind.
1 1. Vorkammermodul (1 10) für eine Laserzündkerze (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorkammermodul (110) im Bereich einer Innenoberfläche (110a) eine zur Bestrahlung mit Laserimpulsen (20) vorgesehene Materialanhäufung (1 11 ) und/oder ein Opfermaterial aufweist, das sich insbesondere hinsichtlich des Absorptionsvermögens für die Laserimpulse (20) und/oder einer Schmelztemperatur und/oder weiterer physikalischer Eigenschaften von dem zur Ausbildung der restlichen Vorkammer (110) verwendeten Material unterscheidet.
12. Vorkammermodul (1 10) für eine Laserzündkerze (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorkammermodul (110) im Bereich einer Innenoberfläche (110a) Fokussiermittel zur Fokussierung der Laserimpulse (20) aufweist, insbesondere einen Hohlspiegel.
13. Vorkammermodul (1 10) nach einem der Ansprüche 1 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wandabschnitt einen Schichtaufbau aus Stahl mit Einlagen aus hochwärmeleitfähigem Material, insbesondere Kupfer und/oder Messing, aufweist.
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