WO2009040177A1 - Brennkraftmaschine mit laserinduzierter fremdzündung - Google Patents

Brennkraftmaschine mit laserinduzierter fremdzündung Download PDF

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Dietrich Trachte
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with spark ignition, wherein the ignition is triggered by an ignition laser.
  • the known and proven spark plug for decades is replaced by an ignition laser.
  • the ignition laser has a combustion chamber window which is transmissive to the laser pulses emitted by the ignition laser.
  • the combustion chamber window must withstand the high pressures and temperatures prevailing in the combustion chamber over the entire service life of the internal combustion engine, without the optical properties of the combustion chamber window being adversely affected.
  • surface temperatures of more than 600 ° C. and pressures of more than 250 bar can occur during the working cycle of the internal combustion engine on the surface of the combustion chamber window facing the combustion chamber.
  • aggressive components of the fuel gases can damage the combustion chamber and reduce deposits on the combustion chamber window whose transmissivity.
  • the invention is based on the object to provide an internal combustion engine, which is particularly suitable for the use of a laser-induced spark ignition.
  • an internal combustion engine with laser-induced spark ignition comprising a cylinder wall, a cylinder head and an ignition laser, wherein the cylinder wall and the cylinder head define a combustion chamber and wherein an ignition point of the ignition laser is within the combustion chamber, thereby solved that in the cylinder wall or the cylinder head Secondary chamber is formed and that the secondary chamber is at least temporarily connected to the combustion chamber, and that the ignition laser limits the secondary chamber.
  • an auxiliary chamber is provided in the internal combustion engine according to the invention, wherein between the combustion chamber and the auxiliary chamber, an opening is present, and wherein the Ignition laser protrudes into the secondary chamber or limits the secondary chamber, the ignition laser is not directly applied to the prevailing pressures and temperatures in the combustion chamber.
  • the combustion chamber window of the ignition laser can be completely eliminated. If the ignition laser has a combustion chamber window, this is applied to the internal combustion engine according to the invention only with comparatively low temperatures and not me aggressive gases and deposits.
  • the sealing of the ignition laser compared to the conditions prevailing in the combustion chamber conditions significantly simplified, or only possible.
  • the laser pulse within the ignition laser must be deflected less strongly.
  • At least one injection into the secondary chamber empties. Through this injection line, air can be blown into the secondary chamber, so that forms an "air cushion" without fuel before the ignition, so that no fuel gases can penetrate into the ignition and solid particles of the exhaust gas can knock down on the combustion chamber window. As a result, damage to the ignition laser and clogging of the combustion chamber window is avoided.
  • a first control valve may be provided in the injection line. This means that air is blown in only if there is a risk of deposits from the exhaust gases located in the combustion chamber. For example, it is conceivable to inject air into the secondary chamber during the compression stroke and / or combustion, so that an air cushion is formed and then the supply of injection air is interrupted.
  • First and / or second control valve can be designed as a slide valve or as a piston valve.
  • Figure 1 a is a schematic representation of an internal combustion engine with a laser-based
  • Figure Ib is a schematic representation of the ignition device of Figure 1;
  • 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 a plurality of cylinders, of which only one is designated by the reference numeral 12 in FIG.
  • a combustion chamber 14 of the cylinder 12 is limited by a piston 16.
  • Fuel enters the combustion chamber 14 directly through an injector 18, which is connected to a designated also as a rail fuel pressure accumulator 20.
  • fuel 22 is ignited by means of a laser pulse 24 which is radiated from an ignition laser 26 comprehensive ignition device 27 into the combustion chamber 14.
  • the ignition laser 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 waveguide devices 28 for different ignition lasers 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 340, which are connected to a pulse power supply 36.
  • the ignition laser 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 mirror 42 and a Auskoppelapt 48.
  • the ignition laser 26 Upon application of pumping light generated by the pumping light source 30, the ignition laser 26 generates a laser pulse 24 in a manner known per se, which is focused by focusing optics 52 onto an ignition point ZP located in the combustion chamber 14 (FIG.
  • the components present in the housing 38 of the ignition laser 26 are separated from the combustion chamber 14 by a combustion chamber window 58.
  • a cylinder head 60 of the internal combustion engine 10 limits, as is well known, the combustion chamber 14 of the internal combustion engine.
  • an auxiliary chamber 62 is formed in the cylinder head 16.
  • This secondary chamber 62 is connected to the combustion chamber 14 through an opening 64.
  • the ignition laser 26 is inserted so that a combustion chamber window 58 of the ignition laser 26 is approximately flush with the wall of the secondary chamber 62.
  • the ignition laser 26 is arranged and aligned so that one of the laser pulses 24 emitted by the ignition laser 26 can pass through the opening 64 into the combustion chamber 14.
  • the ignition point ZP of the ignition laser 26 thus lies in the combustion chamber 14.
  • the sub-chamber 62 may be formed in the cylinder 12 or the cylinder head 60. These alternatives are illustrated in the figures by the use of reference numerals 12 and 60.
  • the inventive arrangement of the ignition laser 26 in a secondary chamber is achieved, inter alia, that the combustion chamber window 58 has a greater spatial distance from the combustion chamber 14, so that the focus of the laser beam 24 need not be so strong. Due to this greater distance of the combustion chamber window 58 from the combustion chamber 14, the temperature load and the pressure peaks are also somewhat reduced, which has a positive effect on the load of the combustion chamber window 58. Another significant reduction of the mechanical and thermal load of the combustion chamber window 58 results from the loading of air in the secondary chamber 62. This air is blown through a Einblas effet 66 in the secondary chamber 62. It is not necessary to inject injection air into the secondary chamber 62 during the entire operating period. Rather, it is often enough to inject inflation air into the secondary chamber 62 only temporarily. This will be a
  • a first control valve 70 is provided in the injection line 66.
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of an internal combustion engine according to the invention.
  • the secondary chamber 62 is kept very small.
  • An injection line 66 is absent.
  • the combustion chamber window 58 is protected from the solid particles contained in the exhaust gas by a second control valve.
  • This second control valve 72 temporarily closes the opening 64 and releases the opening 64 only when the ignition laser 26 emits a laser pulse and thereby ignites the fuel-air mixture located in the combustion chamber 14.
  • the second control valve 72 is designed as a piston valve or as a seat valve.
  • second control valve 72 it is also possible to form the second control valve 72 as a slide valve.
  • Two embodiments of second control valves 72, which are designed as a slide valve, show the figures 4 and 5.
  • a slider 74 of the second control valve 72 makes a linear movement, as indicated by the double arrow 76.
  • two injection lines 66 are provided.
  • the first control valve 70 is not shown in the injection lines 66.
  • the second control valve is designed as a rotary valve.
  • a rotary valve 78 rotates about a rotation axis 80 and releases the opening 64 when the ignition laser 26 emits a laser beam 24 (not shown in FIG. 5).

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Abstract

Es wird eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, die besonders geeignet für den Betrieb mit einer laserinduzierten Fremdzündung ist. Diese Aufgabe wirf erfindungsgemäss bei einer Brennkraftmaschine mit laserinduzierter Fremdzündung umfassend eine Zylinderwand, einen Zylinderkopf und einen Zündlaser, wobei die Zylinderwand und der Zylinderkopf einen Brennraum begrenzen und wobei ein Zündpunkt des Zündlasers innerhalb des Brennraums liegt, dadurch gelöst dass in der Zylinderwand oder dem Zylinderkopf eine Nebenkammer ausgebildet ist und dass die Nebenkammer mindestens zeitweise mit dem Brennraum verbunden ist, und dass der Zündlaser die Nebenkammer begranzt.

Description

Brennkraftmaschine mit laserinduzierter Fremdzündung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, wobei die Zündung durch einen Zündlaser ausgelöst wird. Bei diesen sogenannten Laserzündungen wird die seit Jahrzehnten bekannte und bewährte Zündkerze durch einen Zündlaser ersetzt. Der Zündlaser weist ein Brennraumfenster auf, welches transmissiv für die von dem Zündlaser emittierten Laserimpulse ist. Gleichzeitig muss das Brennraumfenster den im Brennraum herrschenden hohen Drücke und Temperaturen über die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine widerstehen, ohne dass die optischen Eigenschaften des Brennraumfensters nachteilig beeinflusst werden. Dabei können an der dem Brennraum zugewandten Oberfläche des Brennraumfensters Oberflächentemperaturen von über 600° C und Drücke von über 250 bar während des Arbeitstakts der Brennkraftmaschine auftreten. Außerdem können aggressive Bestandteile der Brenngase das Brennraumfernster schädigen und Ablagerungen auf dem Brennraumfenster dessen Transmissivität reduzieren.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, die für den Einsatz einer laserinduzierten Fremdzündung besonders geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Brennkraftmaschine mit laserinduzierter Fremdzündung umfassend eine Zylinderwand, einen Zylinderkopf und einen Zündlaser, wobei die Zylinderwand und der Zylinderkopf einen Brennraum begrenzen und wobei ein Zündpunkt des Zündlasers innerhalb des Brennraums liegt, dadurch gelöst dass in der Zylinderwand oder dem Zylinderkopf eine Nebenkammer ausgebildet ist und dass die Nebenkammer mindestens zeitweise mit dem Brennraum verbunden ist, und dass der Zündlaser die Nebenkammer begrenzt.
Dadurch dass bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine eine Nebenkammer vorgesehen ist, wobei zwischen dem Brennraum und der Nebenkammer eine Öffnung vorhanden ist, und wobei der Zündlaser in die Nebenkammer hineinragt beziehungsweise die Nebenkammer begrenzt, wird der Zündlaser nicht unmittelbar mit den im Brennraum herrschenden Drücken und Temperaturen beaufschlagt. Dadurch kann das Brennraumfenster des Zündlasers vollständig entfallen. Wenn der Zündlaser ein Brennraumfensters aufweist, wird dies bei der erfindungsgemäßem Brennkraftmaschine nur mit vergleichsweise geringen Temperaturen und nicht mir aggressiven Gasen und Ablagerungen beaufschlagt. Somit wird bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine die Abdichtung des Zündlasers gegenüber den im Brennraum herrschenden Bedingungen wesentlich vereinfacht, bzw. erst ermöglicht. Außerdem muss - wegen des vergrößerten Abstandes zwischen Brennraumfenster und Zündpunkt - der Laserimpuls innerhalb des Zündlasers weniger stark abgelenkt werden.
Um das Eindringen von Brenngasen aus dem Brennraum zu unterbinden und - falls der Zündlaser ein Brennraumfenster aufweist - auch die Ablagerung von festen Partikeln aus dem Brenngas an dem Brennraumfenster zu unterbinden, ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass mindestens eine Einblasleitung in die Nebenkammer mündet. Durch diese Einblasleitung kann Luft in die Nebenkammer eingeblasen werden, so dass sich vor dem Zündlaser ein "Luftpolster" ohne Kraftstoff ausbildet, so dass keine Brenngase in den Zündlaser eindringen können und festen Partikel des Abgases an dem Brennraumfenster niederschlagen können. Hierdurch wird eine Schädigung des Zündlasers und ein Zusetzen des Brennraumfensters vermieden.
Alternativ ist es möglich, auch mehrere Einblasleitungen vorzusehen. Es ist jedoch darauf zu achten, dass die Menge der eingeblasenen Luft möglichst gering ist, da sonst die Steuerungsmöglichkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum eingeschränkt wird. Aus diesem Grund ist die Öffnung zwischen Brennraum und Nebenkammer so klein wie möglich zu wählen.
Um die Menge der eingeblasenen Luft betmöglich steuern zu können, kann in der Einblasleitung ein erstes Steuerventil vorgesehen sein. Dies bedeutet, dass Luft nur dann eingeblasen wird, wenn die Gefahr von Ablagerungen aus dem im Brennraum befindlichen Abgasen besteht. So ist es beispielsweise denkbar, während des Kompressionstakts und/oder der Verbrennung Luft in die Nebenkammer einzublasen, so dass sich ein Luftpolster ausbildet und anschließend die Zufuhr von Einblasluft zu unterbrechen.
Zusätzlich ist es auch möglich, zwischen Nebenkammer und Brennraum ein zweites Steuerventil vorzusehen. Dadurch ist es möglich, die Öffnung zwischen Brennraum und Nebenkammer zeitweise zu verschließen, so dass insbesondere während des Arbeitstaktes und/oder während des Ausschubtaktes die Gefahr, dass sich Partikel aus dem Abgas auf dem Brennraumfenster niederschlagen, weiter reduziert wird. Außerdem wird ein unnötiges Einströmen von Luft aus der Nebenkammer in den Brennraum vermieden. Erstes und/oder zweites Steuerventil können als Schieberventil oder als Kolbenventil ausgebildet werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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;
Figuren 2 bis 5 Ausführungsformen erfindungsgemäßer Brennkraftmaschinen
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 mehrere Zylinder, von denen in Figur 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 12 wird von einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff gelangt in den Brennraum 14 direkt durch einen Injektor 18, der an einen auch als Rail bezeichneten Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen ist.
In den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 wird mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der von einer einen Zündlaser 26 umfassenden Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird der Zündlaser 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 Zündlaser 26, die jeweils einem Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 10 zugeordnet sind. Hierzu weist die Pumplichtquelle 30 mehrere einzelne Laserlichtquellen 340 auf, die mit einer Pulsstromversorgung 36 verbunden sind. Durch das Vorhandensein der mehreren einzelnen Laserlichtquellen 340 ist gleichsam eine „ruhende" Verteilung von Pumplicht an die verschiedenen Zündlaser 26 realisiert, so dass keine optischen Verteiler oder dergleichen zwischen der Pumplichtquelle 30 und den Zündlasern 26 erforderlich sind.
Der Zündlaser 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 der Zündlaser 26 in an sich bekannter Weise einen Laserimpuls 24, der durch eine Fokussieroptik 52 auf einen in dem Brennraum 14 (Figur Ia) befindlichen Zündpunkt ZP fokussiert ist. Die in dem Gehäuse 38 des Zündlasers 26 vorhandenen Komponenten sind durch ein Brennraumfenster 58 von dem Brennraum 14 getrennt.
In Figur 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine etwas vereinfacht im Schnitt dargestellt. Ein Zylinderkopf 60 der Brennkraftmaschine 10 begrenzt, wie hinlänglich bekannt, den Brennraum 14 der Brennkraftmaschine. In dem Zylinderkopf 16 ist eine Nebenkammer 62 ausgebildet. Diese Nebenkammer 62 ist durch eine Öffnung 64 mit dem Brennraum 14 verbunden. In dem Zylinderkopf 60 ist der Zündlaser 26 so eingesetzt, dass ein Brennraumfenster 58 des Zündlasers 26 etwa bündig mit der Wand der Nebenkammer 62 abschließt. Wie aus Figur 2 ersichtlich, ist der Zündlaser 26 so angeordnet und ausgerichtet, dass ein der von dem Zündlaser 26 emittierte Laserimpuls 24 durch die Öffnung 64 hindurch in den Brennraum 14 gelangen kann. Der Zündpunkt ZP des Zündlasers 26 liegt somit im Brennraum 14.
Alternativ kann die Nebenkammer 62 in dem Zylinder 12 oder dem Zylinderkopf 60 ausgebildet sein. Diese Alternativen sind in den Figuren durch die Verwendung der Bezugszeichen 12 und 60 veranschaulicht.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Zündlasers 26 in einer Nebenkammer wird unter anderem erreicht, dass das Brennraumfenster 58 einen größeren räumlichen Abstand vom Brennraum 14 hat, so dass die Fokussierung des Laserstrahls 24 nicht so stark sein muss. Durch diesen größeren Abstand des Brennraumfensters 58 vom Brennraum 14 werden außerdem die Temperaturbelastung und die Druckspitzen etwas reduziert, was sich positiv auf die Belastung des Brennraumfensters 58 auswirkt. Eine weitere erhebliche Reduktion der mechanischen und thermischen Belastung des Brennraumfensters 58 ergibt sich durch das Einb lasen von Luft in die Nebenkammer 62. Diese Luft wird durch eine Einblasleitung 66 in die Nebenkammer 62 eingeblasen. Es ist nicht erforderlich, während der gesamten Betriebsdauer Einblasluft in die Nebenkammer 62 einzublasen. Es genügt vielmehr häufig, nur zeitweise Einblasluft in die Nebenkammer 62 einzublasen. Dadurch wird ein
Luftpolster vor dem Brennraumfenster nur zu den Zeiten in denen Abgase im Brennraum 14 vorhanden sind gebildet.
Um das Einblasen vom Luft durch die Einblasleitung 66 steuern zu können, ist in der Einblasleitung 66 ein erstes Steuerventil 70 vorgesehen sein.
In Figur 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Nebenkammer 62 sehr klein gehalten. Eine Einblasleitung 66 ist nicht vorhanden. Hier wird vielmehr das Brennraumfenster 58 vor den im Abgas enthaltenen festen Partikeln durch ein zweites Steuerventil geschützt. Dieses zweite Steuerventil 72 verschließt zeitweise die Öffnung 64 und gibt die Öffnung 64 nur dann frei, wenn der Zündlaser 26 einen Laserimpuls emittiert und dadurch das im Brennraum 14 befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch zündet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist das zweite Steuerventil 72 als Kolbenventil beziehungsweise als Sitzventil ausgebildet.
Alternativ ist es auch möglich, das zweite Steuerventil 72 als Schieberventil auszubilden. Zwei Ausführungsbeispiele von zweiten Steuerventilen 72, die als Schieberventil ausgebildet sind, zeigen die Figuren 4 und 5. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 macht ein Schieber 74 des zweiten Steuerventils 72 eine lineare Bewegung, wie dies durch den Doppelpfeil 76 angedeutet ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Einblasleitungen 66 vorgesehen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist das erste Steuerventil 70 in den Einblasleitungen 66 nicht dargestellt.
In Figur 5 ist das zweite Steuerventil als Drehschieberventil ausgebildet. Dabei dreht sich ein Drehschieber 78 um eine Drehachse 80 und gibt die Öffnung 64 dann frei, wenn der Zündlaser 26 einen Laserstrahl 24 (nicht dargestellt in Figur 5) emittiert.

Claims

Ansprüche
1. Brennkraftmaschine mit laserbasierter Fremdzündung (27), umfassend, einen Zylinder (12), einen Zylinderkopf (60) und einen Zündlaser (26), wobei der Zylinderkopf (60) einen Brennraum (14) begrenzt, und wobei ein Zündpunkt (ZP) des Zündlasers (26) innerhalb des Brennraums (14) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zylinder (12) oder in dem Zylinderkopf (60) eine Nebenkammer (62) ausgebildet ist, dass die Nebenkammer (62) mindestens zeitweise mit dem Brennraum (14) verbunden ist, und dass der Zündlaser (26) die Nebenkammer (62) begrenzt.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Nebenkammer (62) und Brennraum (14) eine Öffnung (64) vorgesehen ist, und dass ein Laserimpuls (24) des Zündlasers (26) durch die Öffnung (64) in den Brennraum (14) gerichtet ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einblas-Leitung (66) in die Nebenkammer (60) mündet.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Einblas-Leitung (66) ein erstes Steuerventil (70) vorhanden ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Nebenkammer (60) und Brennraum (14) ein zweites Steuerventil (72) vorgesehen ist.
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass erstes und/oder zweites Steuerventil (70, 72) als Schieberventil ausgebildet sind.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schieber (74) des Schieberventils eine lineare (76) Stellbewegung ausführt.
8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schieber des Schieberventils als Drehschieber (78) ausgebildet ist.
9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass erstes und/oder zweites Steuerventil (70,72) als Kolbenventil oder als Sitzventil ausgebildet sind.
10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennraumfenster (58) des Zündlasers (26) im Wesentlichen bündig mit der Nebenkammer (60) abschließt.
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