EP2519737A1 - Laserzündeinrichtung für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Laserzündeinrichtung für eine brennkraftmaschine

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EP2519737A1
EP2519737A1 EP10787430A EP10787430A EP2519737A1 EP 2519737 A1 EP2519737 A1 EP 2519737A1 EP 10787430 A EP10787430 A EP 10787430A EP 10787430 A EP10787430 A EP 10787430A EP 2519737 A1 EP2519737 A1 EP 2519737A1
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EP
European Patent Office
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laser
photodiode
switch
ignition device
light source
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10787430A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mathias Moenster
Werner Herden
Manfred Vogel
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
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    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/131—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation
    • H01S3/1312—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation by controlling the optical pumping

Definitions

  • the invention relates to a laser ignition device for an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle, with a laser device for generating laser pulses and with a pump light source for optically pumping the laser device.
  • Such a laser ignition device is already known from DE 10 2007 044 01 1 A1.
  • Laser device is arranged so that both generated by the pumping light source pump radiation and generated by the laser device
  • Photodiode array is einstrahlbar. This advantageously provides the possibility of monitoring both the laser ignition pulses generated by the laser device and the pump radiation provided by the pump light source.
  • a particularly small-sized variant of the laser ignition device according to the invention is indicated by the fact that the photodiode is arranged in the region of an optical connection of the pumping light source or the laser device. Preferably, the photodiode can also directly into the
  • the optical connection between the pumping light source and the laser device has an optical connection
  • Cross-section converter is arranged, preferably directly on the
  • Cross-section converter According to the invention, it has been recognized that advantageously both pump radiation and laser pulses generated by the laser device emerge from the cross-sectional transducer in the region of the cross-sectional transducer, so that they can be detected particularly efficiently and simply with a photodiode.
  • the photodiode array comprises a high-pass filter and / or a bandpass filter for filtering an output signal of the
  • Photodiode has. According to the invention, it has been recognized that with a suitable choice of the lower limit frequency of the high-pass filter or bandpass filter can be achieved that usually relatively low-frequency components of the electrical output signal of the photodiode, which are due to irradiated pump radiation components, not already lead to a presaturation of the photodiode, thereby the evaluability of the relatively high-frequency signal components, resulting from the irradiation of the
  • a particularly simple circuit configuration is given to a further advantageous variant of the invention in that an inductive element is connected in parallel with the photodiode and an ohmic load resistor.
  • an inductive element is connected in parallel with the photodiode and an ohmic load resistor.
  • photodiode output signal which are caused by the laser ignition pulses, however, generate a larger voltage drop across the parallel circuit of inductive element and load resistance and are therefore advantageous to evaluate precisely.
  • the inductive element is according to the signal frequencies used for the pump radiation and the laser ignition pulses of the laser device so
  • signal components of the electrical output signal of the photodiode which are due to the irradiation of pump light, can be in the range of about 100 kHz, while such signal components of the electrical
  • Laserzündimpulsen the laser device go back are in the range of about 1 GHz.
  • a series connection of at least one inductive element and at least one ohmic resistor is connected in parallel to the photodiode.
  • the ohmic resistance of the series circuit is not too large to choose so that the photodiode is not already affected by the spectral components of the
  • Filter characteristic of the photodiode array according to the invention can be changed.
  • the second series circuit can be closed by closing the switch of the second
  • Series circuit can be deactivated by opening the switch contained in it, while at the same time the switch of the first series circuit is closed, by the above already multiply described high-pass characteristic of the inductance having a first
  • a load resistor is also connected in parallel with the photodiode.
  • the load resistor converts the current generated by the photodiode into a voltage which, for example, by a control unit of the
  • the load resistor typically represents an internal resistance of a corresponding measuring device of the control device, but may also be embodied in discrete form, in particular in the vicinity of the photodiode.
  • the load resistance and the induction values of the inductive elements and optionally further ohmic resistors of the photodiode array according to the invention are to be adapted in a manner known per se such that a desired filter characteristic is achieved. Moreover, the
  • the load resistance is to be chosen large enough that a sufficient voltage level for a reliable detection is produced.
  • Preferred values for the load resistance are in the range of 50 ⁇ to 2 kß.
  • Laser ignition device is provided that at least one inductive element of the photodiode array is arranged away from the photodiode.
  • the inductive element and / or at least one series circuit e.g. having switches, inductive elements or Ohwiderthe, be arranged in a control device of the laser ignition device, while only the photodiode is arranged directly in the region of the optical connection or the optical cross-section converter.
  • the photodiode array according to the invention is another
  • Laser ignition pulses are well detectable.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the laser ignition device according to the invention
  • FIG. 3a
  • An internal combustion engine carries in Figure 1 overall the reference numeral 10. It can be used to drive a motor vehicle, not shown.
  • the reference numeral 10 can be used to drive a motor vehicle, not shown.
  • Internal combustion engine 10 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 directly through an injector 18, which is connected to a designated also as a rail fuel pressure accumulator 20.
  • fuel 22 is ignited by means of a laser pulse 24 from a laser device 26 comprehensive
  • Ignition device 27 is radiated into the combustion chamber 14.
  • the laser device 26 is fed via an optical fiber device 280 with pumping light, which is provided by a pumping light source 30.
  • the pump light source 30 is controlled by a laser controller 32.
  • the pumping light source 30 may comprise, for example, semiconductor diode lasers for generating the pumping light.
  • the laser control unit 32 is connected via a in Figure 1 as a dashed line indicated and unspecified communication line with a motor control unit 33 in connection.
  • the engine controller 33 controls the injector 18.
  • the laser and motor control unit can be integrated in a control unit.
  • the laser device 26 has, for example, a laser-active solid (not shown) with a passive Q-switching, which together with a
  • Einkoppelapt and a Auskoppelspiegel forms an optical resonator.
  • the laser device 26 Upon application of pump light generated by the pump light source 30, which in particular is irradiated longitudinally into the optical resonator, the laser device 26 generates in a manner known per se a laser pulse 24, which is focused by focusing optics onto an ignition point ZP located in the combustion chamber 14.
  • the existing in a housing of the laser device 26 components are through a combustion chamber window of the
  • the laser-active solid used is preferably a neodymium or ytterbium-doped material.
  • a photodiode arrangement 270 is provided, which is arranged in the region of the optical connection 280 between the pumping light source 30 and the laser device 26 such that both pump radiation generated by the pumping light source 30 and generated by the laser device 26
  • the pumping light source 30 and / or the laser device 26 can be monitored.
  • the pumping light source 30 and / or the laser device 26 can be monitored.
  • Photodiode array 270 make a conversion of the respective optical signals into an electrical output signal which can be evaluated by the control device 32 in a manner known per se.
  • a structurally particularly inexpensive variant of the invention is given by the fact that the photodiode 271 is arranged in the region of an optical connection of the pumping light source 30 or the laser device 26.
  • the photodiode 271 is connected via electrical connection lines 271 a to the laser control unit 32.
  • FIG. 2 shows a further variant of the invention, in which the optical connection 280 between the laser device 26 and the pumping light source 30 is realized by means of a bundle 282 of optical fibers 282a.
  • the optical connection 280 also has an optical cross-section converter 281, which has a
  • the cross-section converter 281 sets the in
  • FIG. 2 also shows a section through the cross-section converter 281 along the line AA.
  • the photodiode 271 of the photodiode array 270 according to the invention is advantageously directly on the optical in this variant of the invention
  • Cross-section converter 281 arranged so that they in the cross-section converter
  • the light scattered in the cross-sectional converter 281 contains both portions of the pump light provided by the pumping light source 30 and portions of the laser ignition pulses 24 generated by the laser device 26, the intensity of the scattered pumping light typically being significantly greater than the intensity of the scattered laser ignition pulses.
  • FIG. 3a shows a first embodiment of the invention
  • Photodiode array 270 with the photodiode 271, in which it is
  • the photodiode array 270 may be a PIN (positive intrinsic negative) diode.
  • the photodiode array 270 according to the invention has an inductive element L which, as shown in FIG. 3a, is connected in parallel with the photodiode 271, resulting in a high-pass filter configuration.
  • Short-circuiting which have relatively low frequency components, while higher-frequency signal components of the photodiode current are not short-circuited. This can be advantageously prevented that the photodiode 271 already by sole application of the pumping light in a presaturation device, which could disadvantageously lead to the
  • Load resistance RL Parasitic ohmic resistances within the inductive element L (coil) can not be completely avoided.
  • the load resistor RL does not have to be necessary as a separate, discrete
  • Component can be formed, but can be included in a conventional manner, for example, already in an input stage of the controller 32, which realizes an evaluation of the electrical signals generated by the photodiode 271.
  • the load resistor RL can also be understood as the input impedance of such an input stage.
  • FIG. 3b shows a further variant of the invention
  • Photodiode array 270 in which a series circuit SS1 from a first
  • the series circuit SS1 not only has a purely inductive character, so that the comparatively low-frequency signal components which are short-circuited primarily by the inductive component L1 of the series circuit SS1 are also switched off by the pump light in the
  • Photodiode 271 are caused to a corresponding
  • FIG. 3 c shows a further photodiode arrangement 270, in which two
  • Series circuits SS1, SS2 are connected in parallel with the photodiode 271.
  • the first series circuit SS1 has a switch S1 and an inductive element L1, while the second series circuit has a second switch S2 and an ohmic resistor R2 arranged in series therewith.
  • the switches S1, S2 may be formed for example as a transistor, wherein the respective transistors can be controlled by the laser control unit 32.
  • MOSFETS are used as switches S1, S2, which on the one hand are cost-effective and, on the other hand, are low-resistance in forward operation.
  • the photodiode array 270 according to FIG. 3c can be configured particularly advantageously with respect to its filter characteristic.
  • the first switch S1 and the second switch S2 be closed, so that a total of a relatively low-resistance arrangement by the Ohmic resistors R2, RL yields.
  • This low-resistance arrangement advantageously makes it possible to avoid saturation of the photodiode 271 already by the pump light signal components alone.
  • Voltage drop are evaluated, which provides information about the intensity of the pump light or even the presence of the pump light.
  • Hochpasschakterakterizing which is caused by the inductive element L1, advantageously filtering the output signals of the photodiode 271 in such a way that only the relatively high-frequency signal components, which are caused by the laser ignition pulses 24 of the laser device 26 drop at the load resistor RL, while the relatively low-frequency signal components , which are caused by the pumping light, as already described by the inductive element L1 of the first series circuit SS1 be shorted so that they do not lead to the unwanted presaturation of the photodiode 271.
  • the switching between the two modes is advantageously sufficiently early before an expected ignition, to which the
  • Laser device 26 generates the laser ignition pulse 24.
  • the switchover should take place so well in advance of the expected ignition timing that the high-pass filter arrangement of the photodiode array 270 still settles and possibly stored in the P-N junction of the photodiode 271
  • Photodiode 271 for detecting the laser ignition pulse 24 is ensured.
  • a third operating mode the first switch S1 and the second switch S2 are opened, so that only the load resistor RL is traversed by the photodiode current. If RL is greater than R2, in this mode of operation an increased overall resistance compared to the first operating mode can be realized, which allows a detection of relatively weak optical signals.
  • the relatively weak fluorescence signal of the laser-active solid can be detected after switching off the pump light.
  • the goal of the pumping process is merely the generation of a population inversion in the laser-active solid to fluorescence generation without a Zürtzt- pulse is triggered by the passive Q-switch.
  • the induction values of the inductive element L are preferably selected from the range of about 0.5 ⁇ (microhenry) to about 20 ⁇ , with a value of about 5 ⁇ being particularly preferred. In this case, a particularly efficient detection of the laser ignition pulses 24 by the photodiode array 270 is given.
  • the dashed line Upd in Figure 4a shows a time course of the
  • the solid line Uf in FIG. 4a shows the photodiode voltage when a coil L according to FIG. 3a is connected in parallel.
  • Ignition timing T2 to which the laser ignition pulse 24 is output is e.g. using a trigger or interrupt unit of the laser control unit 32, which evaluates the time profile Uf filtered according to the invention (solid line in FIG. 4a and recognizes the sharply demarcated local maximum M at the instant T2).
  • the reference symbol T1 in FIG. 4a indicates the connection time of the
  • FIG. 4b shows a time characteristic of the filtered photodiode voltage Uf, as it appears in the case of a parallel connection of a series circuit comprising a coil L1 and a low-impedance one
  • Resistor R1 according to FIG. 3b gives.
  • TS1 indicates the start time for a sample sampling, while TS2 defines the stop time for the sample sampling.
  • TS1; TS2 defines the stop time for the sample sampling.
  • TS1; TS2 defines the stop time for the sample sampling.
  • TS1; TS2 defines the stop time for the sample sampling.
  • > 1 measured values are recorded from which the presence of pump light can be deduced.
  • Corresponding local maximum at the time T2 is also detectable from the course Uf.
  • Figure 4c shows the time course of the filtered photodiode voltage Uf, as it results when using a circuit according to FIG. 3c.
  • Mode is set in the time interval from T1 to TU1, namely a sample scan in sample windows (TS1, TS2).
  • switch S1 is open and switch S2 is closed, so that from the course Uf can be advantageously closed to the presence of pump radiation, thus a diagnosis of the pumping operation is possible.
  • a second mode is set from TU1 to T3 in which the measurement of the ignition timing T2 is made. In this second operating mode, switch S2 is open and switch S1 is closed, so that local maximum M at time T2 can be detected particularly reliably from trace Uf.
  • the time TU 1 represents a switching time, i. Close S1 and open S2. After switching, a settling of the high-pass filter (Figure 3c) can be seen, see. the fluctuations over time Uf immediately after TU 1.
  • FIG. 4d again in the form of a solid line Uf, shows the time curve of the photodiode voltage when using a circuit according to FIG. 3c) of the application draft.
  • a fluorescence signal generated by the laser device 26 is to be detected.
  • optical pumping no longer takes place, as this would make the detection of the fluorescence signal difficult or impossible. It only needs to be pumped to T3 to excite the laser for fluorescence.
  • the photodiode arrangement 270 advantageously permits an evaluation of the laser ignition pulses 24, the pump light of the pump light source 30 and / or the fluorescence light of the laser device, without the evaluation of the laser ignition pulses 24 being adversely affected by the signal components of the pump light due to presaturation of the photodiode 271. This is particularly advantageous if the pumped light power radiated into the photodiode is significantly greater than the corresponding ignition light power or fluorescent light power.
  • the photodiode arrangement according to the invention can also be divided into different structural groups in a particularly flexible manner, with the photodiode 271 alone being provided in the region of the optical connection 280 (FIG. 1) or the optical cross-section converter 281 (FIG. 2), while the remaining components L, L1, RL, SS1, SS2 are arranged away from the optical connection 280 or the cross-sectional converter 281, for example integrated into the control device 32.
  • the photodiode array according to the invention is another

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserzündeinrichtung (27) für eine Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Lasereinrichtung (26) zur Erzeugung von Laserimpulsen (24) und mit einer Pumplichtquelle (30) zum optischen Pumpen der Lasereinrichtung (26). Erfindungsgemäß ist eine Photodiodenanordnung (270) im Bereich einer optischen Verbindung (280) zwischen der Pumplichtquelle (30) und der Lasereinrichtung (26) so angeordnet, dass sowohl von der Pumplichtquelle (30) erzeugte Pumpstrahlung als auch von der Lasereinrichtung (26) erzeugte Laserstrahlung jeweils zumindest teilweise auf eine Photodiode (271) der Photodiodenanordnung (270) einstrahlbar ist.

Description

Beschreibung Titel
Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Lasereinrichtung zur Erzeugung von Laserimpulsen und mit einer Pumplichtquelle zum optischen Pumpen der Lasereinrichtung.
Eine derartige Laserzündeinrichtung ist bereits aus der DE 10 2007 044 01 1 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündeinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine einfache und zuverlässige Diagnose des Betriebs der Laserzündeinrichtung möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei der Laserzündeinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Photodiodenanordnung im Bereich einer optischen Verbindung zwischen der Pumplichtquelle und der
Lasereinrichtung so angeordnet ist, dass sowohl von der Pumplichtquelle erzeugte Pumpstrahlung als auch von der Lasereinrichtung erzeugte
Laserstrahlung jeweils zumindest teilweise auf eine Photodiode der
Photodiodenanordnung einstrahlbar ist. Dadurch ist vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, sowohl die von der Lasereinrichtung erzeugten Laserzündimpulse als auch die von Pumplichtquelle bereitgestellte Pumpstrahlung zu überwachen. Eine besonders kleinbauende Variante der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung ist dadurch angegeben, dass die Photodiode im Bereich eines optischen Anschlusses der Pumplichtquelle oder der Lasereinrichtung angeordnet ist. Vorzugsweise kann die Photodiode auch direkt in die
betreffenden Komponenten integriert sein.
Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung ist vorgesehen, dass die optische Verbindung zwischen der Pumplichtquelle und der Lasereinrichtung einen optischen
Querschnittswandler aufweist, und dass die Photodiode im Bereich des
Querschnittwandlers angeordnet ist, vorzugsweise direkt an dem
Querschnittswandler. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass im Bereich des Querschnittswandlers vorteilhaft sowohl Pumpstrahlung als auch von der Lasereinrichtung erzeugte Laserimpulse zumindest in Form von Streulicht aus dem Querschnittswandler austreten, so dass sie besonders effizient und einfach mit einer Photodiode erfasst werden können.
Eine besonders präzise Auswertung der von der Lasereinrichtung erzeugten Laserzündimpulse ist einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge dadurch gegeben, dass die Photodiodenanordnung einen Hochpassfilter und/oder einen Bandpassfilter zur Filterung eines Ausgangssignals der
Photodiode aufweist. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass bei geeigneter Wahl der unteren Grenzfrequenz des Hochpassfilters bzw. des Bandpassfilters erreicht werden kann, dass üblicherweise verhältnismäßig niederfrequente Anteile des elektrischen Ausgangssignals der Photodiode, die auf eingestrahlte Pumpstrahlungsanteile zurückzuführen sind, nicht bereits zu einer Vorsättigung der Photodiode führen, wodurch die Auswertbarkeit der verhältnismäßig hochfrequenten Signalanteile, die sich infolge der Einstrahlung der
Laserzündimpulse auf die Photodiode ergeben, sichergestellt ist.
Eine besonders einfache Schaltungskonfiguration ist einer weiteren vorteilhaften Erfindungsvariante dadurch gegeben, dass ein induktives Element parallel zu der Photodiode und einem ohmschen Lastwiderstand geschaltet ist. Bei geeigneter Wahl der Induktivität des induktiven Elements, das beispielsweise als
herkömmliche Spule ausgebildet sein kann, können bevorzugt die störenden niederfrequenten Pumplichtanteile eines elektrischen Ausgangssignals der Photodiode kurzgeschlossen werden, so dass diese nicht zur Vorsättigung der Photodiode beitragen können. Höherfrequente Anteile des
Photodiodenausgangssignals, die durch die Laserzündimpulse bedingt sind, erzeugen demgegenüber jedoch einen größeren Spannungsabfall an der Parallelschaltung von induktivem Element und Lastwiderstand und sind demnach vorteilhaft präzise auswertbar.
Das induktive Element ist entsprechend den verwendeten Signalfrequenzen für die Pumpstrahlung und die Laserzündimpulse der Lasereinrichtung so
auszuwählen, dass die Frequenzanteile der Pumpstrahlung überwiegend von dem Hochpassfilter bzw. Bandpassfilter kurzgeschlossen werden, so dass sich keine unerwünschte Vorsättigung der Photodiode durch die Pumpstrahlung ergibt. Typischerweise können Signalanteile des elektrischen Ausgangssignals der Photodiode, die auf die Einstrahlung von Pumplicht zurückgehen, im Bereich von etwa 100 kHz liegen, während solche Signalanteile des elektrischen
Ausgangssignals der Photodiode, die auf die Einstrahlung von
Laserzündimpulsen der Lasereinrichtung zurückgehen, im Bereich von etwa 1 GHz liegen. Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante ist eine Serienschaltung aus mindestens einem induktiven Element und mindestens einem Ohmschen Widerstand parallel zu der Photodiode geschaltet. Durch eine geeignete Auswahl des Ohmschen Widerstands dieser Serienschaltung kann erreicht werden, dass die zur Vorsättigung der Photodiode beitragenden, verhältnismäßig
niederfrequenten Signalanteile des Photodiodenausgangssignals nicht komplett kurzgeschlossen werden. Dadurch ist durch eine der Photodiodenanordnung nachgeordnete Auswerteschaltung auch die Auswertung der Pumpstrahlung möglich, beispielsweise eine Überprüfung auf das Vorhandensein der
Pumpstrahlung. Der Ohmsche Widerstand der Serienschaltung ist nicht zu groß zu wählen, damit die Photodiode nicht bereits durch die Spektralanteile der
Pumpstrahlung in einen Sättigungszustand übergeht.
Eine weitere vorteilhafte Erfindungsvariante sieht vor, dass eine erste
Serienschaltung aus mindestens einem induktiven Element und mindestens einem Schalter und mindestens eine zweite Serienschaltung aus mindestens einem Ohmsche Widerstand und mindestens einem Schalter jeweils parallel zu der Photodiode geschaltet ist. Mit dieser Schaltungsanordnung kann die
Filtercharakteristik der erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung verändert werden.
Beispielsweise kann während des optischen Pumpens der Lasereinrichtung die zweite Serienschaltung durch das Schließen des Schalters der zweiten
Serienschaltung aktiv geschaltet werden, so dass parallel zu der Photodiode der Ohmsche Widerstand der zweiten Serienschaltung anliegt. Hierdurch kann an dem Ohmschen Widerstand ein Spannungswert, der proportional zur optischen Pumpleistung der Pumplichtquelle ist, erfasst werden. Anschließend, beispielsweise eine definierte Zeit vor dem geschätzten Auftreten der Erzeugung eines Laserzündimpulses durch die Lasereinrichtung, kann die zweite
Serienschaltung durch Öffnen des in ihr enthaltenen Schalters deaktiviert werden, während gleichzeitig der Schalter der ersten Serienschaltung geschlossen wird, um durch die vorstehend bereits mehrfach beschriebene Hochpasscharakteristik der eine Induktivität aufweisenden ersten
Serienschaltung eine besonders präzise Erfassung des Laserzündimpulses zu ermöglichen.
Ein Lastwiderstand ist ebenfalls parallel zu der Photodiode geschaltet. Der Lastwiderstand wandelt den von der Photodiode erzeugten Strom in eine Spannung um, die beispielsweise durch ein Steuergerät der
Laserzündeinrichtung messtechnisch erfassbar ist. Der Lastwiderstand stellt typischerweise einen Innenwiderstand einer entsprechenden Messeinrichtung des Steuergeräts dar, kann jedoch auch in diskreter Form, insbesondere in der Nähe der Photodiode, ausgeführt sein.
Der Lastwiderstand sowie die Induktionswerte der induktiven Elemente und gegebenenfalls weiterer Ohmscher Widerstände der erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung sind in an sich bekannter Weise derart anzupassen, dass eine gewünschte Filtercharakteristik erzielt wird. Überdies ist der
Lastwiderstand einerseits niedrig genug zu wählen, dass die Schaltung in Verbindung mit der Kapazität der Photodiode (Tiefpass) schnell genug ist, den Zündlaserimpuls zu erfassen. Andererseits ist der Lastwiderstand groß genug zu wählen, dass ein ausreichender Spannungspegel für eine verlässliche Detektion erzeugt wird. Bevorzugte Werte für den Lastwiderstand liegen im Bereich von 50Ω bis 2 kß.
Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung ist vorgesehen, dass mindestens ein induktives Element der Photodiodenanordnung entfernt von der Photodiode angeordnet ist. Beispielsweise kann das induktive Element und/oder mindestens eine Serienschaltung, z.B. aufweisend Schalter, induktive Elemente oder Ohwiderstände, in einem Steuergerät der Laserzündeinrichtung angeordnet sein, während allein die Photodiode direkt im Bereich der optischen Verbindung beziehungsweise des optischen Querschnittwandlers angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Photodiodenanordnung ist einer weiteren
Ausführungsform zufolge dazu ausgebildet, die Photodiode ohne eine
Vorspannung zu betreiben, wodurch sich eine Schaltungsanordnung mit besonders geringer Komplexität ergibt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Hochpassanordnung kann dennoch eine Vorsättigung der Photodiode durch die Beaufschlagung mit Pumplicht vermieden werden, so dass auch
Laserzündimpulse gut detektierbar sind.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein
Verfahren gemäß Patentanspruch 12 angegeben.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, der Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, der Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung zeigt: schematisch eine Brennkraftmaschine mit einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung, Figur 2 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung,
Figur 3a,
3b, 3c jeweils unterschiedliche Schaltungsanordnungen einer
erfindungemäßen Photodiodenanordnung, und
Figur 4a-
4d jeweils unterschiedliche Zeitverläufe elektrischer Betriebsgrößen gemäß weiterer Ausführungsformen.
Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie kann zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs dienen. Die
Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder, von denen in Figur 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 12 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18, der an einen auch als Rail bezeichneten Kraftstoff- Druckspeicher 20 angeschlossen ist.
In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der von einer eine Lasereinrichtung 26 umfassenden
Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird die Lasereinrichtung 26 über eine Lichtleitereinrichtung 280 mit Pumplicht gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einem Laser-Steuergerät 32 gesteuert. Die Pumplichtquelle 30 kann beispielsweise Halbleiter-Diodenlaser zur Erzeugung des Pumplichts aufweisen. Das Laser-Steuergerät 32 steht über eine in Figur 1 als gestrichelte Linie angedeutete und nicht näher bezeichnete Kommunikationsleitung mit einem Motor-Steuergerät 33 in Verbindung. Das Motor-Steuergerät 33 steuert den Injektor 18 an. Optional können das Laser- und Motor-Steuergerät in eine Steuereinheit integriert sein.
Die Lasereinrichtung 26 weist beispielsweise einen laseraktiven Festkörper (nicht gezeigt) mit einer passiven Güteschaltung auf, die zusammen mit einem
Einkoppelspiegel und einem Auskoppelspiegel einen optischen Resonator bildet. Unter Beaufschlagung mit von der Pumplichtquelle 30 erzeugtem Pumplicht, welches insbesondere longitudinal in den optischen Resonator eingestrahlt wird, erzeugt die Lasereinrichtung 26 in an sich bekannter Weise einen Laserimpuls 24, der durch eine Fokussieroptik auf einen in dem Brennraum 14 befindlichen Zündpunkt ZP fokussiert ist. Die in einem Gehäuse der Lasereinrichtung 26 vorhandenen Komponenten sind durch ein Brennraumfenster von dem
Brennraum 14 getrennt. Als laseraktiver Festkörper wird bevorzugt ein Neodymoder Ytterbium-dotiertes Material verwendet.
Erfindungsgemäß ist eine Photodiodenanordnung 270 vorgesehen, die im Bereich der optischen Verbindung 280 zwischen der Pumplichtquelle 30 und der Lasereinrichtung 26 so angeordnet ist, dass sowohl von der Pumplichtquelle 30 erzeugte Pumpstrahlung als auch von der Lasereinrichtung 26 erzeugte
Laserstrahlung jeweils zumindest teilweise eine Photodiode 271 (Figur 2) der Photodiodenanordnung 270 einstrahlbar ist.
Dadurch kann vorteilhaft ein Betrieb der Pumplichtquelle 30 und/oder der Lasereinrichtung 26 überwacht werden. Beispielsweise kann die
erfindungsgemäße Photodiodenanordnung 270 eine Umwandlung der betreffenden optischen Signale in ein elektrisches Ausgangssignal vornehmen, das durch die Steuereinrichtung 32 in an sich bekannter Weise auswertbar ist.
Eine konstruktiv besonders wenig aufwendige Erfindungsvariante ist dadurch gegeben, dass die Photodiode 271 im Bereich eines optischen Anschlusses der Pumplichtquelle 30 oder der Lasereinrichtung 26 angeordnet ist. Die Photodiode 271 ist über elektrische Verbindungsleitungen 271 a mit dem Laser-Steuergerät 32 verbunden.
Figur 2 zeigt eine weitere Erfindungsvariante, bei der die optische Verbindung 280 zwischen der Lasereinrichtung 26 und der Pumplichtquelle 30 mittels eines Bündels 282 aus Lichtleitfasern 282a realisiert ist. Die optische Verbindung 280 verfügt ferner über einen optischen Querschnittswandler 281 , der eine
Anpassung des Querschnitts der mehreren Lichtleitfasern 282a in an sich bekannter Weise an eine Halbleiterlaser-Diodenanordnung 31 der
Pumplichtquelle 30 vornimmt. Der Querschnittswandler 281 setzt den im
Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt der gebündelten Lichtleitfasern 282a wie aus Figur 2 ersichtlich in eine im Wesentlichen rechteckförmige beziehungsweise lineare Anordnung um, so dass die einzelnen Lichtleitfasern 282a vorteilhaft jeweils unterschiedlichen Emittern des Haltleiterdiodenlasers 31 , insbesondere Halbleiterdiodenlaser-Barren, gegenüberliegen. Figur 2 zeigt hierzu auch einen Schnitt durch den Querschnittswandler 281 entlang der Linie A-A.
Die Photodiode 271 der erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung 270 ist bei dieser Erfindungsvariante vorteilhaft direkt auf dem optischen
Querschnittswandler 281 angeordnet, so dass sie in dem Querschnittswandler
281 gestreutes Licht aufnehmen kann. Das in dem Querschnittswandler 281 gestreute Licht enthält Untersuchungen der Anmelderin zufolge sowohl Anteile des von der Pumplichtquelle 30 bereitgestellten Pumplichts als auch Anteile der von der Lasereinrichtung 26 erzeugten Laserzündimpulse 24, wobei die Intensität des gestreuten Pumplichts typischerweise deutlich größer als die Intensität der gestreuten Laserzündimpulse ist.
Figur 3a zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Photodiodenanordnung 270 mit der Photodiode 271 , bei der es sich
beispielsweise um eine PIN (positive intrinsic negative)-Diode handeln kann. Die erfindungsgemäße Photodiodenanordnung 270 verfügt über ein induktives Element L, das wie aus Figur 3a ersichtlich parallel zu der Photodiode 271 geschaltet ist, wodurch sich eine Hochpassfilterkonfiguration ergibt.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass diese Schaltungsanordnung vorteilhaft solche Signalanteile des Photodiodenausgangssignals
(Photodiodenstrom) kurzschließt, die verhältnismäßig niedrige Frequenzanteile haben, während höherfrequente Signalanteile des Photodiodenstroms nicht kurzgeschlossen werden. Dadurch kann vorteilhaft verhindert werden, dass die Photodiode 271 bereits durch alleinige Beaufschlagung mit dem Pumplicht in eine Vorsättigung gerät, die nachteilig dazu führen könnte, dass der
üblicherweise zeitlich der Pumplichtbestrahlung nachfolgende Laserzündimpuls 24 gar nicht mehr detektiert werden kann. Das induktive Element L verhindert demnach einerseits die Vorsättigung der Photodiode 271 durch die
verhältnismäßig niederfrequenten Signalanteile, die durch das Pumplicht in der Photodiode 271 erzeugt werden. Andererseits ergibt sich für die verhältnismäßig hochfrequenten Signalanteile, die durch die im Nanosekundenbereich liegenden Laserzündimpulse 24 bewirkt werden, ein entsprechender gut auswertbarer Spannungsabfall an der Parallelschaltung von induktivem Element L und
Lastwiderstand RL. Parasitäre ohmsche Leitungswiderstände innerhalb des induktiven Elements L (Spule) lassen sich nicht komplett vermeiden.
Erfindungsgemäß bevorzugt sind Leitungswiderstände unterhalb von 10 mQ.
Der Lastwiderstand RL muss nicht notwendig als separates, diskretes
Bauelement ausgebildet werden, sondern kann in an sich bekannter Weise beispielsweise bereits in einer Eingangsstufe des Steuergeräts 32 enthalten sein, die eine Auswertung der von der Photodiode 271 erzeugten elektrischen Signale realisiert. Der Lastwiderstand RL kann auch als Eingangsimpedanz einer solchen Eingangsstufe aufgefasst werden.
Figur 3b zeigt eine weitere Variante der erfindungsgemäßen
Photodiodenanordnung 270, bei der eine Serienschaltung SS1 aus einer ersten
Induktivität L1 und einem ersten Ohmschen Widerstand R1 gegeben ist. Im Unterschied zu der Konfiguration gemäß Figur 3a weist die Serienschaltung SS1 nicht nur rein induktiven Charakter auf, so dass auch die primär durch die induktive Komponente L1 der Serienschaltung SS1 kurzgeschlossenen, verhältnismäßig niederfrequenten Signalanteile, die durch das Pumplicht in der
Photodiode 271 hervorgerufen werden, zu einem entsprechenden
Spannungsabfall an dem Ohmschen Widerstand R1 führen und damit ebenfalls durch das Steuergerät 32 detektierbar sind. Das bedeutet, bei der Konfiguration gemäß Figur 3b kann durch die Auswertung der an dem Lastwiderstand RL abfallenden Spannung sowohl auf das Vorhandensein von Pumplicht als auch auf das Vorhandensein von Laserstrahlung, die mit den durch die
Lasereinrichtung 26 erzeugten Laserzündimpulsen 24 korrespondiert, geschlossen werden. Der Ohmsche Widerstand R1 der Serienschaltung SS1 ist vorteilhaft so zu wählen, dass die durch das Pumplicht erzeugten Signalanteile nach wie vor überwiegend kurzgeschlossen werden, das heißt nur ein geringer Teil der niederfrequenten Signalanteile erfassbar ist, um die beschriebene Vorsättigung der Photodiode 271 zu vermeiden. Figur 3c zeigt eine weitere Photodiodenanordnung 270, bei der zwei
Serienschaltungen SS1 , SS2 parallel zu der Photodiode 271 geschaltet sind.
Die erste Serienschaltung SS1 weist einen Schalter S1 und ein induktives Element L1 auf, während die zweite Serienschaltung einen zweiten Schalter S2 und einen hierzu in Serie angeordneten Ohmschen Widerstand R2 aufweist. Die Schalter S1 , S2 können beispielsweise als Transistor ausgebildet sein, wobei die jeweiligen Transistoren von dem Laser-Steuergerät 32 gesteuert werden können. Bevorzugt werden als Schalter S1 , S2 MOSFETS eingesetzt, die einerseits kostengünstig und andererseits im Durchlassbetrieb niederohmig sind.
Die Photodiodenanordnung 270 gemäß Figur 3c ist besonders vorteilhaft hinsichtlich ihrer Filtercharakteristik konfigurierbar. Beispielsweise kann in einer ersten Betriebsart während eines Pumpvorganges, bei der die Lasereinrichtung 26 mittels des durch die Pumplichtquelle 30 bereitgestellten Pumplichts optisch gepumpt wird, der erste Schalter S1 geöffnet und der zweite Schalter S2 geschlossen sein, so dass sich insgesamt eine verhältnismäßig niederohmige Anordnung durch die Ohmschen Widerstände R2, RL ergibt. Diese niederohmige Anordnung ermöglicht vorteilhaft die Vermeidung einer Sättigung der Photodiode 271 bereits allein durch die Pumplichtsignalanteile.
Dennoch kann ein an den Ohmschen Widerständen R2, RL auftretender
Spannungsabfall ausgewertet werden, der Aufschluss über die Intensität des Pumplichts beziehungsweise überhaupt des Vorhandensein des Pumplichts gibt.
In einer zweiten Betriebsart wird der zweite Schalter S2 geöffnet und der erste Schalter S1 geschlossen. Diese Konfiguration entspricht im Wesentlichen der Schaltungsanordnung gemäß Figur 3a und ermöglicht durch die
Hochpasscharakteristik, die durch das induktive Element L1 bedingt wird, vorteilhaft eine Filterung der Ausgangssignale der Photodiode 271 dahingehend, dass nur die verhältnismäßig hochfrequenten Signalanteile, die durch die Laserzündimpulse 24 der Lasereinrichtung 26 hervorgerufen werden, an dem Lastwiderstand RL abfallen, während die verhältnismäßig niederfrequenten Signalanteile, die durch das Pumplicht bedingt werden, wie bereits beschrieben durch das induktive Element L1 der ersten Serienschaltung SS1 kurzgeschlossen werden, damit sie nicht zu der unerwünschten Vorsättigung der Photodiode 271 führen.
Die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsarten erfolgt vorteilhaft hinreichend früh vor einem erwarteten Zündzeitpunkt, zu dem die
Lasereinrichtung 26 den Laserzündimpuls 24 erzeugt. Die Umschaltung sollte insbesondere so rechtzeitig vor dem erwarteten Zündzeitpunkt erfolgen, dass die Hochpassfilteranordnung der Photodiodenanordnung 270 noch einschwingen und eventuell in dem P-N-Übergang der Photodiode 271 gespeicherte
Ladungsträger abbauen kann, damit eine maximale Empfindlichkeit der
Photodiode 271 zur Detektion des Laserzündimpulses 24 gewährleistet ist.
In einer dritten Betriebsart wird der erste Schalter S1 und der zweite Schalter S2 geöffnet, so dass nur noch der Lastwiderstand RL vom Photodiodenstrom durchflössen wird. Wenn RL größer als R2 ist, lässt sich in dieser Betriebsart ein im Vergleich zur ersten Betriebsart vergrößerter Gesamtwiderstand realisieren, der eine Detektion von relativ schwachen optischen Signalen erlaubt. So kann beispielsweise das relativ schwache Fluoreszenz-Signal des laseraktiven Festkörpers nach Abschaltung des Pumplichtes detektiert werden. Hierbei ist das Ziel des Pumpvorganges lediglich die Erzeugung einer Besetzungsinversion im laseraktiven Festkörper zur Fluoreszenz-Erzeugung, ohne dass ein Zündlicht- Puls durch den passiven Güteschalter ausgelöst wird.
Die Induktionswerte des induktiven Elements L sind bevorzugt ausgewählt aus dem Bereich von etwa 0,5 μΗ (Mikrohenry) bis etwa 20 μΗ, wobei ein Wert von etwa 5 μΗ besonders bevorzugt ist. In diesem Fall ist eine besonders effiziente Detektion der Laserzündimpulse 24 durch die Photodiodenanordnung 270 gegeben.
Nachstehend sind unter Bezugnahme auf die Figuren 4a bis 4d weitere
Ausführungsformen beschrieben.
Die gestrichelte Linie Upd in Figur 4a zeigt einen zeitlichen Verlauf der
Photodioden-Spannung, wie er sich gänzlich ohne die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Filterung ergibt. Derselbe zeitliche Verlauf ist auch in den Fig. 4b und 4c aufgetragen. Eine Messung des Zündzeitpunktes ist hiermit folglich nicht möglich.
Die durchgezogene Linie Uf in Figur 4a zeigt demgegenüber die Photodioden- Spannung bei Parallelschaltung einer Spule L gemäß Fig. 3a. Eine Messung des
Zündzeitpunkts T2, zu dem der Laserzündimpuls 24 abgegeben wird, ist z.B. unter Verwendung einer Trigger- oder Interrupt-Einheit des Laser-Steuergeräts 32 möglich, die den erfindungsgemäß gefilterten Zeitverlauf Uf (durchgezogene Linie in Figur 4a auswertet und das scharf abgegrenzte lokale Maximum M zu dem Zeitpunkt T2 erkennt.
Das Bezugszeichen T1 in Figur 4a gibt den Anschaltzeitpunkt der
Pumplichtquelle wieder. Unmittelbar nach T1 ist das Einschwingen des
Hochpasses gemäß Figur 3a erkennbar in dem gefilterten Spannungsverlauf Uf. Wie bereits beschrieben, repräsentiert T2 den Zündzeitpunkt. T3 gibt den
Abschaltzeitpunkt der Pumplichtquelle an. Nach T3 ist das Ausschwingen des Hochpasses gemäß Figur 3a erkennbar.
Figur 4b zeigt einen Zeitverlauf der gefilterten Photodioden-Spannung Uf, wie er sich bei Parallelschaltung einer Serienschaltung aus Spule L1 und nierohmigem
Widerstand R1 gemäß Fig. 3b ergibt. TS1 gibt den Start-Zeitpunkt für eine Messwert-Abtastung (Sampling) an, während TS2 den Stop-Zeitpunkt für die Messwert-Abtastung definiert. In dem Zeitfenster (TS1 ;TS2) werden >= 1 Messwerte erfasst, aus denen auf die Anwesenheit von Pumplicht geschlossen werden kann. Ein mit dem Auftreten des Laserzündimpulses 24
korrespondierendes lokales Maximum zu der Zeit T2 ist ebenfalls aus dem Verlauf Uf detektierbar.
Figur 4c zeigt den Zeitverlauf der gefilterten Photodioden-Spannung Uf, wie er sich bei Verwendung einer Schaltung gemäß Fig. 3c ergibt. Eine erste
Betriebsart wird in dem Zeitintervall von T1 bis TU1 eingestellt, nämlich eine Messwert-Abtastung in Sample-Fenster (TS1 ;TS2). Bei dieser ersten Betriebsart ist Schalter S1 geöffnet und Schalter S2 geschlossen, so dass aus dem Verlauf Uf vorteilhaft auf die Anwesenheit von Pumpstrahlung geschlossen werden kann, mithin eine Diagnose des Pumpvorgangs ermöglicht ist. Eine zweite Betriebsart wird von TU1 bis T3 eingestellt, in der die Messung des Zündzeitpunkts T2 erfolgt. Bei dieser zweiten Betriebsart ist Schalter S2 geöffnet und Schalter S1 geschlossen, so dass das lokale Maximum M zur Zeit T2 besonders sicher aus dem Verlauf Uf detektierbar ist.
Der Zeitpunkt TU 1 repräsentiert hierbei einen Umschaltzeitpunkt, d.h. Schließen von S1 und Öffnen von S2. Nach dem Umschalten ist ein Einschwingen des Hochpass-Filters (Figur 3c) erkennbar, vgl. die Schwankungen im Zeitverlauf Uf unmittelbar nach TU 1.
Figur 4d zeigt, wiederum in Form einer durchgezogenen Linie Uf, den Zeitverlauf der Photodioden-Spannung bei Verwendung einer Schaltung gemäß Fig. 3c) des Anmeldungsentwurfs. Vorliegend soll ein von der Lasereinrichtung 26 erzeugtes Fluoreszenz-Signal erfasst werden.
Hierzu erfolgt in einer ersten Betriebsart von T1 bis T3 eine Messwert-Abtastung des Zeitverlaufs Uf, wie er sich aufgrund des optischen Pumpens ergibt, in dem Sample-Fenster TS1 bis TS2. Schalter S1 (Figur 3c) ist geöffnet und Schalter S2 ist geschlossen.
Danach, in einer dritten Betriebsart für Zeitpunkte t > TU2, in der Schalter S1 geöffnet und Schalter S2 geöffnet ist, erfolgt eine Messwert-Abtastung für die Fluoreszenz-Messung in dem Sample-Fenster TS3 bis TS4 mit >= 1 Messwert. Während der dritten Betriebsart ab TU2 erfolgt kein optisches Pumpen mehr, da hierdurch die Erfassung des Fluoreszenz-Signals erschwert bzw. unmöglich gemacht würde. Es muss nur bis T3 gepumpt werden, um den Laser zur Fluoreszenz anzuregen.
Die erfindungsgemäße Photodiodenanordnung 270 erlaubt vorteilhaft eine Auswertung der Laserzündimpulse 24, des Pumplichts der Pumplichtquelle 30 und/oder des Fluoreszenzlichts der Lasereinrichtung, ohne dass aufgrund einer Vorsättigung der Photodiode 271 durch die Signalanteile des Pumplichts die Auswertung der Laserzündimpulse 24 beeinträchtigt ist. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn die in die Photodiode eingestrahlte Pumplicht-Leistung deutlich größer als die entsprechende Zündlicht-Leistung bzw. Fluoreszenzlicht-Leistung ist. Die erfindungsgemäße Photodiodenanordnung kann besonders flexibel auch in unterschiedliche bauliche Gruppen aufgeteilt werden, wobei beispielsweise allein die Photodiode 271 im Bereich der optischen Verbindung 280 (Figur 1 ) beziehungsweise des optischen Querschnittwandlers 281 (Figur 2) vorgesehen ist, während die restlichen Komponenten L, L1 , RL, SS1 , SS2 von der optischen Verbindung 280 beziehungsweise dem Querschnittswandler 281 entfernt angeordnet sind, beispielsweise integriert in das Steuergerät 32.
Die erfindungsgemäße Photodiodenanordnung ist einer weiteren
Ausführungsform zufolge dazu ausgebildet, die Photodiode 271 ohne eine Vorspannung zu betreiben, wodurch sich eine Schaltungsanordnung mit besonders geringer Komplexität ergibt, vgl. Figur 3a, 3b, 3c. Aufgrund der erfindungsgemäßen Hochpassanordnung kann dennoch eine Vorsättigung der Photodiode 271 durch die Beaufschlagung mit Pumplicht vermieden werden, so dass auch verhältnismäßig kurze Laserzündimpulse 24 gut detektierbar sind.

Claims

Ansprüche
1 . Laserzündeinrichtung (27) für eine Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Lasereinrichtung (26) zur Erzeugung von Laserimpulsen (24) und mit einer Pumplichtquelle (30) zum optischen Pumpen der Lasereinrichtung (26), dadurch gekennzeichnet, dass eine Photodiodenanordnung (270) im Bereich einer optischen Verbindung (280) zwischen der Pumplichtquelle (30) und der Lasereinrichtung (26) so angeordnet ist, dass sowohl von der Pumplichtquelle (30) erzeugte
Pumpstrahlung als auch von der Lasereinrichtung (26) erzeugte
Laserstrahlung jeweils zumindest teilweise auf eine Photodiode (271 ) der Photodiodenanordnung (270) einstrahlbar ist.
2. Laserzündeinrichtung (27) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiode (271 ) im Bereich eines optischen Anschlusses der
Pumplichtquelle (30) oder der Lasereinrichtung (26) angeordnet ist.
3. Laserzündeinrichtung (27) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die optische Verbindung (280) zwischen der Pumplichtquelle (30) und der Lasereinrichtung (26) einen optischen
Querschnittswandler (281 ) aufweist, und dass die Photodiode (271 ) im Bereich des Querschnittswandlers (281 ) angeordnet ist, vorzugsweise direkt an dem Querschnittswandler (281 ).
4. Laserzündeinrichtung (27) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiodenanordnung (270) einen Hochpassfilter und/oder einen Bandpassfilter zur Filterung eines
Ausgangssignals der Photodiode (271 ) aufweist.
5. Laserzündeinrichtung (27) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein induktives Element (L) parallel zu der Photodiode (271 ) geschaltet ist.
6. Laserzündeinrichtung (27) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Serienschaltung (SS1 ) aus mindestens einem induktiven Element (L1 ) und mindestens einem Ohmschen Widerstand (R1 ) parallel zu der Photodiode (271 ) geschaltet ist.
7. Laserzündeinrichtung (27) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass eine erste Serienschaltung (SS1 ) aus mindestens einem induktiven Element (L1 ) und mindestens einem Schalter (S1 ) und mindestens eine zweite Serienschaltung (SS2) aus mindestens einem Ohmschen Widerstand (R2) und mindestens einem Schalter (S2) parallel zu der Photodiode (271 ) geschaltet ist.
8. Laserzündeinrichtung (27) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Lastwiderstand (RL) parallel zu der Photodiode (271 ) geschaltet ist.
9. Laserzündeinrichtung (27) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass mindestens ein induktives Element (L) entfernt von der Photodiode (271 ) angeordnet ist.
10. Laserzündeinrichtung (27) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Element (L) und/oder mindestens eine Serienschaltung (SS1 , SS2) in einem Steuergerät (32) der Laserzündeinrichtung (27) angeordnet ist.
1 1 . Laserzündeinrichtung (27) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiodenanordnung (270) dazu ausgebildet ist, die Photodiode (271 ) ohne eine Vorspannung zu betreiben.
12. Verfahren zum Betreiben einer Laserzündeinrichtung (27) für eine
Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Lasereinrichtung (26) zur Erzeugung von Laserimpulsen (24) und mit einer Pumplichtquelle (30) zum optischen Pumpen der Lasereinrichtung (26), dadurch gekennzeichnet, dass eine Photodiodenanordnung (270) im Bereich einer optischen Verbindung (280) zwischen der Pumplichtquelle (30) und der
Lasereinrichtung (26) so angeordnet ist, dass sowohl von der
Pumplichtquelle (30) erzeugte Pumpstrahlung als auch von der
Lasereinrichtung (26) erzeugte Laserstrahlung jeweils zumindest teilweise auf eine Photodiode (271 ) der Photodiodenanordnung (270) einstrahlbar ist, und dass ein Ausgangssignal der Photodiodenanordnung (270) ausgewertet wird, um auf einen Betriebszustand der Laserzündeinrichtung (27) zu schließen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Photodiodenanordnung (270) einen Hochpassfilter und/oder einen
Bandpassfilter zur Filterung des Ausgangssignals der Photodiode (271 ) aufweist, und dass eine Filtercharakteristik des Hochpassfilters und/oder Bandpassfilters während des optischen Pumpens der Lasereinrichtung (26) oder nach dem optischen Pumpen der Lasereinrichtung (26) verändert wird, insbesondere durch Hinzuschalten bzw. Wegschalten einzelner
Filterkomponenten (K1 , R2) mittels mindestens eines Schalters (S1 , S2).
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste
Serienschaltung (SS1 ) aus mindestens einem induktiven Element (L1 ) und mindestens einem Schalter (S1 ) und mindestens eine zweite
Serienschaltung (SS2) aus mindestens einem Ohmschen Widerstand (R2) und mindestens einem Schalter (S2) parallel zu der Photodiode (271 ) geschaltet ist, wobei in einer ersten Betriebsart während eines
Pumpvorganges, bei der die Lasereinrichtung (26) optisch gepumpt wird, der erste Schalter (S1 ) geöffnet und der zweite Schalter (S2) geschlossen ist, und wobei in einer zweiten Betriebsart der zweite Schalter (S2) geöffnet und der erste Schalter (S1 ) geschlossen ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei, ausgehend von der ersten Betriebsart, in einer dritten Betriebsart der erste Schalter (S1 ) und der zweite Schalter (S2) geöffnet wird, um ein Fluoreszenz-Signal eines laseraktiven
Festkörpers der Lasereinrichtung (26) nach Abschaltung des Pumplichtes mit dem Ende der ersten Betriebsart zu detektieren.
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