EP2558709A1 - Laserzündkerze mit einer vorkammer - Google Patents

Laserzündkerze mit einer vorkammer

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Publication number
EP2558709A1
EP2558709A1 EP11710755A EP11710755A EP2558709A1 EP 2558709 A1 EP2558709 A1 EP 2558709A1 EP 11710755 A EP11710755 A EP 11710755A EP 11710755 A EP11710755 A EP 11710755A EP 2558709 A1 EP2558709 A1 EP 2558709A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spark plug
laser spark
prechamber
cross
overflow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11710755A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Herden
Martin Weinrotter
Pascal Woerner
Juergen Raimann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2558709A1 publication Critical patent/EP2558709A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/12—Engines characterised by precombustion chambers with positive ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/16—Chamber shapes or constructions not specific to sub-groups F02B19/02 - F02B19/10
    • F02B19/18—Transfer passages between chamber and cylinder
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/0627—Construction or shape of active medium the resonator being monolithic, e.g. microlaser
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking
    • H01S3/1112—Passive mode locking
    • H01S3/1115—Passive mode locking using intracavity saturable absorbers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a laser spark plug according to the preamble of claim 1 and an internal combustion engine according to the independent claim.
  • Internal combustion engines which have an air space in a combustion chamber
  • Ignite / fuel mixture by means of an antechamber are known.
  • DE 10 2006 018 973 A1 describes a laser ignition in an antechamber of an internal combustion engine with a centrally arranged laser ignition device. Disclosure of the invention
  • the prechamber of the laser spark plug has at least two overflow channels, which are arranged asymmetrically with respect to their radial distance from a longitudinal axis of the prechamber and / or its axial distance from an end region of the prechamber facing the combustion chamber and / or its orientation and / or its geometry Longitudinal axis of the antechamber.
  • Cylinder or therein formed combustion chamber are arranged. Thereby arise in conventional systems adversely different
  • the lengths of the ignition torches are adapted to the path lengths between the pre-chamber and the wall portions of the combustion chamber by means of a specific configuration of the overflow.
  • the laser spark plug and the prechamber form a structural unit.
  • Prechamber ignition torches can emerge so differently that, despite different path lengths between the laser spark plug and the antechamber and an opposite wall portion of the combustion chamber a
  • Burning is achieved, the tail gas has less time to ignite itself.
  • combustion chamber facing end of the antechamber are arranged.
  • properties of the ignition torches can be adapted to the combustion chamber of the target system advantageously by a respective constructive arrangement of one or more overflow channels in a wall of the prechamber.
  • at least two overflow channels are arranged asymmetrically with respect to their orientation with respect to the longitudinal axis of the prechamber. For example, longitudinal axes of the overflow channels or surface normals of an outer opening of the
  • the ignition torches emerging from the pre-chamber are asymmetrical with respect to the longitudinal axis of the prechamber in different spatial directions of the combustion chamber.
  • unsymmetrically directed ignition torches can be generated and thus the laser spark plug or the pre-chamber can be connected to a present asymmetry of the
  • Combustion chamber or an installation position of the laser spark plug or the antechamber are advantageously adapted.
  • Prechamber arranged and / or formed. So that can
  • Overflow channels are optimized, for example, with respect to their cross-sectional shape or their diameter or their cross-sectional area or a ratio of their axial length and their cross-sectional area.
  • a pulse of a firing torch and, correspondingly, an achievable torch length with a larger cross-sectional area of the transfer port increases.
  • the maximum achievable torch length also depends on a pressure and a temperature in the
  • This relationship can preferably be determined from measured variables or by calculations by means of a combustion process analysis and / or simulations.
  • the invention proposes that a cross section of at least one overflow channel along a longitudinal axis of the overflow channel
  • the cross-sectional shape of one or more transfer passages may be at least partially circular, elliptical or rectangular.
  • the cross-sectional areas of the overflow channels and / or the cross-sectional shapes along the longitudinal axis of the overflow channel can vary almost as desired. If an overflow channel is not straight Having longitudinal axis, can be understood by the "longitudinal axis" a spatially curved line, which by respective focal points of
  • Overflow essentially has the geometry of a cone. This is advantageous in a simple way given a way to influence the manner of a nozzle, a resulting shape of the Zündfackeln.
  • the laser spark plug can be used more versatile if the overflow channels at least partially have mutually different geometries. This makes it particularly easy to tune the shape of the Zündfackeln even better.
  • Sizing of the overflow channels is particularly easy to achieve if a second cross-sectional area Qn of at least one second
  • Overflow channel is determined in dependence on a first
  • Path length Wn starting from the antechamber along a longitudinal axis of the second overflow channel to a second wall portion of a
  • the path lengths W1 and Wn are preferably determined starting from an outer opening of the overflow channel, so that a wall thickness of the pre-chamber is irrelevant for this purpose.
  • the invention proposes that a quotient of the second cross-sectional area Qn and the first cross-sectional area Q1 is substantially proportional to a quotient of the second path length Wn and the first path length W1.
  • This can advantageously be a formula for calculating the Cross-sectional areas of the transfer channels are given, wherein any one of the arranged in the pre-chamber overflow channels with its cross-sectional area Q1 and its path length W1 is a reference for calculating the remaining transfer channels.
  • the cone opens to an outer surface of the antechamber. This is particularly useful if an external opening of the
  • Overflow along the longitudinal axis of the overflow - in installation position of the laser spark plug in the internal combustion engine - closer to a wall surface of the combustion chamber (combustion chamber wall) is arranged, as this is the case on average of the other transfer channels.
  • the emerging from the antechamber ignition torch can be widened, wherein it loses its effect in their exit direction.
  • Inner surface of the antechamber opens. This is particularly useful when an outer opening of the overflow along the longitudinal axis of the Uberströmkanals - in installation position of the laser spark plug in the internal combustion engine - is further away from a wall surface of the combustion chamber (combustion chamber wall), as this is the case on average of the other transfer channels.
  • the emerging from the antechamber ignition torch can be bundled so to speak, where it increases in their discharge direction to effect, thus increasing their length in the direction of propagation.
  • a diameter of the overflow channels of approximately 1.2 mm to approximately 2 mm may be particularly suitable.
  • a ratio of an area of an inner opening of the overflow channel to a surface of an outer opening of the overflow channel is between 1:10 and 10: 1.
  • Cross-section shows that a ratio of the openings is correspondingly between about 1: 3.16 and about 3.16: 1. This is a particularly suitable area for carrying overflow channels with different areas of the inner opening and the outer opening.
  • the invention also takes into account that a longitudinal section of at least one overflow channel can at least partially have parabolic or hyperbolic shapes.
  • a longitudinal section of at least one overflow channel can at least partially have parabolic or hyperbolic shapes.
  • Such geometries can be combined particularly well with conical geometries, that is, in each case fluidically meaningful transitions between these geometries can be carried out for an overflow channel.
  • the prechamber several arranged radially in a circumferential wall in an antechamber wall Overflow has channels which have mutually different cross-sectional areas and / or geometries.
  • overflow channels can be arranged or aligned in all suitable spatial directions of the combustion chamber, wherein in addition, by different cross-sectional areas or geometries, the shapes of the ignition torches can be performed individually.
  • the laser spark plug according to the invention may alternatively have an antechamber which comprises only a single overflow channel.
  • the invention therefore provides that the single overflow channel can be aligned in different directions of the combustion chamber, wherein it is not aligned in particular coaxially to the longitudinal axis of the prechamber. This can be achieved, inter alia, that any dirt particles or oil drops only conditionally from the main combustion chamber in the antechamber, and there in particular a combustion chamber window, get.
  • the only overflow is aligned so that it - in installation position of the laser spark plug in the
  • Wall portion of the combustion chamber has.
  • its geometry can be designed according to the embodiments of the above-described at least two overflow channels.
  • the cross-sectional area and / or the cross-sectional shape along the longitudinal axis of the overflow be different to fill the combustion chamber as evenly as possible with the emerging from the single overflow port ignition torch, the respective path lengths between the outer opening of the overflow and wall sections of the combustion chamber mutatis mutandis to those described above arrangements
  • An important embodiment of the invention relates to an internal combustion engine having at least one laser spark plug, wherein the overflow of the
  • End region of the pre-chamber and / or its orientation and / or its geometry are arranged so that reach out of the overflow ducts igniting flares of the flamed fuel located in the main propagation direction of the respective Zündfackeln wall sections of a combustion chamber substantially simultaneously.
  • this relates to the flame fronts emanating from the ignition flares, which are preferably to reach the wall sections of the combustion chamber at the same time. Due to currents in the
  • Internal combustion engine can be optimized. Likewise, heat losses in the cylinder wall or a tendency to knock the internal combustion engine can be reduced.
  • FIG. 1 shows a laser-based ignition system for an internal combustion engine of a motor vehicle with a laser spark plug according to the invention
  • FIG. 2 shows a combustion chamber-facing end section of another
  • FIG. 3 shows a combustion chamber-facing end section of another
  • FIG. 4 shows a combustion chamber-facing end section of another
  • Figure 5 shows a cross section through an antechamber and a wall of a
  • FIG. 1 shows a laser-based ignition system for an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • the ignition system includes a pump light source 10 having, for example, a semiconductor diode laser for generating laser radiation for optically pumping a laser device.
  • a pump light source 10 having, for example, a semiconductor diode laser for generating laser radiation for optically pumping a laser device.
  • the laser device 16 can be, for example, a laser-active solid with a passive Q-switching (not shown), with which laser radiation or laser pulses 20 of high power can be generated in a manner known per se.
  • the laser spark plug 14 protrudes in its installed position in the internal combustion engine partly into a combustion chamber 200 formed in a cylinder 201 or into a space region 204 formed therein and has four overflow channels 51, 52, 53 and 54 on its section protruding into the space region 204. These are designed, for example, as holes with different orientations and diameters.
  • the laser spark plug 14 is designed so that it forms an antechamber 50 with its projecting into the combustion chamber 200 in the section.
  • the pre-chamber 50 is thus present no separate item, but is in the
  • Transfer channels do not have to be four as in the present case, but can be almost arbitrary, as will be shown in the following figures.
  • the laser device 16 has focusing optics 18 for focusing the laser pulses 20 on an ignition point ZP lying in the prechamber 50 of the laser spark plug 14.
  • the ignition point ZP is preferably in the ischenren of
  • Prechamber 50 i. not directly in the area of an inner surface of the
  • the ignition point ZP can also be relatively close to the prechamber inner wall or, if appropriate, also directly thereon.
  • Combustion chamber window 22 is disposed between the focusing optics 18 and the prechamber 50.
  • the laser spark plug 14 in the present case is not arranged coaxially along a longitudinal axis 202 of the cylinder 201 or the combustion chamber 200, and is therefore installed asymmetrically in the combustion chamber 200.
  • the section 204a of the combustion chamber 200 located on the left of the prechamber 50 in the drawing of FIG. 1 is thus smaller than the section 204b of the combustion chamber 200 on the right of the prechamber 50.
  • the overflow channels 53 and 54 therefore have a larger cross section than the cross section
  • a further embodiment of the laser spark plug 14 provides that the laser spark plug 14 and the pre-chamber 50 is arranged substantially coaxially to the longitudinal axis 202 of the cylinder 201 and the combustion chamber 200, however, a cavity of the piston facing the combustion chamber 200 asymmetrically in With respect to the longitudinal axis 202 is formed. As a result of the asymmetrical piston recess, this results in a virtual asymmetry of the combustion chamber with respect to the prechamber 50.
  • Laser spark plug 14 provides that the pre-chamber 50 is approximately flush with a
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a device according to the invention
  • Laser spark plug 14 which is arranged on a portion of a cylinder head 203, in a relation to the Figure 1 enlarged view.
  • the laser spark plug 14 and the surrounding combustion chamber 200 are only partially shown.
  • the transfer ports 51, 52, 53 and 54 are present as
  • the laser spark plug 14 and also the pre-chamber 50 formed on the laser spark plug 14 and an antechamber wall 62 are substantially
  • overflow channels 51 and 54 have approximately the same cross sections, whereas the cross section of the overflow channel 53 is larger.
  • the overflow channel 52 is designed as a conical opening which opens to the interior of the prechamber 50.
  • FIG. 3 shows an enlarged view of an end region 64 of the prechamber 50 of the laser spark plug 14 in a similar manner to FIG
  • the pre-chamber 50 has two overflow channels 51 and 52, which are each designed conical.
  • the overflow channel 51 opens outward in the direction of the combustion chamber 200, whereas the overflow channel
  • the transfer passage 51 is oriented toward a comparatively close wall portion 200a of the cylinder 201 and the combustion chamber 200 along a path length W1
  • the transfer passage 52 is oriented toward a comparatively remote wall portion 200b of the cylinder 201 and the combustion chamber 200, respectively, along a path length Wn , Out of drawing
  • the path lengths W1 and Wn are not shown to scale in FIG.
  • the wall portions 200a and 200b are shown only schematically, it being understood that the wall portions 200a and 200b need not necessarily have the arbitrarily chosen orientation in the drawing.
  • FIG. 4 shows a selection of variants of overflow channels.
  • Laser spark plug 14 and the cylinder head 203 are shown only partially in the drawing.
  • the illustrated arrangement of the overflow channels 51, 52, 53, 54, 55, 56 and 57 together with their longitudinal axes 51 a, 52 a, 53 a, 54 a, 55 a, 56 a and 57 a represents a variety of possibilities, wherein the drawn in the figure 4 combinations are only exemplary and need not necessarily be useful in the arrangement shown.
  • the overflow channel 52 has a cross-sectional area Q1 and the
  • Overflow channels 53, 54, 56 and 57 have partly deviating cross-sectional areas Qn.
  • the overflow channel 52 serves, for example, as a reference for the dimensioning of the cross sections Qn of the overflow channels 53, 54, 56 and 57, corresponding to one of the following formulas:
  • overflow channels 51 and 52 have a different radial distance R1 to the longitudinal axis 60 of the laser spark plug 14 than the
  • Overflow 54 which has a radial distance R2.
  • the overflow 52 has a different axial distance A1 to the
  • the overflow channel 53 is aligned with the longitudinal axis 60 at an angle Alfa, and the overflow channel 54 with a slightly smaller angle beta.
  • the transfer passages 51 and 55 are tapered, similar to the example shown in FIG.
  • FIG. 5 shows an axial cross section through an antechamber 50 and through a wall of the cylinder 201.
  • the sectional plane is selected such that four overflow channels 51 to 54 are cut axially in the middle and thus visible.
  • the associated four longitudinal axes 51 a to 54 a are shown in addition.
  • a representation comparable to that shown in FIG. 5 also results when using a piston trough of asymmetrical design with respect to the longitudinal axis 202. However, this is not explained in detail here.
  • the overflow channels 51 to 54 are not distributed uniformly along a circumference of the pre-chamber wall 62.
  • the overflow channel 54 is aligned with its outer opening 59 a on a portion 204 a of the combustion chamber 200, and the transfer ports 51 to 53 are aligned with its outer opening 59 a on a portion 204 b of the combustion chamber 200.
  • Reference numeral 59a is explained in more detail in FIG.
  • the uneven distribution of the transfer passages 51 to 54 can improve the burn-through of the fuel in the combustion chamber 200 by essentially igniting the smaller portion 204a from one transfer passage 54 and the larger portion 204b from substantially three transfer passages 51 to 53. It can also be concluded from this that a cross-sectional area of the overflow channel 54 is to be dimensioned smaller than the respective ones
  • Overflow channels 51 to 57 given in the axial sectional plane. It goes without saying that the examples presented in FIGS. 1 to 5 can also advantageously be combined with one another.
  • the statements presented therein presuppose that the laser spark plug 14 must be installed in the combustion chamber 200 or cylinder 201 in a directed manner, if it is to act optimally.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze (14) mit einer Vorkammer (50), wobei die Laserzündkerze (14) dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung in die Vorkammer (50) einzustrahlen, wobei die Vorkammer (50) mindestens zwei Überströmkanäle (51 bis 57) umfasst, welche eine Fluidverbindung zwischen der Vorkammer (50) und einem die Vorkammer (50) umgebenden Raumbereich (204) realisieren, wobei die mindestens zwei Überströmkanäle (51 bis 57) hinsichtlich ihres radialen Abstands (R1, R2) von einer Längsachse (60) der Vorkammer (50) und/oder ihres axialen Abstands (A1, A2) von einem brennraumzugewandten Endbereich (64) der Vorkammer (50) und/oder ihrer Ausrichtung und/oder ihrer Geometrie unsymmetrisch angeordnet sind in Bezug auf die Längsachse (60) der Vorkammer (50).

Description

Beschreibung
Titel
Laserzündkerze mit einer Vorkammer Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Brennkraftmaschine nach dem nebengeordneten Patentanspruch. Brennkraftmaschinen, die ein in einem Brennraum vorliegendes Luft-
/Kraftstoffgemisch mittels einer Vorkammer entzünden, sind bekannt. Die DE 10 2006 018 973 A1 beschreibt eine Laserzündung in einer Vorkammer eines Verbrennungsmotors mit einer zentral angeordneten Laserzündeinrichtung. Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Laserzündkerze nach Anspruch 1 sowie durch eine Brennkraftmaschine nach dem
nebengeordneten Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in
Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß weist die Vorkammer der Laserzündkerze mindestens zwei Überströmkanäle auf, welche hinsichtlich ihres radialen Abstands von einer Längsachse der Vorkammer und/oder ihres axialen Abstands von einem brennraumzugewandten Endbereich der Vorkammer und/oder ihrer Ausrichtung und/oder ihrer Geometrie unsymmetrisch angeordnet sind in Bezug auf die Längsachse der Vorkammer.
Dies trägt der Tatsache Rechnung, dass Laserzündkerzen zusammen mit der zugehörigen Vorkammer häufig nicht genau koaxial zu einer Längsachse eines
Zylinders bzw. darin ausgebildeten Brennraums angeordnet sind. Dadurch ergeben sich bei herkömmlichen Systemen nachteilig unterschiedliche
Weglängen für die aus der Vorkammer austretenden Zündfackeln in Richtung von Wandabschnitten des Zylinders bzw. Brennraums und eine
dementsprechend suboptimale Entflammung. Mittels der erfindungsgemäßen unsymmetrischen Anordnung der Überströmkanäle steht demgegenüber eine
Vielzahl von Ausführungsformen von Überströmkanälen zur Verfügung, um eine Zündung des Kraftstoffs auch in herkömmlichen Brennkraftmaschinen mit unsymmetrischer Einbaulage der Zündkerze gleichmäßiger durchzuführen.
Vereinfacht kann gesagt werden, dass durch die erfindungsgemäße
Merkmalskombination die Längen der Zündfackeln an die Weglängen zwischen der Vorkammer und den Wandabschnitten des Brennraums mittels einer spezifischen Ausgestaltung der Überströmkanäle angepasst werden.
Vorzugsweise bilden die Laserzündkerze und die Vorkammer eine bauliche Einheit. Es ist erfindungsgemäß jedoch ebenso möglich, die Laserzündkerze und die Vorkammer als getrennte Elemente vorzusehen.
Die erfindungsgemäße Laserzündkerze hat den Vorteil, dass aus ihrer
Vorkammer Zündfackeln derart unterschiedlich austreten können, dass trotz unterschiedlicher Weglängen zwischen der Laserzündkerze bzw. der Vorkammer und eines gegenüberliegenden Wandabschnitts des Brennraums ein
gleichmäßiger Durchbrand eines Kraftstoffs bzw. Kraftstoffgemisches ermöglicht wird. Die Brenndauer kann reduziert werden, woraus sich ein besserer
Wirkungsgrad ergibt. Die Wärmeverluste des Brennraums und eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine können vermindert werden, indem ein schnellerer
Durchbrand erreicht wird, wobei das Endgas weniger Zeit hat, sich selbst zu entzünden.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens zwei Überströmkanäle
unsymmetrisch in Bezug auf einen radialen Abstand zu der Längsachse der
Vorkammer und/oder in Bezug auf einen axialen Abstand zu einem
brennraumzugewandten Endbereich der Vorkammer angeordnet sind. Damit können vorteilhaft durch eine jeweilige konstruktive Anordnung eines oder mehrerer Überströmkanäle in einer Wandung der Vorkammer Eigenschaften der Zündfackeln an den Brennraum des Zielsystems angepasst werden. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens zwei Überströmkanäle hinsichtlich ihrer Ausrichtung in Bezug auf die Längsachse der Vorkammer unsymmetrisch angeordnet sind. Beispielsweise können Längsachsen der Überströmkanäle oder Flächennormalen einer Außenöffnung der
Überströmkanäle jeweils unterschiedliche Winkel zur Längsachse der
Vorkammer aufweisen. Entsprechend weisen die aus der Vorkammer austretenden Zündfackeln bezüglich der Längsachse der Vorkammer unsymmetrisch in verschiedene Raumrichtungen des Brennraums. Damit können entsprechend unsymmetrisch gerichtete Zündfackeln erzeugt werden und so die Laserzündkerze bzw. die Vorkammer an eine vorliegende Unsymmetrie des
Brennraums bzw. einer Einbaulage der Laserzündkerze oder der Vorkammer vorteilhaft angepasst werden.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens zwei Überströmkanäle hinsichtlich ihrer Geometrie unsymmetrisch in Bezug auf die Längsachse der
Vorkammer angeordnet und/oder ausgebildet sind. Damit können die
Überströmkanäle beispielsweise in Bezug auf ihre Querschnittsform oder ihren Durchmesser bzw. ihre Querschnittsfläche oder ein Verhältnis ihrer axialen Länge und ihrer Querschnittsfläche optimiert werden. Allgemein nimmt ein Impuls einer Zündfackel und entsprechend eine erreichbare Fackellänge mit einer größeren Querschnittsfläche des Überströmkanals zu. Die maximal erreichbare Fackellänge hängt außerdem von einem Druck und einer Temperatur im
Brennraum ab, sowie von einem Kraftstoff-Luft-Gemisch. Dieser Zusammenhang kann bevorzugt aus Messgrößen bzw. durch Berechnungen mittels einer Brennverlaufsanalyse und/oder Simulationen ermittelt werden.
Weiterhin schlägt die Erfindung vor, dass ein Querschnitt mindestens eines Überströmkanals entlang einer Längsachse des Überströmkanals
unterschiedliche Querschnittsflächen und/oder Querschnittsformen aufweist. Damit werden weitere Varianten vorgestellt, um eine Länge einer Zündfackel erfindungsgemäß einzustellen und die Arbeitsweise der Laserzündkerze zu verbessern. Beispielsweise kann die Querschnittsform eines oder mehrerer Überströmkanäle zumindest abschnittsweise kreisförmig, elliptisch oder rechteckig sein. Ebenso können die Querschnittsflächen der Überströmkanäle und/oder die Querschnittsformen entlang der Längsachse des Überströmkanals nahezu beliebig variieren. Sofern ein Überströmkanal keine gerade gerichtete Längsachse aufweist, kann unter der "Längsachse" eine räumlich gekrümmte Linie verstanden werden, welche durch jeweilige Schwerpunkte der
Querschnittsflächen verläuft. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mindestens ein
Überströmkanal im wesentlichen die Geometrie eines Kegels aufweist. Damit ist vorteilhaft auf einfache Weise eine Möglichkeit gegeben, nach der Art einer Düse eine sich ergebende Ausformung der Zündfackeln zu beeinflussen. Die Laserzündkerze ist vielseitiger einsetzbar, wenn die Überströmkanäle mindestens teilweise zueinander unterschiedliche Geometrien aufweisen. Damit ist es besonders einfach möglich, die Ausformung der Zündfackeln untereinander noch besser abzustimmen.
Eine Dimensionierung der Überströmkanäle ist besonders einfach zu erreichen, wenn eine zweite Querschnittsfläche Qn mindestens eines zweiten
Überströmkanals bestimmt wird in Abhängigkeit von einer ersten
Querschnittsfläche Q1 eines ersten Überströmkanals und einer zweiten
Weglänge Wn ausgehend von der Vorkammer entlang einer Längsachse des zweiten Überströmkanals bis zu einem zweiten Wandabschnitt einer
Brennraumwand, der dem zweiten Überströmkanal in Einbaulage der
Laserzündkerze in einer Brennkraftmaschine gegenüberliegt, und einer ersten Weglänge W1 ausgehend von der Vorkammer entlang einer Längsachse des ersten Überströmkanals bis zu einem ersten Wandabschnitt der
Brennraumwand, der dem ersten Überströmkanal in Einbaulage der
Laserzündkerze in der Brennkraftmaschine gegenüberliegt. Damit können mehrere oder auch alle Überströmkanäle der Vorkammer nach vorliegenden mechanischen Größen voneinander abhängig gestaltet und somit besser aufeinander abgestimmt sein. Die Weglängen W1 und Wn werden vorzugsweise ausgehend von einer Außenöffnung des Überströmkanals bestimmt, so dass eine Wanddicke der Vorkammer hierfür unerheblich ist.
Insbesondere schlägt die Erfindung vor, dass ein Quotient aus der zweiten Querschnittsfläche Qn und der ersten Querschnittsfläche Q1 im Wesentlichen proportional ist zu einem Quotienten aus der zweiten Weglänge Wn und der ersten Weglänge W1 . Damit kann vorteilhaft eine Formel zur Berechnung der Querschnittsflächen der Überströmkanäle angegeben werden, wobei ein beliebiger der in der Vorkammer angeordneten Überströmkanäle mit seiner Querschnittsfläche Q1 und seiner Weglänge W1 eine Referenz zur Berechnung der übrigen Überströmkanäle darstellt.
Die Formel lautet also: Qn = Q1 * ( Wn / W1 ), worin Qn bzw. Wn jeweils die Werte eines beliebigen der übrigen
Überströmkanäle darstellen.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die zweite Querschnittsfläche Qn gemäß der Gleichung Qn=Q1 *(Wn/W1 )Ak abhängt von der ersten Querschnittsfläche Q1 , der ersten und zweiten Weglänge W1 , Wn, und von einer Zahl k, wobei k>=0. Die Zahl k stellt einen Exponenten dar. Die Gleichung lautet in einer anderen Schreibweise also:
Wn
Qn = Q
Damit kann vorteilhaft ein proportionaler (k=1 ), progressiver (k>1 ) oder degressiver (0<k<1 ) Zusammenhang zwischen dem Quotienten aus der zweiten und der ersten Querschnittsfläche Qn, Q1 einerseits und dem Quotienten aus der zweiten und der ersten Weglänge Wn, W1 andererseits hergestellt werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass im Falle einer kegelförmigen Geometrie eines Überströmkanals der Kegel sich zu einer Außenoberfläche der Vorkammer hin öffnet. Dies ist besonders sinnvoll, wenn eine Außenöffnung des
Überströmkanals entlang der Längsachse des Überströmkanals - in Einbaulage der Laserzündkerze in der Brennkraftmaschine - näher an einer Wandfläche des Brennraums (Brennraumwand) angeordnet ist, als dies im Durchschnitt der übrigen Überströmkanäle jeweils der Fall ist. Damit kann die aus der Vorkammer austretende Zündfackel aufgeweitet werden, wobei sie in ihrer Austrittsrichtung an Wirkung verliert.
In umgekehrter Weise wird vorgeschlagen, dass der Kegel sich zu einer
Innenoberfläche der Vorkammer hin öffnet. Dies ist besonders sinnvoll, wenn eine Außenöffnung des Überströmkanals entlang der Längsachse des Uberströmkanals - in Einbaulage der Laserzündkerze in der Brennkraftmaschine - weiter von einer Wandfläche des Brennraums (Brennraumwand) entfernt ist, als dies im Durchschnitt der übrigen Überströmkanäle jeweils der Fall ist. Damit kann die aus der Vorkammer austretende Zündfackel sozusagen gebündelt werden, wobei sie in ihrer Austrittsrichtung an Wirkung zunimmt, sich ihre Länge in Ausbreitungsrichtung mithin vergrößert.
Eine weitere Ausgestaltung der Laserzündkerze sieht vor, dass eine
Querschnittsfläche mindestens eines Überströmkanals bis zu 10
Quadratmillimeter beträgt. Als ein grober Anhaltswert für Überströmkanäle mit kreisförmigem Querschnitt ergibt sich, dass bis zu einem Kanaldurchmesser von in etwa 3 Millimetern die Fackellänge einer durchtretenden Zündfackel zunimmt. Daraus resultiert, dass ein Durchmesserbereich der Überströmkanäle bis zu in etwa 3 Millimetern besonders sinnvoll ist. Dies entspricht in etwa einer
Querschnittsfläche von 7 Quadratmillimetern. Insbesondere kann - abhängig von einer konkreten Bauart einer Brennkraftmaschine - ein Durchmesser der Überströmkanäle von in etwa 1 ,2 Millimetern bis in etwa 2 Millimetern besonders geeignet sein.
Weiterhin ist vorgesehen, dass ein Verhältnis einer Fläche einer Innenöffnung des Überströmkanals zu einer Fläche einer Außenöffnung des Überströmkanals zwischen 1 :10 und 10:1 beträgt. Für Überströmkanäle mit kreisförmigem
Querschnitt ergibt sich, dass ein Verhältnis der Öffnungen entsprechend zwischen etwa 1 :3,16 und etwa 3,16:1 beträgt. Dies ist ein besonders geeigneter Bereich, um Überströmkanäle mit unterschiedlichen Flächen der Innenöffnung und der Außenöffnung auszuführen.
Die Erfindung berücksichtigt bei einer weiteren Ausführungsform ferner, dass ein Längsschnitt mindestens eines Überströmkanals wenigstens abschnittsweise Parabelform oder Hyperbelformaufweisen kann. Solche Geometrien lassen sich besonders gut mit kegelförmigen Geometrien kombinieren, das heißt, es können für einen Überströmkanal jeweils strömungstechnisch sinnvolle Übergänge zwischen diesen Geometrien ausgeführt werden.
Bei einer weiteren Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass die Vorkammer mehrere in einer Vorkammerwand radial umlaufend angeordnete Überströmkanäle aufweist, welche zueinander unterschiedliche Querschnittsflächen und/oder Geometrien aufweisen. Damit wird eine besonders vielseitige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ermöglicht. Insbesondere können in alle geeigneten Raumrichtungen des Brennraums Überströmkanäle angeordnet bzw. ausgerichtet sein, wobei außerdem durch unterschiedliche Querschnittsflächen bzw. Geometrien die Ausformungen der Zündfackeln individuell ausgeführt werden können.
Es versteht sich, dass die beschriebenen Ausgestaltungen vorteilhaft auch miteinander kombiniert werden können.
Die erfindungsgemäße Laserzündkerze kann alternativ eine Vorkammer aufweisen, welche nur einen einzigen Überströmkanal umfasst. Sinngemäß sieht die Erfindung daher vor, dass der einzige Überströmkanal in verschiedene Richtungen des Brennraums ausgerichtet sein kann, wobei er insbesondere nicht koaxial zur Längsachse der Vorkammer ausgerichtet ist. Damit kann unter anderem erreicht werden, dass eventuelle Schmutzpartikel oder Öltropfen nur bedingt aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer, und dort insbesondere auf ein Brennraumfenster, gelangen. Vorzugsweise ist der einzige Überströmkanal so ausgerichtet, dass er - in Einbaulage der Laserzündkerze in der
Brennkraftmaschine - in die Richtung eines vergleichsweise fernen
Wandabschnitts des Brennraums weist. Ergänzend kann seine Geometrie nach den Ausgestaltungen der oben beschriebenen mindestens zwei Überströmkanäle ausgeführt sein. Beispielsweise kann die Querschnittsfläche und/oder die Querschnittsform entlang der Längsachse des Überströmkanals unterschiedlich sein, um mit der aus dem einzigen Überströmkanal austretenden Zündfackel den Brennraum möglichst gleichmäßig auszufüllen, wobei die jeweiligen Weglängen zwischen der Außenöffnung des Überströmkanals und Wandabschnitten des Brennraums sinngemäß zu den zuvor beschriebenen Anordnungen
berücksichtigt werden.
Eine wichtige Ausgestaltung der Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer Laserzündkerze, bei welcher die Überströmkanäle der
Vorkammer hinsichtlich ihres radialen Abstands von einer Längsachse der Vorkammer und/oder ihres axialen Abstands von einem brennraumzugewandten
Endbereich der Vorkammer und/oder ihrer Ausrichtung und/oder ihrer Geometrie so angeordnet sind, dass aus den Überströmkanälen austretende Zündfackeln des entflammten Kraftstoffs in Hauptausbreitungsrichtung der betreffenden Zündfackeln gelegene Wandabschnitte eines Brennraums im wesentlichen gleichzeitig erreichen. Insbesondere betrifft dies die von den Zündfackeln ausgehenden Flammenfronten, welche die Wandabschnitte des Brennraums vorzugsweise gleichzeitig erreichen sollen. Bedingt durch Strömungen im
Brennraum sowie als Folge einer vorliegenden Temperaturverteilung und/oder eines eventuell inhomogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches erreichen die
Flammenfronten häufig selbst bei einer ideal symmetrischen
Brennraumgeometrie die Wandabschnitte zu unterschiedlichen Zeiten. Daher wird erfindungsgemäß bei der Ausgestaltung der Vorkammer in Bezug auf die Lage, die Anzahl, die Form und die Ausrichtung der Überströmkanäle nicht nur eine vorliegende Brennraumgeometrie, sondern auch die Strömungen und die Ausbreitung der Flammenfronten mit berücksichtigt. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer dreidimensionalen Computersimulation erfolgen. Auf diese Weise können mittels der erfindungsgemäßen Laserzündkerze Brennkraftmaschinen gleichmäßiger gezündet werden, indem ein in einem Zylinder bzw. seinem Brennraum gezündeter Kraftstoff einen gleichmäßigeren und insbesondere schnelleren Durchbrand erfährt, wodurch der Wirkungsgrad der
Brennkraftmaschine optimiert werden kann. Ebenso können Wärmeverluste in der Zylinderwand oder auch eine Klopfneigung der Brennkraftmaschine reduziert werden.
Es versteht sich, dass die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine entweder mit flüssigen oder mit gasförmigen Kraftstoffen betrieben werden kann, und dass die
Brennkraftmaschine entweder hauptsächlich für einen mobilen Einsatz
(Kraftfahrzeug) oder einen stationären Einsatz vorgesehen sein kann, beispielsweise als stationärer Großgasmotor. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in den nachfolgenden
Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in
unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen: Figur 1 ein laserbasiertes Zündsystem für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze,
Figur 2 einen brennraumzugewandten Endabschnitt einer weiteren
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze,
Figur 3 einen brennraumzugewandten Endabschnitt einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung in einer vergrößerten Darstellung;
Figur 4 einen brennraumzugewandten Endabschnitt einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung mit einer Vielzahl von Ausgestaltungen von Überströmkanälen; und
Figur 5 einen Querschnitt durch eine Vorkammer und eine Wand eines
Brennraums einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Figur 1 zeigt ein laserbasiertes Zündsystem für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Das Zündsystem verfügt über eine Pumplichtquelle 10, die beispielsweise einen Halbleiter-Diodenlaser aufweist, um Laserstrahlung zum optischen Pumpen einer Lasereinrichtung zu erzeugen. Die von der
Pumplichtquelle 10 erzeugte Laserstrahlung wird über eine Lichtleitereinrichtung 12 an eine in einer Laserzündkerze 14 integrierte Lasereinrichtung 16 weitergeleitet. Bei der Lasereinrichtung 16 kann es sich beispielsweise um einen laseraktiven Festkörper mit einer passiven Güteschaltung (nicht gezeigt) handeln, mit dem in an sich bekannter Weise Laserstrahlung bzw. Laserimpulse 20 hoher Leistung erzeugt werden können. Die Laserzündkerze 14 ragt in ihrer Einbaulage in der Brennkraftmaschine teilweise in einen in einem Zylinder 201 gebildeten Brennraum 200 bzw. in einen darin gebildeten Raumbereich 204 hinein und weist an ihrem in den Raumbereich 204 ragenden Abschnitt vier Überströmkanäle 51 , 52, 53 und 54 auf. Diese sind zum Beispiel als Bohrungen mit unterschiedlichen Ausrichtungen und Durchmessern ausgeführt. In der Figur 1 ist die Laserzündkerze 14 so ausgebildet, dass sie mit ihrem in den Brennraum 200 hinein ragenden Abschnitt eine Vorkammer 50 ausbildet. Die Vorkammer 50 stellt vorliegend also kein getrenntes Einzelteil dar, sondern ist in die
Laserzündkerze 14 integriert. Es versteht sich, dass die Anzahl der
Überströmkanäle nicht wie vorliegend vier betragen muss, sondern nahezu beliebig sein kann, wie in den nachfolgenden Figuren noch gezeigt werden wird.
Die Lasereinrichtung 16 verfügt über eine Fokussieroptik 18 zur Fokussierung der Laserimpulse 20 auf einen in der Vorkammer 50 der Laserzündkerze 14 liegenden Zündpunkt ZP. Der Zündpunkt ZP liegt bevorzugt im Innenren der
Vorkammer 50, d.h. nicht direkt im Bereich einer Innenoberfläche der
Vorkammerwand. Der Zündpunkt ZP kann jedoch auch verhältnismäßig dicht an der Vorkammerinnenwand oder ggf. auch direkt darauf liegen. Ein
Brennraumfenster 22 ist zwischen der Fokussieroptik 18 und der Vorkammer 50 angeordnet.
Man erkennt aus Figur 1 , dass die Laserzündkerze 14 vorliegend nicht koaxial längs einer Längsachse 202 des Zylinders 201 bzw. des Brennraums 200 angeordnet ist, somit also unsymmetrisch im Brennraum 200 eingebaut ist. Der in der Zeichnung der Figur 1 links der Vorkammer 50 befindliche Abschnitt 204a des Brennraums 200 ist somit kleiner als der in Figur 1 rechts der Vorkammer 50 befindliche Abschnitt 204b des Brennraums 200. Die Überströmkanäle 53 und 54 weisen daher erfindungsgemäß einen größeren Querschnitt auf als die
Überströmkanäle 51 und 52. Somit sind die aus den Überströmkanälen 53 und 54 austretenden Zündfackeln länger und können daher zu einem
gleichmäßigeren Durchbrand des in dem Brennraum 200 befindlichen Kraftstoffs beitragen.
Abweichend davon sieht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 14 vor, dass die Laserzündkerze 14 bzw. die Vorkammer 50 im wesentlichen koaxial zu der Längsachse 202 des Zylinders 201 bzw. des Brennraums 200 angeordnet ist, jedoch eine dem Brennraum 200 zugewandte Mulde eines Kolbens unsymmetrisch in Bezug auf die Längsachse 202 ausgebildet ist. Als Folge der unsymmetrischen Kolbenmulde ergibt sich somit eine faktische Unsymmetrie des Brennraums in Bezug auf die Vorkammer 50.
Entsprechend können die obigen Beschreibungen sinngemäß auf diese Ausführungsform übertragen werden. Dies ist in der Zeichnung der Figur 1 jedoch nicht mit dargestellt.
Eine nochmals weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Laserzündkerze 14 sieht vor, dass die Vorkammer 50 in etwa bündig mit einem
Wandabschnitt des Brennraums 200 abschließt. Die Überströmkanäle sind in dieser Ausführungsform auf einer Stirnfläche der Vorkammer 50 verteilt angeordnet. Dies ist in der Figur 1 jedoch nicht mit dargestellt. Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Laserzündkerze 14, welche an einem Abschnitt eines Zylinderkopfes 203 angeordnet ist, in einer gegenüber der Figur 1 vergrößerten Darstellung. Die Laserzündkerze 14 und der sie umgebende Brennraum 200 sind nur teilweise dargestellt. Die Überströmkanäle 51 , 52, 53 und 54 sind vorliegend als
Bohrungen bzw. Öffnungen ausgeführt, wobei deren Ausrichtungen durch in der
Zeichnung dargestellte Längsachsen 51 a, 52a, 53a, und 54a beschrieben sind. Die Laserzündkerze 14 und ebenso die an der Laserzündkerze 14 ausgebildete Vorkammer 50 bzw. eine Vorkammerwand 62 sind im wesentlichen
radialsymmetrisch um eine Längsachse 60 ausgeführt.
Man erkennt, dass die Überströmkanäle 51 und 54 in etwa gleiche Querschnitte aufweisen, wogegen der Querschnitt des Überströmkanals 53 größer ist. Der Überströmkanal 52 ist als eine kegelförmige Öffnung ausgeführt, welche sich zum Inneren der Vorkammer 50 öffnet.
Figur 3 zeigt eine abermals vergrößerte Darstellung eines Endbereichs 64 der Vorkammer 50 der Laserzündkerze 14 in einer zu der Figur 2 ähnlichen
Ausführung. Vorliegend weist die Vorkammer 50 zwei Überströmkanäle 51 und 52 auf, welche jeweils kegelförmig ausgeführt sind. Der Überströmkanal 51 öffnet sich nach außen in Richtung des Brennraums 200, wogegen der Überströmkanal
52 sich nach innen in Richtung der Vorkammer 50 öffnet. Eine Außenöffnung 59a und eine Innenöffnung 59b sind am Beispiel des Überströmkanals 52 bezeichnet. Weiterhin sind eine Außenoberfläche 62a und eine Innenoberfläche 62b der Vorkammerwand 62 durch Bezugszeichen beschrieben. Der Überströmkanal 51 ist in Richtung eines vergleichsweise nahe gelegenen Wandabschnitts 200a des Zylinders 201 bzw. des Brennraums 200 entlang einer Weglänge W1 ausgerichtet und der Überströmkanal 52 ist in Richtung eines vergleichsweise fernen Wandabschnitts 200b des Zylinders 201 bzw. des Brennraums 200 entlang einer Weglänge Wn ausgerichtet. Aus zeichnerischen
Gründen sind die Weglängen W1 und Wn in der Figur 3 nicht maßstabsgetreu dargestellt. Ebenso sind die Wandabschnitte 200a und 200b nur schematisch dargestellt, wobei es sich versteht, dass die Wandabschnitte 200a und 200b nicht notwendig die in der Zeichnung willkürlich gewählte Ausrichtung aufweisen müssen.
Figur 4 zeigt eine Auswahl von Varianten von Uberströmkanälen. Die
Laserzündkerze 14 und der Zylinderkopf 203 sind in der Zeichnung nur teilweise dargestellt. Die dargestellte Anordnung der Überströmkanäle 51 , 52, 53, 54, 55, 56 und 57 samt ihren Längsachsen 51 a, 52a, 53a, 54a, 55a, 56a und 57a stellt eine Vielzahl von Möglichkeiten dar, wobei die in der Figur 4 gezeichneten Kombinationen nur beispielhaft sind und in der gezeigten Anordnung nicht notwendig auch sinnvoll sein müssen.
Vorliegend sind alle sieben Überströmkanäle als Bohrungen ausgeführt. Der Überströmkanal 52 weist eine Querschnittsfläche Q1 auf und die
Überströmkanäle 53, 54, 56 und 57 weisen zum Teil davon abweichende Querschnittsflächen Qn auf. Der Überströmkanal 52 dient beispielsweise als Referenz zur Bemessung der Querschnitte Qn der Überströmkanäle 53, 54, 56 und 57, entsprechend einer der folgenden Formeln:
Qn = Q1 * ( Wn / W1 ), oder
Qn = Q1 * ( Wn / W1 )Ak, mit Weglängen W1 und Wn (in der Figur 4 nicht dargestellt) entlang der
Längsachsen 52a, 53a, 54a, 56a und 57a zwischen den Überströmkanälen 52, 53, 54, 56 und 57 und (nicht dargestellten) Wandabschnitten des Zylinders 201 bzw. des Brennraums 200. Dabei ist die Zahl k ein Exponent (k >= 0). Vorliegend werden die Bezeichnungen Q1 , Qn, W1 und Wn sowohl als Formelbuchstaben als auch als Bezugszeichen gleichbedeutend verwendet. Die obigen Formeln stellen eine besonders geeignete Methode dar, um die Querschnittsflächen der Überströmkanäle zu bemessen. Davon abweichend können selbstverständlich auch andere Werte für die Querschnittsflächen sinnvoll sein.
Weiterhin weisen die Überströmkanäle 51 und 52 einen anderen radialen Abstand R1 zu der Längsachse 60 der Laserzündkerze 14 auf als der
Überströmkanal 54, welcher einen radialen Abstand R2 aufweist. Außerdem weist der Überströmkanal 52 einen anderen axialen Abstand A1 zu dem
Endbereich 64 der Laserzündkerze 14 auf als der Überströmkanal 57, welcher einen axialen Abstand A2 aufweist. Ebenso ist der Überströmkanal 53 gegen die Längsachse 60 mit einem Winkel Alfa ausgerichtet, und der Überströmkanal 54 mit einem etwas kleineren Winkel Beta. Die Überströmkanäle 51 und 55 sind kegelförmig ausgeführt ähnlich dem in der Figur 3 gezeigten Beispiel.
Figur 5 zeigt einen axialen Querschnitt durch eine Vorkammer 50 sowie durch eine Wand des Zylinders 201. Dabei ist die Schnittebene so gewählt, dass vier Überströmkanäle 51 bis 54 axial mittig geschnitten und somit sichtbar sind. In der Figur 5 sind ergänzend die zugehörigen vier Längsachsen 51 a bis 54a eingezeichnet.
Eine zu der Figur 5 vergleichbare Darstellung ergibt sich auch bei Verwendung einer zu der Längsachse 202 unsymmetrisch ausgebildeten Kolbenmulde. Dies wird vorliegend jedoch nicht näher erläutert.
Man erkennt, dass die Überströmkanäle 51 bis 54 entlang eines Umfangs der Vorkammerwand 62 nicht gleichmäßig verteilt sind. Der Überströmkanal 54 ist mit seiner Außenöffnung 59a auf einen Abschnitt 204a des Brennraums 200 ausgerichtet, und die Überströmkanäle 51 bis 53 sind mit ihrer Außenöffnung 59a auf einen Abschnitt 204b des Brennraums 200 ausgerichtet. Das Bezugszeichen 59a ist in der Figur 3 näher erläutert. Dabei kann die ungleichmäßige Aufteilung der Überströmkanäle 51 bis 54 einen Durchbrand des in dem Brennraum 200 befindlichen Kraftstoffs verbessern, indem der kleinere Abschnitt 204a im wesentlichen von einem Überströmkanal 54 und der größere Abschnitt 204b im wesentlichen von drei Überströmkanälen 51 bis 53 entflammt werden kann. Ebenso kann daraus gefolgert werden, dass eine Querschnittsfläche des Überströmkanals 54 kleiner zu bemessen ist als die jeweiligen
Querschnittsflächen der Überströmkanäle 51 , 52 und 53, um eine Länge einer sich in Richtung der Längsachse 54a ausbreitenden Zündfackel zu begrenzen.
Somit ist ergänzend zu den in den Figuren 1 bis 4 vorgestellten
unsymmetrischen Anordnungen der Überströmkanäle 51 bis 57 im Hinblick auf ihren radialen und/oder axialen Abstand, ihre Ausrichtung und ihre Geometrie ein weiterer Freiheitsgrad durch eine unsymmetrische Anordnung der
Überströmkanäle 51 bis 57 in der axialen Schnittebene gegeben. Dabei versteht es sich, dass die in den Figuren 1 bis 5 vorgestellten Beispiele auch vorteilhaft miteinander kombiniert werden können.
Wie aus den Figuren 1 bis 5 erkennbar ist, setzen die darin vorgestellten Ausführungen voraus, dass die Laserzündkerze 14 gerichtet in dem Brennraum 200 bzw. Zylinder 201 eingebaut sein muss, wenn sie optimal wirken soll.

Claims

Ansprüche
1 . Laserzündkerze (14) mit einer Vorkammer (50), wobei die Laserzündkerze (14) dazu ausgebildet ist, Laserstrahlung (20) in die Vorkammer (50) einzustrahlen, wobei die Vorkammer (50) mindestens zwei Überströmkanäle (51 bis 57) umfasst, welche eine Fluidverbindung zwischen der Vorkammer (50) und einem die Vorkammer (50) umgebenden Raumbereich (204) realisieren, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei
Überströmkanäle (51 bis 57) hinsichtlich ihres radialen Abstands (R1 , R2) von einer Längsachse (60) der Vorkammer (50) und/oder ihres axialen Abstands (A1 , A2) von einem brennraumzugewandten Endbereich (64) der Vorkammer (50) und/oder ihrer Ausrichtung und/oder ihrer Geometrie unsymmetrisch angeordnet und/oder ausgebildet sind in Bezug auf die Längsachse (60) der Vorkammer (50).
2. Laserzündkerze (14) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt mindestens eines Überströmkanals (51 bis 57) entlang einer Längsachse (51 a bis 57a) des Überströmkanals (51 bis 57) unterschiedliche Querschnittsflächen (Q1 , Qn) und/oder Querschnittsformen aufweist.
3. Laserzündkerze (14) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Überströmkanal (51 , 55) im wesentlichen die
Geometrie eines Kegels aufweist.
4. Laserzündkerze (14) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmkanäle mindestens teilweise zueinander unterschiedliche Geometrien aufweisen.
5. Laserzündkerze (14) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Querschnittsfläche (Qn) mindestens eines zweiten Überströmkanals (51 bis 57) bestimmt wird in Abhängigkeit von: - einer ersten Querschnittsfläche (Q1 ) eines ersten Uberströmkanals (51 bis 57) und
- einer zweiten Weglänge (Wn) ausgehend von der Vorkammer (50) entlang einer Längsachse (51 a bis 57a) des zweiten Überströmkanals (51 bis 57) bis zu einem zweiten Wandabschnitt (200a, 200b) einer Brennraumwand, der dem zweiten Überströmkanal (51 bis 57) in Einbaulage der Laserzündkerze (14) in einer Brennkraftmaschine gegenüberliegt, und
- einer ersten Weglänge (W1 ) ausgehend von der Vorkammer (50) entlang einer Längsachse des ersten Überströmkanals (51 bis 57) bis zu einem ersten Wandabschnitt (200a, 200b) der Brennraumwand, der dem ersten Überströmkanal (51 bis 57) in Einbaulage der Laserzündkerze (14) in der Brennkraftmaschine gegenüberliegt.
Laserzündkerze (14) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Quotient aus der zweiten Querschnittsfläche (Qn) und der ersten
Querschnittsfläche (Q1 ) im Wesentlichen proportional ist zu einem
Quotienten aus der zweiten Weglänge (Wn) und der ersten Weglänge (W1 ).
Laserzündkerze (14) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die zweite Querschnittsfläche (Qn) gemäß der Gleichung Qn=Q1 *(Wn/W1 )Ak abhängt von der ersten Querschnittsfläche (Q1 ), der ersten und zweiten Weglänge (W1 , Wn), und von einer Zahl k, wobei k>=0.
Laserzündkerze (14) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegel sich zu einer Außenoberfläche (62a) der Vorkammer (50) hin öffnet.
Laserzündkerze (14) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegel sich zu einer Innenoberfläche (62b) der Vorkammer (50) hin öffnet.
Laserzündkerze (14) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche (Q1 , Qn) mindestens eines Überströmkanals bis zu 10 Quadratmillimeter beträgt. Laserzündkerze (14) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis einer Fläche einer Innenöffnung (59b) des Uberströmkanals (51 bis 57) zu einer Fläche einer Außenöffnung (59a) des Überströmkanals (51 bis 57) zwischen 1 :10 und 10:1 beträgt.
Laserzündkerze (14) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Längsschnitt mindestens eines
Überströmkanals (51 bis 57) wenigstens abschnittsweise Parabelform oder Hyperbelform aufweist.
Laserzündkerze (14) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (50) mehrere in einer Vorkammerwand (62) radial umlaufend angeordnete Überströmkanäle (51 bis 57) aufweist, welche zueinander unterschiedliche Querschnittsflächen (Q1 , Qn) und/oder Geometrien aufweisen.
Brennkraftmaschine mit mindestens einer Laserzündkerze (14) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmkanäle (51 bis 57) der Vorkammer (50) hinsichtlich ihres radialen Abstands (R1 , R2) von einer Längsachse (60) der Vorkammer (50) und/oder ihres axialen Abstands (A1 , A2) von einem
brennraumzugewandten Endbereich (64) der Vorkammer (50) und/oder ihrer Ausrichtung und/oder ihrer Geometrie so angeordnet sind, dass aus den Überströmkanälen (51 bis 57) austretende Zündfackeln des entflammten Kraftstoffs in Hauptausbreitungsrichtung der betreffenden Zündfackeln gelegene Wandabschnitte (200a, 200b) eines Brennraums (200) im wesentlichen gleichzeitig erreichen.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10584639B2 (en) 2014-08-18 2020-03-10 Woodward, Inc. Torch igniter
US11421601B2 (en) 2019-03-28 2022-08-23 Woodward, Inc. Second stage combustion for igniter

Families Citing this family (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009000958A1 (de) * 2009-02-18 2010-08-19 Robert Bosch Gmbh Laserzündkerze
DE102010041908A1 (de) * 2009-12-09 2011-06-16 Robert Bosch Gmbh Zündeinrichtung
DE102009055040A1 (de) * 2009-12-21 2011-06-22 Robert Bosch GmbH, 70469 Laserzündeinrichtung und Betriebsverfahren für eine Laserzündeinrichtung
DE102010029398A1 (de) * 2010-05-27 2011-12-01 Robert Bosch Gmbh Laserinduzierte Fremdzündung für eine Brennkraftmaschine
DE102010029382A1 (de) * 2010-05-27 2011-12-01 Robert Bosch Gmbh Laserinduzierte Fremdzündung für eine Brennkraftmaschine
US9476347B2 (en) 2010-11-23 2016-10-25 Woodward, Inc. Controlled spark ignited flame kernel flow in fuel-fed prechambers
US9172217B2 (en) 2010-11-23 2015-10-27 Woodward, Inc. Pre-chamber spark plug with tubular electrode and method of manufacturing same
US8584648B2 (en) 2010-11-23 2013-11-19 Woodward, Inc. Controlled spark ignited flame kernel flow
DE102011079017A1 (de) * 2011-07-12 2013-01-17 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Laserzündkerze
US9856848B2 (en) 2013-01-08 2018-01-02 Woodward, Inc. Quiescent chamber hot gas igniter
US8839762B1 (en) 2013-06-10 2014-09-23 Woodward, Inc. Multi-chamber igniter
US9765682B2 (en) 2013-06-10 2017-09-19 Woodward, Inc. Multi-chamber igniter
US9653886B2 (en) 2015-03-20 2017-05-16 Woodward, Inc. Cap shielded ignition system
CN107636275B (zh) 2015-03-20 2019-12-31 伍德沃德有限公司 点燃内燃发动机中的空气燃料混合物的系统和方法
US9574541B2 (en) 2015-05-27 2017-02-21 Princeton Optronics Inc. Compact laser ignition device for combustion engine
US9890689B2 (en) 2015-10-29 2018-02-13 Woodward, Inc. Gaseous fuel combustion
US20170138251A1 (en) * 2015-11-12 2017-05-18 Cummins Inc. Pre-chamber nozzle
US9951744B2 (en) 2016-05-26 2018-04-24 Denso International America, Inc. Optimized multiple laser ignition plug
JP6796471B2 (ja) * 2016-12-08 2020-12-09 三菱重工エンジン＆ターボチャージャ株式会社 副室式ガスエンジン
JP7272820B2 (ja) * 2019-02-28 2023-05-12 ダイハツ工業株式会社 副燃焼室付き内燃機関
US11415041B2 (en) * 2019-09-16 2022-08-16 Woodward, Inc. Flame triggered and controlled volumetric ignition
WO2021174266A1 (en) * 2020-03-03 2021-09-10 Innio Jenbacher Gmbh & Co Og Cylinder head having a pre-chamber and internal combustion engine
DE102020001382A1 (de) 2020-03-04 2021-09-09 Daimler Ag Vorkammerzündkerze für einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, Verbrennungskraftmaschine sowie Kraftfahrzeug
DE102020001381A1 (de) 2020-03-04 2021-09-09 Daimler Ag Vorkammerzündkerze für einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, Verbrennungskraftmaschine sowie Kraftfahrzeug
DE102020001384A1 (de) * 2020-03-04 2021-09-09 Daimler Ag Vorkammerzündkerze für einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, Verbrennungskraftmaschine sowie Kraftfahrzeug
DE102021000852B3 (de) * 2021-02-18 2022-08-18 Mercedes-Benz Group AG Vorkammerzündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, sowie Verbrennungskraftmaschine
CN113431723B (zh) * 2021-07-14 2022-09-16 吉林大学 一种基于飞秒激光点火的光丝烧蚀点火系统及方法
DE102022201624A1 (de) 2022-02-16 2023-08-17 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Vorkammerzündkerze

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4930473A (en) * 1988-12-09 1990-06-05 Texas Ignitors Company, Inc. Swirl chamber and spark plug assembly
FR2846042B1 (fr) * 2002-10-18 2005-02-04 Peugeot Citroen Automobiles Sa Dispositif d'allumage a prechambre realisee dans un materiau a conductivite thermique elevee, pour un moteur a combustion interne, et allumeur a prechambre
FR2873763B1 (fr) 2004-07-29 2009-06-12 Peugeot Citroen Automobiles Sa Dispositif d'allumage pour moteur a combustion interne et moteur comportant un tel dispositif
US7100567B1 (en) * 2005-03-30 2006-09-05 Caterpillar Inc. Method to extend lean ignition limit within internal combustion engine
JP4473802B2 (ja) * 2005-09-15 2010-06-02 ヤンマー株式会社 火花点火機関
DE102006018973A1 (de) 2006-04-25 2007-10-31 Kuhnert-Latsch-GbR (vertretungsberechtigter Gesellschafter Herr Dr.-Ing. Reinhard Latsch, 76530 Baden-Baden) Laserzündung in einer Vorkammer
US7798118B2 (en) * 2007-01-12 2010-09-21 Econo Plug Technologies Inc. Method and apparatus for incorporation of a flame front—type ignition system into an internal combustion engine
DE102007015036B4 (de) * 2007-03-29 2008-11-20 Multitorch Gmbh Laserzündung für Gasgemische
US7770552B2 (en) 2007-10-31 2010-08-10 Caterpillar Inc. Laser igniter having integral pre-combustion chamber
DE102008040429A1 (de) * 2008-07-15 2010-01-28 Ge Jenbacher Gmbh & Co. Ohg Strömungsschutzvorrichtung an einer Laserzündkerze zur Verbesserung des Entflammungsverhaltens
DE102009002167A1 (de) * 2009-04-03 2010-10-14 Robert Bosch Gmbh Laserzündkerze und Vorkammermodul hierfür
DE102009046472A1 (de) * 2009-11-06 2011-05-12 Robert Bosch Gmbh Laserzündkerze
DE102009047019A1 (de) * 2009-11-23 2011-05-26 Robert Bosch Gmbh Laserzündkerze
US8350457B2 (en) * 2011-03-31 2013-01-08 Denso International America, Inc. Pre-chamber spark plug including a gas thread cavity

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2011128190A1 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10584639B2 (en) 2014-08-18 2020-03-10 Woodward, Inc. Torch igniter
US11421601B2 (en) 2019-03-28 2022-08-23 Woodward, Inc. Second stage combustion for igniter
US11965466B2 (en) 2019-03-28 2024-04-23 Woodward, Inc. Second stage combustion for igniter

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