EP2504565B1 - Laserzündkerze und betriebsverfahren hierfür - Google Patents

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EP2504565B1
EP2504565B1 EP10770515.4A EP10770515A EP2504565B1 EP 2504565 B1 EP2504565 B1 EP 2504565B1 EP 10770515 A EP10770515 A EP 10770515A EP 2504565 B1 EP2504565 B1 EP 2504565B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
region
ignition plug
laser ignition
cooling
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP10770515.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2504565A1 (de
Inventor
Martin Weinrotter
Pascal Woerner
Juergen Raimann
Martin Astner
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
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2504565A1 publication Critical patent/EP2504565A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2504565B1 publication Critical patent/EP2504565B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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

Definitions

  • the invention relates to a laser spark plug, in particular for an internal combustion engine of a motor vehicle, having a combustion chamber window arranged in a combustion chamber-facing end region, such as WO2009 / 043608 known.
  • the invention further relates to an operating method for such a laser spark plug.
  • cooling of a volume region surrounding the respective surface of the combustion chamber window or of a medium located therein favors the formation and precipitation of the combustion products on the combustion chamber window surface which promote ablative purification.
  • the cooling means according to the invention therefore advantageously permit the targeted generation and introduction of such combustion products on the surface of the combustion chamber window, which promote efficient cleaning by impinging the combustion chamber window with laser pulses of high power or energy density.
  • the means for cooling have a heat sink which has material with a relatively high thermal conductivity, in particular with a thermal conductivity of about 90 watts per Kelvin and meter at room temperature or more.
  • the heat sink may comprise nickel or a nickel alloy. It is also possible to form the entire heat sink entirely of nickel or a nickel alloy.
  • the heat sink is preferably permanently connected to the housing of the laser spark plug, for example by means of welding.
  • a particularly efficient and uniform cooling of the volume range of interest results according to the invention when the means for cooling, in particular the at least one heat sink, an optical axis of the laser spark plug surrounded, in particular concentrically surrounded.
  • an effective shielding of the combustion chamber facing surface of the combustion chamber window from harmful particles when the heat sink is formed substantially circular and an inner diameter of the heat sink in the region of a combustion chamber facing end side of the heat sink about a maximum 105 percent to about 200 percent of a beam diameter of the emitted laser spark plug laser radiation.
  • an inner diameter of the heat sink in the region of a front side of the heat sink facing the heat sink is smaller than an inner diameter of the heat sink in the region of a front side of the heat sink facing away from the combustion space.
  • heat conducting means are provided which allow heat to be dissipated from an end region of the laser spark plug facing towards the combustion chamber in the direction of a combustion chamber facing away end region, wherein the heat conducting means are preferably arranged in an interior of the laser spark plug and / or in at least one wall section a housing of the laser spark plug are integrated.
  • the means for cooling according to the invention are particularly advantageous in good thermal contact with the heat conducting means, so that an efficient dissipation of heat from the region of the combustion chamber facing surface of the combustion chamber window into the region of the laser spark plug facing away from the combustion chamber is possible.
  • the heat-conducting means may, for example, have contact areas in a region of the laser spark plug remote from the combustion chamber which, when the laser spark plug is installed in a cylinder head an internal combustion engine, for example, a stationary large gas engine, make a good thermal contact with the cylinder head.
  • the cooling means according to the invention may, in addition to one or more heat sinks u.a. also have a fluid-based cooling system in which heat energy is removed from the combustion chamber facing surface of the combustion chamber window using a fluid.
  • heat pipes heat pipes
  • Heat pipes can also be used in order to cool the volume range of interest. Heat pipes can advantageously be integrated directly into a housing of the laser spark plug.
  • a method according to claim 9 is given.
  • the method according to the invention provides that a volume region located in the region of the combustion chamber window and / or a medium located in the volume region is cooled, preferably to a temperature of approximately below 350 ° C. to approximately below 300 ° C.
  • the operation of the laser spark plug according to the invention results in a particularly expedient formation and loading of the combustion chamber facing surface of the combustion chamber window with such combustion products, which promote cleaning of the combustion chamber window by exposure to laser radiation of high power or energy density.
  • the radiance of the laser radiation may be up to an order of magnitude lower compared to conventional Abalismsvor réellen at where no inventively introduced carbon compounds or carbon black on the combustion chamber facing surface of the combustion chamber window are present.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention in a partial cross section.
  • the laser spark plug 100 is used for example in internal combustion engines of motor vehicles or in stationary large gas engines to laser radiation 20 to a in A firing point ZP arranged in a combustion chamber 200 of the internal combustion engine can be focused in order to ignite an air / fuel mixture located in the combustion chamber 200.
  • the laser radiation 20 can be generated locally in the laser spark plug 100 in a manner known per se, for example by using a laser device 110, which i.a. a laser-active solid (not shown) and a passive Q-switching.
  • a laser device 110 which i.a. a laser-active solid (not shown) and a passive Q-switching.
  • the laser spark plug 100 can be bundled by the laser spark plug 100 from a laser source arranged remotely located laser source and irradiated to the ignition point ZP.
  • various combustion products in particular inorganic components, which originate, inter alia, from additives of the engine oil of the internal combustion engine, are deposited on the surface 120a of the combustion chamber window 120 of the laser spark plug 100 facing the combustion chamber 200.
  • the laser spark plug 100 therefore has means 130 for cooling the volume region 210 located in the combustion chamber-facing end region 100a and / or a medium located in the volume region 210, for example the combustion exhaust gases.
  • the cooling means 130 have at least one heat sink 131, which is like FIG. 1 in the present case is approximately circular in shape and is preferably permanently connected to the housing 101 of the laser spark plug 100 in its combustion chamber-facing end portion 100a.
  • the heat sink 131 preferably comprises material having a relatively high thermal conductivity, in particular a thermal conductivity of about 90 watts per Kelvin and meter at room temperature or more; For example, nickel or a nickel alloy can be used for this purpose.
  • Particularly uniform cooling of the medium present in the end region 100a or the volume region 210 is advantageously provided according to the invention in that the heat sink 131 surrounds, in particular concentrically surrounds, an optical axis OA of the laser spark plug 100.
  • the heat sink 131 simultaneously serves to shield the surface 120a of the combustion chamber window 120 from combustion particles which originate in the region of the ignition point ZP, which could damage the combustion chamber window 120 when it strikes the surface 120a.
  • the heat sink 131 is substantially a circular diameter, and an inner diameter D1 of the heat sink 131 in the region of its combustion chamber-facing end face 131a is at most about 105 percent to about 200 percent of a beam diameter DS (FIG. FIG. 2a ) of the laser radiation emitted by the laser spark plug 100 laser radiation 20th
  • heat conduction means 140 may be provided in the housing 101 of the laser spark plug 100, which allow heat to be dissipated from the combustion chamber facing end region 100a of the laser spark plug 100 in the direction of an end region 100b facing away from the combustion chamber.
  • the heat-conducting means 140 preferably comprise nickel and / or copper and / or silver deposits 142 or inserts made of corresponding alloys, which are either arranged directly in the interior of the laser spark plug 100 or else integrated directly into at least one wall section of the housing 101 of the laser spark plug 100 could be.
  • the heat conducting means 140 may also comprise a fluid-based system, in particular also one or more heat pipes or the like.
  • the heat sink 131 is preferably insoluble, in particular materially bonded, so connected to the housing 101 of the laser spark plug 100 that it is in good thermal contact with the heat conducting means 140 or inserts 142.
  • the heat conducting means 140 have a contact region 141, which produces good thermal contact with the cylinder head when the laser spark plug 100 is installed in a cylinder head (not shown) of an internal combustion engine, so that an efficient discharge into the laser spark plug 100, in particular into the cooling body 131 , registered heat is possible.
  • FIG. 2a shows a plan view of the combustion chamber facing end face 131a ( FIG. 1 ) of the heat sink 131.
  • the inner diameter D1 of the heat sink 131 in the region of the end face 131a is only slightly larger than the beam diameter DS of the laser radiation 20, so that an effective protection of the surface 120a of the combustion chamber window 120 results from particles that can emanate from the ignition point ZP or other areas of the combustion chamber 200.
  • the Inner diameter D1 is according to one embodiment a maximum of about 105 percent to about 200 percent of the beam diameter DS.
  • the inner diameter D1 of the heat sink 131 in the region of the combustion chamber facing end face 131a ( FIG. 1 ) smaller than an inner diameter D2 of the heat sink 131 in the region of the combustion chamber facing away from the end face of the heat sink 131, so that an efficient cooling of the volume 210 and a proper shape adaptation of the inner region of the heat sink 131 to the radiated from the laser spark plug 100 laser radiation 20 result.
  • FIG. 2b 1 shows a plan view of a further variant of a heat sink 131 according to the invention, in which a total of four radially extending slits 131 'are provided, which provide improved fluid communication between the combustion space 200 (FIG. FIG. 1 ) and the volume region 210 surrounded by the heat sink 131, so that efficient flushing of the volume region 210 with fresh gas is possible.
  • This advantageously prevents the formation of a residual gas cushion in the region of the surface 120a of the combustion chamber window 120, which contributes to the fact that the surface 120a of the combustion chamber window 120 does not become sooty due to premature quenching of the flame.
  • one or more bores may also be provided in the heat sink 131 in order to allow an improved fluid exchange between the combustion chamber 200 and the volume region 210.
  • FIG. 3 shows a flowchart of an embodiment of the method according to the invention.
  • a first step 300 the volume region 210 or a medium therein is cooled, preferably to a temperature of from below about 350 ° C. to below about 300 ° C. This advantageously results in precipitation of carbon or carbon compounds in the region of the surface 120a of the combustion chamber window 120th
  • the required laser beam density for cleaning is generally dependent on the covering material.
  • inorganic deposits which originate inter alia from the additives of motor oil and the like, can only be cleaned off with very high radiant densities, which in conventional cleaning processes are close to the damage thresholds of the material of the combustion chamber window 120.
  • the introduction of carbon into the parasitic deposits of the combustion chamber window 120 which is made possible according to the invention, advantageously makes it possible to reduce the radiance required for cleaning.
  • CaSO 4 -containing deposits are conditioned by the addition of carbon compounds according to the invention so that advantageously only a by up to an order of magnitude lower radiance used for the cleaning laser radiation is required.
  • the construction of the combustion chamber-facing end region 100a of the laser spark plug 100 can be optimized so that efficient cooling of the volume region 210 is possible in order to produce semi-unburned hydrocarbon compounds in the region of the combustion chamber window 120.
  • the carbon components resulting therefrom in the deposit of inorganic combustion residues which is imaged on the surface 120 advantageously permit efficient cleaning by means of laser radiation 20 without a simultaneous destruction of the combustion chamber window 120.
  • the means 130 for cooling according to the invention enable an efficient reduction of the temperature in the volume region 210 in front of the combustion chamber window 120, so that a controlled extinguishment of flames in front of the combustion chamber window 120 during the laser ignition is achieved. It is beyond that important to transport a sufficient amount of fresh mixture to the combustion chamber window 120, so that it does not come to a residual gas cushion in front of the combustion chamber window 120, which prevents the window 120 from becoming soiled by premature quenching of the flame.
  • Restgaspolsters can by the invention provided slits 131 '( FIG. 2b ) are encountered in the heat sink 131 and / or by further holes in the heat sink 131.
  • the laser spark plug 100 according to the invention is preferably used in internal combustion engines of motor vehicles and stationary (large) gas engines or (gas) turbines.

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze, insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem in einem brennraumzugewandten Endbereich angeordneten Brennraumfenster, wie aus WO2009/043608 bekannt. Die Erfindung betrifft ferner ein Betriebsverfahren für eine derartige Laserzündkerze.
  • Während des Betriebs von solchen Laserzündkerzen bilden sich Ablagerungen auf einer brennraumzugewandten Oberfläche des Brennraumfensters, durch das Laserstrahlung in einen der Laserzündkerze zugeordneten Brennraum eingestrahlt wird. Die aus Verbrennungsprodukten bestehenden Ablagerungen beeinträchtigen einen zuverlässigen Betrieb der Laserzündkerzen und reduzieren insbesondere deren Standzeit.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist demgemäß Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündkerze und ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine gesteigerte Zuverlässigkeit und Standzeit erreicht wird.
    Diese Aufgabe wird bei einer Laserzündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Mittel zur Kühlung eines in dem Bereich des Brennraumfensters befindlichen Volumenbereichs und/oder eines in dem Volumenbereich befindlichen Mediums vorgesehen sind.
  • Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass der Niederschlag einiger während eines Betriebs der Laserzündkerze entstehender Verbrennungsprodukte, insbesondere von Kohlenstoff und Kohlenstoffverbindungen, auf der brennraumzugewandten Oberfläche des Brennraumfensters eine erfolgreiche - an sich bekannte - Abreinigung dieser Oberfläche unter Beaufschlagung mit Laserstrahlung hoher Leistungs- bzw. Energiedichte begünstigt.
  • Erfindungsgemäß ist ferner erkannt worden, dass eine Kühlung eines die betreffende Oberfläche des Brennraumfensters umgebenden Volumenbereichs beziehungsweise eines darin befindlichen Mediums die Bildung und den Niederschlag der für die ablative Reinigung förderlichen Verbrennungsprodukte auf der Brennraumfensteroberfläche begünstigt.
  • Die erfindungsgemäßen Kühlungsmittel ermöglichen daher vorteilhaft die gezielte Erzeugung und Einbringung von solchen Verbrennungsprodukten auf die Oberfläche des Brennraumfensters, die eine effiziente Reinigung durch Beaufschlagung des Brennraumfensters mit Laserimpulsen hoher Leistungs- bzw. Energiedichte begünstigen.
  • Einer besonders vorteilhaften da wenig komplexen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze zufolge weisen die Mittel zur Kühlung einen Kühlkörper auf, der Material mit einer verhältnismäßig großen Wärmeleitfähigkeit aufweist, insbesondere mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 90 Watt je Kelvin und Meter bei Raumtemperatur oder mehr. Bevorzugt kann der Kühlkörper Nickel oder eine Nickellegierung aufweisen. Es ist ferner möglich, den gesamten Kühlkörper vollständig aus Nickel oder einer Nickellegierung zu bilden.
  • Der Kühlkörper wird bevorzugt unlösbar mit dem Gehäuse der Laserzündkerze verbunden, beispielsweise mittels Schweißen.
  • Eine besonders effiziente und gleichmäßige Kühlung des interessierenden Volumenbereichs ergibt sich erfindungsgemäß dann, wenn die Mittel zur Kühlung, insbesondere der mindestens eine Kühlkörper, eine optische Achse der Laserzündkerze umgeben, insbesondere konzentrisch umgeben.
  • Zusätzlich zu der erfindungsgemäß angestrebten Kühlung ergibt sich bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze eine wirksame Abschirmung der brennraumzugewandten Oberfläche des Brennraumfensters vor Schadpartikeln, wenn der Kühlkörper im Wesentlichen kreisringförmig ausgebildet ist und ein Innendurchmesser des Kühlkörpers im Bereich einer brennraumzugewandten Stirnseite des Kühlkörpers maximal etwa 105 Prozent bis etwa 200 Prozent eines Strahldurchmessers der von der Laserzündkerze abgestrahlter Laserstrahlung beträgt.
  • Es ist einer weiteren Erfindungsvariante zufolge ferner vorteilhaft, dass ein Innendurchmesser des Kühlkörpers im Bereich einer brennraumzugewandten Stirnseite des Kühlkörpers kleiner ist als ein Innendurchmesser des Kühlkörpers im Bereich einer brennraumabgewandten Stirnseite des Kühlkörpers. Hierdurch kann vorteilhaft eine maximal mögliche Kühlwirkung erzielt werden, ohne gleichzeitig die durch den Kühlkörper hindurchtretende Laserstrahlung zu beeinträchtigen, weil der von dem erfindungsgemäßen Kühlkörper umgebene Volumenbereich optimal formangepasst ist an die von der Laserzündkerze abgegebene fokussierte Laserstrahlung.
  • Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante ist vorgeschlagen, dass Wärmeleitmittel vorgesehen sind, die eine Ableitung von Wärme aus einem brennraumzugewandten Endbereich der Laserzündkerze in Richtung eines brennraumabgewandten Endbereichs ermöglichen, wobei die Wärmeleitmittel vorzugsweise in einem Innenraum der Laserzündkerze angeordnet sind und/oder in mindestens einen Wandabschnitt eines Gehäuses der Laserzündkerze integriert sind.
  • Ganz besonders vorteilhaft stehen die erfindungsgemäßen Mittel zur Kühlung in gutem thermischen Kontakt zu den Wärmeleitmitteln, so dass eine effiziente Ableitung von Wärme aus dem Bereich der brennraumzugewandten Oberfläche des Brennraumfensters in den brennraumabgewandten Bereich der Laserzündkerze möglich ist.
  • Die Wärmeleitmittel können beispielsweise in einem weiter brennraumabgewandten Bereich der Laserzündkerze Kontaktbereiche aufweisen, welche bei einem Einbau der Laserzündkerze in einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, beispielsweise eines stationären Großgasmotors, einen guten thermischen Kontakt mit dem Zylinderkopf herstellen.
  • Die erfindungsgemäßen Kühlungsmittel können neben einem oder mehreren Kühlkörpern u.a. auch ein fluidbasiertes Kühlsystem aufweisen, bei dem Wärmeenergie von der brennraumzugewandten Oberfläche des Brennraumfensters unter Verwendung eines Fluids abtransportiert wird.
  • Alternativ oder ergänzend zu dem Kühlkörper bzw. den Kühlkörpern können auch Wärmerohre ("heatpipes") oder andere Wärmeleitmittel eingesetzt werden, um den interessierenden Volumenbereich abzukühlen. Wärmerohre können vorteilhaft auch direkt in ein Gehäuse der Laserzündkerze integriert werden.
  • Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß Patentanspruch 9 angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass ein in dem Bereich des Brennraumfensters befindlicher Volumenbereich und/oder ein in dem Volumenbereich befindliches Medium gekühlt wird, vorzugsweise auf eine Temperatur von etwa unter 350° C bis etwa unter 300° C.
  • Untersuchungen der Anmelderin zufolge ergibt sich bei einem derartigen Betrieb der erfindungsgemäßen Laserzündkerze eine besonders zweckmäßige Bildung von und Beaufschlagung der brennraumzugewandten Oberfläche des Brennraumfensters mit solchen Verbrennungsprodukten, die ein Abreinigen des Brennraumfensters unter Beaufschlagung mit Laserstrahlung hoher Leistungs- bzw. Energiedichte befördern.
  • Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass insbesondere Kohlenstoffablagerungen das Abreinigen begünstigen. Die erfindungsgemäße Kühlung des brennraumzugewandten Endbereichs der Laserzündkerze, insbesondere des das Brennraumfenster umgebenden Volumenbereichs, ermöglicht vorteilhaft die Einbringung von halb- und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (beispielsweise in Form von Ruß) in diesen Bereich, so dass eine optimale Unterstützung einer Abreinigung des Brennraumfensters mittels Laserstrahlung möglich ist.
  • Untersuchungen der Anmelderin zufolge bedingen erfindungsgemäß begünstigte Kohlenstoffablagerungen auf der Oberfläche des Brennraumfensters eine einfachere Entfernung von sonstigen, anorganischen Verbrennungsrückständen, die sich während des Betriebs der Laserzündkerze auf der brennraumzugewandten Oberfläche des Brennraumfensters niederschlagen.
  • Beispielsweise können durch die erfindungsgemäße Einbringung von Kohlenstoffverbindungen im Wege der Kühlung des Endbereichs der Laserzündkerze Kalziumsulfat (CaSO4)-Beläge unter Verwendung von Laserstrahlung abgereinigt werden, wobei die Strahldichte der Laserstrahlung um bis zu eine Größenordnung geringer sein kann im Vergleich zu herkömmlichen Abreinigungsvorgängen, bei denen keine erfindungsgemäß eingebrachten Kohlenstoffverbindungen beziehungsweise Ruß auf der brennraumzugewandten Oberfläche des Brennraumfensters vorhanden sind.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
  • In der Zeichnung zeigt:
    • Figur 1
    schematisch einen teilweisen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze,
    Figur 2a, 2b
    unterschiedliche Ausführungsformen von Kühlkörpern für die Verwendung mit den erfindungsgemäßen Kühlmitteln, und
    Figur 3
    ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 in einem teilweisen Querschnitt. Die Laserzündkerze 100 wird beispielsweise in Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen oder auch in stationären Großgasmotoren dazu eingesetzt, Laserstrahlung 20 auf einen in einem Brennraum 200 der Brennkraftmaschine angeordneten Zündpunkt ZP gebündelt einzustrahlen, um ein in dem Brennraum 200 befindliches Luft-/Kraftstoffgemisch zu entzünden.
  • Die Laserstrahlung 20 kann dabei in an sich bekannter Weise lokal in der Laserzündkerze 100 erzeugt werden, beispielsweise unter Verwendung einer Lasereinrichtung 110, die u.a. einen laseraktiven Festkörper (nicht gezeigt) und eine passive Güteschaltung aufweist.
  • Alternativ hierzu kann der Laserzündkerze 100 von einer entfernt angeordneten Laserquelle zugeführte Laserstrahlung durch die Laserzündkerze 100 gebündelt und auf den Zündpunkt ZP eingestrahlt werden.
  • Während des Betriebs der Laserzündkerze 100 schlagen sich verschiedene Verbrennungsprodukte, insbesondere anorganische Komponenten, die unter anderem aus Additiven des Motoröls der Brennkraftmaschine stammen, auf der dem Brennraum 200 zugewandten Oberfläche 120a des Brennraumfensters 120 der Laserzündkerze 100 nieder.
  • Es ist bereits bekannt, das Brennraumfenster 120 mit Laserimpulsen hoher Leistungs- bzw. Energiedichte zu beaufschlagen, um derartige anorganische Beläge von dem Brennraumfenster 120 abzureinigen.
  • Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die Anwesenheit von Kohlenstoff beziehungsweise Kohlenstoffverbindungen auf der Oberfläche 120a des Brennraumfensters 120 das Abreinigen begünstigt. Untersuchungen der Anmelderin zufolge sind um bis zu etwa eine Größenordnung geringere Strahldichten der Laserstrahlung 20 erforderlich, um die vorstehend beschriebenen Beläge unter Anwesenheit von Kohlenstoff abzureinigen.
  • Demgegenüber werden bei herkömmlichen Abreinigungsverfahren Strahldichten benötigt, welche in der Größenordnung der Zerstörungsschwelle des Materials des Brennraumfensters 120 liegen.
  • Erfindungsgemäß ist ferner erkannt worden, dass eine Herabsetzung der Temperatur des in dem Bereich des Brennraumfensters 120 liegenden Volumenbereichs 210 bzw. eines darin befindlichen Fluids während des Betriebs der Laserzündkerze 100 einen Niederschlag von Kohlenstoff beziehungsweise Kohlenstoffverbindungen im Bereich der Oberfläche 120a des Brennraumfensters 120 begünstigt. Auf diese Weise können demnach die für ein effizientes Abreinigen erforderlichen Kohlenstoffverbindungen besonders zweckmäßig aus den während der Laserzündung entstehenden Verbrennungsprodukten gewonnen werden.
  • Daher verfügt die erfindungsgemäße Laserzündkerze 100 über Mittel 130 zur Kühlung des in dem brennraumzugewandten Endbereich 100a befindlichen Volumenbereichs 210 und/oder eines in dem Volumenbereich 210 befindlichen Mediums wie beispielsweise der Verbrennungsabgase.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die Mittel 130 zur Kühlung mindestens einen Kühlkörper 131 auf, der wie aus Figur 1 ersichtlich vorliegend in etwa kreisringförmig ausgebildet ist und vorzugsweise unlösbar mit dem Gehäuse 101 der Laserzündkerze 100 in ihrem brennraumzugewandten Endbereich 100a verbunden ist.
  • Der Kühlkörper 131 weist bevorzugt Material auf, das eine verhältnismäßig große Wärmeleitfähigkeit besitzt, insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 90 Watt je Kelvin und Meter bei Raumtemperatur oder mehr; beispielsweise kann Nickel oder eine Nickellegierung hierfür Anwendung finden.
  • Eine besonders gleichmäßige Kühlung des in dem Endbereich 100a beziehungsweise dem Volumenbereich 210 anwesenden Mediums ist erfindungsgemäß vorteilhaft dadurch gegeben, dass der Kühlkörper 131 eine optische Achse OA der Laserzündkerze 100 umgibt, insbesondere konzentrisch umgibt.
  • Neben der vorstehend beschriebenen vorteilhaften Kühlwirkung dient der erfindungsgemäße Kühlkörper 131 einer weiteren Erfindungsvariante zufolge gleichzeitig zur Abschirmung der Oberfläche 120a des Brennraumfensters 120 vor im Bereich des Zündpunkts ZP entstehenden Verbrennungspartikeln, welche bei ihrem Auftreffen auf die Oberfläche 120a das Brennraumfenster 120 beschädigen könnten. Hierzu ist der Kühlkörper 131 im Wesentlichen kreisringförmig ausgebildet, und ein Innendurchmesser D1 des Kühlkörpers 131 im Bereich seiner brennraumzugewandten Stirnseite 131a beträgt maximal etwa 105 Prozent bis etwa 200 Prozent eines Strahldurchmessers DS (Figur 2a) der mittels der Laserzündkerze 100 abgestrahlten Laserstrahlung 20.
  • Für eine effiziente Ableitung der in den Kühlkörper 131 eingetragenen Wärmeenergie können in dem Gehäuse 101 der Laserzündkerze 100 Wärmeleitmittel 140 vorgesehen sein, die eine Ableitung von Wärme aus dem brennraumzugewandten Endbereich 100a der Laserzündkerze 100 in Richtung eines brennraumabgewandten Endbereichs 100b ermöglichen. Bevorzugt weisen die Wärmeleitmittel 140 Nickel- und/oder Kupfer- und/oder Silbereinlagen 142 bzw. Einlagen aus entsprechenden Legierungen auf, die entweder direkt in dem Innenraum der Laserzündkerze 100 angeordnet sind oder auch direkt in mindestens einen Wandabschnitt des Gehäuses 101 der Laserzündkerze 100 integriert sein können.
  • Die Wärmeleitmittel 140 können auch ein fluidbasiertes System aufweisen, insbesondere auch ein oder mehrere Wärmerohre oder dergleichen.
  • Der Kühlkörper 131 ist vorzugsweise unlösbar, insbesondere stoffschlüssig, so mit dem Gehäuse 101 der Laserzündkerze 100 verbunden, dass er in gutem thermischem Kontakt mit den Wärmeleitmitteln 140 bzw. Einlagen 142 steht.
  • Die Wärmeleitmittel 140 weisen einen Kontaktbereich 141 auf, der bei einer Einbaulage der Laserzündkerze 100 in einem Zylinderkopf (nicht gezeigt) einer Brennkraftmaschine einen guten thermischen Kontakt herstellt mit dem Zylinderkopf, so dass eine effiziente Ableitung von in die Laserzündkerze 100, insbesondere in den Kühlkörper 131, eingetragener Wärme möglich ist.
  • Figur 2a zeigt eine Draufsicht auf die brennraumzugewandte Stirnseite 131a (Figur 1) des Kühlkörpers 131. Aus Figur 2a ist ersichtlich, dass der Innendurchmesser D1 des Kühlkörpers 131 im Bereich der Stirnfläche 131a (Figur 1) nur unwesentlich größer ist als der Strahldurchmesser DS der Laserstrahlung 20, so dass sich ein effektiver Schutz der Oberfläche 120a des Brennraumfensters 120 vor Partikeln ergibt, die von dem Zündpunkt ZP oder sonstigen Bereichen des Brennraums 200 ausgehen können. Der Innendurchmesser D1 beträgt einer Ausführungsform zufolge maximal etwa 105 Prozent bis etwa 200 Prozent des Strahldurchmessers DS.
  • Besonders bevorzugt ist der Innendurchmesser D1 des Kühlkörpers 131 im Bereich der brennraumzugewandten Stirnseite 131a (Figur 1) kleiner als ein Innendurchmesser D2 des Kühlkörpers 131 im Bereich der brennraumabgewandten Stirnseite des Kühlkörpers 131, so dass sich eine effiziente Kühlung des Volumens 210 und eine zweckmäßige Formanpassung des Innenbereichs des Kühlkörpers 131 an die von der Laserzündkerze 100 abgestrahlte Laserstrahlung 20 ergeben.
  • Figur 2b zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers 131, bei dem insgesamt vier sich radial erstreckende Schlitzungen 131' vorgesehen sind, welche eine verbesserte Fluidkommunikation zwischen dem Brennraum 200 (Figur 1) und dem durch den Kühlkörper 131 umgebenen Volumenbereich 210 ermöglichen, so dass eine effiziente Spülung des Volumenbereichs 210 mit Frischgas möglich ist. Dadurch kann vorteilhaft die Ausbildung eines Restgaspolsters im Bereich der Oberfläche 120a des Brennraumfensters 120 verhindert werden, was dazu beiträgt, dass die Oberfläche 120a des Brennraumfensters 120 nicht durch ein frühzeitiges Quenching der Flamme verrußt.
  • Alternativ zu den Schlitzungen 131' können auch eine oder mehrere Bohrungen (nicht gezeigt) in dem Kühlkörper 131 vorgesehen sein, um einen verbesserten Fluidaustausch zwischen dem Brennraum 200 und dem Volumenbereich 210 zu ermöglichen.
  • Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In einem ersten Schritt 300 wird der Volumenbereich 210 beziehungsweise ein darin befindliches Medium gekühlt, vorzugsweise bis auf eine Temperatur von etwa unter 350° C bis etwa unter 300° C. Dadurch ergeben sich vorteilhaft Niederschläge von Kohlenstoff beziehungsweise Kohlenstoffverbindungen im Bereich der Oberfläche 120a des Brennraumfensters 120.
  • Diese Kohlenstoffniederschläge ermöglichen ein einfacheres Abreinigen des Brennraumfensters 120, das in dem weiteren Schritt 310 dadurch bewerkstelligt wird, dass die Oberfläche 120a des Brennraumfensters 120 mit Laserimpulsen 20 hoher Leistungs- bzw. Energiedichte beaufschlagt wird.
  • Die benötigte Laserstrahldichte zur Abreinigung ist generell abhängig von dem Belagmaterial. Insbesondere anorganische Beläge, die unter anderem aus den Additiven von Motoröl und dergleichen stammen, sind nur mit sehr hohen Strahldichten, die bei herkömmlichen Reinigungsverfahren nahe an den Zerstörschwellen des Materials des Brennraumfensters 120 liegen, abzureinigen. Die erfindungsgemäß ermöglichte Einbringung von Kohlenstoff in die parasitären Beläge des Brennraumfensters 120 ermöglicht vorteilhaft eine Reduktion der zur Abreinigung erforderlichen Strahldichte. Insbesondere CaSO4-haltige Beläge werden durch die erfindungsgemäße Hinzufügung von Kohlenstoffverbindungen derart konditioniert, dass vorteilhaft nur noch eine um bis zu etwa eine Größenordnung geringere Strahldichte für die Reinigung verwendeten Laserstrahlung erforderlich ist.
  • Generell kann unter Anwendung des Erfindungsgedankens die Konstruktion des brennraumzugewandten Endbereichs 100a der Laserzündkerze 100 daraufhin optimiert werden, dass eine effiziente Kühlung des Volumenbereichs 210 möglich ist, um halb- und unverbrannte Kohlenwasserstoffverbindungen im Bereich des Brennraumfensters 120 zu erzeugen. Die hieraus entstehenden Kohlenstoffanteile in dem sich auf der Oberfläche 120 abbildenden Belag anorganischer Verbrennungsrückstände ermöglichen vorteilhaft eine effiziente Abreinigung mittels Laserstrahlung 20 ohne eine gleichzeitige Zerstörung des Brennraumfensters 120.
  • Insbesondere in einem Temperaturbereich von etwa 300° C bis etwa 350° C ist eine besonders effiziente Ablagerung von Kohlenstoff beziehungsweise Kohlenstoffverbindungen auf der Brennraumfensteroberfläche 120a möglich.
  • Die erfindungsgemäßen Mittel 130 zur Kühlung ermöglichen eine effiziente Reduktion der Temperatur im Volumenbereich 210 vor dem Brennraumfenster 120, so dass ein kontrolliertes Verlöschen von Flammen vor dem Brennraumfenster 120 bei der Laserzündung erreicht wird. Darüberhinaus ist es wichtig, eine hinreichende Menge von Frischgemisch zu dem Brennraumfenster 120 zu transportieren, damit es nicht zu einem Restgaspolster vor dem Brennraumfenster 120 kommt, das ein Verrußen des Fensters 120 durch frühzeitiges Quenching der Flamme verhindert.
  • Der Bildung des Restgaspolsters kann durch die erfindungsgemäß vorgesehen Schlitzung 131' (Figur 2b) in dem Kühlkörper 131 und/oder durch weitere Bohrungen in dem Kühlkörper 131 begegnet werden.
  • Gleichzeitig ist jedoch darauf zu achten, dass eine zu starke Anströmung des Brennraumfensters 120 durch aus dem Brennraum 200 stammendes Fluid vermieden wird, damit sich keine Partikel aus dem Verbrennungsprozess auf dem Brennraumfenster 120 ablegen. Dies wird durch die in Figur 1 beispielhaft abgebildete Geometrie des Kühlkörpers 131 ermöglicht.
  • Eine im Bezug auf die Stirnfläche 131a (Figur 1) des Kühlkörpers 131 zurückgezogene Einbaulage des Brennraumfensters 120 in der Laserzündkerze 100 ermöglicht auf eine besonders einfache Art eine Reduzierung der Temperatur im Bereich des Brennraumfensters 120.
  • Die erfindungsgemäße Laserzündkerze 100 wird bevorzugt bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen und stationären (Groß-)Gasmotoren oder auch (Gas-)Turbinen eingesetzt.

Claims (9)

  1. Laserzündkerze (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem in einem brennraumzugewandten Endbereich (100a) angeordneten Brennraumfenster (120) mit Mitteln (130) zur Kühlung eines in dem Bereich des Brennraumfensters (120) befindlichen Volumenbereichs (210) und/oder eines in dem Volumenbereich (210) befindlichen Mediums, wobei die Mittel zur Kühlung (130) einen Kühlkörper (131) aufweisen, der eine optische Achse (OA) der Laserzündkerze (100) umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innendurchmesser (D1) des Kühlkörpers (131) im Bereich einer brennraumzugewandten Stirnseite (131a) des Kühlkörpers (131) kleiner ist als ein Innendurchmesser (D2) des Kühlkörpers (131) im Bereich einer brennraumabgewandten Stirnseite des Kühlkörpers (131)
  2. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (131) Material mit einer verhältnismäßig großen Wärmeleitfähigkeit aufweist, insbesondere mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 90 Watt je Kelvin und Meter bei Raumtemperatur oder mehr.
  3. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (131) Nickel oder eine Nickellegierung aufweist, insbesondere im wesentlichen vollständig aus Nickel oder einer Nickellegierung gebildet ist.
  4. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (131), die optische Achse (OA) der Laserzündkerze (100) konzentrisch umgibt.
  5. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (131) im wesentlichen kreisringförmig ausgebildet ist, und dass ein Innendurchmesser (D1) des Kühlkörpers (131) im Bereich einer brennraumzugewandten Stirnseite (131a) des Kühlkörpers (131) maximal etwa 105 Prozent bis etwa 200 Prozent eines Strahldurchmessers (DS) von mittels der Laserzündkerze (100) abgestrahlter Laserstrahlung (20) beträgt.
  6. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeleitmittel (140) vorgesehen sind, die eine Ableitung von Wärme aus einem brennraumzugewandten Endbereich (100a) der Laserzündkerze (100) in Richtung eines brennraumabgewandten Endbereichs (100b) ermöglichen, wobei die Wärmeleitmittel (140) vorzugsweise in einem Innenraum der Laserzündkerze (100) angeordnet sind und/oder direkt in mindestens einen Wandabschnitt eines Gehäuses (101) der Laserzündkerze (100) integriert sind.
  7. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Kühlung (130) in thermischem Kontakt stehen zu den Wärmeleitmitteln (140).
  8. Verfahren zum Betreiben einer Laserzündkerze (100) nach Anspruch 1, insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem in einem brennraumzugewandten Endbereich (100a) angeordneten Brennraumfenster (120), dadurch gekennzeichnet, dass ein in dem Bereich des Brennraumfensters (120) befindlicher Volumenbereich (210) und/oder ein in dem Volumenbereich (210) befindliches Medium auf eine Temperatur von etwa unter 350 °C bis etwa unter 300 °C gekühlt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem brennraumzugewandten Endbereich (100a) der Laserzündkerze (100) angeordnete Mittel (130) zur Kühlung verwendet werden.
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