EP2438290A1 - Laserzündeinrichtung - Google Patents

Laserzündeinrichtung

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Publication number
EP2438290A1
EP2438290A1 EP10722677A EP10722677A EP2438290A1 EP 2438290 A1 EP2438290 A1 EP 2438290A1 EP 10722677 A EP10722677 A EP 10722677A EP 10722677 A EP10722677 A EP 10722677A EP 2438290 A1 EP2438290 A1 EP 2438290A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
ignition
laser
chamber window
ignition laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10722677A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Herden
Martin Weinrotter
Pascal Woerner
Juergen Raimann
Heiko Ridderbusch
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 EP2438290A1 publication Critical patent/EP2438290A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/042—Arrangements for thermal management for solid state lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/0401—Arrangements for thermal management of optical elements being part of laser resonator, e.g. windows, mirrors, lenses

Definitions

  • This laser ignition comprises an ignition laser, which projects into the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • This ignition laser is connected via a light guide with a pump light source.
  • combustion chamber window is present, which is transmissive to the laser pulses generated in the ignition laser.
  • the laser wavelength is between 500 nm and 1500 nm, preferably between 900 nm and 1100 nm.
  • This combustion chamber window must be sealingly received in a housing of the ignition laser. In this case, high demands are placed on the seal between the combustion chamber window and the housing, because during operation, for example, in an internal combustion engine, surface temperatures of more than 600 ° C. can occur at the combustion chamber window. In addition, intermittent pressure loads of more than 250 bar are added. If a firing laser is used to ignite a gas turbine, although lower pressures prevail in the combustion chamber of the gas turbine, but the surface of the combustion chamber window can reach temperatures of up to 1,000 ° C.
  • the combustion chamber window In order for the laser ignition to work without interference, the combustion chamber window must be permeable to the laser beams over the entire service life of the internal combustion engine. However, deposits may be deposited on the combustion chamber window during operation, so that the required optical transparency of the combustion chamber window is lost. To prevent these deposits, the ignition laser must be designed so that the operating temperature at the combustion chamber facing surface of the combustion chamber window is high enough to burn off deposits, especially organic type, or oxidize.
  • the surface temperature of the combustion chamber window must not be so high that it causes spontaneous combustion of the fuel-air mixture at the
  • an ignition laser is known, in which the temperature of the combustion chamber window can be lowered by increasing the heat dissipation in the foot of the ignition laser.
  • the surface temperature of the combustion chamber window in the entire operating range of the internal combustion engine above the burnup temperature for organic deposits, which is about 400 0 C, and below a temperature of
  • Temperature range can not be met, a rapid heating of the ignition laser or the combustion chamber window is desired. At the same time, the heat from the ignition laser must be sufficiently dissipated in stable operation of the internal combustion engine to avoid over-temperatures.
  • the invention has for its object to provide an ignition laser, in particular a rapid heating of the ignition laser or the associated combustion chamber window to the required temperature of 400 0 C, so as quickly as possible after the cold start of the engine, the burning temperature for organic coatings is achieved and thus this Coverings can not be permanently deposited on the combustion chamber window.
  • This object is achieved in a generic ignition laser in that means for influencing the heat conduction provided, the one Allow adjustment of the heat transfer from the combustion chamber via the housing of the ignition laser to the combustion chamber window, so that a rapid heating of the combustion chamber window is achieved for all applications.
  • a heat conducting element in particular a heat conducting ring of a good heat conducting material, in particular of nickel and / or nickel-plated copper.
  • This heat-conducting element can either be formed integrally with the housing of the ignition laser or it can consist of a different material than the housing of the ignition laser and be connected to this, for example by soldering or welding, good thermal conductivity.
  • nickel or copper have been proven, since they have a very good thermal conductivity.
  • the heat conducting element according to the invention functions in a similar way to a cooling rib since the enlarged surface of the heat conducting element accelerates and improves the absorption of heat from the hot flue gases and the introduction of this heat into the housing of the ignition laser.
  • the means for influencing the heat conduction in an ignition laser to whose housing an external thread is formed consist in that the
  • External thread ends at a distance from the combustion chamber facing the end of the ignition laser. Namely, if the external thread, which usually serves to screw the ignition laser in the cylinder head of an internal combustion engine, not to the end of the ignition laser, then the heat dissipation from the combustion chamber facing the end of the ignition laser is reduced, thus accelerating the heating of the ignition laser.
  • This intermediate element is used to reduce the heat dissipation from the combustion chamber window and thereby accelerate the heating of the combustion chamber window or to increase the stationary surface temperature of the combustion chamber window.
  • the intermediate elements may be formed as an annular disc and be provided in the axial direction in front of or behind on one or both sides of the combustion chamber window between the housing and the combustion chamber window. For example, if only one intermediate element is provided and this intermediate element on the contact surface facing away from the combustion chamber between the
  • Combustor window and the housing is arranged, thereby reducing the dissipation of heat from the combustion chamber window into the base of the housing and as a result accelerates the heating.
  • combustion chamber window consists of two different materials.
  • the combustion chamber window must be transparent or transmissive for light with the
  • a particularly suitable material for focusing the laser pulse is crystalline sapphire, which, however, has a relatively high thermal conductivity of about 40 W / mK at room temperature.
  • the combustion chamber window is thus formed according to the invention from a central region with optimal optical properties and a radially outer region with respect to the thermal conductivity optimized annular region.
  • Suitable materials for the second, outer region of the combustion chamber window are, for example, quartz glass, which has a thermal conductivity of only about 4 W / mK at room temperature, YAG, with a thermal conductivity of about 14
  • the surface temperature of the combustion chamber window can be set to the desired values and at the same time a very rapid heating of the combustion chamber window can be achieved at temperatures above 400 0 C.
  • Figure 1 a is a schematic representation of a laser-based ignition device in an internal combustion engine
  • Figure 1 b is a schematic and detailed illustration of the ignition of
  • FIG. 1 The first figure.
  • the ignition device according to the invention is exemplified in an internal combustion engine.
  • the ignition laser can also be implemented in a gas turbine.
  • An internal combustion engine carries in FIG. 1a as a whole the reference numeral 10. It can be used to drive a motor vehicle, not shown, or be used as a gas engine for power generation.
  • the internal combustion engine 10 usually comprises a plurality of cylinders, of which only one is designated by the reference numeral 12 in FIG.
  • a combustion chamber 14 of the cylinder 12 is limited by a piston 16.
  • Fuel enters the combustion chamber 14 through an injector 18, which is connected to a designated also as a rail fuel pressure accumulator 20.
  • Suction tube are formed.
  • the present in the combustion chamber 14 fuel-air mixture 22 is ignited by means of a laser pulse 24 which is emitted from an ignition laser 26 comprehensive ignition device 27 into the combustion chamber 14.
  • the ignition laser 26 comprehensive ignition device 27 into the combustion chamber 14.
  • a pumping light source 30 is controlled by a control unit 32, which also controls the injector 18.
  • the pumping light source 30 feeds several
  • the pumping light source 30 has a plurality of individual laser light sources 34, which are connected to a pulse power supply 36. Due to the presence of the plurality of individual laser light sources 34 is a quasi "distribution" of pump light to the various
  • Laser devices 26 realized so that no optical splitter or the like between the pumping light source 30 and the ignition lasers 26 are required.
  • the ignition laser 26 has a laser-active solid 44 with a passive Q-circuit 46, which together with a Einkoppelapt 42 and a
  • Auskoppelapt 48 forms an optical resonator. Under the influence of the pumping light source 30 generated pumping light generates the ignition laser 26 in a conventional manner a laser pulse 24, which is focused by a focusing lens 52 to one in the combustion chamber 14 ( Figure 1 a) located ignition point ZP. The components present in the housing 38 of the ignition laser 26 are separated from the combustion chamber 14 by a disk-shaped combustion chamber window 58.
  • Combustion chamber window 58 may be square or preferably round.
  • FIGS. 2 to 4 different embodiments of laser devices 26 according to the invention are shown enlarged.
  • the combustion chamber 15 facing the end of the ignition laser 26 is shown.
  • the combustion chamber 14 (see FIG. 1 a) facing surface of the combustion chamber window 58 is provided with the reference numeral 60 in FIG.
  • the housing 38 is formed in two parts.
  • an inner part 62 is screwed to an outer part 64 of the housing 38.
  • the combustion chamber window 58 is sealingly clamped. Any additional required sealing elements are not shown in Figure 2. Since the outer part 64 and inner part 62 can be connected to one another by a thread 68, the contact pressure with which the combustion chamber window 58 is clamped between the inner part 62 and the shoulder 66 of the outer part 64 can be adjusted by a corresponding tightening torque. For welding or solder joints this is
  • the outer part 64 and the housing 38 have an external thread 70, which serves the ignition laser 26 in a cylinder head, not shown a
  • the external thread 70 does not lead to an end face 72 of the housing 38, but to let it end at a distance L in front of the end face 72.
  • the cross section of the housing 38, in particular of the outer part 64 is reduced in this area and thus the heat flow from the end face 72 into the combustion chamber facing away from the areas of the housing 38 is reduced.
  • the combustion chamber window 58 and, in particular, the surface 60 of the combustion chamber window 58 facing the combustion chamber heat up faster and thus the burnup temperature of 400 ° is reached faster.
  • a further constructive feature according to the invention for controlling or increasing the surface temperature of the combustion chamber window 58 is shown.
  • a heat conducting ring 74 is formed, which may be formed either integrally with the outer part 64 of the housing 38 or as a separate component made of a good thermal conductivity material, such as nickel or copper.
  • the heat conducting ring 74 for example, by soldering or welding to the housing 38 cohesively and thus good thermal conductivity to connect.
  • the skilletleitring 74 has effectively the task of a cooling fin, wherein he inventively heat from the combustion chamber in the housing 38 and thus also in the combustion chamber window 58 to initiate. It goes without saying that, due to the geometry and the dimensions of the heat conduction ring, further parameters for influencing the surface temperature or the operating temperature of the combustion chamber window are present. In principle, a large heat-transferring surface between heat-conducting ring 74 and the surrounding combustion air and the exhaust gases in the combustion chamber leads to increased heat transfer. A large mass or a large volume of politiciansleitrings leads to increased thermal inertia. These parameters can be used, on the one hand to allow rapid heating and on the other hand to achieve a certain thermal inertia, so that the maximum permissible surface temperature of the combustion chamber window 58 is not reached or exceeded under all operating conditions.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of an ignition laser according to the invention
  • intermediate rings 76 and 78 are inserted between the housing 38 and the combustion chamber window.
  • These intermediate rings 76 and 78 consist of a poorly heat-conductive material, such as
  • Example mica However, all other materials which have poor thermal conductivity and sufficient temperature resistance are also suitable.
  • the first intermediate ring 76 and the second intermediate ring 78 can also be used individually, depending on the extent to which the heat conduction or heat dissipation within the ignition laser 26 is to be controlled.
  • the heat removal from the combustion chamber window into the inner part 62 can be controlled within wide limits.
  • Outer part 64 is inserted, the heat transfer from the housing 38 is reduced in the combustion chamber window 58.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of an ignition laser 26 according to the invention.
  • the combustion chamber window 58 is constructed from two different materials. Concentric or coaxial with an optical axis 80 of the Ignition laser 26, the combustion chamber window 50 is made of a first material with optimized optical properties. This first area is provided with the reference number 82 in FIG.
  • the combustion chamber window 58 may be made of a crystalline sapphire (Al 2 O 3 ). Crystalline sapphire has a relatively high thermal conductivity of about 40 W / mK
  • the combustion chamber window 58 is made of another transparent material such as quartz, YAG or zirconium oxide.
  • quartz, YAG or zirconium oxide The materials mentioned are given by way of example and are not meant to be exhaustive. All these materials have in common that they have a significantly lower thermal conductivity than crystalline sapphire. Therefore, it is possible by the inventive design of the combustion chamber window 58 of two different materials to control the heat dissipation or the heat input into the combustion chamber window 58 within wide limits.
  • Ignition laser 26 can be adjusted by combining individual or several inventive features with respect to the operating temperature and the heating rate of the combustion chamber window 58 in a wide range of operating conditions.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zündlaser (26), umfassend einen laseraktiven Festkörper (44), ein Gehäuse (38) und ein Brennraumfenster (58), wobei der Wärmewert des Zündlasers (26) auf einfache Weise entsprechend den Anforderungen der Brennkraftmaschine einstellbar ist.

Description

Beschreibung
Titel Laserzündeinrichtung
Stand der Technik
Aus der WO 2005/066488 A1 ist eine sogenannte Laserzündung bekannt. Diese Laserzündung umfasst einen Zündlaser, der in den Brennraum einer Brennkraftmaschine hineinragt. Dieser Zündlaser ist über einen Lichtleiter mit einer Pumplichtquelle verbunden.
An einem dem Brennraum zugewandten Ende des Zündlasers ist ein sogenanntes Brennraumfenster vorhanden, welches transmissiv für die im Zündlaser erzeugten Laserimpulse ist. Die Laserwellenlänge liegt zwischen 500 nm und 1500 nm, vorzugsweise zwischen 900 nm und 1100 nm. Dieses Brennraumfenster muss dichtend in einem Gehäuse des Zündlasers aufgenommen werden. Dabei werden an die Abdichtung zwischen Brennraumfenster und Gehäuse hohe Anforderungen gestellt, weil während des Betriebs bspw. in einer Brennkraftmaschine Oberflächentemperaturen von über 600° C an dem Brennraumfenster auftreten können. Zusätzlich kommen noch intermittierende Druckbelastungen von über 250 bar hinzu. Wenn ein Zündlaser zum Zünden einer Gasturbine eingesetzt wird, herrschen im Brennraum der Gasturbine zwar geringere Drücke, allerdings kann die Oberfläche des Brennraumfensters Temperaturen von bis zu 1.000° C erreichen.
Damit die Laserzündung störungsfrei arbeitet, muss das Brennraumfenster über die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine durchlässig für die Laserstrahlen sein. Allerdings können sich während des Betriebs Ablagerungen auf dem Brennraumfenster niederschlagen, so dass die erforderliche optische Transparenz des Brennraumfensters verloren geht. Um diese Ablagerungen zu verhindern, ist der Zündlaser so auszulegen, dass die Betriebstemperatur an der dem Brennraum zugewandten Oberfläche des Brennraumfensters hoch genug ist, um Ablagerungen, vor allem organischer Art, abzubrennen beziehungsweise zu oxidieren.
Allerdings darf die Oberflächentemperatur des Brennraumfensters nicht so hoch werden, dass es zu Selbstentzündungen des Kraftstoff-Luft-Gemisches an der
Oberfläche des Brennraumfensters oder der Bildung von Ablagerungen, insbesondere Ölaschen auf dem Brennraumfenster kommen kann.
Aus der DE 198 10 750 A1 ist ein Zündlaser bekannt, bei dem die Temperatur des Brennraumfensters durch eine Erhöhung der Wärmeabfuhr in den Fuß des Zündlasers abgesenkt werden kann.
Im Ergebnis muss die Oberflächentemperatur des Brennraumfensters im gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors oberhalb der Abbrandtemperatur für organische Beläge, die bei etwa 4000C liegt, und unterhalb einer Temperatur von
6000C, ab der ein Wachstum von kristallinen Phosphaten aus den Ölaschen bekannt ist, gehalten werden. Dies bedeutet, dass ein Temperaturbereich zwischen 420°C bis 5500C an der Oberfläche des Brennraumfensters dauerhaft erreicht werden soll.
Da mindestens beim Kaltstart der Brennkraftmaschine dieser genannte
Temperaturbereich nicht eingehalten werden kann, ist eine schnelle Aufheizung des Zündlasers beziehungsweise des Brennraumfensters erwünscht. Gleichzeitig muss im stabilen Betrieb der Brennkraftmaschine die Wärme aus dem Zündlaser ausreichend abgeführt werden, um Übertemperaturen zu vermeiden.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zündlaser bereitzustellen, der insbesondere eine rasche Aufheizung des Zündlasers beziehungsweise des zugehörigen Brennraumfensters auf die erforderliche Temperatur von 4000C ermöglicht, damit möglichst rasch nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine die Abbrandtemperatur für organische Beläge erreicht wird und somit diese Beläge sich nicht auf dem Brennraumfenster dauerhaft niederschlagen können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem gattungsgemäßen Zündlaser dadurch gelöst, dass Mittel zur Beeinflussung der Wärmeleitung vorgesehen, die eine Einstellung des Wärmetransport vom Brennraum über das Gehäuse des Zündlasers zum Brennraumfenster erlauben, so dass für alle Anwendungsfälle ein rasches Aufheizen des Brennraumfensters erreicht wird.
Dabei können die Mittel zur Beeinflussung der Wärmeleitung an einem dem
Brennraum zugewandten Ende des Gehäuses ein Wärmeleitelement, insbesondere ein Wärmeleitring aus einem gut wärmeleitenden Material, insbesondere aus Nickel und/oder vernickeltem Kupfer, umfassen. Dieses Wärmeleitelement kann entweder einstückig mit dem Gehäuse des Zündlasers ausgebildet sein oder es kann aus einem anderen Material als das Gehäuse des Zündlasers bestehen und mit diesem, beispielsweise durch Löten oder Schweißen, gut wärmeleitend verbunden werden. Als geeignete Materialien für ein solches Wärmeleitelement haben sich Nickel oder Kupfer bewährt, da sie über eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit verfügen. Das erfindungsgemäße Wärmeleitelement funktioniert ähnlich wie eine Kühlrippe, da durch die vergrößerte Oberfläche des Wärmeleitelements die Wärmeaufnahme aus den heißen Rauchgasen und die Einleitung dieser Wärme in das Gehäuse des Zündlasers beschleunigt und verbessert wird.
Dabei können die Mittel zur Beeinflussung der Wärmeleitung bei einem Zündlaser an dessen Gehäuse ein Außengewinde ausgebildet ist, darin bestehen, dass das
Außengewinde in einem Abstand von einem dem Brennraum zugewandten Ende des Zündlasers endet. Wenn nämlich das Außengewinde, welches in aller Regel dazu dient, den Zündlaser in den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine einzuschrauben, nicht bis ans Ende des Zündlasers geführt wird, dann wird die Wärmeabfuhr aus dem Brennraum zugewandten Ende des Zündlasers verringert und somit die Aufheizung des Zündlasers beschleunigt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem Gehäuse und dem Brennraumfenster mindestens ein Zwischenelement, insbesondere einringförmiges Zwischenelement, aus einem schlecht wärmeleitenden
Material, bevorzugt aus Glimmer, vorgesehen ist. Dieses Zwischenelement dient dazu, die Wärmeabfuhr aus dem Brennraumfenster zu verringern und dadurch die Aufheizung des Brennraumfensters zu beschleunigen beziehungsweise die stationäre Oberflächentemperatur des Brennraumfensters zu erhöhen. Die Zwischenelemente können als kreisringförmige Scheibe ausgebildet sein und in axialer Richtung vor beziehungsweise hinter auf einer oder beiden Seiten des Brennraumfensters zwischen dem Gehäuse und dem Brennraumfenster vorgesehen werden. Wenn beispielsweise nur ein Zwischenelement vorgesehen ist und dieses Zwischenelement auf der dem Brennraum abgewandten Kontaktfläche zwischen dem
Brennraumfenster und dem Gehäuse angeordnet ist, wird dadurch die Ableitung von Wärme aus dem Brennraumfenster in den Fuß des Gehäuses verringert und infolgedessen die Aufheizung beschleunigt.
Des Weiteren ist es aber auch möglich, auf der dem Brennraum zugewandten
Kontaktfläche zwischen Brennraumfenster und dem Gehäuse ein solches Zwischenelement vorzusehen. Dadurch wird die Wärmeeinleitung aus der Stirnseite des Gehäuses in das Brennraumfenster verringert, so dass auch auf diese Weise die Aufheizgeschwindigkeit beziehungsweise die stationäre Oberflächentemperatur des Brennraumfensters beeinflusst und den Anforderungen des Einzelfalls entsprechend, angepasst werden kann.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls dadurch gelöst, dass das Brennraumfenster aus zwei verschiedenen Materialien besteht. Selbstverständlich muss das Brennraumfenster transparent beziehungsweise transmissiv für Licht mit der
Wellenlänge des Zündlasers sein, damit der Laserimpuls aus dem Inneren des Zündlasers in den Brennraum gelangen kann. Ein besonders geeignetes Material für die Fokussierung des Laserimpulses ist kristalliner Saphir, der allerdings eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit von cirka 40 W/mK bei Raumtemperatur hat.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, in dem unmittelbar an die optische Achse des Zündlasers anschließenden Bereiche des Brennraumfensters als Material für das Brennraumfenster kristallinen Saphir vorzusehen und die radial außenliegenden Bereiche des Brennraumfensters aus einem anderen Werkstoff herzustellen, der eine geringere Wärmeleitfähigkeit hat. Das Brennraumfenster wird also erfindungsgemäß aus einem zentralen Bereich mit optimalen optischen Eigenschaften und einem radial äußeren Bereich hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit optimierten ringförmigen Bereich gebildet. Geeignete Werkstoffe für den zweiten, äußeren Bereich des Brennraumfensters sind zum Beispiel Quarzglas, das eine Wärmeleitfähigkeit von nur etwa 4 W/mK bei Raumtemperatur hat, YAG, mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 14
W/mK bei Raumtemperatur oder Zirkonoxid mit etwa 10,5 W/mK bei Raumtemperatur. Schon der Vergleich der Wärmeleitfähigkeit der genannten Werkstoffe macht deutlich, dass durch ein Brennraumfenster, welches aus zwei verschiedenen Werkstoffen besteht, die Wärmeabfuhr aus dem Brennraumfenster in sehr weiteren Grenzen gesteuert werden kann, so dass auch hier durch geeignete Dimensionierung und
Kombination der genannten Werkstoffe die Oberflächentemperatur des Brennraumfensters auf die gewünschten Werte eingestellt werden kann und gleichzeitig eine sehr rasche Aufheizung des Brennraumfensters auf Temperaturen oberhalb 4000C erreicht werden kann.
Es versteht sich von selbst, dass die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche einzeln bei einem erfindungsgemäßen Zündlaser eingesetzt werden können. Es ist jedoch auch ohne Weiteres möglich, mehrere dieser Merkmale miteinander zu kombinieren. So ist es beispielsweise ohne Weiteres möglich und in Figur 2 dargestellt, einen Wärmeleitring vorzusehen und gleichzeitig das Außengewinde des Gehäuses 38 des Zündlasers nicht bis an die Stirnseite des Zündlasers zu führen.
Entsprechendes gilt auch für die Zwischenelemente zwischen Brennraumfenster 58 und dem Gehäuse beziehungsweise dem einen Brennraumfenster, welches aus zwei verschiedenen Materialien zusammengesetzt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft erläutert. Es zeigen:
Figur 1 a eine schematische Darstellung einer laserbasierten Zündeinrichtung in einer Brennkraftmaschine;
Figur 1 b eine schematische und detaillierte Darstellung der Zündeinrichtung aus
Figur 1 ; und
Figuren 2 bis 4 Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Zündlaser. Detaillierte Beschreibung
Anhand der Figuren wird die erfindungsgemäße Zündeinrichtung beispielhaft in einer Brennkraftmaschine erläutert. Der Zündlaser kann jedoch auch in einer Gasturbine implementiert sein.
Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur 1a insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie kann zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs dienen oder als Gasmotor zur Stromerzeugung eingesetzt werden. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst üblicherweise mehrere Zylinder, von denen in Figur 1 a 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 durch einen Injektor 18, der an einen auch als Rail bezeichneten Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen ist. Alternativ kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch auch außerhalb des Brennraums 14, zum Beispiel im
Saugrohr, gebildet werden.
Das im Brennraum 14 vorhandene Kraftstoff-Luft-Gemisch 22 wird mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der von einer einen Zündlaser 26 umfassenden Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird der Zündlaser
26 über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit einem Pumplicht gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einem Steuergerät 32 gesteuert, das auch den Injektor 18 ansteuert.
Wie aus Figur 1 b hervorgeht, speist die Pumplichtquelle 30 mehrere
Lichtleitereinrichtungen 28 für verschiedene Zündlaser 26, die jeweils einem Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 10 zugeordnet sind. Hierzu weist die Pumplichtquelle 30 mehrere einzelne Laserlichtquellen 34 auf, die mit einer Pulsstromversorgung 36 verbunden sind. Durch das Vorhandensein der mehreren einzelnen Laserlichtquellen 34 ist gleichsam eine „ruhende" Verteilung von Pumplicht an die verschiedenen
Lasereinrichtungen 26 realisiert, so dass keine optischen Verteiler oder dergleichen zwischen der Pumplichtquelle 30 und den Zündlasern 26 erforderlich sind.
Der Zündlaser 26 weist einen laseraktiven Festkörper 44 mit einer passiven Güteschaltung 46 auf, die zusammen mit einem Einkoppelspiegel 42 und einem
Auskoppelspiegel 48 einen optischen Resonator bildet. Unter Beaufschlagung mit von der Pumplichtquelle 30 erzeugtem Pumplicht erzeugt der Zündlaser 26 in an sich bekannter Weise einen Laserimpuls 24, der durch eine Fokussieroptik 52 auf einen in dem Brennraum 14 (Figur 1 a) befindlichen Zündpunkt ZP fokussiert ist. Die in dem Gehäuse 38 des Zündlasers 26 vorhandenen Komponenten sind durch ein scheibenförmiges Brennraumfenster 58 von dem Brennraum 14 getrennt. Das
Brennraumfenster 58 kann quadratisch oder bevorzugt rund ausgeführt sein.
In den Figuren 2 bis 4 werden unterschiedliche erfindungsgemäße Ausführungsformen von Lasereinrichtungen 26 vergrößert dargestellt. Dabei ist vor allem das dem Brennraum 15 zugewandte Ende des Zündlasers 26 dargestellt.
Die dem Brennraum 14 (siehe Figur 1a) zugewandte Oberfläche des Brennraumfensters 58 ist in Figur 2 mit dem Bezugszeichen 60 versehen.
Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 38 zweiteilig ausgebildet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Innenteil 62 mit einem Außenteil 64 des Gehäuses 38 verschraubt. Es sind auch andere Verbindungen möglich, insbesondere stoffschlüssige Verbindungen durch Löten oder Schweißen. Zwischen einer Stirnseite (ohne Bezugszeichen) des Innenteils und einem Absatz 66 des Außenteils 64 ist das Brennraumfenster 58 dichtend eingespannt. Eventuell erforderliche zusätzliche Dichtelemente sind in Figur 2 nicht dargestellt. Da Außenteil 64 und Innenteil 62 durch ein Gewinde 68 miteinander verbunden werden können, kann durch ein entsprechendes Anzugsmoment die Anpresskraft mit der das Brennraumfenster 58 zwischen Innenteil 62 und dem Absatz 66 des Außenteils 64 eingespannt wird, eingestellt werden. Bei Schweiß- oder Lötverbindungen ist diese
Anpresskraft durch eine geeignete Prozessführung, zum Beispiel durch mechanisches Pressen während des Fügevorgangs, zu realisieren.
Der Außenteil 64 beziehungsweise das Gehäuse 38 weisen ein Außengewinde 70 auf, das dazu dient, den Zündlaser 26 in einen nicht dargestellten Zylinderkopf einer
Brennkraftmaschine beispielsweise einzuschrauben.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, das Außengewinde 70 nicht bis an eine Stirnseite 72 des Gehäuses 38 zu führen, sondern es in einem Abstand L vor der Stirnseite 72 enden zu lassen. Dies bedeutet, dass der Durchmesser des Gehäuses 38 in dem Bereich zwischen dem Ende des Außengewindes 17 und der Stirnseite 72 des Gehäuses kleiner ist als der Kernlochdurchmesser des Außengewindes 70. Infolgedessen wird der Querschnitt des Gehäuses 38, insbesondere des Außenteils 64, in diesem Bereich verringert und somit der Wärmestrom von der Stirnseite 72 in die dem Brennraum abgewandten Bereiche des Gehäuses 38 reduziert. Dies führt dazu, dass sich bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine sich das Brennraumfenster 58 und insbesondere die dem Brennraum zugewandte Oberfläche 60 des Brennraumfensters 58 schneller aufheizen und somit die Abbrandtemperatur von 400° schneller erreicht wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist ein weiteres erfindungsgemäßes konstruktives Merkmal zur Steuerung beziehungsweise Erhöhung der Oberflächentemperatur des Brennraumfensters 58 dargestellt. An der Stirnseite 72 ist nämlich ein Wärmeleitring 74 ausgebildet, der entweder einstückig mit dem Außenteil 64 des Gehäuses 38 ausgebildet sein kann oder als separates Bauteil aus einem gut wärmeleitfähigen Material, wie beispielsweise Nickel oder Kupfer, hergestellt sein kann. In diesem Fall empfiehlt es sich, den Wärmeleitring 74 zum Beispiel durch Löten oder Schweißen mit dem Gehäuse 38 stoffschlüssig und somit gut wärmeleitend zu verbinden.
Der Wärmeleitring 74 hat gewissermaßen die Aufgabe einer Kühlrippe, wobei er erfindungsgemäß Wärme aus dem Brennraum in das Gehäuse 38 und damit auch in das Brennraumfenster 58 einleiten soll. Es versteht sich von selbst, dass durch die Geometrie und die Abmessungen des Wärmeleitrings weitere Parameter zur Beeinflussung der Oberflächentemperatur beziehungsweise der Betriebstemperatur des Brennraumfensters vorhanden sind. Grundsätzlich gilt, dass eine große wärmeübertragende Oberfläche zwischen Wärmeleitring 74 und der umgebenden Brennluft und den Abgasen im Brennraum zu einer erhöhten Wärmeübertragung führt. Eine große Masse beziehungsweise ein großes Volumen des Wärmeleitrings führt zu einer erhöhten thermischen Trägheit. Diese Parameter können eingesetzt werden, um einerseits ein rasches Aufheizen zu ermöglichen und andererseits eine gewisse thermische Trägheit zu erreichen, so dass unter allen Betriebszuständen die höchst zulässige Oberflächentemperatur des Brennraumfensters 58 nicht erreicht beziehungsweise überschritten wird.
Es versteht sich von selbst, dass die beiden erfindungsgemäßen Merkmale, nämlich dass der Wärmeleitring 74 und das nicht bis an die Stirnseite 72 ausgebildete Außengewinde 70 auch einzeln an einem Zündlaser 26 ausgebildet werden können. Es ist nicht erforderlich, diese beiden Merkmale zusammen an einem Zündlaser 26 zu realisieren.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zündlasers
26 dargestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwischen dem Gehäuse 38 und dem Brennraumfenster 58 Zwischenringe 76 und 78 eingelegt. Diese Zwischenringe 76 beziehungsweise 78 bestehen aus einem schlecht wärmeleitenden Material, wie zum
Beispiel Glimmer. Allerdings sind auch alle anderen Materialien, die eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und ausreichende Temperaturbeständigkeit haben, geeignet. Der erste Zwischenring 76 und der zweite Zwischenring 78 können auch einzeln eingesetzt werden, je nachdem in welchem Umfang die Wärmeleitung beziehungsweise die Wärmeabfuhr innerhalb des Zündlasers 26 gesteuert werden soll.
Wenn beispielsweise nur der erste Zwischenring 76 zwischen dem Innenteil 62 und dem Brennraumfenster 58 eingelegt wird, wird die Wärmeleitung vom Brennraumfenster 58 in das Innenteil 62 reduziert, so dass die Temperatur des laseraktiven Festkörpers 44 reduziert wird. Gleichzeitig erhöht sich die
Betriebstemperatur des Brennraumfensters 58.
Durch die Dicke des ersten Zwischenrings 76 kann die Wärmeabfuhr aus dem Brennraumfenster in das Innenteil 62 in weiten Grenzen gesteuert werden. Wenn der zweite Zwischenring 78 zwischen dem Brennraumfenster 58 und dem Absatz 66 des
Außenteils 64 eingelegt wird, wird die Wärmeübertragung von dem Gehäuse 38 in das Brennraumfenster 58 verringert.
Somit kann durch das Anbringen des ersten Zwischenrings 76 und/oder des zweiten Zwischenrings 78 die Betriebstemperatur des Brennraumfensters 58 und die
Geschwindigkeit, mit der das Brennraumfenster 58 sich erwärmt, bei einem Kaltstart in weiten Grenzen gesteuert werden.
In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zündlasers 26 dargestellt. Dabei ist das Brennraumfenster 58 aus zwei verschiedenen Materialien aufgebaut. Konzentrisch beziehungsweise koaxial zu einer optischen Achse 80 des Zündlasers 26 ist das Brennraumfenster 50 aus einem ersten Material mit optimierten optischen Eigenschaften hergestellt. Dieser erste Bereich ist in Figur 4 mit dem Bezugszeichen 82 versehen. Beispielsweise kann in diesem ersten Bereich 82 das Brennraumfenster 58 aus einem kristallinen Saphir (AI2O3) hergestellt werden. Kristalliner Saphir hat eine relative hohe Wärmeleitfähigkeit von cirka 40 W/mK bei
Raumtemperatur.
In einem radial äußeren zweiten Bereich 84 ist das Brennraumfenster 58 aus einem anderen transparenten Material wie zum Beispiel Quarz, YAG oder Zirkonoxid hergestellt. Die genannten Materialen sind beispielhaft genannt und nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen. Allen diesen Materialien ist gemeinsam, dass sie eine deutlich niedrigere Wärmeleitfähigkeit als kristalliner Saphir haben. Daher ist es durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Brennraumfensters 58 aus zwei verschiedenen Materialien möglich, die Wärmeableitung beziehungsweise die Wärmeeinleitung in das Brennraumfenster 58 in weiten Grenzen zu steuern.
Um beispielsweise ein solches Brennraumfenster herzustellen, ist es möglich, auf ein Saphirfenster einen Quarzring mit geringerer Wärmeleitfähigkeit aufzuschmelzen. Es ist naturgemäß auch möglich, andere Werkstoffe miteinander zu kombinieren. Im Zusammenhang mit der Erfindung umfasst der allgemeine Begriff „Quarz" auf jeden
Fall Quarzglas, fused silica, sowie SiO2 in amorpher Form.
Allen Ausführungsformen, die exemplarisch anhand der Figuren 2 bis 4 dargestellt und erläutert worden sind, ist gemeinsam, dass sie einzeln oder in beliebiger Kombination in einem Zündlaser 26 realisiert werden können. Dadurch kann ein in Serie gefertigter
Zündlaser 26 durch Kombination einzelner oder mehrerer erfindungsgemäßer Merkmale bezüglich der Betriebstemperatur und der Aufheizgeschwindigkeit des Brennraumfensters 58 in weiten Bereichen an die Einsatzbedingungen angepasst werden.

Claims

Ansprüche
1. Zündlaser für eine Laserzündeinrichtung (27) einer Brennkraftmaschine, mit einem laseraktiven Festkörper (44), mit einem Brennraumfenster (58) und mit einem Gehäuse (38), dadurch gekennzeichnet, dass an einem dem
Brennraum (14) zugewandten Ende des Gehäuses (38) Mittel zur Beeinflussung der Wärmeleitung ausgebildet sind.
2. Zündlaser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Beeinflussung der Wärmeleitung ein Wärmeleitelement, insbesondere einen Wärmeleitring (74), aus einem gut wärmeleitenden Material, insbesondere aus Nickel (Ni) und/oder vernickeltem Kupfer (Cu), umfassen.
3. Zündlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gehäuse (38) ein Außengewinde (70) ausgebildet ist, und dass das Außengewinde (70) in einem Abstand (L) von einem dem Brennraum (14) zugewandten Ende des Zündlasers (26) endet.
4. Zündlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Beeinflussung der Wärmeleitung mindestens ein Zwischenelement, insbesondere ringförmiges Zwischenelement (76, 78), zwischen dem Gehäuse (38) und dem Brennraumfenster (58) aus einem schlecht wärmeleitenden Material, insbesondere aus Glimmer, umfassen.
5. Zündlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster (58) aus zwei verschiedenen Materialien besteht.
6. Zündlaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das
Brennraumfenster (58) in einem direkt um eine optische Achse (80) des Zündlasers (26) herum angeordneten ersten Bereich (82) aus einem transparenten Material mit optimierten optischen Eigenschaften besteht, und dass das Brennraumfenster (58) in einem radial äußeren zweiten Bereich (84) aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht.
7. Zündlaser nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster (58) in dem ersten Bereich (82) aus kristallinem Saphir (AI2O3) und/oder in dem zweiten Bereich (84) aus Quarzglas, YAG oder
Zirkonoxid besteht.
8. Zündlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (38) zweiteilig mit einer äußeren Gehäusewand (70) und einer inneren Gehäusewand (72) ausgebildet ist.
9. Zündlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der laseraktive Festkörper (44) eine passive Güteschaltung (46), einen Einkoppelspiegel (42) und/oder einen Auskoppelspiegel (48) umfasst.
10. Laserzündeinrichtung (27) umfassend eine Steuereinrichtung (32), einen Zündlaser (26), eine Lichtleitereinrichtung (28), die mit einem Pumplicht aus einer Pumplichtquelle (30) gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündlaser (26) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
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