EP2454469A2 - Laserzündkerze für brennkraftmaschine - Google Patents

Laserzündkerze für brennkraftmaschine

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Publication number
EP2454469A2
EP2454469A2 EP10770947A EP10770947A EP2454469A2 EP 2454469 A2 EP2454469 A2 EP 2454469A2 EP 10770947 A EP10770947 A EP 10770947A EP 10770947 A EP10770947 A EP 10770947A EP 2454469 A2 EP2454469 A2 EP 2454469A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spark plug
laser
projection
laser spark
combustion chamber
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Withdrawn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
EP10770947A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Friedrich Gruber
Markus Kraus
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Innio Jenbacher GmbH and Co OG
Original Assignee
GE Jenbacher GmbH and Co OHG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GE Jenbacher GmbH and Co OHG filed Critical GE Jenbacher GmbH and Co OHG
Publication of EP2454469A2 publication Critical patent/EP2454469A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays

Definitions

  • the invention relates to a laser spark plug, comprising a laser light generating device and a spark plug housing, at the brennraum workedem end a coupling optics for coupling laser light is arranged in the combustion chamber of an internal combustion engine, wherein the spark plug housing has a mounting region for fixing the laser spark plug in a cylinder head of the internal combustion engine.
  • the invention further relates to an arrangement comprising a laser spark plug of the aforementioned type and a cylinder head with a fixing region for the mounting region of the laser spark plug.
  • the invention relates to an internal combustion engine, in particular a gas engine, with such an arrangement.
  • Laser ignition is an ignition system that is in an intensive development phase and has fundamental advantages over conventional spark ignition.
  • the laser ignition which is referred to in this proposed invention, consists of a laser spark plug, in which only a few nanoseconds lasting laser light pulse is generated with sufficiently high energy, wherein emerging from eg a laser crystal laser light beams are bundled and focused on a suitable optics and over a translucent window, the so-called Einkoppeloptik or the combustion chamber window, are coupled into the combustion chamber at the combustion chamber end of the laser spark plug. At the focal point of the laser light beams, the plasma flash or spark is generated. Furthermore, the laser ignition system has an optical pump device, where a quasi-continuous laser light of suitable wavelength is generated, which is guided via a fiber optic cable to the laser crystal in the laser spark plug and activated with this, until the laser pulse triggers.
  • the temperature of the laser spark plug is kept as low as possible at the installation location of the laser crystal.
  • the components bounding the combustion chamber are subject to high thermal loads, often with long plug wells in which the spark plugs are installed, and where the wall temperatures are already around 90 ° C.
  • the laser crystal should not have a higher temperature than max. 130 ° C occur.
  • the object of the present invention is therefore to provide devices of the type mentioned in the introduction in which these disadvantages are reduced, ie. in which there are no temperature problems in the area of the laser light generating device, usually a laser crystal.
  • a projection is arranged at the combustion chamber end of the spark plug housing, in which the coupling optics is located, wherein the outer diameter of the projection in the region of the coupling optics is smaller than the outer diameter of the spark plug housing in the mounting region.
  • the invention is based on the knowledge of keeping the heat radiation on the laser spark plug from the combustion chamber as low as possible and to dissipate the heat from the spark plug housing over as large a heat-dissipating contact surface to the cylinder head wall.
  • the combustion chamber window in an area, namely the projection, which has a smaller outer diameter than the fastening area, less heat is absorbed by the spark plug since the projection in the area of the coupling optics has a smaller area exposed to the combustion chamber .
  • more heat can be dissipated over the thicker area of the attachment.
  • the proposed solution is further based on the new knowledge that only a relatively small light passage element (coupling optics) is required at the combustion chamber window.
  • the light cone may have a diameter of less than 5 mm, but preferably about 3 mm, on the combustion chamber-side surface of the coupling-in optical system. Together with the attachment the Einkoppeloptik in the spark plug housing is thus a total outer diameter at the combustion chamber end of the laser spark plug of not more than about 8 mm required. Furthermore, it has been shown in the attempts to optimize the laser ignition that the highest possible numerical aperture of the focusing optics, ie the largest possible opening angle of the light cone with the focus should be sought as a cone point.
  • the fastening region comprises an external thread, that is to say that the spark plug can be fastened with a thread in the cylinder head, the projection being arranged in the direction of the combustion chamber towards the external thread.
  • the protrusion may, for example (at least in some areas), have the shape of a straight circular cylinder, the outer diameter of which is then smaller than the outer diameter in the fastening area, preferably the outer thread.
  • the projection may (at least partially) have the shape of a truncated cone.
  • the cylinder head is shaped so that the truncated cone fits tightly into the receiving area of the cylinder head for the spark plug.
  • the ratio of outer diameter in the attachment region D2 to the smallest outer diameter D1 in the region of the projection is between 1, 5 and 2.5.
  • the ratio of the length of the projection to the smallest outer diameter in the region of the projection is between 0.8 and 1.2.
  • the smallest outer diameter in the region of the projection is between 7 mm and 10 mm.
  • protection is also sought for an arrangement comprising a laser spark plug of the aforementioned type and a cylinder head with a fixing region for the fastening region of the laser spark plug.
  • the fixing region comprises an internal thread which corresponds to the external thread of the laser spark plug.
  • the cylinder head has a receiving region for the laser spark plug, which is formed so that the combustion chamber-side end of the projection with the wall of the combustion chamber is substantially flush.
  • the projection is at least partially arranged tightly seated in the cylinder head.
  • a sealing element is arranged which has a higher thermal conductivity than the spark plug housing, which is arranged heat-conducting between the cylinder head and spark plug housing.
  • a sealing element to be arranged along the longitudinal axis in the direction of the combustion chamber after the fixing region, which has a higher thermal conductivity than the spark plug housing, which is arranged in heat-conducting fashion between the cylinder head and the spark plug housing.
  • a cooling channel may be provided which at least partially surrounds the fixation region. It can also be provided that this cooling channel also surrounds the projection at least partially.
  • the proposed solution according to the invention provides that the laser spark plug has a projection, for example a cylindrical and / or frusto-conical projection, which forms the end of the spark plug of the laser spark plug.
  • a widening connects which can serve as a sealing seat surface, as well as for heat dissipation.
  • This sealing seat can either be a flat sealing seat or a conical seat.
  • the fastening region preferably an external thread, which serves for fastening or screwing in the laser spark plug into the internal combustion engine, adjoins this sealing seat.
  • the attachment area or the external thread of the laser spark plug closes upwards, e.g. with a Einschraubansatz, for example, a hexagon from.
  • a very soft elastic support ring made of very good heat conducting material.
  • the laser spark plug could also be designed so that below the mounting area only heat dissipation by a sealing element in the form of e.g. a soft elastic bearing ring and above the threaded part a sealing element as a sealing seat (with a corresponding seal between Auffage Structure and Kerzengeophuseabsatz) takes place.
  • a sealing element in the form of e.g. a soft elastic bearing ring and above the threaded part a sealing element as a sealing seat (with a corresponding seal between Auffage Structure and Kerzengekoruseabsatz) takes place.
  • the advantage of the solution with a sealing fit between the fastening part and the coupling optics is the better sealing effect due to the smaller sealing seat surface, such as e.g. in the case of Falchdichtung, or by the larger heat dissipation surface with a correspondingly favorable surface pressure when using a conical seat.
  • the invention relates to an internal combustion engine, in particular a gas engine, with an arrangement of the aforementioned type.
  • This gas engine is preferably an Otto engine operated engine with at least one Hubkolben- / cylinder assembly. But most of them are multi-cylinder internal combustion engines.
  • FIG. 4 shows a simplified example of a laser spark plug according to FIG. 3, FIG.
  • Fig. 5 shows the temperature profile in the operating state in the laser spark plug of Fig. 3 and
  • Fig. 6 shows a last example of a laser spark plug.
  • a laser spark plug according to the prior art is shown schematically.
  • This comprises a spark plug housing 1, which extends along the longitudinal axis of the laser spark plug a.
  • the coupling optics 10 also called combustion chamber window - arranged.
  • the coupling optics 10 is responsible for coupling the laser light generated by a laser light generating device 2 into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the laser light generating device 2 is here in the form of a monolithic solid-state laser (laser crystal) and is fed by a pump light source, not shown.
  • a connection piece 15 for the introduction of the pumping light.
  • the coupling optics 10 is supported by the mounting area 7, i. surrounded by the external thread.
  • a screw neck 5 in the form of a hexagon is further provided, which attaches or loosens the laser spark plug with a tool for screwing such as e.g. allows an open-end wrench.
  • the laser spark plug comprises a spark plug housing 1 which extends along the longitudinal axis a and in which a Laser light generating device 2 is arranged.
  • the laser spark plug has along the longitudinal axis a a combustion-chamber-side end which extends into the combustion chamber 30 of an internal combustion engine when installed, and a connector-side end (not shown in detail in the image above; ), which serves to connect a pumping light source, on.
  • the coupling optics 10 is arranged, which is held positively in the spark plug housing 1.
  • a laser light generating device 2 which is designed as a monolithic solid-state laser (laser crystal).
  • the laser light generating device 2 generates laser light whose beam path 3 is shown.
  • the laser light is expanded in optical elements 4, so that a larger beam diameter is formed.
  • a focusing lens 8 focuses the laser light towards the coupling optics 10, which allows the light emission from the laser spark plug, and finally to the focal point 1 1 in the combustion chamber 30, where in the operating state of the spark is generated.
  • the spark plug housing 1 has a fastening region 7 in the form of an external thread, with which a detachable fastening is produced via the fixing region 7a to the cylinder head 17.
  • the fixing region 7a is designed as an internal thread 7a corresponding to the external thread 7.
  • a projection 31 in which the coupling optics 10 is arranged extends.
  • the coupling optics 10 is arranged in the projection 31, which adjoins the threaded region 7 on the combustion chamber side.
  • the projection 31 in this case has a frustoconical first region in which the spark plug housing rests tightly against the cylinder head 15 in a gate 9a.
  • At the truncated cone-shaped area still includes a circular cylindrical portion 16, in which the coupling optics 10 is held positively.
  • a sealing element 6 is arranged, which is designed as a soft elastic heat-dissipating bearing ring and rests against a flat sealing seat. It can clearly be seen that the outer diameter D2 in the threaded region 7 is greater than the maximum outer diameter D1 in the region of the projection 31 in the coupling-in optical system 10.
  • a cooling channel 8 surrounds both the threaded portion 7 and the projection 31 and dissipates heat via a cooling fluid (such as cooling water).
  • the receiving area in the cylinder head 17 for the laser spark plug is designed so that the laser spark plug can be introduced such that the combustion chamber-side end of the projection 31 is substantially flush with the wall of the combustion chamber 30.
  • Fig. 3 shows an embodiment which differs from the embodiment of Fig. 2 in the shape of the projection 31 and the sealing elements 9b.
  • the projection 16 is namely formed circular cylindrical over the entire length 16 wherein the outer diameter D1 is again significantly smaller than the outer diameter D2 in the threaded portion 7.
  • the tight-fitting truncated cone portion for heat dissipation is next to the sealing element 6 along the longitudinal axis a of the laser spark plug towards the combustion chamber 30 arranged a sealing element 9b even after the attachment area.
  • Fig. 4 shows an embodiment which differs from the embodiment of Fig. 3 in that no optical elements 4 are provided for expanding the laser beam diameter
  • FIG. 5 shows determined temperature values along the laser spark plug according to FIG. 3 in ° C.
  • high temperatures of about 200 ° C can by the inventive shape of the laser spark plug and the provision of sealing elements 6, 9b, which have a higher thermal conductivity than the spark plug housing 1, quickly and efficiently heat in Direction laser light generating device 2 (not shown here) are discharged. This prevents the laser light generating device 2 from premature wear.
  • FIG. 6 additionally shows a structure in which a separate spark plug receptacle consisting of an inner housing 19 and an outer housing 20 is provided. Between inner housing 19 and outer housing 20, a fluid can be introduced, which cools the laser spark plug with a cooling device. By means of a heater, however, the laser spark plug could also be heated, for example during commissioning, to get to operating temperature more quickly.
  • this example has one Prechamber 22 in which a fuel / air mixture is ignited, this ignited mixture then passes into the actual combustion chamber 30 and there causes the combustion of the fuel / air mixture.

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Abstract

Laserzündkerze, umfassend eine Laserlichterzeugungsvorrichtung (2) und ein Zündkerzengehäuse (1), an dessen brennraumseitigem Ende eine Einkoppeloptik (10) zum Einkoppeln von Laserlicht in den Brennraum (30) einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei das Zündkerzengehäuse (1) einen Befestigungsbereich (7) zur Befestigung der Laserzündkerze in einem Zylinderkopf (17) der Brennkraftmaschine aufweist, wobei am brennraumseitigen Ende des Zündkerzengehäuses (1) ein Vorsprung (31) angeordnet ist, in dem sich die Einkoppeloptik (10) befindet, wobei der Außendurchmesser (D1) des Vorsprungs (31) im Bereich der Einkoppeloptik (10) geringer ist als der Außendurchmesser (D2) des Zündkerzengehäuses (1) im Befestigungsbereich (7).

Description

Laserzündkerze für Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze, umfassend eine Laserlichterzeugungsvorrichtung und ein Zündkerzengehäuse, an dessen brennraumseitigem Ende eine Einkoppeloptik zum Einkoppeln von Laserlicht in den Brennraum einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei das Zündkerzengehäuse einen Befestigungsbereich zur Befestigung der Laserzündkerze in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine aufweist. Die Erfindung betrifft weiters eine Anordnung, umfassend eine Laserzündkerze der vorgenannten Art und einen Zylinderkopf mit einem Fixierungsbereich für den Befestigungsbereich der Laserzündkerze. Schließlich betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Gasmotor, mit einer solchen Anordnung. Die Laserzündung ist ein sich in einer intensiven Entwicklungsphase befindendes, Zündsystem, das gegenüber der herkömmlichen Funkenzündung grundlegende Vorteile aufweist. Einer dieser Vorteile ist das Fehlen des erosiven Verschleißen sowie der Heißkorrosion an den Zündkerzenelektroden, die bei der konventionellen elektrischen Funkenzündung, speziell bei den hohen Leistungsdichten moderner Gasmotoren zu verkürzten Kerzenstandzeiten und damit erheblichen Betriebskosten führen. Für die Laserzündung stellt die Erhöhung der Leistungsdichte des Motors, die zu den Hauptstoßrichtungen der Motorenentwicklung zählt, keine Erschwernis dar.
Die Laserzündung, auf die in diesem Erfindungsvorschlag Bezug genommen wird, besteht aus einer Laserzündkerze, in welcher der nur wenige Nanosekunden dauernde Laserlichtimpuls mit ausreichend hoher Energie erzeugt wird, wobei die aus z.B einem Laserkristall austretenden Laserlichtstrahlen über eine geeignete Optik gebündelt und fokussiert werden und über ein lichtdurchlässiges Fenster, der sogenannten Einkoppeloptik oder dem Brennraumfenster, am brennraumseitigen Ende der Laserzündkerze in den Brennraum eingekoppelt werden. Im Brennpunkt der Laserlichtstrahlen wird der Plasmafunke bzw. der Zündfunke erzeugt. Weiters weist das Laserzündsystem eine optische Pumpeinrichtung auf, wo ein quasikontinuierliches Laserlicht geeigneter Wellenlänge erzeugt wird, das über ein Glasfaserkabel zum Laserkristall in der Laserzündkerze geführt und mit dem dieser aktiviert wird, bis sich der Laserpuls auslöst. Zur Gewährleistung einer optimalen und zuverlässigen Funktionsweise des Laserkristalls mit den integrierten optischen Grenzflächen und Schaltern ist es entscheidend, dass die Temperatur der Laserzündkerze am Einbauort des Laserkristalls möglichst niedrig gehalten wird. Bei großen Hochleistungsgasmotoren sind die den Brennraum begrenzenden Bauteile thermisch sehr hoch belastet, dazu kommen oft lange Kerzenschächte in die die Zündkerzen eingebaut sind, und wo die Wandtemperaturen bereits ca. 90 °C betragen. Im Betrieb sollte am Laserkristall keine höhere Temperatur als max. 130 °C auftreten.
Dies ist mit den derzeit bekannten geometrischen Gestaltungen der Laserzündkerzen bei ungünstigen Randbedingungen nur schwer einhaltbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Einrichtungen der eingangs genannten Art bereit zu stellen, bei denen diese Nachteile vermindert sind, d.h. bei denen es zu keinen Temperaturproblemen im Bereich der Laserlichterzeugungsvorrichtung, meist ein Laserkristall, kommt.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem am brennraumseitigen Ende des Zündkerzengehäuses ein Vorsprung angeordnet ist, in dem sich die Einkoppeloptik befindet, wobei der Außendurchmesser des Vorsprungs im Bereich der Einkoppeloptik geringer ist als der Außendurchmesser des Zündkerzengehäuses im Befestigungsbereich.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, die Wärmeeinstrahlung auf die Laserzündkerze aus dem Brennraum möglichst gering zu halten und die Wärme aus dem Zündkerzengehäuse über eine möglichst große wärmeableitende Kontaktfläche zur Zylinderkopfwand abzuführen. Indem das Brennraumfenster in einem Bereich, nämlich dem Vorsprung, gehalten wird, der einen geringeren Außendurchmesser als der Befestigungsbereich aufweist, wird von der Zündkerze zum einen weniger Wärme aufgenommen, da der Vorsprung im Bereich der Einkoppeloptik eine geringere Fläche aufweist, die dem Brennraum exponiert ist. Zum anderen kann über den dickeren Bereich der Befestigung mehr Wärme abgeführt werden. Der Lösungsvorschlag geht weiters von der neuen Erkenntnis aus, dass am Brennraumfenster nur ein relativ kleines Licht-Durchtrittselement (Einkoppeloptik) benötigt wird. Der Lichtkegel kann an der brennraumseitigen Oberfläche der Einkoppeloptik einen Durchmesser von weniger als 5 mm, vorzugsweise aber etwa 3 mm aufweisen. Zusammen mit der Befestigung der Einkoppeloptik im Zündkerzengehäuse ist damit ein Gesamtaußendurchmesser am brennraumseitigen Ende der Laserzündkerze von nicht mehr als etwa 8 mm erforderlich. Weiters hat sich in den Versuchen zur Optimierung der Laserzündung gezeigt, dass eine möglichst hohe Numerische Apertur der Fokussieroptik, also ein möglichst großer Öffnungswinkel des Lichtkegels mit dem Fokus als Kegelspitze angestrebt werden sollte.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Befestigungsbereich ein Außengewinde umfasst, d.h., dass die Zündkerze mit einem Gewinde im Zylinderkopf befestigbar ist, wobei der Vorsprung in brennraumseitiger Richtung nach dem Außengewinde angeordnet ist.
Der Vorsprung kann beispielsweise (zumindest bereichsweise) die Form eines geraden Kreiszylinders aufweisen, wobei dessen Außendurchmesser dann kleiner ist, als der Außendurchmesser im Befestigungsbereich, vorzugsweise des Außengewindes.
Um die Laserzündkerze möglichst dichtsitzend zu gestalten, kann der Vorsprung (zumindest bereichsweise) die Form eines Kegelstumpfes aufweisen. Günstigerweise ist der Zylinderkopf so geformt, dass der Kegelstumpf dicht sitzend in Aufnahmebereich des Zylinderkopfes für die Zündkerze anliegt.
Weiters kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis von Außendurchmesser im Befestigungsbereich D2 zu geringstem Außendurchmesser D1 im Bereich des Vorsprungs zwischen 1 ,5 und 2,5 liegt.
Weiters kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis von Länge des Vorsprungs zu geringstem Außendurchmesser im Bereich des Vorsprungs zwischen 0,8 und 1 ,2 liegt.
Weiters kann vorgesehen sein, dass der geringste Außendurchmesser im Bereich des Vorsprungs zwischen 7 mm und 10 mm beträgt.
Im Rahmen der Erfindung wird auch Schutz für eine Anordnung, umfassend eine Laserzündkerze der vorgenannten Art und einen Zylinderkopf mit einem Fixierungsbereich für den Befestigungsbereich der Laserzündkerze, begehrt. Weiters ist bevorzugt vorgesehen, dass der Fixierungsbereich ein Innengewinde umfasst, das mit dem Außengewinde der Laserzündkerze korrespondiert. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass der Zylinderkopf einen Aufnahmebereich für die Laserzündkerze aufweist, der so ausgebildet ist, dass das brennraumseitige Ende des Vorsprungs mit der Wandung des Brennraums im Wesentlichen bündig abschließt.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Vorsprung wenigstens bereichsweise dicht sitzend im Zylinderkopf angeordnet ist. Weiters kann vorgesehen sein, dass der entlang der Längsachse in Richtung Brennraum vor dem Fixierungsbereich ein Dichtelement angeordnet ist, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Zündkerzengehäuse aufweist, das wärmeleitend zwischen Zylinderkopf und Zündkerzengehäuse angeordnet ist.
Schließlich kann vorgesehen sein, dass entlang der Längsachse in Richtung Brennraum nach dem Fixierungsbereich ein Dichtelement angeordnet ist, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Zündkerzengehäuse aufweist, das wärmeleitend zwischen Zylinderkopf und Zündkerzengehäuse angeordnet ist.
Zur noch besseren Wärmeabfuhr kann ein Kühlkanal vorgesehen sein, der den Fixierungsbereich wenigstens bereichsweise umgibt. Es kann auch vorgesehen sein, dass dieser Kühlkanal auch den Vorsprung wenigstens teilweise umgibt.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der erfindungsgemäße Lösungsvorschlag vorsieht, dass die Laserzündkerze einen Vorsprung, beispielsweise einen zylindrischen und/oder kegelstumpfförmigen Vorsprung, aufweist, der das brennraumseitige Endteil der Laserzündkerze bildet. An den Vorsprung schließt nach hinten eine Aufweitung an, die als Dichtsitzfläche, sowie zur Wärmeableitung dienen kann. Dieser Dichtsitz kann entweder ein Flachdichtsitz oder ein Kegeldichtsitz sein. An diesen Dichtsitz wiederum schließt der Befestigungsbereich, bevorzugt ein Außengewinde an, der zum Befestigen bzw. Einschrauben der Laserzündkerze in Brennkraftmaschine dient. Der Befestigungsbereich bzw. das Außengewinde der Laserzündkerze schließt nach oben z.B. mit einem Einschraubansatz, beispielsweise einem Sechskant, ab. Zur zusätzlichen Wärmeleitung kann an dieser Stelle ein sehr weichelastischer Auflagering aus sehr gut wärmeleitendem Material vorgesehen sein.
Alle genannten Merkmale dienen im Wesentlich dazu, dass die Wärmeeintragsfläche aus dem Brennraum aufgrund des kleinen brennraumseitigen Enddurchmessers der Laserzündkerze relativ gering ist und dass ein großer Teil der auf die Laserzündkerze übertragenen Wärme in die, vorzugsweise wassergekühlte, Zylinderkopfwand abführt wird. Optional vorgesehene, in sehr geringem Abstand zum brennraumseitigen Ende der Laserzündkerze angeordnete, wärmeableitende, vorzugsweise flächige, Dichtelemente und wärmeleitende Dichtelemente bspw. als Auflagering zwischen Einschraubansatz (z.B. Sechskant-Absatz) und Fixierbereich bzw. Zylinderkopfwand, ebenfalls großflächig, begünstigen die Wärmeabfuhr in die Zylinderwand.
So kann gewährleistet werden, dass die Wärme über einen sehr weiten und langen Laserzündkerzenbereich in die Zylinderkopfwand abgeführt wird, wobei mit abnehmender Temperatur der Zylinderwand in zunehmender Entfernung zur Brennraumoberfläche die Temperatur des Zündkerzengehäuses in gleicher Weise wie die Zylinderwand abnimmt, und nur eine geringe Überhöhung zur Motorkühlwassertemperatur an der Stelle der Auflagefläche aufweist.
Grundsätzlich könnte die Laserzündkerze auch so gestaltet werden, dass unterhalb des Befestigungsbereichs nur eine Wärmeableitung durch ein Dichtelement in Form z.B. eines weichelastischen Auflagerings und oberhalb des Gewindeteiles ein Dichtelement als Dichtsitz (mit entsprechender Dichtung zwischen Auffagefläche und Kerzengehäuseabsatz) erfolgt. Der Vorteil der Lösung mit einem Dichtsitz zwischen Befestigungsteil und Einkoppeloptik besteht jedoch in der besseren Dichtwirkung durch die kleinere Dichtsitzfläche, wie z.B. im Falle der Falchdichtung, bzw. durch die größere Wärmeableitfläche mit entsprechend günstiger Flächenpressung bei Anwendung eines Kegeldichtsitzes.
Weiters betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Gasmotor, mit einer Anordnung der vorgenannten Art. Dieser Gasmotor ist bevorzugt ein ottomotorisch betriebener Motor mit wenigstens einer Hubkolben-/Zylinderanordnung. Meist handelt es sich aber um mehrzylindrige Brennkraftmaschinen.
Weitere Vorteile und Details der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figuren und der dazugehörenden Figurenbeschreibungen erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine Läserzündkerze nach Stand der Technik,
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Beispiel einer Laserzündkerze,
Fig. 3 ein weiteres erfindungsgemäßes Beispiel einer Laserzündkerze,
Fig. 4 ein vereinfachtes Beispiel einer Laserzündkerze gemäß Fig. 3,
Fig. 5 den Temperaturverlauf im Betriebszustand bei der Laserzündkerze nach Fig. 3 und
Fig. 6 ein letztes Beispiel einer Laserzündkerze.
In Fig. 1 ist schematisch eine Laserzündkerze nach dem Stand der Technik abgebildet. Diese umfasst eine Zündkerzengehäuse 1, das sich entlang der Längsachse der Laserzündkerze a erstreckt. An einem (und zwar dem brennraumseitigen) Ende der Laserzündkerze ist die Einkoppeloptik 10 - auch Brennraumfenster genannt - angeordnet. Die Einkoppeloptik 10 ist dafür verantwortlich das von einer Laserlichterzeugungsvorrichtung 2 erzeugte Laserlicht in den Brennraum der Brennkraftmaschine einzukoppeln. Die Laserlichterzeugungsvorrichtung 2 ist hier in Form eines monolithischen Festkörperlasers (Laserkristall) ausgebildet und wird von einer nicht gezeigten Pumplichtquelle gespeist. Am anschlussseitigen (oberen) Ende der Laserzündkerze befindet sich ein Anschlussstück 15 für die Einleitung des Pumplichtes.
Am brennraumseitigen Ende der Laserzündkerze befindet sich ein Befestigungsbereich 7 in Form einen Außengewindes 7 zum Einschrauben in den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine. Die Einkoppeloptik 10 wird vom Befestigungsbereich 7, d.h. dem Außengewinde umgeben. Zum leichteren Befestigen der Laserzündkerze im Zylinderkopf ist weiters ein Einschraubansatz 5 in der Form eines Sechskants vorgesehen, der ein Befestigen oder Lösen der Laserzündkerze mit einem Werkzeug zum Schrauben wie z.B. einem Maulschlüssel ermöglicht. Ein Flachdichtsitz 14, der an den Befestigungsbereich 7 entlang der Längsachse a in Richtung anschlussseitiges Ende anschließt, ist im Einbauzustand mitverantwortlich für die Wärmeabfuhr von der Laserzündkerze an den Zylinderkopf ist.
In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Laserzündkerze mit Zylinderkopf 17 (jeweils teilweise weggebrochen) dargestellt. Die Laserzündkerze umfasst ein Zündkerzengehäuse 1 , das sich entlang der Längsachse a erstreckt und in dem eine Laserlichterzeugungsvorrichtung 2 angeordnet ist. Die Laserzündkerze weist entlang der Längsachse a ein brennraumseitiges Ende, das im Einbauzustand in den Brennraum 30 einer Brennkraftmaschine reicht, und ein anschlussstückseitiges Ende (im Bild oben, nicht im Detail dargestellt; es wird auf Fig. 1 verwiesen, die denselben Aufbau am anschlussstückseitigem Ende aufweist), das dem Anschluss einer Pumplichtquelle dient, auf. Am brennraumseitigen Ende der Laserzündkerze ist die Einkoppeloptik 10 angeordnet, die formschlüssig im Zündkerzengehäuse 1 gehalten wird. Weiters ist eine Laserlichterzeugungsvorrichtung 2 vorgesehen, die als monolithischer Festkörperlaser (Laserkristall) ausgebildet ist. Die Laserlichterzeugungsvorrichtung 2 erzeugt Laserlicht, dessen Strahlengang 3 dargestellt ist. Das Laserlicht wird in optischen Elementen 4 aufgeweitet, sodass ein größerer Strahldurchmesser entsteht. Eine Fokussierlinse 8 bündelt das Laserlicht hin zur Einkoppeloptik 10, das den Lichtaustritt aus der Laserzündkerze ermöglicht, und schließlich auf den Brennpunkt 1 1 im Brennraum 30, wo im Betriebszustand der Zündfunke erzeugt wird. Das Zündkerzengehäuse 1 weist einen Befestigungsbereich 7 in Form eines Außengewindes auf, mit dem eine lösbare Befestigung über den Fixierbereich 7a zum Zylinderkopf 17 hergestellt wird. Der Fixierbereich 7a ist als zum Außengewinde 7 korrespondierendes Innengewinde 7a ausgebildet. Entlang der Längsachse a in Richtung Brennraum 30 und zwar am brennraumseitigen Ende der Laserzündkerze erstreckt sich ein Vorsprung 31 in dem die Einkoppeloptik 10 angeordnet ist. Die Einkoppeloptik 10 ist im Vorsprung 31 angeordnet, der brennraumseitig an den Gewindebereich 7 anschließt. Der Vorsprung 31 weist dabei einen kegelstumpfförmigen ersten Bereich auf, in dem das Zündkerzengehäuse in einem Anschnitt 9a dicht sitzend am Zylinderkopf 15 aufliegt. An den kegelstumpförmigen Bereich schließt noch ein kreiszylindrischer Bereich 16 an, in dem die Einkoppeloptik 10 formschlüssig gehalten wird. Zusätzlich ist Richtung anschlussseitiges Ende der Laserzündkerze unmittelbar nach dem Gewindebereich 7 aber noch vor dem Einschraubansatz 5 in Form eines Sechskants ein Dichtelement 6 angeordnet, das als weichelastischer wärmeableitender Auflagering ausgebildet ist und an einem Flachdichtsitz anliegt. Deutlich erkennbar ist, dass der Außendurchmesser D2 im Gewindebereich 7 größer ist, als der maximale Außendurchmesser D1 im Bereich des Vorsprungs 31 bei der Einkoppeloptik 10. Ein Kühlkanal 8 umgibt sowohl den Gewindebereich 7 als auch den Vorsprung 31 und führt Wärme über ein Kühlfluid (wie Kühlwasser) ab. Der Aufnahmebereich im Zylinderkopf 17 für die Laserzündkerze ist so ausgebildet, dass die Laserzündkerze derart einbringbar ist, dass das brennraumseitige Ende des Vorsprungs 31 mit der Wandung des Brennraums 30 im Wesentlichen bündig abschließt.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das sich vom Ausführungsbeispiel der Fig. 2 in der Form des Vorsprungs 31 und der Dichtelemente 9b unterscheidet. Der Vorsprung 16 ist nämlich über die gesamte Länge 16 kreiszylinderförmig ausgebildet wobei der Außendurchmesser D1 erneut deutlich kleiner ist, als der Außendurchmesser D2 im Gewindebereich 7. Anstelle des dicht sitzenden Kegelstumpfbereichs zur Wärmeabführung ist neben dem Dichtelement 6 entlang der Längsachse a der Laserzündkerze in Richtung Brennraum 30 auch nach dem Befestigungsbereich 7 ein Dichtelement 9b angeordnet.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das sich vom Ausführungsbeispiel der Fig. 3 dadurch unterscheidet, dass keine optischen Elemente 4 zur Aufweitung des Laserstrahldurchmessers vorgesehen sind
Die Fig. 5 zeigt ermittelte Temperaturwerte entlang der Laserzündkerze gemäß Fig. 3 in °C. Im Vergleich zu den an der Einkoppeloptik 10 am Brennraum 30 auftretenden hohen Temperaturen von über 200°C kann durch die erfindungsgemäße Form der Laserzündkerze und das Vorsehen von Dichtelementen 6, 9b, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Zündkerzengehäuse 1 aufweisen, rasch und effizient Wärme in Richtung Laserlichterzeugungsvorrichtung 2 (hier nicht gezeigt) abgeführt werden. Dies bewahrt die Laserlichterzeugungsvorrichtung 2 vor vorzeitigem Verschleiß.
Die Fig. 6 zeigt zusätzlich einen Aufbau, bei dem eine separate Zündkerzenaufnahme bestehend aus einem Innengehäuse 19 und einem Außengehäuse 20 vorgesehen ist. Zwischen Innengehäuse 19 und Außengehäuse 20 kann ein Fluid eingebracht werden, das mit einer Kühleinrichtung die Laserzündkerze kühlt. Mittels einer Heizeinrichtung könnte die Laserzündkerze aber auch z.B. bei Inbetriebnahme beheizt werden, um rascher auf Betriebstemperatur zu kommen. Weiters weist dieses Beispiel eine Vorkammer 22 auf, in der ein Treibstoff/Luftgemisch gezündet wird, wobei dieses entzündete Gemisch dann in den eigentlichen Brennräum 30 übertritt und dort die Verbrennung des Treibstoff/Luftgemischs bewirkt.

Claims

Patentansprüche
1. Laserzündkerze, umfassend eine Laserlichterzeugungsvorrichtung (2) und ein Zündkerzengehäuse (1), an dessen brennraumseitigem Ende eine Einkoppeloptik (10) zum Einkoppeln von Laserlicht in den Brennraum (30) einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei das Zündkerzengehäuse (1) einen Befestigungsbereich (7) zur Befestigung der Laserzündkerze in einem Zylinderkopf (17) der Brennkraftmaschine aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass am brennraumseitigen Ende des Zündkerzengehäuses (1) ein Vorsprung (31) angeordnet ist, in dem sich die Einkoppeloptik (10) befindet, wobei der Außendurchmesser (D1) des Vorsprungs (31) im Bereich der Einkoppeloptik (10) geringer ist als der Außendurchmesser (D2) des Zündkerzengehäuses (1) im Befestigungsbereich (7).
2. Laserzündkerze nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsbereich (7) ein Außengewinde umfasst und der Vorsprung (31) in brennraumseitiger Richtung nach dem Außengewinde angeordnet ist.
3. Laserzündkerze nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (31) zumindest abschnittsweise die Form eines geraden Kreiszylinders aufweist.
4. Laserzündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (31) zumindest abschnittsweise die Form eines Kegelstumpfes aufweist.
5. Laserzündkerze nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Außendurchmesser (D2) im Befestigungsbereich (7) zu geringstem Außendurchmesser (D1 ) im Bereich des Vorsprungs (31) zwischen 1 ,5 und 2,5 beträgt.
6. Laserzündkerze nach einen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Länge (H1) des Vorsprungs (31) zu geringstem Außendurchmesser (D1) des Vorsprungs (31) zwischen 0,8 und 1 ,2 liegt.
7. Laserzündkerze nach einen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der geringste Außendurchmesser (D1) im Bereich des Vorsprungs (31) zwischen 7 mm und 10 mm beträgt.
8. Anordnung, umfassend eine Laserzündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und einen Zylinderkopf (17) mit einem Fixierungsbereich (7a) für den Befestigungsbereich (7) der Laserzündkerze.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fixierungsbereich (7a) ein Innengewinde umfasst, das mit dem Befestigungsbereich (7) in Form eines Außengewindes der Laserzündkerze korrespondiert.
10. Anordnung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (17) einen Aufnahmebereich für die Laserzündkerze aufweist, der so ausgebildet ist, dass das brennraumseitige Ende des Vorsprungs mit der Wandung des Brennraums (30) im Wesentlichen bündig abschließt.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (31 ) wenigstens bereichsweise dicht sitzend im Zylinderkopf (17) angeordnet ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Längsachse (a) der Laserzündkerze in Richtung Brennraum (30) vor dem Fixierungsbereich (7a) ein Dichtelement (6) angeordnet ist, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Zündkerzengehäuse (1) aufweist und den Zylinderkopf (17) und das Zündkerzengehäuse (1) bereichsweise wärmeleitend verbindet.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Längsachse (a) in Richtung Brennraum (30) nach dem Fixierungsbereich (7a) ein Dichtelement (9b) angeordnet ist, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Zündkerzengehäuse (1) aufweist und den Zylinderkopf (17) und das Zündkerzengehäuse (1) bereichsweise wärmeleitend verbindet.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkanal (18) vorgesehen ist, der den Fixierungsbereich (7a) wenigstens bereichsweise umgibt.
15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (18) auch den Vorsprung (31) wenigstens teilweise umgibt.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorkammer (22) vorgesehen ist, in die die Einkoppeloptik (10) mündet.
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Zylinderkopf (17) und Laserzündkerze eine Zündkerzenaufnahme angeordnet ist, welche eine Kühleinrichtung und/oder Heizeinrichtung aufweist, die die Laserzündkerze kühlt und/oder heizt.
18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerzenaufnahme ein Innengehäuse (19) und ein Außengehäuse (20) aufweist, wobei zwischen Innengehäuse (19) und Außengehäuse (20) bereichsweise ein Fluid einbringbar ist.
19. Brennkraftmaschine, insbesondere Gasmotor, mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 18.
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