EP2438289B1 - Laser spark plug for an internal combustion engine - Google Patents

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EP2438289B1
EP2438289B1 EP10721159A EP10721159A EP2438289B1 EP 2438289 B1 EP2438289 B1 EP 2438289B1 EP 10721159 A EP10721159 A EP 10721159A EP 10721159 A EP10721159 A EP 10721159A EP 2438289 B1 EP2438289 B1 EP 2438289B1
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EP
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laser
volume bragg
bragg grating
grating element
ignition plug
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EP10721159A
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EP2438289A1 (en
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Hans-Jochen Schwarz
Rene Hartke
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02PIGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00Other ignition
    • F02P23/04Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02PIGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P15/00Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits
    • F02P15/08Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits having multiple-spark ignition, i.e. ignition occurring simultaneously at different places in one engine cylinder or in two or more separate engine cylinders

Definitions

  • the volume Bragg grating element 110 may have a location-dependent lattice constant in order to increase the spectral acceptance of the volume Bragg grating element 110 in a manner known per se.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine.The invention relates to a laser spark plug for an internal combustion engine.

Laserzündkerzen werden vergleichbar zu bei der Hochspannungszündung eingesetzten konventionellen Zündkerzen im Bereich eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine angeordnet und koppeln energiereiche Laserimpulse in einen ihnen zugeordneten Brennraum ein, um ein darin befindliches Luft-/Kraftstoffgemisch zu entzünden. Um einen zuverlässigen Betrieb einer Laserzündkerze mit darin integrierten optischen Komponenten unter den im Bereich des Zylinderkopfes herrschenden Umgebungsbedingungen (unter anderem große Temperaturschwankungen, Vibrationen) zu gewährleisten, ist ein erheblicher konstruktiver Aufwand erforderlich.Laser spark plugs are arranged similar to those used in high-voltage ignition conventional spark plugs in the region of a cylinder head of an internal combustion engine and couple high-energy laser pulses in their associated combustion chamber to ignite an air / fuel mixture therein. In order to ensure a reliable operation of a laser spark plug with optical components integrated therein under the ambient conditions prevailing in the area of the cylinder head (inter alia large temperature fluctuations, vibrations), considerable design effort is required.

Aus der JP 2006-242038 A ist bereits ein laserbasiertes Zündsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem in einer Laserzündkerze eine Sammellinse angeordnet ist. Zusätzlich weist die bekannte Laserzündkerze Deformationsmittel auf, die dazu ausgebildet sind, die Sammellinse zu deformieren. Auf diese Weise kann ein Zündort des bekannten Laserzündsystems variiert werden.From the JP 2006-242038 A A laser-based ignition system for an internal combustion engine is already known, in which a converging lens is arranged in a laser spark plug. In addition, the known laser spark plug on deformation means which are adapted to deform the converging lens. In this way, a firing location of the known laser ignition system can be varied.

DE 10 350 101 offenbart ein laser basiertes Zändsystem mit einem bolegtalischenoptischen Element zot Fokussierang. DE 10 350 101 discloses a laser based braiding system with a boleto-optical element for focusing.

Nachteilig an dem bekannten laserbasierten Zündsystem ist der konstruktive Aufwand, der mit der Vorsehung der Deformationsmittel zur gezielten Deformation der Sammellinse einhergeht. Es ist eine erhebliche Antriebsenergie für die Deformationsmittel erforderlich, um die verhältnismäßig massereiche Sammellinse in der gewünschten Art und Weise zur Einstellung der Fokuslage zu deformieren.A disadvantage of the known laser-based ignition system is the design effort that goes hand in hand with the provision of the deformation means for the targeted deformation of the convergent lens. Substantial drive energy is required for the deforming means to deform the relatively high-mass converging lens in the desired manner for adjusting the focus position.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündkerze der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass mit einem verhältnismäßig geringen konstruktiven Aufwand die Möglichkeit für eine räumliche Mehrfachzündung in einem Brennraum der Brennkraftmaschine gegeben ist.Accordingly, it is an object of the present invention to improve a laser spark plug of the type mentioned in that with a relatively small design effort, the possibility for a spatial multiple ignition is given in a combustion chamber of the internal combustion engine.

Diese Aufgabe wird bei der Laserzündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Volumen-Bragg-Gitterelement in einem Strahlengang der Laserzündkerze angeordnet ist.This object is achieved in the laser spark plug of the aforementioned type according to the invention that at least one volume Bragg grating element is arranged in a beam path of the laser spark plug.

Das englisch auch als Volume-Bragg-Grating, kurz VBG, bezeichnete Volumen-Bragg-Gitterelement besteht aus einem räumlich angeordneten optischen Gitter, dessen Transmissions- beziehungsweise Reflexionsverhalten für auftreffende elektromagnetische Strahlung durch Vorgabe unter anderem einer Gitterkonstante in an sich bekannter Weise einstellbar ist. Das optische Gitter ist gebildet durch eine periodische Variation des Brechungsindex eines das VBG enthaltenden Trägermediums.The volume Bragg grating element, also referred to as volume Bragg grating, in short VBG, consists of a spatially arranged optical grating whose transmission or reflection behavior for impinging electromagnetic radiation can be adjusted by specifying inter alia a lattice constant in a manner known per se. The optical grating is formed by a periodic variation of the refractive index of a carrier medium containing the VBG.

Um eine räumliche Mehrfachzündung zu realisieren, bei der Laserzündimpulse gleichzeitig auf mindestens zwei verschiedene Zündpunkte abgestrahlt werden können, ist bei der erfindungsgemäßen Laserzündkerze vorgesehen, dass das Volumen-Bragg-Gitterelement als Strahlteiler ausgebildet ist. Hierzu kann das Volumen-Bragg-Gitterelement bevorzugt mindestens zwei unterschiedliche Volumen-Bragg-Gitter aufweisen, die in an sich bekannter Weise in demselben Volumenbereich eines geeigneten Trägermediums angeordnet sein können und unterschiedliche Eigenschaften bzw. Ausrichtungen haben.In order to realize a spatial multiple ignition in which laser ignition pulses can be radiated simultaneously to at least two different ignition points, it is provided in the laser spark plug according to the invention that the volume Bragg grating element is designed as a beam splitter. For this purpose, the volume Bragg grating element can preferably have at least two different volume Bragg gratings, which can be arranged in a manner known per se in the same volume range of a suitable carrier medium and have different properties or orientations.

Im Unterschied zu den herkömmlichen Systemen mit deformierbarer Sammellinse ist bei dieser Erfindungsvariante vorteilhaft gar keine bewegliche Komponente vorgesehen, und die Integration mehrerer Volumen-Bragg-Gitter in ein entsprechendes Trägerelement erlaubt eine sehr kleinbauende Anordnung.In contrast to the conventional systems with deformable converging lens, advantageously no movable component is provided in this variant of the invention, and the integration of a plurality of volume Bragg gratings in a corresponding carrier element allows a very small-sized arrangement.

Das erfindungsgemäße Volumen-Bragg-Gitterelement kann einer weiteren Variante zufolge vorteilhaft auch direkt in eine Fokussieroptik und/oder ein Brennraumfenster der Laserzündkerze integriert sein. In diesen Fällen werden ein oder mehrere Volumen-Bragg-Gitter direkt in die betreffenden Komponenten eingeschrieben, was ebenfalls zu einer sehr kompakten Konstruktion führt.According to a further variant, the volume Bragg grating element according to the invention can advantageously also be integrated directly into a focusing optics and / or a combustion chamber window of the laser spark plug. In these cases, one or more volume Bragg gratings are written directly into the respective components, which also results in a very compact construction.

Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Variante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Volumen-Bragg-Gitterelement eine Beugungseffizienz aufweist, die geringer ist als etwa 95%.In a further very advantageous variant of the present invention, it is provided that the volume Bragg grating element has a diffraction efficiency which is less than about 95%.

Durch die erfindungsgemäß bewusst geringer als 95% gewählte Beugungseffizienz des Volumen-Bragg-Gitterelements ergeben sich bei dem Hindurchtreten von Laserstrahlung durch das erfindungsgemäße Volumen-Bragg-Gitterelement wiederum mehrere Teilstrahlen, die zueinander divergierende Strahlachsen aufweisen, so dass durch eine nachgeordnete Fokussieroptik wiederum eine Fokussierung der mehreren Teilstrahlen auf unterschiedliche Zündpunkte möglich ist.By virtue of the diffraction efficiency of the volume Bragg grating element deliberately chosen according to the invention at less than 95%, several partial beams which have mutually divergent beam axes result when laser radiation passes through the volume Bragg grating element, so that focusing is again achieved by downstream focusing optics the multiple partial beams to different ignition points is possible.

Besonders bevorzugt weist das Volumen-Bragg-Gitterelement eine Beugungseffizienz von etwa 50% auf, so dass neben einem ersten Laserteilstrahl ein zweiter, auch als off-axis-Strahl bezeichneter, Laserteilstrahl erzeugt wird, wenn das Volumen-Bragg-Gitterelement ordnungsgemäß ausgerichtet ist gegenüber der optischen Achse einer in der Laserzündkerze angeordneten Lasereinrichtung. Die Beugungseffizienz wird in an sich bekannter Weise u.a. durch einen Einstrahlwinkel der auftreffenden Laserstrahlung und deren Wellenlänge beeinflusst. Zur Erzielung der vorstehend genannten Effekte der Strahlteilung sind die Eigenschaften des Volumen-Bragg-Gitterelements und seine Ausrichtung in der Laserzündkerze entsprechend zu wählen.Particularly preferably, the volume Bragg grating element has a diffraction efficiency of about 50%, so that in addition to a first laser partial beam, a second, also referred to as off-axis beam, laser partial beam is generated when the volume Bragg grating element is properly aligned the optical axis of a laser device arranged in the laser spark plug. The diffraction efficiency is u.a. in a conventional manner. influenced by an angle of incidence of the incident laser radiation and its wavelength. In order to achieve the aforementioned effects of the beam splitting, the properties of the volume Bragg grating element and its orientation in the laser spark plug must be selected accordingly.

Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ist vorgesehen, dass das Volumen-Bragg-Gitterelement relativ zu der optischen Achse der Laserzündkerze bewegbar angeordnet ist, wodurch sich weitere Freiheitsgrade bei der räumlichen Mehrfachzündung ergeben. Beispielsweise kann durch Steuerung eines Verkippungswinkels zwischen einer Oberflächennormalen des Volumen-Bragg-Gitterelements und der optischen Achse der Laserzündkerze die Ausbreitungsrichtung von aus dem Volumen-Bragg-Gitterelement austretender Laserstrahlung beeinflusst werden, wodurch vorteilhaft eine zeitlich nacheinander erfolgende Mehrfachzündung an unterschiedlichen Zündpunkten möglich ist.In a further very advantageous embodiment of the laser spark plug according to the invention it is provided that the volume Bragg grating element is arranged to be movable relative to the optical axis of the laser spark plug, resulting in further degrees of freedom in the spatial multiple ignition. For example, by controlling a tilt angle between a surface normal of the volume Bragg grating element and the optical axis of the laser spark plug, the propagation direction of the volume Bragg grating element can be determined exiting laser radiation can be influenced, whereby advantageously a temporally successive multiple ignition at different ignition points is possible.

Die Antriebsmittel zur Bewegung des erfindungsgemäßen Volumen-Bragg-Gitterelements sind bei einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante direkt in der Laserzündkerze angeordnet. Im Unterschied zu herkömmlichen Systemen, die auf einer Deformation von Sammellinsen beruhen, ist für die erfindungsgemäße Bewegung des Volumen-Bragg-Gitterelements eine vergleichsweise geringe Antriebsenergie erforderlich.The drive means for moving the volume Bragg grating element according to the invention are arranged in a further advantageous variant of the invention directly in the laser spark plug. In contrast to conventional systems, which are based on a deformation of converging lenses, a comparatively low drive energy is required for the movement according to the invention of the volume Bragg grating element.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ist das Volumen-Bragg-Gitterelement so angeordnet, dass es einer zur Auskopplung der erzeugten Laserstrahlung vorgesehenen Stirnfläche einer in der Laserzündkerze angeordneten Lasereinrichtung direkt gegenüberliegt. Die für einen ordnungsgemäßen Betrieb des erfindungsgemäßen Volumen-Bragg-Gitterelements erforderliche präzise Winkelausrichtung des Volumen-Bragg-Gitterelements zu der Auskoppelfläche der Lasereinrichtung beziehungsweise zu der optischen Achse der Lasereinrichtung wird erfindungsgemäß vorteilhaft dadurch erzielt, dass ein Abstandshalter zwischen dem Volumen-Bragg-Gitterelement und der Lasereinrichtung vorgesehen ist. Der erfindungsgemäße Abstandshalter weist vorzugsweise eine Parallelität seiner Oberflächen von weniger als etwa 2 µm auf und besitzt bevorzugt eine im wesentlichen ringförmige Geometrie, so dass Laserstrahlung von der Lasereinrichtung durch das erfindungsgemäße Volumen-Bragg-Gitterelement hindurchtreten kann. Besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Volumen-Bragg-Gitterelement federkraftbeaufschlagt so gelagert, dass es in seiner Ruhelage durch die Federkräfte auf den Abstandshalter gedrückt wird, wodurch das Volumen-Bragg-Gitterelement die geforderte präzise Parallellage zur Auskoppelfläche der Lasereinrichtung einnimmt.In a further preferred embodiment of the laser spark plug according to the invention, the volume Bragg grating element is arranged such that it directly faces an end face, provided for coupling out the laser radiation generated, of a laser device arranged in the laser spark plug. The required for proper operation of the volume Bragg grating element according to the invention precise angular alignment of the volume Bragg grating element to the decoupling surface of the laser device or to the optical axis of the laser device according to the invention advantageously achieved in that a spacer between the volume Bragg grating element and the laser device is provided. The spacer according to the invention preferably has a parallelism of its surfaces of less than about 2 microns and preferably has a substantially annular geometry, so that laser radiation from the laser device can pass through the volume Bragg grating element according to the invention. Particularly preferably, the volume Bragg grating element according to the invention is spring-loaded so that it is pressed in its rest position by the spring forces on the spacer, whereby the volume Bragg grating element occupies the required precise parallel position to the outcoupling surface of the laser device.

Ein erfindungsgemäß in der Laserzündkerze vorgesehener Antrieb für das Volumen-Bragg-Gitterelement kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass er das Volumen-Bragg-Gitterelement in seinem radialen Außenbereich axial gegen die Federkräfte verschiebt, so dass sich eine Verkippung des Volumen-Bragg-Gitterelements gegenüber der optischen Achse der Lasereinrichtung ergibt.An inventively provided in the laser spark plug drive for the volume Bragg grating element may for example be designed so that it displaces the volume Bragg grating element in its radial outer region axially against the spring forces, so that a tilting of the volume Bragg grating element opposite the optical axis of the laser device results.

Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ist vorgesehen, dass das Volumen-Bragg-Gitterelement eine ortsabhängige Gitterkonstante aufweist, mithin als chirped Volumen-Bragg-Gitterelement ausgebildet ist. Durch die Verwendung eines chirped VBG, das vorteilhaft eine gesteigerte spektrale Akzeptanz gegenüber VBGs mit ortsunabhängiger, konstanter Gitterkonstante aufweist, kann den im Bereich der Zündkerze auftretenden verhältnismäßig großen Temperaturschwankungen Rechnung getragen werden, die sich üblicherweise negativ auf die Wellenlängenstabilität der in der Laserzündkerze enthaltenen Lasereinrichtung auswirken.In a further particularly preferred embodiment of the laser spark plug according to the invention, it is provided that the volume Bragg grating element has a location-dependent lattice constant, thus being designed as a chirped volume Bragg grating element. By using a chirped VBG, which advantageously has an increased spectral acceptance over VBGs with a location-independent, constant lattice constant, the relatively large temperature fluctuations occurring in the area of the spark plug can be taken into account, which usually have a negative effect on the wavelength stability of the laser device contained in the laser spark plug ,

Zur Erzeugung energiereicher Laserzündimpulse weist die erfindungsgemäße Laserzündkerze bevorzugt einen laseraktiven Festkörper mit einer, vorzugsweise passiven, Güteschaltung auf. Das erfindungsgemäße VBG ist auf einfache Weise in den laseraktiven Festkörper integrierbar und eignet sich speziell auch für den Betrieb mit hochenergetischen Laserimpulsen, die aufgrund der hohen Leistungsdichten die Standzeiten von herkömmlichen, dielektrischen Reflexionsschichten stark verringern.To generate high-energy laser ignition pulses, the laser spark plug according to the invention preferably has a laser-active solid with a, preferably passive, Q-switching. The VBG according to the invention can be easily integrated into the laser-active solid and is especially suitable for operation with high-energy laser pulses, which greatly reduce the service life of conventional, dielectric reflection layers due to the high power densities.

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.Other features, applications and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention, which are illustrated in the figures of the drawing. All described or illustrated features, alone or in any combination form the subject matter of the invention, regardless of their summary in the claims or their dependency and regardless of their formulation or representation in the description or in the drawing.

In der Zeichnung zeigt:

Figur 1
eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze,
Figur 2
schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze aus Figur 1 im Detail,
Figur 3a, 3b, 3c
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Laserzündkerze mit einem mehrere Volumen-Bragg-Gitter aufweisenden Volumen-Bragg-Gitterelement,
Figur 4a, 4b
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Laserzündkerze mit einem Volumen-Bragg-Gitterelement verminderter Beugungseffizienz zur Erzeugung von off-axis-Laserstrahlen,
Figur 5
eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze, und
Figur 6
noch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze.
In the drawing shows:
FIG. 1
an internal combustion engine with a laser spark plug according to the invention,
FIG. 2
schematically a first embodiment of the laser spark plug according to the invention from FIG. 1 in detail,
Figure 3a, 3b, 3c
Embodiments of the laser spark plug according to the invention with a volume Bragg grating element having a plurality of volume Bragg gratings,
Figure 4a, 4b
Embodiments of the laser spark plug according to the invention with a volume Bragg grating element of reduced diffraction efficiency for the generation of off-axis laser beams,
FIG. 5
a further embodiment of a laser spark plug according to the invention, and
FIG. 6
Yet another embodiment of a laser spark plug according to the invention.

Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie dient zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in Figur 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 12 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18, der an einen auch als Rail bezeichneten Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen ist.An internal combustion engine carries in FIG. 1 Overall, the reference numeral 10. It is used to drive a motor vehicle, not shown. The internal combustion engine 10 comprises a plurality of cylinders, of which in FIG. 1 only one is designated by the reference numeral 12. A combustion chamber 14 of the cylinder 12 is limited by a piston 16. Fuel enters the combustion chamber 14 directly through an injector 18, which is connected to a designated also as a rail fuel pressure accumulator 20.

In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels eines Laserstrahls 24 entzündet, der vorzugsweise in Form eines Laserimpulses 24 von einer eine Lasereinrichtung 26 aufweisenden Laserzündkerze 100 auf den Zündpunkt ZP in dem Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird die Lasereinrichtung 26 über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit Pumplicht gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einem Steuergerät 32 gesteuert, das auch den Injektor 18 ansteuert.In the combustion chamber 14 injected fuel 22 is ignited by means of a laser beam 24, which is preferably emitted in the form of a laser pulse 24 from a laser device 26 having a laser spark plug 100 to the ignition point ZP in the combustion chamber 14. For this purpose, the laser device 26 is fed via a light guide device 28 with pumping light, which is provided by a pumping light source 30. The pumping light source 30 is controlled by a control unit 32, which also controls the injector 18.

Die Pumplichtquelle 30 bildet zusammen mit der Lichtleitereinrichtung 28 und der die Lasereinrichtung 26 aufweisenden Laserzündkerze 100 ein laserbasiertes Zündsystem 27 der Brennkraftmaschine 10.The pumping light source 30, together with the optical waveguide device 28 and the laser spark plug 100 having the laser device 26, forms a laser-based ignition system 27 of the internal combustion engine 10.

Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, weist die Lasereinrichtung 26 neben einem laseraktiven Festkörper 44 erfindungsgemäß auch eine passive Güteschaltung 46 auf, so dass die Komponenten 44, 46 zusammen mit einem Einkoppelspiegel 42 und einem Auskoppelspiegel 48 einen Laser-Oszillator bilden.How out FIG. 2 is apparent, the laser device 26 in addition to a laser-active solid 44 according to the invention also has a passive Q-switching circuit 46, so that the components 44, 46 together with a coupling mirror 42 and a Auskoppelspiegel 48 form a laser oscillator.

Die grundsätzliche Funktionsweise der Lasereinrichtung 26 ist folgende: Pumplicht 60, das der Lasereinrichtung 26 über die Lichtleitereinrichtung 28 zugeführt wird, tritt durch den für eine Wellenlänge des Pumplichts 60 durchsichtigen Einkoppelspiegel 42 in den laseraktiven Festkörper 44 ein. Dort wird das Pumplicht 60 absorbiert, was zu einer Besetzungsinversion führt. Die zunächst hohen Transmissionsverluste der passiven Güteschaltung 46 verhindern eine Laser-Oszillation in der Lasereinrichtung 26. Mit steigender Pumpdauer steigt jedoch auch die Strahlungsdichte in dem Inneren des durch den laseraktiven Festkörper 44 und die passive Güteschaltung 46 sowie die Spiegel 42, 48 gebildeten Resonators. Ab einer gewissen Strahlungsdichte bleicht die passive Güteschaltung 46 beziehungsweise ein sättigbarer Absorber der passiven Güteschaltung 46 aus, so dass eine Laser-Oszillation in dem Resonator zustande kommt.The basic mode of operation of the laser device 26 is as follows: Pumplicht 60, which is supplied to the laser device 26 via the optical fiber device 28, passes through the transparent for a wavelength of the pumping light 60 Einkoppelspiegel 42 in the laser-active solid 44 a. There, the pumping light 60 is absorbed, resulting in a population inversion. The initially high transmission losses of the passive Q-switching circuit 46 prevent a laser oscillation in the laser device 26. However, as the pumping time increases, so does the radiation density in the interior of the resonator formed by the laser-active solid 44 and the passive Q-switching 46 and the mirrors 42, 48. From a certain radiation density, the passive Q-switching 46 or a saturable absorber of the passive Q-switch 46 bleaches, so that a laser oscillation occurs in the resonator.

Durch diesen Mechanismus wird ein Laserstrahl 24 in Form eines sog. Riesenimpulses erzeugt, der durch den Auskoppelspiegel 48 hindurchtritt und nachfolgend als Laserzündimpuls bezeichnet wird.By this mechanism, a laser beam 24 is generated in the form of a so-called. Giant impulse, which passes through the Auskoppelspiegel 48 and is hereinafter referred to as Laserzündimpuls.

Anstelle der vorstehend beschriebenen passiven Güteschaltung 46 ist auch der Einsatz einer aktiven Güteschaltung denkbar.Instead of the passive Q-switching 46 described above, the use of an active Q-switching is also conceivable.

Erfindungsgemäß ist mindestens ein Volumen-Bragg-Gitterelement in dem Strahlengang der Laserzündkerze 100 angeordnet. Vorliegend ist der Auskoppelspiegel 48 durch ein derartiges Volumen-Bragg-Gitterelement gebildet, so dass an dieser Stelle vorteilhaft auf eine herkömmliche dielektrische Reflexionsbeschichtung verzichtet werden kann.According to the invention, at least one volume Bragg grating element is arranged in the beam path of the laser spark plug 100. In the present case, the coupling-out mirror 48 is formed by such a volume Bragg grating element, so that a conventional dielectric reflection coating can advantageously be dispensed with at this point.

Das den Auskoppelspiegel bildende Volumen-Bragg-Gitterelement 48 kann vorteilhaft direkt in die Lasereinrichtung 26 integriert sein, beispielsweise durch Einschreiben eines entsprechenden Gittermusters in den laseraktiven Festkröper 44 bzw. die Güteschaltung 46.The volume Bragg grating element 48 forming the output mirror can advantageously be integrated directly into the laser device 26, for example by writing a corresponding grating pattern into the laser-active solid 44 or the Q-switching 46.

Das Volumen-Bragg-Gitterelement 48 kann alternativ hierzu auch als separates Bauteil ausgeführt sein, das extern zu den Komponenten 44, 46 angeordnet ist oder mit der Lasereinrichtung 26 beispielsweise durch Ansprengen oder adhäsionsfreies Bonden verbindbar ist.Alternatively, the volume Bragg grating element 48 can also be embodied as a separate component, which is arranged externally to the components 44, 46 or can be connected to the laser device 26, for example by wringing or adhesion-free bonding.

Das Volumen-Bragg-Gitterelement 48 ist vorliegend neben seiner Funktion als Auskoppelspiegel so ausgebildet, dass es als Strahlteiler wirkt. Dadurch werden die durch die Lasereinrichtung 26 erzeugten Laserimpulse 24 vorteilhaft in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt. Diese Teilstrahlen können durch eine dem Volumen-Bragg-Gitterelement 110 nachgeordnete, nicht in Figur 2 abgebildete Fokussieroptik vorteilhaft auf mehrere unterschiedliche Zündpunkte in dem Brennraum 14 (Figur 1) der Brennkraftmaschine 10 gebündelt werden.In the present case, the volume Bragg grating element 48, in addition to its function as a coupling-out mirror, is designed such that it acts as a beam splitter. As a result, the laser pulses 24 generated by the laser device 26 are advantageously divided into a plurality of partial beams. These partial beams can be arranged downstream of the volume Bragg grating element 110, not in FIG. 2 illustrated focusing optics advantageous to several different ignition points in the combustion chamber 14 (FIG. FIG. 1 ) of the internal combustion engine 10 are bundled.

Figur 3a zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der ein außerhalb der Lasereinrichtung 26 angeordnetes Volumen-Bragg-Gitterelement 110 vorgesehen ist. Das Volumen-Bragg-Gitterelement 110 gemäß Figur 3a weist mindestens zwei unterschiedliche Volumen-Bragg-Gitter auf, so dass die von der Lasereinrichtung 26 erzeugte Laserstrahlung 24 wie bereits beschrieben in zwei Teilstrahlen 24a, 24b aufgeteilt wird. Die Integration der mindestens zwei unterschiedlichen Volumen-Bragg-Gitter in das erfindungsgemäße Volumen-Bragg-Gitterelement 110 ist in Figur 3a durch die sich in zwei unterschiedliche Raumrichtungen erstreckenden Linienscharen symbolisiert. FIG. 3a shows a further embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention, in which a arranged outside the laser device 26 volume Bragg grating element 110 is provided. The volume Bragg grating element 110 according to FIG FIG. 3a has at least two different volume Bragg gratings, so that the laser radiation 24 generated by the laser device 26 is divided into two sub-beams 24a, 24b as already described. The integration of the at least two different volume Bragg gratings into the volume Bragg grating element 110 according to the invention is shown in FIG FIG. 3a symbolized by extending in two different spatial directions line crowds.

Wie aus Figur 3a ersichtlich ist, wird die aus dem Volumen-Bragg-Gitterelement 110 austretende Laserstrahlung 24a, 24b zunächst durch eine bikonkave Zerstreuungslinse 49a aufgeweitet, so dass sie danach durch eine der Zerstreuungslinse 49a nachgeordnete bikonvexe Sammellinse 49b auf die Zündpunkte ZP1, ZP2 in den Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 (Figur 1) fokussierbar ist. Vorliegend bildet die Sammellinse 49b gleichzeitig ein den Innenraum der Laserzündkerze 100 gegenüber dem Brennraum 14 der Brennkraftmaschine abschließendes Brennraumfenster.How out FIG. 3a 1, the laser radiation 24a, 24b emerging from the volume Bragg grating element 110 is first widened by a biconcave diverging lens 49a, so that it then passes through a biconvex converging lens 49b downstream of the diverging lens 49a to the ignition points ZP1, ZP2 in the combustion chamber 14 Internal combustion engine 10 ( FIG. 1 ) is focusable. In the present case, the converging lens 49b simultaneously forms a combustion chamber window which terminates the interior of the laser spark plug 100 with respect to the combustion chamber 14 of the internal combustion engine.

Figur 3b zeigt eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der das mindestens zwei unterschiedliche Volumen-Bragg-Gitter aufweisende Volumen-Bragg-Gitterelement 110 monolithisch integriert ist in die Lasereinrichtung 26. FIG. 3b shows a further variant of the laser spark plug 100 according to the invention, in which the at least two different volume Bragg gratings comprising volume Bragg grating element 110 is monolithically integrated into the laser device 26th

Figur 3c zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der die mindestens zwei unterschiedlichen Volumen-Bragg-Gitter zur Realisierung einer räumlichen Mehrfachzündung vorteilhaft direkt in das Brennraumfenster 49c integriert sind. Figure 3c shows a further embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention, in which the at least two different volume Bragg gratings for the realization of a spatial multiple ignition are advantageously integrated directly into the combustion chamber window 49c.

Bei dieser Erfindungsvariante ist die Zerstreuungslinse 49a und die Sammellinse 49b in dem Innenraum der Laserzündkerze 100 angeordnet.In this variant of the invention, the diverging lens 49a and the converging lens 49b are disposed in the inner space of the laser spark plug 100.

Figur 4a zeigt eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der eine räumliche Mehrfachzündung vorteilhaft dadurch realisiert wird, dass das Volumen-Bragg-Gitterelement 110 eine geringere Beugungseffizienz aufweist als etwa 95%. Dadurch entsteht neben einem zu der optischen Achse OA der Lasereinrichtung 26 koaxialen primären Teilstrahl 24a auch ein sogenannter off-axis-Teitstrahl 24b, der durch die vorliegend nicht näher bezeichnete Fokussieroptik auf einen zweiten Zündpunkt ZP2 außerhalb der optischen Achse OA fokussiert wird. FIG. 4a shows a further very advantageous embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention, in which a spatial multiple ignition is advantageously realized in that the volume Bragg grating element 110 has a lower diffraction efficiency than about 95%. In addition to a primary partial beam 24a coaxial with the optical axis OA of the laser device 26, this also produces a so-called off-axis continuous beam 24b, which is focused by the focusing optics, which are not further described here, onto a second ignition point ZP2 outside the optical axis OA.

Durch die Auswahl der Beugungseffizienz des erfindungsgemäßen Volumen-Bragg-Gitterelements 110 kann vorteilhaft die Verteilung der Laserleistung auf die verschiedenen Laserzündpunkte ZP1, ZP2 gesteuert werden.By selecting the diffraction efficiency of the volume Bragg grating element 110 according to the invention, advantageously, the distribution of the laser power to the different laser ignition points ZP1, ZP2 can be controlled.

Figur 4b zeigt eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der ein off-axis-Laserteilstrahl 24b wiederum durch die Vorsehung eines Volumen-Bragg-Gitterelements 110 mit einer geringen Beugungseffizienz von etwa 50% erzeugt wird. Im Unterschied zu der in Figur 4a abgebildten Erfindungsvariante weist die Laserzündkerze 100 gemäß Figur 4b ein bewegbar angeordnetes Volumen-Bragg-Gitterelement 110 auf, das vorliegend mittels eines Drehgelenks 111 drehbar an einer Gehäuseinnenwand der Laserzündkerze 100 gelagert ist. Auf diese Weise kann das Volumen-Bragg-Gitterlement 110 unter Antrieb durch die Antriebseinrichtung 112 vorteilhaft so gegenüber einer die Laserstrahlung 24 auskoppelnden Stirnseite der Lasereinrichtung 26 verkippt werden, dass der off-axis-Laserteilsstrahl 24b dann erzeugt wird, wenn das Volumen-Bragg-Gitterelement 110 in einem entsprechenden Winkel bezüglich der Lasereinrichtung 26 bzw. der optischen Achse OA der Laserzündkerze angeordnet ist. FIG. 4b shows another very advantageous embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention, in which an off-axis laser partial beam 24b is in turn generated by the provision of a volume Bragg grating element 110 with a low diffraction efficiency of about 50%. Unlike the in FIG. 4a illustrated variant of the invention, the laser spark plug 100 according to FIG. 4b a movably arranged volume Bragg grating element 110, which in the present case is rotatably mounted on a housing inner wall of the laser spark plug 100 by means of a rotary joint 111. In this way, the volume Bragg grating element 110, under the drive of the drive device 112, can advantageously be tilted relative to an end face of the laser device 26 that decouples the laser radiation 24 such that the off-axis laser partial beam 24b is generated when the volume Bragg grating grid element 110 is arranged at a corresponding angle with respect to the laser device 26 or the optical axis OA of the laser spark plug.

Das heißt, bei der in Figur 4b veranschaulichten Erfindungsvariante kann durch entsprechende Ausrichtung des Volumen-Bragg-Gitterelements 110, die durch die Antriebseinheit 112 steuerbar ist, zwischen einer Laserzündung nur in dem Zündpunkt ZP1 oder auch in dem Zündpunkt ZP2 gewählt werden.That is, at the in FIG. 4b illustrated variant variant can be selected by appropriate alignment of the volume Bragg grating element 110, which is controllable by the drive unit 112, between a laser ignition only in the ignition point ZP1 or in the ignition point ZP2.

Im Unterschied zu herkömmlichen deformierbaren Sammellinsen zur Realisierung einer räumlichen Mehrfachzündung erfordert die erfindungsgemäße Konfiguration einer verhältnismäßig geringe Antriebsenergie und einen sehr geringen axialen Verstellweg der Antriebseinheit 112 parallel zu der optischen Achse OA der Laserzündkerze 100, was durch die verhältnismäßig geringe Winkelakzeptanz des Volumen-Bragg-Gitterelements 110 bedingt ist.In contrast to conventional deformable converging lenses for realizing a spatial multiple ignition, the configuration according to the invention requires a relatively small drive energy and a very small axial displacement of the drive unit 112 parallel to the optical axis OA of the laser spark plug 100, due to the relatively low angular acceptance of the volume Bragg grating element 110 is conditional.

Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der das Volumen-Bragg-Gitterelement 110 bevorzugt eine möglichst hohe Beugungseffizienz aufweist, insbesondere eine Beugungseffizienz von 99% oder mehr. FIG. 5 shows a further embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention, in which the volume Bragg grating element 110 preferably has the highest possible diffraction efficiency, in particular a diffraction efficiency of 99% or more.

Auf diese Weise kann durch entsprechende Ausrichtung des Volumen-Bragg-Gitterelements 110 relativ zu der Lasereinrichtung 26 ein off-axis-Zündpunkt ZP' realisiert werden, dessen Lage in dem Brennraum 14 abhängig ist von dem Verkippungswinkel zwischen dem Volumen-Bragg-Gitterelement 110 und der ihm zugeordneten Stirnfläche der Lasereinrichtung 26 beziehungsweise der optischen Achse OA.In this way, by appropriate alignment of the volume Bragg grating element 110 relative to the laser device 26, an off-axis ignition point ZP 'can be realized whose position in the combustion chamber 14 is dependent on the tilt angle between the volume Bragg grating element 110 and the associated end face of the laser device 26 and the optical axis OA.

Figur 6 zeigt eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der Laserzündkerze 100, bei der ein Volumen-Bragg-Gitterelement 110 bewegbar angeordnet ist relativ zu der Lasereinrichtung 26 beziehungsweise ihrer optischen Achse OA. Das Volumen-Bragg-Gitterelement 110 ist dabei vorliegend eingefasst durch einen Montagering 115, der wie aus Figur 6 ersichtlich federkraftbeaufschlagt und so gegenüber dem Gehäuse der Laserzündkerze 100 angeordnet ist, dass das in dem Montagering 115 gehaltene Volumen-Bragg-Gitterelement 110 in Planlage bezüglich einer Auskoppelfläche 48 befindlich ist, solange es nicht wie abgebildet durch die Antriebseinheit 112 ausgelenkt wird. FIG. 6 shows a further very advantageous embodiment of the laser spark plug 100, in which a volume Bragg grating element 110 is movably arranged relative to the laser device 26 and its optical axis OA. In this case, the volume Bragg grating element 110 is bordered by a mounting ring 115, which is as shown in FIG FIG. 6 apparent Federkraftbeaufschlagt and is arranged relative to the housing of the laser spark plug 100, that held in the mounting ring 115 volume Bragg grating element 110 is located in plan position with respect to a decoupling surface 48, as long as it is not deflected by the drive unit 112 as shown.

Zwischen der Lasereinrichtung 26 beziehungsweise ihrer Auskoppelfläche 48' und der entsprechenden Stirnfläche des Volumen-Bragg-Gitterelements 110 ist vorliegend erfindungsgemäß ein Abstandshalter 116 vorgesehen. Der Abstandshalter 116 kann bevorzugt, ebenso wie der Montagering 115, eine ringförmige Geometrie aufweisen, so dass die von der Lasereinrichtung 26 erzeugte Laserstrahlung durch den Montagering 115 hindurch auf das Volumen-Bragg-Gitterelement 110 austreten kann.Between the laser device 26 or its decoupling surface 48 'and the corresponding end face of the volume Bragg grating element 110, a spacer 116 is presently provided according to the invention. The spacer 116 may, as well as the mounting ring 115, preferably have an annular geometry, so that the laser radiation generated by the laser device 26 can pass through the mounting ring 115 on the volume Bragg grating element 110.

Gleichzeitig gewährleistet der Abstandshalter 116 eine präzise Planlage des Volumen-Bragg-Gitterelements 110 gegenüber der Lasereinrichtung 26. Die entsprechenden Stirnflächen des Abstandshalters 116 weisen hierzu bevorzugt eine Parallelität von etwa 2 µm oder weniger auf.At the same time, the spacer 116 ensures a precise flatness of the volume Bragg grating element 110 relative to the laser device 26. For this purpose, the corresponding end faces of the spacer 116 preferably have a parallelism of approximately 2 μm or less.

Durch die Vorsehung des erfindungsgemäßen Abstandshalters 116 ist ferner vorteilhaft gewährleistet, dass keine Berührung zwischen dem Volumen-Bragg-Gitterelement 110 und der Lasereinrichtung 26 stattfindet, wodurch eine mechanische Beeinträchtigung der Auskoppelfläche 48' verhindert wird. Über die Antriebseinrichtung 112, bei der es sich beispielsweise um einen piezoelektrischen Aktor handeln kann, kann das Volumen-Bragg-Gitterelement 110 wie aus Figur 6 ersichtlich aus einer Ruhelage, in der seine Längsachse einen rechten Winkel zu der optischen Achse OA der Lasereinrichtung 26 aufweist, verkippt werden, so dass die räumliche Lage des Zündpunkts in dem Brennraum 14 in der bereits vorstehend beschriebenen Weise präzise einstellbar ist.The provision of the spacer 116 according to the invention also advantageously ensures that no contact takes place between the volume Bragg grating element 110 and the laser device 26, whereby a mechanical impairment of the decoupling surface 48 'is prevented. About the drive means 112, which may be, for example, a piezoelectric actuator, the volume Bragg grating element 110 as shown FIG. 6 can be tilted from a rest position in which its longitudinal axis has a right angle to the optical axis OA of the laser device 26, so that the spatial position of the ignition point in the combustion chamber 14 in the manner already described above is precisely adjustable.

Bei weiteren bevorzugten Erfindungsvarianten kann das Volumen-Bragg-Gitterelement 110 eine ortsabhängige Gitterkonstante aufweisen, um die spektrale Akzeptanz des Volumen-Bragg-Gitterelements 110 in an sich bekannter Art und Weise zu erhöhen.In further preferred variants of the invention, the volume Bragg grating element 110 may have a location-dependent lattice constant in order to increase the spectral acceptance of the volume Bragg grating element 110 in a manner known per se.

Das erfindungsgemäße Volumen-Bragg-Gitterelement 110 ermöglicht vorteilhaft die Bereitstellung einer kostengünstigen und kompakten Laserzündkerze 100, die gleichzeitig eine räumliche und zeitliche Mehrfachzündung bietet. Zudem ist das erfindungsgemäße Volumen-Bragg-Gitterelement 110 vorteilhaft geeignet für die bei der Laserzündung auftretenden hohen optischen Pulsleistungen und bis mindestens etwa 400 °C temperaturstabil.The volume Bragg grating element 110 according to the invention advantageously makes it possible to provide a cost-effective and compact laser spark plug 100, which simultaneously provides spatial and temporal multiple ignition. In addition, the volume Bragg grating element 110 according to the invention is advantageously suitable for the occurring during the laser ignition high optical pulse power and up to at least about 400 ° C temperature stable.

Claims (10)

  1. Laser ignition plug (100) for an internal combustion engine, characterized in that at least one volume Bragg grating element (48, 110), which is configured as a beam splitter for splitting laser radiation (24) guided in the laser ignition plug (100) into a plurality of partial beams, is arranged in a beam path of the laser ignition plug (100).
  2. Laser ignition plug (100) according to Claim 1, characterized in that the volume Bragg grating element (110) has at least two different volume Bragg gratings.
  3. Laser ignition plug (100) according to one of Claims 1 to 2, characterized in that the volume Bragg grating element (110) is integrated in focusing optics (49b) and/or a combustion space window (49c).
  4. Laser ignition plug (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the volume Bragg grating element (110) has a diffraction efficiency that is less than approximately 95 percent.
  5. Laser ignition plug (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the volume Bragg grating element (110) is arranged such that it is moveable relative to an optical axis (OA) of the laser ignition plug (100).
  6. Laser ignition plug (100) according to Claim 5, characterized by drive means (112) for moving the volume Bragg grating element (110).
  7. Laser ignition plug (100) according to one of Claims 5 to 6, characterized in that a spacer (116), which preferably has a substantially annular geometry and whose end faces, which are provided for making contact with a coupling-out surface (48') of a laser device (26) arranged in the laser ignition plug (100) and the volume Bragg grating element (110), are plane-parallel with respect to one another, is arranged between the coupling-out surface (48') and the volume Bragg grating element (110).
  8. Laser ignition plug (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the volume Bragg grating element (110) has a location-dependent grating constant.
  9. Laser ignition plug (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the volume Bragg grating element (110) is monolithically integrated in a laser-active solid body (44) and/or a further optical component arranged in the beam path.
  10. Laser ignition plug (100) according to one of the preceding claims, characterized in that a laser-active solid body (44) with a passive Q switch (46) is integrated in the laser ignition plug (100).
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