WO2007082634A2 - Laser device and method and device for igniting an air/fuel mixture in a combustion chamber of an internal combustion engine and internal combustion engine - Google Patents

Laser device and method and device for igniting an air/fuel mixture in a combustion chamber of an internal combustion engine and internal combustion engine Download PDF

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WO2007082634A2
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laser
lens
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internal combustion
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Sven Eisen
Andre Kaufmann
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Continental Automotive Gmbh
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02PIGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00Other ignition
    • F02P23/04Other physical ignition means, e.g. using laser rays

Definitions

  • the invention relates to a laser device comprising a laser and a solid state actuator. Furthermore, the invention relates to an internal combustion engine with a laser ignition device. Furthermore, the invention relates to a method and a device for igniting an air / fuel mixture in a combustion chamber of the internal combustion engine.
  • a laser device which comprises an optical lens which is arranged in a cylindrical piezo-element.
  • An extension of the piezoelectric element due to a corresponding input signal of the piezoelectric element is transmitted to the circumference of the optical lens.
  • the optical lens As the piezo element expands, the optical lens, and thus a focal point of the optical lens, is adjusted along the optical axis of the optical lens.
  • the optical lens is arranged coaxially with the piezoelectric element.
  • the ignition system includes at least one laser emitter capable of delivering a high energy beam of sufficient intensity for fuel-air mixture ignition and an optical fiber directing the laser beam to a combustion chamber of the engine. Furthermore, the ignition system comprises a combustion chamber light window which is attached to the combustion chamber, which is heat-resistant and is coupled to the light guide, and a laser control, the laser operation, the ignition pulses of the Laser or a light switch, which can interrupt the light in the light guide or directly in front of the combustion chamber window, depending on phases of the internal combustion engine controls.
  • the object of the invention is to provide a laser device which enables a very fast and precise adjustment of a laser beam of the laser device.
  • the invention is characterized in terms of a first aspect of the invention by a laser device.
  • the laser device includes a solid state actuator, a laser, and an elastically deformable lens external to the laser.
  • the elastically deformable lens is optically coupled to the laser. Furthermore, the elastically deformable lens is so coupled to the solid state actuator that it is elastically deformable by driving the Festismeaktuators.
  • the deformation of the lens with the solid state actuator allows a very precise and very fast shifting of a focal point of the lens. This makes it possible to focus a laser beam of the laser very precisely and very quickly at different points. This allows, in particular when using the laser device for igniting an air / fuel mixture in a combustion chamber of an internal combustion engine. machine, during only a combustion process of the internal combustion engine to ignite the air / fuel mixture several times at different points in the combustion chamber. This can lead to a very precise combustion of the
  • Air / fuel mixture and thus contribute to a precise control of the internal combustion engine.
  • the elastic deformation of the lens allows for a relatively small Aktorstellweg the Fest redesignua- sector adjusting the focal point in a relatively large spatial area with respect to the Aktorstellweg.
  • the elastically deformable lens is coupled in the axial direction with the solid state actuator.
  • the solid-state actuator acts on the lens in the axial direction. This makes it possible to adjust and / or deform the lens so that the focal point of the lens is displaced along an optical axis of the lens and / or that the optical axis is tilted with the focal point.
  • the elastically deformable lens is coupled in the radial direction with the solid-state actuator, in such a way that the solid-state actuator acts in the radial direction on the elastically deformable lens.
  • the laser via a light guide with - A -
  • the invention is characterized in terms of a second aspect of the invention by an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine comprises at least one cylinder with a combustion chamber.
  • the internal combustion engine comprises a laser ignition device and a window transparent in the cylinder for laser beams of the laser ignition device.
  • the laser ignition device comprises a solid state actuator, a laser, and a lens outside the laser.
  • the lens is optically coupled to the laser. Further, the lens is mechanically coupled to the solid state actuator such that by driving the solid state actuator, the laser beams are focused at different points in the combustion chamber. Through the window, the laser ignition device is optically coupled to the combustion chamber.
  • the laser ignition device is designed according to the laser device.
  • the invention is characterized in a third aspect of the invention by a method and a device for igniting the air / fuel mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • a laser beam is focused within a combustion process on different points in the combustion chamber, that
  • Air / fuel mixture is ignited in the combustion chamber at the different points.
  • the focus of the optical axis of the lens is shifted to focus the laser beam at the different points. This allows the air / fuel mixture to ignite at the different points and thus contributes to a very precise combustion of the air / fuel mixture in the combustion chamber.
  • the ignition of the air / fuel mixture at the different points in the combustion chamber can contribute to a very precise combustion.
  • the focal point of the lens is displaced along the optical axis. This makes it possible to ignite the air / fuel mixture in the combustion chamber along the optical axis at different points.
  • the optical axis of the lens is adjusted. This makes it possible to ignite the air / fuel mixture at any different points in the combustion chamber 9.
  • the lens is elastically deformed for adjusting the focal point.
  • the elastic deformation of the lens alters radii of the lens. This leads to a shift of the focal point. Even a slight change of one of the two radii of the lens can cause a shift of the focal point in a relatively large area. Relatively large is related in this context to Aktorstellweg. Advantageous embodiments of the invention are explained in more detail below.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of an actuator device
  • FIG. 3 shows a section through the actuator device according to FIG. 2,
  • FIG. 4 shows the actuator device according to FIG. 2 with the solid state actuator under tension
  • FIG. 5 shows a second embodiment of the actuator device
  • FIG. 6 shows a section through the second embodiment of the actuator device according to FIG. 5,
  • FIG. 7 shows the second embodiment of the actuator device with a solid state actuator under tension
  • FIG. 8 shows a third embodiment of the actuator device
  • FIG. 9 shows a fourth embodiment of the actuator device
  • FIG. 10 shows a section through the fourth embodiment of the actuator device according to FIG. 9,
  • Air / fuel mixture in a combustion chamber of the internal combustion engine Air / fuel mixture in a combustion chamber of the internal combustion engine.
  • An internal combustion engine (FIG. 1) comprises an intake tract 1, an engine block 2, a cylinder head 3 and an exhaust tract 4.
  • the intake tract 1 preferably comprises a throttle valve 5, a collector 6 and an intake manifold 7, which leads to a cylinder Z1 via an intake passage in FIG a combustion chamber 9 of the engine block 2 is guided.
  • the intake tract 1 may comprise a pulse charging valve 16.
  • the engine block 2 comprises a crankshaft 8, a connecting rod 10 and a piston 11.
  • the crankshaft 8 is coupled via the connecting rod 10 with the piston 11 of the cylinder Zl.
  • the internal combustion engine preferably comprises, in addition to the cylinder Z1, further cylinders Z2, Z3, Z4. However, the internal combustion engine can also comprise any desired larger number of cylinders Z1 to Z4.
  • the internal combustion engine is preferably arranged in a motor vehicle.
  • an injection valve 18 is arranged in the cylinder head 3.
  • the injection valve 18 may also be arranged in the intake manifold 7.
  • an exhaust gas catalyst 21 is preferably arranged, which is preferably designed as a three-way catalyst.
  • a control device 25 is provided, which is associated with sensors which detect different measured variables and in each case determine the measured value of the measured variable.
  • the control device 25 determines dependent on at least one of the measured variables manipulated variables, which are then converted into one or more actuating signals for controlling the actuators by means of corresponding actuators.
  • the sensors are, for example, a pedal position sensor 26, which detects an accelerator pedal position of an accelerator pedal 27, an air mass sensor 28, which detects an air mass flow upstream of the throttle valve 5, a first temperature sensor 32, which detects an intake air temperature, a Saugrohr horrsen- sensor 34, the intake manifold pressure in the Collector 6 detects, a crankshaft angle sensor 36 which detects a crankshaft angle, which is then assigned a speed N of the internal combustion engine.
  • any subset of said sensors may be present, or additional sensors may be present.
  • the actuators are, for example, the throttle valve 5, the gas inlet and gas outlet valves 12, 13, the pulse charging valve 16, the injection valve 18 and / or a laser ignition device, in particular a solid-state actuator 52 of the laser ignition device (FIG. 2).
  • the laser ignition device is a part of the internal combustion engine.
  • the laser ignition device comprises an actuator device 44, a laser 40 and preferably a light guide 42.
  • the actuator device 44 is optically coupled to the laser 40 via the light guide 42.
  • the power of the laser 40 is so high that by focusing a laser beam L of the laser 40, an air / fuel mixture in the combustion chamber 9 can be ignited.
  • the actuator device 44 is optically coupled to the combustion chamber 9 via a window 46 in the cylinder Z1 to Z4.
  • the window 46 is formed so as to be transparent to the laser beams L from the laser 40.
  • the laser 40 is thus via the light guide 42, the actuator device 44 and the Window 46 optically coupled to the combustion chamber 9 of the internal combustion engine.
  • the actuator device 44 comprises the solid-state actuator 52 (FIG. 2) and a lens 56. Furthermore, the actuator device 44 preferably comprises a holder 54 for the lens 56, an actuator housing 50 and a base plate 60.
  • the solid-state actuator 52 is arranged in the actuator housing 50. At an axial end of the solid-state actuator 52, the solid-state actuator 52 preferably rests on the base plate 60 and acts on the lens 56 in the radial direction.
  • the solid-state actuator 52 may, for example, be tubular (FIG. 3).
  • An extent X of the solid state actuator 52 is representative of an actuator travel of the solid state actuator 52. For example, a period of time required for the solid state actuator 52 to expand may be in the range of a few microseconds. Furthermore, the extent X can be specified very precisely by the correspondingly precise predetermined voltage.
  • the solid-state actuator 52 is mechanically coupled to the lens 56 and thus enables a very fast and precise shifting of a focal point of the lens 56.
  • the focal point of the lens 56 in the de-energized state of the solid-state actuator 52 is referred to as the output focal point F 0 and as the final focal point F 1. when the voltage is applied to the solid state actuator 52.
  • Moving the focal point of the lens 56 allows the laser beam L of the laser 40 to focus very quickly and very precisely on different points in the combustion chamber 9.
  • the very fast and very precise focusing of the laser beams L allows a multiple ignition of the same air / fuel mixture in a combustion process of the internal combustion engine at the different points in the combustion chamber 9.
  • the air / fuel ratio in the combustion chamber 9 predetermined is subject to local fluctuations, and / or systemic local fluctuations in the air / fuel ratio in the combustion chamber 9, for example, due to a non-uniform spray pattern of the injector 18, so can be targeted during a combustion process at the different points in the combustion chamber 9 ignited.
  • the different points are preferably in local areas of the combustion chamber 9, where, for example, a predetermined air / fuel ratio is expected.
  • a combustion process in this context refers to the burning of the air / fuel mixture in the combustion chamber 9 within a working cycle of the crankshaft 8, in particular at the end of a compression stroke and at the beginning of a power stroke.
  • the entire lens 56 can be adjusted and / or the lens 56 can be elastically deformed.
  • the lens 56 preferably comprises an elastically deformable material, for example silicone and / or a hydrogel.
  • the elastic deformation of the lens 56 makes it possible, with a relatively small extent X of the solid-state actuator 52, to shift the focal point of the lens 56 to a relatively large extent relative to the extent X of the solid-state actuator 52 she can become preferably held stationary by the holder 54.
  • the solid state actuator then moves relative to the lens 56 and support 54.
  • the lens 56 is deformed, at least one of its radii thereby deforms. This causes the displacement of the output focal point F 0.
  • the relationship between the size of the radii of the lens 56 and the position of the focal point can be determined, for example, based on a lens equation used in the optics.
  • the solid state actuator 52 may act on the lens 56 in the axial direction and so may at an inner radius of the solid actuator 52 of 1 mm, a lens diameter of 5 mm, a first radius of the lens 56 of 15 mm and a second radius of the lens 56 of FIG mm at an extent X of the Fest stressesaktuators 52, for example, 40 microns move the focal point of the lens 56 along an optical axis O_A of the lens 56 from a Nathanbrenntician F_0 to a final focal point F 1, which have a distance Y of about 1.1 mm to each other. This corresponds to an adjustment factor of approximately 30. That is, the focal point is shifted by thirty times the extent X of the solid-state actuator 52.
  • the solid state actuator 52 may also act in the radial direction on the lens 56 (FIG. 5) to deform the lens 56.
  • a plurality of solid state actuators 52 are provided and the lens 56 is held by the correspondingly formed solid state actuators 52 ( Figure 6).
  • the application of the voltage to the solid state actuator 52 then causes the lens 56 to compress in the radial direction (FIG. 7). This leads to a reduction of the radii of the lens 56 and thus to a shift of the output focal point F 0 towards the lens 56 to the final focal point F 1.
  • Adjustment of the lens 56 includes shifting, twisting, tilting, and / or other mechanical motion that displaces the lens 56 as a whole.
  • the holder 54 of the lens 56 is coupled to the solid state actuator 52 (FIG. 8).
  • the solid state actuator 52, the lens 56 and optionally the holder 54 are then moved uniformly relative to one another. If now the preferably tubular solid-state actuator 52 is activated, it has, for example, the extension X of 50 micrometers.
  • the distance Y of the friendshipbrennticians F 0 and the final focal point F 1 then be 50 microns.
  • solid-state actuators 52 for adjusting the lens 56 (FIG. 9, FIG. 10).
  • the solid-state actuators 52 can act, for example, in the axial direction on the lens 56 and / or the holder 54.
  • the solid-state actuators 52 may, for example, be distributed uniformly around the circumference of the lens 56. If the same voltage is applied to each of the solid state actuators 52, the operation of the solid state actuators 52 corresponds to a single solid state tubular actuator 52. However, if different voltages are applied to the individual solid state actuators 52, the lens 56 is tilted.
  • the optical axis O_A of the lens 56 is also tilted and the focus is shifted with the optical axis OA.
  • the laser beams L no longer incident parallel to the optical axis OA are no longer focused on the final focal point F_1, but scatter around the final focal point F1.
  • the power of the laser 40 must be selected in this case so high that still the ignition of the air / fuel mixture in the combustion chamber 9 is possible.
  • Air / fuel mixture in the combustion chamber is preferably stored in the control device 25.
  • the control device 25 may be referred to in this context as a device for igniting the air / fuel mixture in the combustion chamber 9 of the internal combustion engine.
  • the program is preferably started shortly before the ignition of the air / fuel mixture in the combustion chamber 9 in a step Sl, in which variables are initialized if necessary.
  • the end focal point F_l is determined at which the air / fuel mixture is to be ignited.
  • a control signal SG for the solid state actuator 25 is determined for shifting the focal point of the lens 56 to the final focal point F 1.
  • a step S4 the focal point is shifted along the optical axis O_A of the lens 56.
  • the optical axis O_A is not adjusted.
  • a step S5 the optical axis O A of the lens 56 is adjusted so that the focus of the lens 56 is shifted.
  • step S4 and / or in step S5 the focal point of the lens 56 may be shifted by adjusting and / or deforming the lens 56.
  • a step S6 the air / fuel mixture is ignited in the combustion chamber 9.
  • a step S7 the program is ended.
  • the steps S2 to S6 are processed several times and so the
  • a plurality of actuating signals SG for the solid-state actuator 52 can be determined and stored before the first ignition. The solid state actuator 52 is then driven depending on the stored actuating signals SG.
  • the fast and precise focusing of the laser beam L can be used independently of the internal combustion engine in many different technical fields, for example in medical technology, electrical engineering and / or in manufacturing processes in general.
  • the manufacturing processes may include, for example, welding, cutting and / or drilling with the laser beams L.
  • the laser ignition device is then preferably referred to as a laser device.
  • the focal point of the lens 56 is preferably displaced by elastically deforming the lens 56.
  • the lens 56 may be deformed and displaced by the solid state actuator 52. Further, the lens 56 can be adjusted in the axial and in the radial direction. Further, the lens 56 can be deformed and displaced in the radial and axial directions.
  • the program for igniting the air / fuel mixture may comprise further or fewer steps S1 to S7, in which the focus is shifted accordingly.

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Abstract

The invention relates to a laser device and to a method and device for igniting an air/fuel mixture in a combustion chamber of an internal combstution engine. Said laser device comprieses a solid body actuator (52), a laser (40) and an electrically deformable lens (56). Said lens (56) is arranged on the outside of the laser (40), is optically coupled to the laser (40) and is mechanically coupled to the soild body actuator (52) in such a manner that it can be elastically deformed by controlling the solid body actuator (52).

Description

Beschreibungdescription
Laservorrichtung und Verfahren und Vorrichtung zum Zünden eines Luft/Kraftstoffgemischs in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine und BrennkraftmaschineLaser apparatus and method and apparatus for igniting an air / fuel mixture in a combustion chamber of an internal combustion engine and internal combustion engine
Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung, die einen Laser und einen Festkörperaktuator umfasst. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer Laserzündvorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zünden eines Luft/Kraftstoffgemischs in einem Brennraum der Brennkraftmaschine.The invention relates to a laser device comprising a laser and a solid state actuator. Furthermore, the invention relates to an internal combustion engine with a laser ignition device. Furthermore, the invention relates to a method and a device for igniting an air / fuel mixture in a combustion chamber of the internal combustion engine.
Aus der JP 100 94 886 A ist eine Laservorrichtung bekannt, die eine optische Linse umfasst, die in einem zylindrischen Piezo-Element angeordnet ist. Eine Ausdehnung des Piezo- Elements aufgrund eines entsprechenden Eingangssignals des Piezo-Elements wird auf den Umfang der optischen Linse übertragen. Wenn sich das Piezo-Element ausdehnt, wird die optische Linse und somit ein Brennpunkt der optischen Linse entlang der optischen Achse der optischen Linse verstellt. Die optische Linse ist koaxial zu dem Piezo-Element angeordnet.From JP 100 94 886 A a laser device is known which comprises an optical lens which is arranged in a cylindrical piezo-element. An extension of the piezoelectric element due to a corresponding input signal of the piezoelectric element is transmitted to the circumference of the optical lens. As the piezo element expands, the optical lens, and thus a focal point of the optical lens, is adjusted along the optical axis of the optical lens. The optical lens is arranged coaxially with the piezoelectric element.
Aus der DE 20 2004 019 626 Ul ist ein Zünd-System für einen Verbrennungsmotor bekannt. Das Zünd-System umfasst mindestens einen Laserstrahler, der einen hochenergetischen Strahl mit einer ausreichenden Intensität für eine Kraftstoff-Luft- Gemisch-Zündung abgeben kann, und einen Lichtleiter, der den Laserstrahl bis zu einer Verbrennungskammer des Motors leitet. Ferner umfasst das Zünd-System ein Brennkammer-Licht- Fenster, das an der Brennkammer angebracht ist, das hitzebeständig ist und mit dem Lichtleiter gekoppelt ist, und eine Laser-Steuerung, die den Laserbetrieb, die Zündimpulse des Lasers oder einen Licht-Schalter, der das Licht in dem Lichtleiter oder direkt vor dem Brennkammer-Fenster unterbrechen kann, abhängig von Phasen des Verbrennungsmotors steuert.From DE 20 2004 019 626 Ul an ignition system for an internal combustion engine is known. The ignition system includes at least one laser emitter capable of delivering a high energy beam of sufficient intensity for fuel-air mixture ignition and an optical fiber directing the laser beam to a combustion chamber of the engine. Furthermore, the ignition system comprises a combustion chamber light window which is attached to the combustion chamber, which is heat-resistant and is coupled to the light guide, and a laser control, the laser operation, the ignition pulses of the Laser or a light switch, which can interrupt the light in the light guide or directly in front of the combustion chamber window, depending on phases of the internal combustion engine controls.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laservorrichtung zu schaffen, die ein sehr schnelles und präzises Verstellen eines Laserstrahls der Laservorrichtung ermöglicht. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine Brennkraftmaschine, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zünden eines Luft/Kraftstoffgemischs in einem Brennraum der Brennkraftmaschine zu schaffen, die bzw. das eine sehr präzise Verbrennung ermöglicht.The object of the invention is to provide a laser device which enables a very fast and precise adjustment of a laser beam of the laser device. In particular, it is an object of the invention to provide an internal combustion engine, a method and an apparatus for igniting an air / fuel mixture in a combustion chamber of the internal combustion engine, which enables a very precise combustion.
Die Aufgabe wird gelöst durch die unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.The object is solved by the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.
Die Erfindung zeichnet sich aus bezüglich eines ersten Aspekts der Erfindung durch eine Laservorrichtung. Die Laservorrichtung umfasst einen Festkörperaktuator, einen Laser und eine elastisch verformbare Linse außerhalb des Lasers. Die elastisch verformbare Linse ist optisch mit dem Laser gekoppelt. Ferner ist die elastisch verformbare Linse so mit dem Festkörperaktuator gekoppelt, dass sie durch ein Ansteuern des Festkörperaktuators elastisch verformbar ist.The invention is characterized in terms of a first aspect of the invention by a laser device. The laser device includes a solid state actuator, a laser, and an elastically deformable lens external to the laser. The elastically deformable lens is optically coupled to the laser. Furthermore, the elastically deformable lens is so coupled to the solid state actuator that it is elastically deformable by driving the Festkörperaktuators.
Das Verformen der Linse mit dem Festkörperaktuator ermöglicht ein sehr präzises und sehr schnelles Verschieben eines Brennpunktes der Linse. Dies ermöglicht, einen Laserstrahl des Lasers sehr präzise und sehr schnell an unterschiedlichen Punkten zu fokussieren. Dies ermöglicht insbesondere bei der Verwendung der Laservorrichtung zum Zünden eines Luft/Kraftstoffgemischs in einem Brennraum einer Brennkraft- maschine, während lediglich eines Verbrennungsvorgangs der Brennkraftmaschine das Luft/Kraftstoffgemisch mehrmals an unterschiedlichen Punkten in dem Brennraum zu zünden. Dies kann zu einer sehr präzisen Verbrennung desThe deformation of the lens with the solid state actuator allows a very precise and very fast shifting of a focal point of the lens. This makes it possible to focus a laser beam of the laser very precisely and very quickly at different points. This allows, in particular when using the laser device for igniting an air / fuel mixture in a combustion chamber of an internal combustion engine. machine, during only a combustion process of the internal combustion engine to ignite the air / fuel mixture several times at different points in the combustion chamber. This can lead to a very precise combustion of the
Luft/Kraftstoffgemischs und somit zu einem präzisen Steuern der Brennkraftmaschine beitragen.Air / fuel mixture and thus contribute to a precise control of the internal combustion engine.
Darüber hinaus ermöglicht das elastische Verformen der Linse bei einem relativ geringen Aktorstellweg des Festkörperaktua- tors ein Verstellen des Brennpunkts in einem relativ großen räumlichen Bereich bezogen auf den Aktorstellweg.In addition, the elastic deformation of the lens allows for a relatively small Aktorstellweg the Festkörperaktua- sector adjusting the focal point in a relatively large spatial area with respect to the Aktorstellweg.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung ist die elastisch verformbare Linse in axialer Richtung mit dem Festkörperaktuator gekoppelt. Der Festkörpe- raktuator wirkt in axialer Richtung auf die Linse. Dies ermöglicht ein Verstellen und/oder Verformen der Linse so, dass der Brennpunkt der Linse entlang einer optischen Achse der Linse verschoben und/oder dass die optische Achse mit dem Brennpunkt gekippt wird.In an advantageous embodiment of the first aspect of the invention, the elastically deformable lens is coupled in the axial direction with the solid state actuator. The solid-state actuator acts on the lens in the axial direction. This makes it possible to adjust and / or deform the lens so that the focal point of the lens is displaced along an optical axis of the lens and / or that the optical axis is tilted with the focal point.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung ist die elastisch verformbare Linse in radialer Richtung mit dem Festkörperaktuator gekoppelt, und zwar derart, dass der Festkörperaktuator in radialer Richtung auf die elastisch verformbare Linse wirkt. Dies ermöglicht ein Verstellen und/oder Verformen der Linse so, dass der Brennpunkt der Linse entlang der optischen Achse der Linse verschoben wird und/oder dass die optische Achse mit dem Brennpunkt gekippt wird.In a further advantageous embodiment of the first aspect of the invention, the elastically deformable lens is coupled in the radial direction with the solid-state actuator, in such a way that the solid-state actuator acts in the radial direction on the elastically deformable lens. This makes it possible to adjust and / or deform the lens so that the focal point of the lens is displaced along the optical axis of the lens and / or that the optical axis is tilted with the focal point.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung ist der Laser über einen Lichtleiter mit - A -In a further advantageous embodiment of the first aspect of the invention, the laser via a light guide with - A -
der elastisch verformbaren Linse gekoppelt. Dies ermöglicht den Laser beliebig beabstandet zu dem Brennraum anzuordnen.coupled to the elastically deformable lens. This allows the laser arbitrarily spaced to arrange the combustion chamber.
Die Erfindung zeichnet sich aus bezüglich eines zweiten Aspekts der Erfindung durch eine Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine umfasst mindestens einen Zylinder mit einem Brennraum. Ferner umfasst die Brennkraftmaschine eine Laserzündvorrichtung und ein für Laserstrahlen der Laserzündvorrichtung transparentes Fenster in dem Zylinder. Die Laserzündvorrichtung umfasst einen Festkörperaktuator, einen Laser und außerhalb des Lasers eine Linse. Die Linse ist optisch mit dem Laser gekoppelt. Ferner ist die Linse so mit dem Festkörperaktuator mechanisch gekoppelt, dass durch Ansteuern des Festkörperaktuators die Laserstrahlen auf unterschiedliche Punkte in dem Brennraum fokussiert werden. Durch das Fenster ist die Laserzündvorrichtung optisch mit dem Brennraum gekoppelt.The invention is characterized in terms of a second aspect of the invention by an internal combustion engine. The internal combustion engine comprises at least one cylinder with a combustion chamber. Furthermore, the internal combustion engine comprises a laser ignition device and a window transparent in the cylinder for laser beams of the laser ignition device. The laser ignition device comprises a solid state actuator, a laser, and a lens outside the laser. The lens is optically coupled to the laser. Further, the lens is mechanically coupled to the solid state actuator such that by driving the solid state actuator, the laser beams are focused at different points in the combustion chamber. Through the window, the laser ignition device is optically coupled to the combustion chamber.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des zweiten Aspekts der Erfindung ist die Laserzündvorrichtung entsprechend der Laservorrichtung ausgebildet.In an advantageous embodiment of the second aspect of the invention, the laser ignition device is designed according to the laser device.
Die Erfindung zeichnet sich aus bezüglich eines dritten Aspekts der Erfindung durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zünden des Luft/Kraftstoffgemischs in dem Brennraum der Brennkraftmaschine. Zum Zünden des Luft/Kraftstoffgemischs in dem Brennraum der Brennkraftmaschine wird ein Laserstrahl innerhalb eines Verbrennungsvorgangs so auf unterschiedliche Punkte in dem Brennraum fokussiert, dass dasThe invention is characterized in a third aspect of the invention by a method and a device for igniting the air / fuel mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine. For igniting the air / fuel mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine, a laser beam is focused within a combustion process on different points in the combustion chamber, that
Luft/Kraftstoffgemisch in dem Brennraum an den unterschiedlichen Punkten gezündet wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des dritten Aspekts der Erfindung wird zum Fokussieren des Laserstrahls an den unterschiedlichen Punkten der Brennpunkt der optischen Achse der Linse verschoben. Dies ermöglicht das Luft/Kraftstoffgemisch an den unterschiedlichen Punkten zu zünden und tragt so zu einer sehr präzisen Verbrennung des Luft/Kraftstoffgemischs in dem Brennraum bei. Insbesondere bei einem Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine und/oder bei anderen lokalen Schwankungen des Luft/KraftstoffVerhältnisses in dem Brennraum kann das Zünden des Luft/Kraftstoffgemischs an den unterschiedlichen Punkten in dem Brennraum zu einer sehr präzisen Verbrennung beitragen.Air / fuel mixture is ignited in the combustion chamber at the different points. In an advantageous embodiment of the third aspect of the invention, the focus of the optical axis of the lens is shifted to focus the laser beam at the different points. This allows the air / fuel mixture to ignite at the different points and thus contributes to a very precise combustion of the air / fuel mixture in the combustion chamber. In particular, in a stratified operation of the internal combustion engine and / or at other local fluctuations of the air / fuel ratio in the combustion chamber, the ignition of the air / fuel mixture at the different points in the combustion chamber can contribute to a very precise combustion.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des dritten Aspekts der Erfindung wird der Brennpunkt der Linse entlang der optischen Achse verschoben. Dies ermöglicht, das Luft/Kraftstoffgemisch in dem Brennraum entlang der optischen Achse an unterschiedlichen Punkten zu zünden.In a further advantageous embodiment of the third aspect of the invention, the focal point of the lens is displaced along the optical axis. This makes it possible to ignite the air / fuel mixture in the combustion chamber along the optical axis at different points.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des dritten Aspekts der Erfindung wird die optische Achse der Linse verstellt. Dies ermöglicht, das Luft/Kraftstoffgemisch an beliebigen unterschiedlichen Punkten in dem Brennraum 9 zu zünden.In a further advantageous embodiment of the third aspect of the invention, the optical axis of the lens is adjusted. This makes it possible to ignite the air / fuel mixture at any different points in the combustion chamber 9.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des dritten Aspekts der Erfindung wird zum Verstellen des Brennpunkts die Linse elastisch verformt. Bei dem elastischen Verformen der Linse werden Radien der Linse verändert. Dies fuhrt zu einem Verschieben des Brennpunkts. Schon ein geringes Andern eines der beiden Radien der Linse kann ein Verschieben des Brennpunkts in einem relativ großen Bereich bewirken. Relativ groß ist in diesem Zusammenhang auf den Aktorstellweg bezogen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind im Folgenden näher erläutert.In a further advantageous embodiment of the third aspect of the invention, the lens is elastically deformed for adjusting the focal point. The elastic deformation of the lens alters radii of the lens. This leads to a shift of the focal point. Even a slight change of one of the two radii of the lens can cause a shift of the focal point in a relatively large area. Relatively large is related in this context to Aktorstellweg. Advantageous embodiments of the invention are explained in more detail below.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 eine Brennkraftmaschine,1 shows an internal combustion engine,
Figur 2 eine erste Ausführungsform einer Aktorvorrichtung,FIG. 2 shows a first embodiment of an actuator device,
Figur 3 einen Schnitt durch die Aktorvorrichtung gemäß Figur 2,FIG. 3 shows a section through the actuator device according to FIG. 2,
Figur 4 die Aktorvorrichtung gemäß Figur 2 mit unter Spannung stehendem Festkörperaktuator,FIG. 4 shows the actuator device according to FIG. 2 with the solid state actuator under tension,
Figur 5 eine zweite Ausführungsform der Aktorvorrichtung,FIG. 5 shows a second embodiment of the actuator device,
Figur 6 ein Schnitt durch die zweite Ausführungsform der Aktorvorrichtung gemäß Figur 5,FIG. 6 shows a section through the second embodiment of the actuator device according to FIG. 5,
Figur 7 die zweite Ausführungsform der Aktorvorrichtung mit unter Spannung stehendem Festkörperaktuator,FIG. 7 shows the second embodiment of the actuator device with a solid state actuator under tension,
Figur 8 eine dritte Ausführungsform der Aktorvorrichtung,FIG. 8 shows a third embodiment of the actuator device,
Figur 9 eine vierte Ausführungsform der Aktorvorrichtung,FIG. 9 shows a fourth embodiment of the actuator device,
Figur 10 ein Schnitt durch die vierte Ausführungsform der Aktorvorrichtung gemäß Figur 9,FIG. 10 shows a section through the fourth embodiment of the actuator device according to FIG. 9,
Figur 11 ein Programm zum Zünden eines11 shows a program for igniting a
Luft/Kraftstoffgemischs in einem Brennraum der Brennkraftmaschine . Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.Air / fuel mixture in a combustion chamber of the internal combustion engine. Elements of the same construction or function are identified across the figures with the same reference numerals.
Eine Brennkraftmaschine (Figur 1) umfasst einen Ansaugtrakt 1, einen Motorblock 2, einen Zylinderkopf 3 und einen Abgastrakt 4. Der Ansaugtrakt 1 umfasst bevorzugt eine Drosselklappe 5, einen Sammler 6 und ein Saugrohr 7, das hin zu einem Zylinder Zl über einen Einlasskanal in einen Brennraum 9 des Motorblocks 2 geführt ist. Ferner kann der Ansaugtrakt 1 ein Impulsladeventil 16 umfassen. Der Motorblock 2 umfasst eine Kurbelwelle 8, eine Pleuelstange 10 und einen Kolben 11. Die Kurbelwelle 8 ist über die Pleuelstange 10 mit dem Kolben 11 des Zylinders Zl gekoppelt. Die Brennkraftmaschine umfasst neben dem Zylinder Zl vorzugsweise weitere Zylinder Z2, Z3, Z4. Die Brennkraftmaschine kann aber auch jede beliebige größere Anzahl von Zylindern Zl bis Z4 umfassen. Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt in einem Kraftfahrzeug angeordnet.An internal combustion engine (FIG. 1) comprises an intake tract 1, an engine block 2, a cylinder head 3 and an exhaust tract 4. The intake tract 1 preferably comprises a throttle valve 5, a collector 6 and an intake manifold 7, which leads to a cylinder Z1 via an intake passage in FIG a combustion chamber 9 of the engine block 2 is guided. Furthermore, the intake tract 1 may comprise a pulse charging valve 16. The engine block 2 comprises a crankshaft 8, a connecting rod 10 and a piston 11. The crankshaft 8 is coupled via the connecting rod 10 with the piston 11 of the cylinder Zl. The internal combustion engine preferably comprises, in addition to the cylinder Z1, further cylinders Z2, Z3, Z4. However, the internal combustion engine can also comprise any desired larger number of cylinders Z1 to Z4. The internal combustion engine is preferably arranged in a motor vehicle.
Bevorzugt ist in dem Zylinderkopf 3 ein Einspritzventil 18 angeordnet. Alternativ kann das Einspritzventil 18 auch in dem Saugrohr 7 angeordnet sein. In dem Abgastrakt 4 ist vorzugsweise ein Abgaskatalysator 21 angeordnet, der bevorzugt als Dreiwegekatalysator ausgebildet ist.Preferably, an injection valve 18 is arranged in the cylinder head 3. Alternatively, the injection valve 18 may also be arranged in the intake manifold 7. In the exhaust tract 4, an exhaust gas catalyst 21 is preferably arranged, which is preferably designed as a three-way catalyst.
Eine Steuervorrichtung 25 ist vorgesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Messgrößen erfassen und jeweils den Messwert der Messgröße ermitteln. Die Steuervorrichtung 25 ermittelt abhängig von mindestens einer der Messgrößen Stellgrößen, die dann in ein oder mehrere Stellsignale zum Steuern der Stellglieder mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden. Die Sensoren sind beispielsweise ein Pedalstellungsgeber 26, der eine Fahrpedalstellung eines Fahrpedals 27 erfasst, ein Luftmassensensor 28, der einen Luftmassenstrom stromaufwärts der Drosselklappe 5 erfasst, ein erster Temperatursensor 32, der eine Ansauglufttemperatur erfasst, ein Saugrohrdrucksen- sor 34, der einen Saugrohrdruck in dem Sammler 6 erfasst, ein Kurbelwellenwinkelsensor 36, der einen Kurbelwellenwinkel erfasst, dem dann eine Drehzahl N der Brennkraftmaschine zugeordnet wird.A control device 25 is provided, which is associated with sensors which detect different measured variables and in each case determine the measured value of the measured variable. The control device 25 determines dependent on at least one of the measured variables manipulated variables, which are then converted into one or more actuating signals for controlling the actuators by means of corresponding actuators. The sensors are, for example, a pedal position sensor 26, which detects an accelerator pedal position of an accelerator pedal 27, an air mass sensor 28, which detects an air mass flow upstream of the throttle valve 5, a first temperature sensor 32, which detects an intake air temperature, a Saugrohrdrucksen- sensor 34, the intake manifold pressure in the Collector 6 detects, a crankshaft angle sensor 36 which detects a crankshaft angle, which is then assigned a speed N of the internal combustion engine.
Je nach Ausführungsform der Erfindung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren vorhanden sein oder es können auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein.Depending on the embodiment of the invention, any subset of said sensors may be present, or additional sensors may be present.
Die Stellglieder sind beispielsweise die Drosselklappe 5, die Gaseinlass- und Gasauslassventile 12, 13, das Impulsladeventil 16, das Einspritzventil 18 und/oder eine Laserzündvorrichtung, insbesondere ein Festkörperaktuator 52 der Laserzündvorrichtung (Figur 2)The actuators are, for example, the throttle valve 5, the gas inlet and gas outlet valves 12, 13, the pulse charging valve 16, the injection valve 18 and / or a laser ignition device, in particular a solid-state actuator 52 of the laser ignition device (FIG. 2).
Die Laserzündvorrichtung ist ein Teil der Brennkraftmaschine. Die Laserzündvorrichtung umfasst eine Aktorvorrichtung 44, einen Laser 40 und vorzugsweise einen Lichtleiter 42. Die Aktorvorrichtung 44 ist optisch über den Lichtleiter 42 mit dem Laser 40 gekoppelt. Die Leistung des Lasers 40 ist so hoch, dass durch Fokussieren eines Laserstrahls L des Lasers 40 ein Luft/Kraftstoffgemisch in dem Brennraum 9 gezündet werden kann. Die Aktorvorrichtung 44 ist über ein Fenster 46 in dem Zylinder Zl bis Z4 optisch mit dem Brennraum 9 gekoppelt. Das Fenster 46 ist so ausgebildet, dass es für die Laserstrahlen L aus dem Laser 40 transparent ist. Der Laser 40 ist somit über den Lichtleiter 42, die Aktorvorrichtung 44 und das Fenster 46 mit dem Brennraum 9 der Brennkraftmaschine optisch gekoppelt .The laser ignition device is a part of the internal combustion engine. The laser ignition device comprises an actuator device 44, a laser 40 and preferably a light guide 42. The actuator device 44 is optically coupled to the laser 40 via the light guide 42. The power of the laser 40 is so high that by focusing a laser beam L of the laser 40, an air / fuel mixture in the combustion chamber 9 can be ignited. The actuator device 44 is optically coupled to the combustion chamber 9 via a window 46 in the cylinder Z1 to Z4. The window 46 is formed so as to be transparent to the laser beams L from the laser 40. The laser 40 is thus via the light guide 42, the actuator device 44 and the Window 46 optically coupled to the combustion chamber 9 of the internal combustion engine.
Die Aktorvorrichtung 44 umfasst den Festkörperaktuator 52 (Figur 2) und eine Linse 56. Ferner umfasst die Aktorvorrichtung 44 vorzugsweise eine Halterung 54 für die Linse 56, ein Aktorgehäuse 50 sowie eine Grundplatte 60. Der Festkörperaktuator 52 ist in dem Aktorgehäuse 50 angeordnet. An einem a- xialen Ende des Festkörperaktuators 52 stützt sich der Festkörperaktuator 52 bevorzugt an der Grundplatte 60 ab und wirkt in radialer Richtung auf die Linse 56 ein. Der Festkörperaktuator 52 kann beispielsweise röhrenförmig (Figur 3) ausgebildet sein.The actuator device 44 comprises the solid-state actuator 52 (FIG. 2) and a lens 56. Furthermore, the actuator device 44 preferably comprises a holder 54 for the lens 56, an actuator housing 50 and a base plate 60. The solid-state actuator 52 is arranged in the actuator housing 50. At an axial end of the solid-state actuator 52, the solid-state actuator 52 preferably rests on the base plate 60 and acts on the lens 56 in the radial direction. The solid-state actuator 52 may, for example, be tubular (FIG. 3).
Falls eine geeignete Spannung an dem Festkörperaktuator 52 angelegt wird, dehnt sich dieser aus. Eine Ausdehnung X des Festkörperaktuators 52 ist repräsentativ für einen Aktorstellweg des Festkörperaktuators 52. Eine Zeitdauer, die der Festkörperaktuator 52 benötigt, um sich auszudehnen, kann beispielsweise im Bereich von wenigen Mikrosekunden liegen. Ferner kann die Ausdehnung X sehr präzise vorgegeben werden durch die entsprechend präzise vorgegebene Spannung. Der Festkörperaktuator 52 ist mechanisch mit der Linse 56 gekoppelt und ermöglicht so ein sehr schnelles und präzises Verschieben eines Brennpunktes der Linse 56. Im Folgenden wird der Brennpunkt der Linse 56 im spannungsfreien Zustand des Festkörperaktuators 52 als Ausgangsbrennpunkt F 0 bezeichnet und als Endbrennpunkt F 1, wenn die Spannung an dem Festkörperaktuator 52 angelegt ist.If an appropriate voltage is applied to the solid state actuator 52, it will expand. An extent X of the solid state actuator 52 is representative of an actuator travel of the solid state actuator 52. For example, a period of time required for the solid state actuator 52 to expand may be in the range of a few microseconds. Furthermore, the extent X can be specified very precisely by the correspondingly precise predetermined voltage. The solid-state actuator 52 is mechanically coupled to the lens 56 and thus enables a very fast and precise shifting of a focal point of the lens 56. Hereinafter, the focal point of the lens 56 in the de-energized state of the solid-state actuator 52 is referred to as the output focal point F 0 and as the final focal point F 1. when the voltage is applied to the solid state actuator 52.
Das Verschieben des Brennpunktes der Linse 56 ermöglicht, den Laserstrahl L des Lasers 40 sehr schnell und sehr präzise auf unterschiedliche Punkte in dem Brennraum 9 zu fokussieren. Das sehr schnelle und sehr präzise Fokussieren der Laserstrahlen L ermöglicht ein mehrmaliges Zünden desselben Luft/Kraftstoffgemisches in einem Verbrennungsvorgang der Brennkraftmaschine an den unterschiedlichen Punkten in dem Brennraum 9. Insbesondere bei einem Schichtbetrieb der Brennkraftmaschine, bei dem das Luft/Kraftstoffverhältnis in dem Brennraum 9 vorgegebenen lokalen Schwankungen unterliegt, und/oder bei systembedingten lokalen Schwankungen des Luft/KraftstoffVerhältnisses in dem Brennraum 9, beispielsweise aufgrund eines ungleichmäßigen Sprühbilds des Einspritzventils 18, kann so während einem Verbrennungsvorgang gezielt an den unterschiedlichen Punkten in dem Brennraum 9 gezündet werden. Die unterschiedlichen Punkte liegen vorzugsweise in lokalen Bereichen des Brennraums 9, an denen beispielsweise ein vorgegebenes Luft/Kraftstoffverhältnis erwartet wird. Ein Verbrennungsvorgang bezieht sich in diesem Zusammenhang auf das Verbrennen des Luft/Kraftstoffgemischs in dem Brennraum 9 innerhalb eines Arbeitsspiels der Kurbelwelle 8, insbesondere am Ende eines Verdichtungstaktes und zu Beginn eines Arbeitstaktes.Moving the focal point of the lens 56 allows the laser beam L of the laser 40 to focus very quickly and very precisely on different points in the combustion chamber 9. The very fast and very precise focusing of the laser beams L allows a multiple ignition of the same air / fuel mixture in a combustion process of the internal combustion engine at the different points in the combustion chamber 9. In particular, in a stratified operation of the internal combustion engine, in which the air / fuel ratio in the combustion chamber 9 predetermined is subject to local fluctuations, and / or systemic local fluctuations in the air / fuel ratio in the combustion chamber 9, for example, due to a non-uniform spray pattern of the injector 18, so can be targeted during a combustion process at the different points in the combustion chamber 9 ignited. The different points are preferably in local areas of the combustion chamber 9, where, for example, a predetermined air / fuel ratio is expected. A combustion process in this context refers to the burning of the air / fuel mixture in the combustion chamber 9 within a working cycle of the crankshaft 8, in particular at the end of a compression stroke and at the beginning of a power stroke.
Zum Verschieben des Brennpunkts der Linse 56 zu den unterschiedlichen Punkten in dem Brennraum 9 kann die gesamte Linse 56 verstellt werden und/oder die Linse 56 elastisch verformt werden. Falls die Linse 56 elastisch verformt wird, so umfasst die Linse 56 bevorzugt ein elastisch verformbares Material, beispielsweise Silikon und/oder ein Hydrogel.To shift the focal point of the lens 56 to the different points in the combustion chamber 9, the entire lens 56 can be adjusted and / or the lens 56 can be elastically deformed. If the lens 56 is elastically deformed, the lens 56 preferably comprises an elastically deformable material, for example silicone and / or a hydrogel.
Das elastische Verformen der Linse 56 (Figur 4) ermöglicht, bei einer relativ geringen Ausdehnung X des Festkörperaktua- tors 52 den Brennpunkt der Linse 56 in relativ großem Maße zu verschieben bezogen auf die Ausdehnung X des Festkörperaktua- tors 52. Damit die Linse 65 verformt werden kann, wird sie von der Halterung 54 bevorzugt ortsfest gehalten. Der Festkörperaktuator bewegt sich dann relativ zu der Linse 56 und der Halterung 54. Wenn die Linse 56 verformt wird, so verformt sich dadurch mindestens einer ihrer Radien. Dies bewirkt das Verschieben des Ausgangsbrennpunkts F 0. Der Zusammenhang zwischen der Größe der Radien der Linse 56 und der Lage des Brennpunktes kann beispielsweise anhand einer in der Optik verwendeten Linsengleichung ermittelt werden. Beispielsweise kann der Festkörperaktuator 52 in axialer Richtung auf die Linse 56 einwirken und kann so bei einem Innenradius des Festkörperaktuators 52 von 1 mm, einem Linsendurchmesser von 5 mm, einem ersten Radius der Linse 56 von 15 mm und einem zweiten Radius der Linse 56 von 15 mm bei einer Ausdehnung X des Festkörperaktuators 52 von beispielsweise 40 μm den Brennpunkt der Linse 56 entlang einer optischen Achse O_A der Linse 56 von einem Ausgangsbrennpunkt F_0 auf einen Endbrennpunkt F 1 verschieben, die einen Abstand Y von ca. 1,1 mm zueinander haben. Dies entspricht einem Verstellfaktor von ca. 30. D.h., dass der Brennpunkt um das dreißigfache der Ausdehnung X des Festkörperaktuators 52 verschoben wird.The elastic deformation of the lens 56 (FIG. 4) makes it possible, with a relatively small extent X of the solid-state actuator 52, to shift the focal point of the lens 56 to a relatively large extent relative to the extent X of the solid-state actuator 52 she can become preferably held stationary by the holder 54. The solid state actuator then moves relative to the lens 56 and support 54. When the lens 56 is deformed, at least one of its radii thereby deforms. This causes the displacement of the output focal point F 0. The relationship between the size of the radii of the lens 56 and the position of the focal point can be determined, for example, based on a lens equation used in the optics. For example, the solid state actuator 52 may act on the lens 56 in the axial direction and so may at an inner radius of the solid actuator 52 of 1 mm, a lens diameter of 5 mm, a first radius of the lens 56 of 15 mm and a second radius of the lens 56 of FIG mm at an extent X of the Festkörperaktuators 52, for example, 40 microns move the focal point of the lens 56 along an optical axis O_A of the lens 56 from a Ausgangsbrennpunkt F_0 to a final focal point F 1, which have a distance Y of about 1.1 mm to each other. This corresponds to an adjustment factor of approximately 30. That is, the focal point is shifted by thirty times the extent X of the solid-state actuator 52.
Der Festkörperaktuator 52 kann auch in radialer Richtung auf die Linse 56 einwirken (Figur 5), um die Linse 56 zu verformen. Vorzugsweise sind dann mehrere Festkörperaktuatoren 52 vorgesehen und die Linse 56 wird von den entsprechend ausgebildeten Festkörperaktuatoren 52 gehalten (Figur 6) . Das Anlegen der Spannung an den Festkörperaktuator 52 bewirkt dann ein Zusammenpressen der Linse 56 in radialer Richtung (Figur 7) . Dies führt zu einem Verkleinern der Radien der Linse 56 und somit zu einem Verschieben des Ausgangsbrennpunkt F 0 hin zu der Linse 56 auf den Endbrennpunkt F 1. Das Verstellen der Linse 56 umfasst ein Verschieben, ein Verdrehen, ein Verkippen und/oder eine andere mechanische Bewegung, bei der die Linse 56 als ganzes verstellt wird. Falls die Linse 56 verstellt wird, ist es vorteilhaft, wenn die Halterung 54 der Linse 56 mit dem Festkörperaktuator 52 gekoppelt ist (Figur 8). Der Festkörperaktuator 52, die Linse 56 und gegebenenfalls die Halterung 54 werden dann gleichförmig zueinander bewegt. Wird nun der vorzugsweise röhrenförmige Festkörperaktuator 52 angesteuert, so weist er beispielsweise die Ausdehnung X von 50 Mikrometern auf. Der Abstand Y des Ausgangsbrennpunkts F 0 und des Endbrennpunkts F 1 betragen dann 50 Mikrometer.The solid state actuator 52 may also act in the radial direction on the lens 56 (FIG. 5) to deform the lens 56. Preferably, then a plurality of solid state actuators 52 are provided and the lens 56 is held by the correspondingly formed solid state actuators 52 (Figure 6). The application of the voltage to the solid state actuator 52 then causes the lens 56 to compress in the radial direction (FIG. 7). This leads to a reduction of the radii of the lens 56 and thus to a shift of the output focal point F 0 towards the lens 56 to the final focal point F 1. Adjustment of the lens 56 includes shifting, twisting, tilting, and / or other mechanical motion that displaces the lens 56 as a whole. If the lens 56 is adjusted, it is advantageous if the holder 54 of the lens 56 is coupled to the solid state actuator 52 (FIG. 8). The solid state actuator 52, the lens 56 and optionally the holder 54 are then moved uniformly relative to one another. If now the preferably tubular solid-state actuator 52 is activated, it has, for example, the extension X of 50 micrometers. The distance Y of the Ausgangsbrennpunkts F 0 and the final focal point F 1 then be 50 microns.
Alternativ können auch mehrere axial wirkende Festkörperaktu- atoren 52 zum Verstellen der Linse 56 verwendet werden (Figur 9, Figur 10). Die Festkörperaktuatoren 52 können beispielsweise in axialer Richtung auf die Linse 56 und/oder die Halterung 54 einwirken. Ferner können die Festkörperaktuatoren 52 beispielsweise gleichmäßig um den Umfang der Linse 56 verteilt angeordnet sein. Falls an jeden der Festkörperaktuatoren 52 die gleiche Spannung angelegt wird, so entspricht die Wirkungsweise der Festkörperaktuatoren 52 einem einzelnen röhrenförmigen Festkörperaktuator 52. Falls jedoch unterschiedliche Spannungen an die einzelnen Festkörperaktuatoren 52 angelegt werden, so wird die Linse 56 gekippt. Dadurch wird auch die optische Achse O_A der Linse 56 gekippt und der Brennpunkt mit der optischen Achse O A verschoben. Die nun nicht mehr parallel zur optischen Achse O A einfallenden Laserstrahlen L werden nicht mehr auf den Endbrennpunkt F_l fo- kussiert, sondern streuen um den Endbrennpunkt F 1 herum. Die Leistung des Lasers 40 muss in diesem Fall so hoch gewählt werden, dass dennoch das Zünden des Luft/Kraftstoffgemischs in dem Brennraum 9 möglich ist. Ein Programm (Figur 11) zum Zünden desAlternatively, it is also possible to use a plurality of axially acting solid-state actuators 52 for adjusting the lens 56 (FIG. 9, FIG. 10). The solid-state actuators 52 can act, for example, in the axial direction on the lens 56 and / or the holder 54. Furthermore, the solid-state actuators 52 may, for example, be distributed uniformly around the circumference of the lens 56. If the same voltage is applied to each of the solid state actuators 52, the operation of the solid state actuators 52 corresponds to a single solid state tubular actuator 52. However, if different voltages are applied to the individual solid state actuators 52, the lens 56 is tilted. As a result, the optical axis O_A of the lens 56 is also tilted and the focus is shifted with the optical axis OA. The laser beams L no longer incident parallel to the optical axis OA are no longer focused on the final focal point F_1, but scatter around the final focal point F1. The power of the laser 40 must be selected in this case so high that still the ignition of the air / fuel mixture in the combustion chamber 9 is possible. A program (Figure 11) for igniting the
Luft/Kraftstoffgemischs in dem Brennraum ist vorzugsweise in der Steuervorrichtung 25 abgespeichert. Die Steuervorrichtung 25 kann in diesem Zusammenhang als Vorrichtung zum Zünden des Luft/Kraftstoffgemischs in dem Brennraum 9 der Brennkraftmaschine bezeichnet werden. Das Programm wird vorzugsweise zeitnah vor dem Zünden des Luft/Kraftstoffgemischs in dem Brennraum 9 in einem Schritt Sl gestartet, in dem gegebenenfalls Variablen initialisiert werden.Air / fuel mixture in the combustion chamber is preferably stored in the control device 25. The control device 25 may be referred to in this context as a device for igniting the air / fuel mixture in the combustion chamber 9 of the internal combustion engine. The program is preferably started shortly before the ignition of the air / fuel mixture in the combustion chamber 9 in a step Sl, in which variables are initialized if necessary.
In einem Schritt S2 wird der Endbrennpunkt F_l ermittelt, an dem das Luft/Kraftstoffgemisch gezündet werden soll.In a step S2, the end focal point F_l is determined at which the air / fuel mixture is to be ignited.
In einem Schritt S3 wird ein Stellsignal SG für den Festkör- peraktuator 25 ermittelt zum Verschieben des Brennpunktes der Linse 56 auf den Endbrennpunkt F 1.In a step S3, a control signal SG for the solid state actuator 25 is determined for shifting the focal point of the lens 56 to the final focal point F 1.
In einem Schritt S4 wird der Brennpunkt entlang der optischen Achse O_A der Linse 56 verschoben. Die optische Achse O_A wird dabei nicht verstellt.In a step S4, the focal point is shifted along the optical axis O_A of the lens 56. The optical axis O_A is not adjusted.
In einem Schritt S5 wird die optische Achse O A der Linse 56 verstellt und so der Brennpunkt der Linse 56 verschoben.In a step S5, the optical axis O A of the lens 56 is adjusted so that the focus of the lens 56 is shifted.
In dem Schritt S4 und/oder in dem Schritt S5 kann der Brennpunkt der Linse 56 durch Verstellen und/oder durch Verformen der Linse 56 verschoben werden.In step S4 and / or in step S5, the focal point of the lens 56 may be shifted by adjusting and / or deforming the lens 56.
In einem Schritt S6 wird das Luft/Kraftstoffgemisch in dem Brennraum 9 gezündet. In einem Schritt S7 wird das Programm beendet. Vorzugsweise werden jedoch während eines Verbrennungsvorgangs die Schritte S2 bis S6 mehrmals abgearbeitet und so dasIn a step S6, the air / fuel mixture is ignited in the combustion chamber 9. In a step S7, the program is ended. Preferably, however, during a combustion process, the steps S2 to S6 are processed several times and so the
Luft/Kraftstoffgemisch an den unterschiedlichen Punkten in dem Brennraum 9 gezündet. Alternativ können mehrere Stellsignale SG für den Festkörperaktuator 52 vor dem ersten Zünden ermittelt und gespeichert werden. Der Festkörperaktuator 52 wird dann abhängig von den gespeicherten Stellsignalen SG angesteuert .Air / fuel mixture ignited at the different points in the combustion chamber 9. Alternatively, a plurality of actuating signals SG for the solid-state actuator 52 can be determined and stored before the first ignition. The solid state actuator 52 is then driven depending on the stored actuating signals SG.
Das schnelle und präzise Fokussieren des Laserstrahls L kann unabhängig von der Brennkraftmaschine in vielen unterschiedlichen technischen Gebieten genutzt werden, beispielsweise in der Medizintechnik, der Elektrotechnik und/oder generell bei Herstellungsprozessen. Die Herstellungsprozesse können beispielsweise ein Schweißen, Schneiden und/oder Bohren mit den Laserstrahlen L umfassen. Die Laserzündvorrichtung wird dann bevorzugt als Laservorrichtung bezeichnet. Bei der Laservorrichtung wird der Brennpunkt der Linse 56 vorzugsweise durch das elastische Verformen der Linse 56 verschoben.The fast and precise focusing of the laser beam L can be used independently of the internal combustion engine in many different technical fields, for example in medical technology, electrical engineering and / or in manufacturing processes in general. The manufacturing processes may include, for example, welding, cutting and / or drilling with the laser beams L. The laser ignition device is then preferably referred to as a laser device. In the laser device, the focal point of the lens 56 is preferably displaced by elastically deforming the lens 56.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise können die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann die Linse 56 durch den Festkörperaktuator 52 verformt und verstellt werden. Ferner kann die Linse 56 in axialer und in radialer Richtung verstellt werden. Ferner kann die Linse 56 in radialer und axialer Richtung verformt werden und verstellt werden. Das Programm zum Zünden des Luft/Kraftstoffgemischs kann weitere oder weniger Schritte Sl bis S7 umfassen, in denen der Brennpunkt entsprechend verschoben wird. The invention is not limited to the specified embodiments. For example, the different embodiments can be combined. For example, the lens 56 may be deformed and displaced by the solid state actuator 52. Further, the lens 56 can be adjusted in the axial and in the radial direction. Further, the lens 56 can be deformed and displaced in the radial and axial directions. The program for igniting the air / fuel mixture may comprise further or fewer steps S1 to S7, in which the focus is shifted accordingly.

Claims

Patentansprüche claims
1. Laservorrichtung umfassend1. comprising a laser device
- einen Festkörperaktuator (52),a solid state actuator (52),
- einen Laser (40),a laser (40),
- eine elastisch verformbare Linse (56) außerhalb des Lasers (40), die optisch mit dem Laser (40) gekoppelt ist und die mechanisch so mit dem Festkörperaktuator (52) gekoppelt ist, dass sie durch Ansteuern des Festkörperaktuators (52) elastisch verformbar ist.- An elastically deformable lens (56) outside of the laser (40), which is optically coupled to the laser (40) and which is mechanically coupled to the Festkörperaktuator (52) that it is elastically deformable by driving the Festkörperaktuators (52) ,
2. Laservorrichtung nach Anspruch 1, bei der die elastisch verformbare Linse (54) in axialer Richtung mit dem Festkörperaktuator (52) gekoppelt ist und bei der der Festkörperaktuator (52) in axialer Richtung auf die Linse (54) wirkt.2. A laser device according to claim 1, wherein the elastically deformable lens (54) in the axial direction with the Festkörperaktuator (52) is coupled and in which the Festkörperaktuator (52) acts in the axial direction of the lens (54).
3. Laservorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die elastisch verformbare Linse (54) in radialer Richtung mit dem Festkörperaktuator (52) gekoppelt ist und zwar derart, dass der Festkörperaktuator (52) in radialer Richtung auf die elastisch verformbare Linse (54) wirkt.3. Laser device according to one of the preceding claims, wherein the elastically deformable lens (54) in the radial direction with the solid-state actuator (52) is coupled in such a way that the solid-state actuator (52) in the radial direction on the elastically deformable lens (54). acts.
4. Laservorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Laser (40) über einen Lichtleiter (58) mit der elastisch verformbaren Linse (56) optisch gekoppelt ist.4. Laser device according to one of the preceding claims, wherein the laser (40) via a light guide (58) with the elastically deformable lens (56) is optically coupled.
5. Brennkraftmaschine umfassend5. Internal combustion engine comprising
- mindestens einen Zylinder (Zl - Z4) mit einem Brennraum (9),- At least one cylinder (Zl - Z4) with a combustion chamber (9),
- eine Laserzündvorrichtung, die einen Festkörperaktuator (52), einen Laser (40) und außerhalb des Lasers (40) einea laser ignition device comprising a solid state actuator (52), a laser (40) and outside the laser (40)
Linse (56) umfasst, die optisch mit dem Laser (40) gekoppelt ist und die mechanisch so mit dem Festkörperaktuator (52) ge- koppelt ist, dass durch Ansteuern des Festkörperaktuators (52) ein Laserstrahl (L) auf unterschiedliche Punkte (F 0, F 1) in dem Brennraum (9) fokussiert wird,Lens (56) which is optically coupled to the laser (40) and which is mechanically coupled to the solid state actuator (52). coupled is that by driving the Festkörperaktuators (52) a laser beam (L) is focused on different points (F 0, F 1) in the combustion chamber (9),
- ein für den Laser (40) transparentes Fenster (46) in dem Zylinder (Zl - Z4), durch das die Laserzündvorrichtung optisch mit dem Brennraum (9) gekoppelt ist.a window (46) transparent to the laser (40) in the cylinder (Z1 - Z4), by which the laser ignition device is optically coupled to the combustion chamber (9).
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, bei der die Laserzündvorrichtung entsprechend der Laservorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebildet ist.6. Internal combustion engine according to claim 5, wherein the laser ignition device is formed according to the laser device according to one of claims 1 to 4.
7. Verfahren zum Zünden eines Luft/Kraftstoffgemischs in einem Brennraum (9) der Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem ein Laserstrahl (L) innerhalb eines Verbrennungsvorgangs so auf unterschiedliche Punkte (F 0, F_l) in dem Brennraum (9) fokussiert wird, dass das7. A method for igniting an air / fuel mixture in a combustion chamber (9) of the internal combustion engine according to one of claims 5 or 6, wherein a laser beam (L) within a combustion process so on different points (F 0, F_l) in the combustion chamber (9 ) that is focused
Luft/Kraftstoffgemisch in dem Brennraum (9) an den unterschiedlichen Punkten (F_0, F_l) gezündet wird.Air / fuel mixture in the combustion chamber (9) at the different points (F_0, F_l) is ignited.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem zum Fokussieren des Laserstrahls (L) an den unterschiedlichen Punkten (F 0, F 1) ein Brennpunkt einer optischen Achse (O_A) der Linse (56) verschoben wird.8. The method of claim 7, wherein for focusing the laser beam (L) at the different points (F 0, F 1) a focal point of an optical axis (O_A) of the lens (56) is moved.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Brennpunkt (F 0) entlang der optischen Achse (O_A) verschoben wird.9. The method of claim 8, wherein the focal point (F 0) along the optical axis (O_A) is moved.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem die optische Achse (O_A) der Linse (56) verstellt wird.10. The method according to any one of claims 8 or 9, wherein the optical axis (O_A) of the lens (56) is adjusted.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem zum Verschieben des Brennpunkts die Linse (56) elastisch verformt wird. 11. The method according to any one of claims 8 to 10, wherein for moving the focal point, the lens (56) is elastically deformed.
12. Vorrichtung zum Zünden eines Luft/Kraftstoffgemischs in einem Brennraum (9) der Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, die ausgebildet ist zum Fokussieren eines Laserstrahls (L) auf unterschiedliche Punkte (F_0, F_l) in dem Brennraum (9) innerhalb eines Verbrennungsvorgangs der Brennkraftmaschine, so dass das Luft/Kraftstoffgemisch in dem Brennraum (9) an den unterschiedlichen Punkten (F 0, F 1) gezündet wird. 12. A device for igniting an air / fuel mixture in a combustion chamber (9) of the internal combustion engine according to one of claims 6 or 7, which is adapted for focusing a laser beam (L) on different points (F_0, F_l) in the combustion chamber (9) within a combustion process of the internal combustion engine, so that the air / fuel mixture in the combustion chamber (9) at the different points (F 0, F 1) is ignited.
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