WO2009030552A1 - Lasereinrichtung für die zündeinrichtung einer brennkraftmaschine - Google Patents

Lasereinrichtung für die zündeinrichtung einer brennkraftmaschine Download PDF

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Werner Herden
Martin Weinrotter
Heiko Ridderbusch
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    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B11/00—Pressing molten glass or performed glass reheated to equivalent low viscosity without blowing
    • C03B11/005—Pressing under special atmospheres, e.g. inert, reactive, vacuum, clean
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/007—Pressure-resistant sight glasses

Definitions

  • laser ignitions are already known. They comprise a pump light source, a light guide device and a laser device.
  • the laser device generates a laser pulse, which is focused on the so-called ignition point.
  • This ignition point is within the combustion chamber of the internal combustion engine. Since very large quantities are to be produced in the case of mass production of laser ignition devices planned for the future, the cost-effective production of the laser device, but also of other components of laser ignition, is of great economic importance.
  • the invention has for its object to provide a laser device, which represents an improvement of the prior art in terms of number of components, manufacturing costs of the individual components, but also the installation costs.
  • a laser device for an ignition device of an internal combustion engine comprising a laser-active solid, a coupling mirror, a Auskoppelapt, a passive Q-switching and a focusing combustion chamber window in that the combustion chamber window is made of pressed glass.
  • the combustion chamber window according to the invention can do two tasks, namely on the one hand, the focusing of the laser pulse and the separation of the laser device from the combustion chamber and the prevailing pressures and temperatures. This results in a reduction in the number of components, which naturally has a positive effect not only on the production costs but also on the assembly costs.
  • the laser device can thereby be made more compact, which is always advantageous in the cramped space conditions in the region of the cylinder head of modern internal combustion engines.
  • increased demands are placed on the optical properties of a focusing combustion chamber window.
  • combustion chamber window Since the combustion chamber window is exposed to very large thermal and mechanical loads, can It can only be made from very few materials, such as quartz glass. Since quartz glass can hitherto be processed only by grinding and polishing, focussing combustion chamber windows made of quartz glass are very expensive to manufacture and therefore not suitable for mass production in large quantities.
  • the combustion chamber window from pressed glass, in particular from pressed quartz glass. This makes it possible to significantly reduce the manufacturing costs for the focusing combustion chamber window without the optical properties of the combustion chamber window according to the invention would suffer.
  • the optical properties of the pressed glass combustion chamber window according to the invention can be further improved by designing the combustion chamber window as an aspherical lens.
  • a particular advantage of the invention claimed manufacturing process comes into play, since, unlike the grinding and polishing of lenses, the shape of the lens during compression has almost no effect on the manufacturing cost. This is due to the fact that any additional costs resulting from a more complicated geometry of the lens, only affect the production of the mold and this additional costs can be transferred to a variety of combustion chamber windows, which are produced with this mold. This makes it possible, on the one hand, to realize complicated and thus optically very powerful lens geometries and, at the same time, to keep the production costs at a very low level.
  • the combustion chamber window according to the invention is made of quartz glass, since this material is suitable for high-temperature pressing and at the same time meets the requirements placed on a combustion chamber window in terms of pressure and temperature resistance.
  • the above-mentioned object is also achieved by an inventive method for producing a focusing combustion chamber window of a laser device for an ignition device of an internal combustion engine, in which a sufficient amount of glass is placed in a mold, a protective gas atmosphere is built, which surrounds mold and glass, and in a further step glass and mold is heated to a temperature at which the glass is moldable.
  • the mold is closed, thereby giving the glass the desired shape.
  • the glass from which a focusing combustion chamber window is subsequently pressed can be brought to the desired and required temperature and, by closing the mold, both sides of the combustion chamber window can then obtain the necessary and desired shape.
  • This pressing process is much faster than grinding and then polishing both surfaces of the combustion chamber window.
  • Figure 1 a is a schematic representation of an internal combustion engine with a laser-based ignition device
  • Figure Ib is a schematic representation of the ignition device of Figure 1 and
  • FIG. 2 shows a flow diagram of a method for producing a focusing combustion chamber window.
  • FIG. 1a An internal combustion engine carries in FIG. 1a overall the reference numeral 10. It can be used to drive a motor vehicle, not shown.
  • the internal combustion engine 10 comprises one or more cylinders, of which only one is designated by the reference numeral 12 in FIG.
  • a combustion chamber 14 of the cylinder 12 is limited by a piston 16.
  • Fuel enters the combustion chamber 14 directly through an injector 18, which is connected to a designated also as a rail fuel pressure accumulator 20. Alternatively, the mixture formation also outside of the combustion chamber 14, for example in the intake manifold, take place.
  • the present in the combustion chamber 14 fuel-air mixture 22 is ignited by means of a laser pulse 24 which is emitted by a laser device 26 comprehensive ignition device 27 into the combustion chamber 14.
  • the laser device 26 is fed via a light guide device 28 with a pumping light, which is provided by a pumping light source 30.
  • the pumping light source 30 is controlled by a control unit 32, which also controls the injector 18.
  • the pumping light source 30 feeds a plurality of optical fiber devices 28 for different laser devices 26, which are each assigned to a cylinder 12 of the internal combustion engine 10.
  • the pumping light source 30 has a plurality of individual laser light sources 34, which are connected to a pulse power supply 36.
  • a "stationary" distribution of pump light to the various laser devices 26 is realized, so that no optical distributors or the like between the pump light source 30 and the laser devices 26 are required.
  • the laser device 26 has, for example, a laser-active solid 44 with a passive Q-switching circuit 46, which forms an optical resonator together with a coupling-in mirror 42 and an output mirror 48.
  • a laser-active solid 44 with a passive Q-switching circuit 46, which forms an optical resonator together with a coupling-in mirror 42 and an output mirror 48.
  • a laser pulse 24 which is focused by a focusing combustion chamber window 58 to a located in the combustion chamber 14 ignition point ZP.
  • the components present in the housing 38 of the laser device 26 are separated from the combustion chamber 14 by the combustion chamber window 58. Since the combustion chamber window 58 must withstand high pressures and temperatures during operation of the internal combustion engine and at the same time must be permeable to the laser light, there are only a few suitable materials, such as quartz glass or sapphire.
  • the combustion chamber window 58 performs two tasks.
  • the first object is to separate the interior of the laser device 26 from the pressures, temperatures and flue gases prevailing in the combustion chamber 14 of the internal combustion engine 10. Therefore, the combustion chamber window 58 must be made of extremely pressure and temperature resistant material.
  • the second object of the combustion chamber window 58 shown in FIG. 1b is to focus laser pulse 24 coupled out from the laser-active solid 44 to an ignition point ZP.
  • the focussing combustion chamber window 58 according to the invention shown in FIG. 1b is designed as a plane surface on the side facing the laser-active solid 44.
  • the flat surface of the combustion chamber window 58 on the To arrange combustion chamber 14 side facing but it is equally possible that both sides of the combustion chamber window 58 have curved surfaces.
  • FIG. 2 shows a flow chart of an exemplary embodiment of a method according to the invention for producing the focusing combustion chamber window 58 according to the invention.
  • a mold is opened and a quantity of glass required for producing a combustion chamber window 58 is inserted into the mold in a solid state.
  • a protective gas atmosphere is formed which surrounds the mold and the glass in the mold.
  • a third step 64 the glass and the mold are heated to a suitable processing temperature. This can preferably be done by infrared rays. For forming quartz glass by pressing, temperatures of about 1,500 ° C have been found suitable.
  • a fourth step 66 the mold is opened and the pressed combustion chamber windows 58 according to the invention are cooled by protective gas, in particular nitrogen, so far that they can be removed from the mold. Thereafter, the manufacturing process starts again. It is obvious that the productivity of the die can be drastically increased if the dies are provided for multiple combustion chamber windows 58 in the die. For then it is possible to produce several combustion chamber windows at the same time.

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Abstract

Es wird eine Lasereinrichtung für eine Laserzündung einer Brennkraftmaschine vorgestellt, bei der ein Brennraumfenster (58) gepresstem Quarzglas hergestellt ist. Dadurch ergeben sich erhebliche Kostenvorteile bei der Herstellung. Für die Herstellung des fokussierenden Brennraumfensters wird eine ausreichende Menge Glas in eine Pressform eingelegt, eine Schutzgasatmosphäre aufgebaut, welche Pressform und Glas umgibt, die Pressform und Glas auf eine Temperatur bei der das Glas formbar ist erwärmt und die Pressform geschlossen.

Description

Beschreibung
Lasereinrichtung für die Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik
So genannte Laserzündungen sind bereits bekannt. Sie umfassen eine Pumplichtquelle, eine Lichtleitereinrichtung und eine Lasereinrichtung. Die Lasereinrichtung erzeugt einen Laserimpuls, der auf den so genannten Zündpunkt fokussiert ist. Dieser Zündpunkt liegt innerhalb des Brennraums der Brennkraftmaschine. Da bei einer für die Zukunft geplanten Serienfertigung von Laserzündeinrichtungen sehr große Stückzahlen produziert werden sollen, ist die kostengünstige Herstellung der Lasereinrichtung, aber auch anderer Komponenten der Laserzündung, von großer wirtschaftlicher Bedeutung.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lasereinrichtung bereitzustellen, die hinsichtlich Bauteilzahl, Herstellungskosten der einzelnen Bauteile, aber auch der Montagekosten eine Verbesserung des Standes der Technik darstellt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Lasereinrichtung für eine Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine umfassend einen laseraktiven Festkörper, einen Einkoppelspiegel, einen Auskoppelspiegel, eine passive Güteschaltung und ein fokussierendes Brennraumfenster dadurch gelöst, dass das Brennraumfenster aus gepresstem Glas besteht.
Dadurch dass das erfindungsgemäße Brennraumfenster fokussierend ist, kann es zwei Aufgaben, nämlich einerseits die Fokussierung des Laserimpulses und die Trennung der Lasereinrichtung vom Brennraum und den dort herrschenden Drücken und Temperaturen übernehmen. Dadurch ergibt sich eine Reduktion der Bauteilezahl, was sich naturgemäß nicht nur in den Produktionskosten, sondern auch in den Montagekosten positiv niederschlägt. Außerdem kann dadurch die Lasereinrichtung kompakter gebaut werden, was in den beengten Bauraumverhältnissen im Bereich des Zylinderkopfs moderner Brennkraftmaschinen stets vorteilhaft ist. Allerdings werden an ein fokussierendes Brennraumfenster erhöhte Anforderungen hinsichtlich der optischen Eigenschaften gestellt.
Da das Brennraumfenster sehr großen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, kann es nur aus sehr wenigen Werkstoffen, wie zum Beispiel Quarzglas hergestellt werden. Da Quarzglas bislang lediglich durch Schleifen und Polieren bearbeitet werden kann, sind fokussierenden Brennraumfenster aus Quarzglas sehr teuer in der Herstellung und daher für eine Serienfertigung mit großen Stückzahlen nicht geeignet.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, das Brennraumfenster aus gepresstem Glas, insbesondere aus gepresstem Quarzglas herzustellen. Dadurch ist es möglich, die Herstellungskosten für das fokussierende Brennraumfenster deutlich zu reduzieren, ohne dass die optischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Brennraumfensters leiden würden.
Die optischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Brennraumfensters aus gepresstem Glas können weiter dadurch verbessert werden, dass das Brennraumfenster als asphärische Linse ausgebildet ist. Hier kommt ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäß beanspruchten Herstellungsverfahren zum Tragen, da, anders als beim Schleifen und Polieren von Linsen, die Form der Linse beim Pressformen nahezu keinen Einfluss auf die Herstellungskosten hat. Dies liegt darin begründet, dass eventuelle Mehrkosten, die sich durch eine kompliziertere Geometrie der Linse ergeben, lediglich bei der Herstellung der Pressform auswirken und diese Mehrkosten auf eine Vielzahl von Brennraumfenstern, die mit dieser Pressform hergestellt werden, umgelegt werden können. Dadurch ist es einerseits möglich, komplizierte und damit optisch sehr leistungsfähige Linsengeometrien zu realisieren und gleichzeitig die Herstellungskosten auf einem sehr niedrigen Niveau zu halten.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Brennraumfenster aus Quarzglas hergestellt, da dieses Material für das Hochtemperaturpressen geeignet ist und gleichzeitig auch die an ein Brennraumfenster gestellten Anforderungen hinsichtlich Druck- und Temperaturbeständigkeit erfüllt.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines fokussierenden Brennraumfensters einer Lasereinrichtung für eine Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine, bei der eine ausreichende Menge Glas in eine Pressform eingelegt wird, eine Schutzgasatmosphäre aufgebaut wird, welche Pressform und Glas umgibt, und in einem weiteren Schritt Glas und Pressform auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der das Glas formbar ist.
Anschließend wird die Pressform geschlossen und dadurch dem Glas die gewünschte Form gegeben.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann, in einer chemisch inerten Schutzgasatmosphäre das Glas, aus dem später ein fokussierendes Brennraumfenster gepresst wird, auf die gewünschte und erforderliche Temperatur gebracht werden und durch Schließen der Pressform können anschließend beide Seiten des Brennraumfensters die nötige und gewünschte Form erhalten. Dieser Pressvorgang ist deutlich schneller als ein Schleifen und anschließendes Polieren beider Oberflächen des Brennraumfensters. Außerdem ist es möglich, in einer Pressform mehrere, beispielsweise 16, 25, 36 oder 49 Gesenke für erfindungsgemäße Brennraumfenster vorzusehen, so dass in einem Pressvorgang eine Vielzahl erfindungsgemäßer Brennraumfenster gleichzeitig hergestellt werden können. Dadurch ergibt sich nochmals eine erhebliche Kostenreduktion und Erhöhung der Produktionskapazität.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 a eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer laserbasierten Zündeinrichtung;
Figur Ib eine schematische Darstellung der Zündeinrichtung aus Figur 1 und
Figur 2 ein Ablaufdiagramm einer Verfahren zur Herstellung eines fokussierenden Brennraumfensters .
Ausführungsformen der Erfindung
Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur Ia insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie kann zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs dienen. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst einen oder mehrere Zylinder, von denen in Figur 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 12 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18, der an einen auch als Rail bezeichneten Kraftstoff- Druckspeicher 20 angeschlossen ist. Alternativ kann die Gemischbildung auch außerhalb des Brennraums 14, zum Beispiel im Saugrohr, erfolgen. Das in dem Brennraum 14 vorhandenen Kraftstoff-Luft-Gemisch 22 wird mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der von einer eine Lasereinrichtung 26 umfassenden Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird die Lasereinrichtung 26 über eine Lichtleitereinrichtung 28 mit einem Pumplicht gespeist, welches von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird. Die Pumplichtquelle 30 wird von einem Steuergerät 32 gesteuert, das auch den Injektor 18 ansteuert.
Wie aus Figur Ib hervorgeht, speist die Pumplichtquelle 30 mehrere Lichtleitereinrichtungen 28 für verschiedene Lasereinrichtungen 26, die jeweils einem Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 10 zugeordnet sind. Hierzu weist die Pumplichtquelle 30 mehrere einzelne Laserlichtquellen 34 auf, die mit einer Pulsstromversorgung 36 verbunden sind. Durch das Vorhandensein der mehreren einzelnen Laserlichtquellen 34 ist gleichsam eine „ruhende" Verteilung von Pumplicht an die verschiedenen Lasereinrichtungen 26 realisiert, so dass keine optischen Verteiler oder dergleichen zwischen der Pumplichtquelle 30 und den Lasereinrichtungen 26 erforderlich sind.
Die Lasereinrichtung 26 weist beispielsweise einen laseraktiven Festkörper 44 mit einer passiven Güteschaltung 46 auf, die zusammen mit einem Einkoppelspiegel 42 und einem Auskoppelspiegel 48 einen optischen Resonator bildet. Unter Beaufschlagung mit von der Pumplichtquelle 30 erzeugtem
Pumplicht erzeugt die Lasereinrichtung 26 in an sich bekannter Weise einen Laserimpuls 24, der durch ein fokussierendes Brennraumfenster 58 auf einen in dem Brennraum 14 befindlichen Zündpunkt ZP fokussiert ist. Die in dem Gehäuse 38 der Lasereinrichtung 26 vorhandenen Komponenten sind durch das Brennraumfenster 58 von dem Brennraum 14 getrennt. Da das Brennraumfenster 58 während des Betriebs der Brennkraftmaschine hohen Drücken und Temperaturen standhalten und gleichzeitig durchlässig für das Laserlicht sein muss, gibt es nur wenige geeignete Werkstoffe, wie zum Beispiel Quarzglas oder Saphir.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur Ib übernimmt das Brennraumfenster 58 zwei Aufgaben. Die erste Aufgabe besteht darin, das Innere der Lasereinrichtung 26 von den im Brennraum 14 der Brennkraftmaschine 10 herrschenden Drücken, Temperaturen und Rauchgasen zu trennen. Daher muss das Brennraumfenster 58 aus extrem druck- und temperaturbeständigem Material hergestellt werden.
Die zweite Aufgabe des in Figur Ib dargestellten Brennraumfensters 58 besteht darin, von dem laseraktiven Festkörper 44 ausgekoppelten Laserimpuls 24 auf einen Zündpunkt ZP zu fokussieren.
Zu diesem Zweck ist das in Figur Ib dargestellte erfindungsgemäße fokussierende Brennraumfenster 58 auf der dem laseraktiven Festkörper 44 zugewandten Seite als Planfläche ausgebildet. Selbstverständlich wäre es auch möglich, die Planfläche des Brennraumfensters 58 auf der dem Brennraum 14 zugewandten Seite anzuordnen. Es ist aber genauso möglich, dass beide Seiten des Brennraumfensters 58 gekrümmte Flächen aufweisen.
Durch die Doppelfunktion des Brennraumfensters 58 ergibt sich neben einer erheblichen Kosteneinsparung, durch die Reduktion der Zahl der Bauteile auch eine Einsparung an Bauraumbedarf.
In Figur 2 ist ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen fokussierenden Brennraumfensters 58 dargestellt. In einem ersten Schritt 60 wird eine Pressform geöffnet und eine zur Herstellung eines Brennraumfensters 58 erforderliche Menge Glas in festem Zustand in die Pressform eingelegt.
In einem zweiten Schritt 62 wird eine Schutzgasatmosphäre gebildet, welche Pressform und das in der Pressform befindliche Glas umgibt.
In einem dritten Schritt 64 werden das Glas und die Pressform auf eine geeignete Verarbeitungstemperatur erwärmt. Dies kann bevorzugt durch Infrarotstrahlen erfolgen. Für das Umformen von Quarzglas durch Pressen haben sich Temperaturen von etwa 1.500° Celsius als geeignet erwiesen.
Anschließend wird in einem vierten Schritt 66 die Pressform geöffnet und die gepressten erfindungsgemäßen Brennraumfenster 58 werden durch Schutzgas, insbesondere Stickstoff, so weit abgekühlt, dass sie aus der Pressform entnommen werden können. Danach beginnt das Herstellungsverfahren von neuem. Es ist offensichtlich, dass die Produktivität der Pressform drastisch erhöht werden kann, wenn in der Pressform die Formen für mehrere Brennraumfenster 58 vorgesehen sind. Dann nämlich ist es möglich, mehrere Brennraumfenster gleichzeitig herzustellen.

Claims

Ansprüche
1. Lasereinrichtung für eine Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine, mit einem fokussierenden Brennraumfenster (58), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster (58) aus gepresstem Glas besteht.
2. Lasereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster (58) als asphärische Linse ausgebildet ist.
3. Lasereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennraumfenster (58) aus Quarzglas hergestellt wird.
4. Lasereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung einen laseraktiven Festkörper (44), einen Einkoppelspiegel (42), einen Auskoppelspiegel (40) und/oder eine passive Güteschaltung (46) umfasst.
5. Verfahren zur Herstellung eines fokussierenden Brennraumfensters (58) einer Lasereinrichtung für eine Zündeinrichtung einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Einlegen einer ausreichenden Menge Glas in eine Pressform Aufbau einer Schutzgasatmosphäre, welche Pressform und Glas umgibt, Erwärmen von Pressform und Glas auf eine Temperatur bei der das Glas formbar ist und Schließen der Pressform.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzgas Stickstoff (N2) eingesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas, insbesondere wenn es sich um Quarzglas handelt, vor dem Pressen auf eine Temperatur von etwa 15000C erwärmt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Glas durch Infrarot- Strahlen erwärmt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Presskraft während des Pressens gesteuert und/oder geregelt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Pressvorgang mehrere Brennraumfenster (58) gepresst werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumfenster (58) nach dem Pressvorgang mit Stickstoff (N2) gekühlt werden.
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