WO2010007066A1 - Laserzündkerze mit vorrichtung zur beeinflussung der strömung des luft-kraftstoff-gemisches und zur verbesserung der entflammung - Google Patents

Laserzündkerze mit vorrichtung zur beeinflussung der strömung des luft-kraftstoff-gemisches und zur verbesserung der entflammung Download PDF

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WO2010007066A1
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WO
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spark plug
laser spark
laser
flow
fluid flow
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PCT/EP2009/059002
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Markus Kraus
Martin Weinrotter
Pascal Woerner
Friedrich Gruber
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Robert Bosch Gmbh
Ge Jenbacher Gmbh& Co Ohg
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Publication date
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    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P13/00—Sparking plugs structurally combined with other parts of internal-combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P15/00—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits
    • F02P15/08—Electric spark ignition having characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F02P1/00 - F02P13/00 and combined with layout of ignition circuits having multiple-spark ignition, i.e. ignition occurring simultaneously at different places in one engine cylinder or in two or more separate engine cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q13/00—Igniters not otherwise provided for

Definitions

  • the invention relates to a laser spark plug, in particular for an internal combustion engine, with means for coupling, in particular focusing, of laser radiation to an ignition point and a method for igniting a fluid in an internal combustion engine.
  • Such laser spark plugs are known and are in particular at
  • High efficiency engine used the operation of which is characterized by a correspondingly high turbulence level of a gas mixture in the combustion chamber. Particularly in the case of operation in the area of the lean boundary, a high turbulence level in the combustion chamber is sought to improve the thermodynamic efficiency.
  • the laser spark plug in a combustion chamber side End region comprises means for influencing a fluid flow, which constitute a substantially sleeve-shaped continuation of the laser spark plug in the combustion chamber side direction and which are adapted to influence a fluid flow in the region of the ignition point.
  • the means according to the invention for influencing the fluid flow in the region of the ignition point is advantageously given the opportunity to set a particularly favorable for the laser ignition fluid flow.
  • the targeted influencing of a flow field according to the invention at the location of the laser ignition makes it possible to improve the flammability of the ignitable mixture in the ignition point, so that advantageous laser pulses with lower pulse energy can be used for reliable ignition.
  • laser spark plug according to the invention laser systems with lower ignition pulse energies can therefore be advantageously used, which leads to low production costs of corresponding laser ignition systems and longer service lives.
  • the inventive principle allows an increase in the smoothness of the internal combustion engine, which can also represent an increased efficiency or a reduction of the exhaust emissions of the internal combustion engine.
  • the means for influencing the fluid flow are an integral part of the laser spark plug.
  • the means according to the invention for influencing the fluid flow can, for example, advantageously be designed or connected directly in one piece with the rest of the body of the laser spark plug.
  • a particularly favorable possibility for influencing the fluid flow in the region of the ignition point is given by the fact that the means according to the invention for influencing the fluid flow have a substantially hollow cylindrical basic shape and are arranged concentrically to a longitudinal axis of the laser spark plug.
  • the principle of the laser spark plug according to the invention is based on the fact that the means for influencing a fluid flow at least partially foreclosure of the arranged around the ignition flow field of further, the combustion chamber side
  • a deflection of the fluid flow in the combustion chamber end region of the laser spark plug is advantageously made possible by the fact that the means for influencing the fluid flow have an end face chamfered at least sectionally in its combustion chamber end region, that is, a surface normal of the relevant end face closes with the longitudinal axis of the laser spark plug a different angle from 0 °. Due to the diversion of the fluid flow according to the invention, ideal conditions can be set for the ignition in the region of the ignition point. As already explained in the other embodiments of the present invention, the turbulence level around the ignition point is also reduced in this variant of the invention. It is also conceivable, along a circumferential direction more
  • a further advantageous variant of the laser spark plug according to the invention which enables an effective reduction of the turbulence size, is provided in that the means for influencing the fluid flow have at least one flow opening, the fluid connection between a region of the ignition point and a radially outside of the means for influencing the fluid flow arranges arranged area.
  • a particularly precise control of the fluid flows guided through the flow openings or flow channels is given when the flow openings or flow channels have a circular or rectangular cross-section.
  • the flow channels can furthermore advantageously be designed as a swirl channel.
  • An improved supply of the ignition point with an ignitable fluid with simultaneously controlled flow formation is given according to another very advantageous variant of the invention in that at least one flow channel is arranged so that its longitudinal axis extends through the ignition point.
  • At least one flow channel has a diameter which changes along its longitudinal axis.
  • the flow channels according to the invention may also advantageously have a nozzle shape in order to set a corresponding flow behavior of the fluid present in the combustion chamber.
  • a particularly advantageous configuration is given in the case of the laser spark plug according to the invention in that a preferably monolithically formed laser device with a laser-active solid and a passive Q-switching is integrated into the laser spark plug, whereby a local generation of high-energy laser pulses in the laser spark plug according to the invention is possible.
  • the laser spark plug according to the invention can be used in particular in stationary engines or large gas engines, their application in the automotive sector, however, is also conceivable.
  • the ignition point is also particularly advantageously selected as a function of the design of the means according to the invention for influencing the fluid flow.
  • the location of the ignition point can be determined for example by the choice of a focal length of a focusing optics used, which is integrated, for example, in the means for coupling the laser radiation.
  • FIG. 1 schematically shows a partial cross section of a first embodiment of a laser spark plug according to the invention
  • FIG. 2 schematically shows the arrangement of the laser spark plug according to FIG. 1 in one embodiment
  • Combustion chamber of an internal combustion engine is Combustion chamber of an internal combustion engine
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a laser spark plug 100 according to the invention in a partial cross section.
  • the laser spark plug 100 has means 110 for coupling laser radiation 120 to an ignition point ZP in order to ignite an ignitable mixture present in the region of the ignition point ZP.
  • the means 110 for coupling in the laser radiation 120 in the present case comprise a focusing optics symbolized by a biconvex lens 111 for focusing the laser radiation 120 onto the ignition point ZP. Furthermore, the means 110 for coupling in the laser radiation 120 in the present case comprise a combustion chamber window 112 optically arranged downstream of the focusing optics 111, which effects a spatial separation between a combustion-chamber-side end region 100a and the further components of the laser spark plug 100. According to the invention, the laser spark plug 100 has means 130, which are arranged in its combustion-chamber-side end region 100a, for influencing a fluid flow and which are designed to influence a fluid flow in the region of the ignition point ZP.
  • the means 130 for influencing the fluid flow are an integral part of the laser spark plug 100.
  • the means 130 are accordingly substantially hollow-cylindrical or sleeve-shaped continuations of the housing of the laser spark plug 100 in the direction of the combustion chamber over an end face plane 112a the combustion chamber window 112 also formed.
  • FIG. 2 shows the laser spark plug 100 according to the invention from FIG. 1 in a typical installation situation in an internal combustion engine, of which only one combustion chamber 200 and part of the combustion chamber walls delimiting the combustion chamber 200 are shown in FIG.
  • the means 130 for influencing the fluid flow protrude into the combustion chamber 200 and thus provide efficient protection of the flame core occurring at the ignition point ZP from fluid flows with a turbulence level that is impermissibly high for safe ignition.
  • inventive means 130 can also complete with the cylinder head or even protrude into the cylinder head.
  • the installation position of the laser spark plug 100 with respect to the combustion chamber 200 is selected so that an end face 112a of the combustion chamber window 112 (Figure 1) is approximately in the same plane as a combustion chamber 200 in Figure 2 upwards delimiting combustion chamber wall.
  • the focusing optics 111 are advantageously designed so that they focus the laser radiation 120 at an ignition point ZP which is approximately in one plane which is defined by the combustion chamber side end faces of the means 130 for influencing the fluid flow.
  • relatively high-energy laser pulses 120 can be generated directly locally in the laser spark plug 100.
  • the pumping light required for generating the laser pulses 120 can advantageously be supplied to the laser device 105 via a pumping light source which is arranged away from the laser spark plug 100 and not shown, and a corresponding optical waveguide device which optically connects the pumped light source to the laser spark plug 100.
  • the configuration shown in FIGS. 1, 2 of the laser spark plug 100 according to the invention with the substantially sleeve-shaped means 130 for influencing the fluid flow represents a preferred variant of the invention, it is also possible that the means 130 according to the invention for influencing the fluid flow also have a hollow cylindrical basic shape have deviating geometry or that they are not arranged concentrically as shown to the longitudinal axis L ( Figure 1) of the laser spark plug 100th
  • the substantially sleeve-shaped means 130 with notches (not shown) so that along a circumferential direction of the laser spark plug 100 preferably a plurality of openings results which exchange fluids between the region of the ignition point ZP and a radially outer side allow the housing of the laser spark plug 100 arranged region.
  • FIG. 3a shows a further embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention, in which the end face 131 of the means 130 according to the invention for influencing the fluid flow in its combustion chamber end portion 130a is chamfered at least in sections, so that a surface normal n an angle different from 0 ° with the longitudinal axis L of Laser spark plug 100 includes.
  • an advantageous deflection of turbulent flows from the combustion chamber 200 advantageously results (FIG. 2), so that once again a flame kernel emerging in the region of the ignition point ZP is effectively protected from a turbulence level that is too great.
  • FIG. 3b illustrates a further variant of the invention in which the means 130 according to the invention for influencing the fluid flow likewise have surface regions 131a, 131b with beveled end faces.
  • the laser spark plug 100 according to FIG. 3b has differently bevelled surface areas 131a, 131b in the inventive means 130 for influencing the fluid flow, whereby advantageously also an asymmetrical flow deflection in the end region of the laser spark plug 100 can be achieved ,
  • the surface normals n1, n2 of the differently beveled surface regions 131a, 131b respectively include different angles with the longitudinal axis L of the laser spark plug 100.
  • FIG. 3c shows a further variant of the laser spark plug 100 according to the invention, in which different regions 131c, 131d along the location coordinate x shown by way of example in FIG. 3c vary widely in a direction in the direction of the combustion chamber, i. in Figure 3c down, extend.
  • This inventive asymmetry with respect to the means 130 for influencing the fluid flow can be combined particularly advantageously with means (not shown) integrated in a piston for guiding a fluid flow in the combustion chamber 200 (FIG. 2) of the internal combustion engine.
  • FIG. 4 a shows a further advantageous embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention, in which the means 130 for influencing the fluid flow have a plurality of flow openings 135 which, in combination with corresponding flow channels 135 ', provide a fluid connection between a region of the ignition point ZP and a radially outer side of the means 130 Influencing the fluid flow arranged region 200a produce.
  • the flow openings 135 according to the invention and the associated flow channels 135 'advantageously make it possible to reduce the turbulence size of fluid flows which move radially from the outside to the combustion chamber end of the laser spark plug 100.
  • the turbulence level in the ignition point ZP can thus be kept below a critical limit for a reliable ignition process.
  • the number, shape, orientation and size of the flow openings 135 or of the flow channels 135 ' is preferably adapted or optimized for this purpose using numerical flow simulations to the respective flow conditions of the respective internal combustion engine.
  • FIG. 4b shows a further embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention, in which a plurality of flow openings 135 or corresponding flow channels 135 'are provided in different planes E1, E2, whose surface normals are each preferably approximately parallel to the longitudinal axis L of the laser spark plug 100.
  • FIGS. 4c, 4d show further advantageous embodiments of the laser spark plug 100 according to the invention, in each of which a plurality of flow openings 135 or flow channels 135 ', each in a different configuration, are provided.
  • FIG. 4e shows a further embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention, in which a first group of flow openings 135a has a circular cross-section as described in the embodiments described so far, while a second group of flow openings 135b has a rectangular cross-section.
  • FIG. 4f shows a further embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention, in which flow openings 135c, 135d are provided which both have a circular shape but have a different diameter.
  • the means 130 according to the invention for influencing the fluid flow of the laser spark plug 100 depicted in FIG. 4f also have differently designed flow channels 135c ', 135d' whose diameter is adapted, for example, to the flow openings 135c, 135d.
  • the flow channels 135 are arranged so that their longitudinal axis extends in each case through the ignition point ZP.
  • the flow channels 135 '"each have a varying diameter along the longitudinal axis of the flow channel 135' ', resulting in a nozzle effect with respect to the fluid flow passing therethrough.
  • FIGS. 5a-5f each illustrate differently shaped lateral surfaces of the substantially sleeve-shaped means 130 for influencing the fluid flow.
  • FIG. 5a shows a first variant of a lateral surface for the means 130 according to the invention for influencing the fluid flow, which has a total of four flow openings 135.
  • the flow openings 135 are arranged along a circumferential direction U and are therefore located substantially in the same plane with respect to the longitudinal axis L of the laser spark plug 100 (FIG. 1).
  • FIG. 5b shows a further embodiment of the lateral surface of the fluid flow control means 130 according to the invention, in which a double-row configuration of flow openings 135 is provided.
  • FIGS. 5c-5f Further possible combinations of flow openings in the lateral surface of the means 130 according to the invention for influencing the fluid flow can be seen in FIGS. 5c-5f.
  • FIG. 5f The configuration illustrated in Figure 5f has specially shaped flow channels which are substantially truncated cone shape. According to FIG. 5f, these flow channels are arranged alternately along the circumferential direction U with their larger or smaller truncated cone diameter in the region of the plane of the drawing of FIG. 5f.
  • the above-described inventive features of the means 130 for influencing the fluid flow can also be used in combinations other than those explicitly described.
  • the laser spark plug 100 according to the invention enables reliable laser ignition even with relatively low pulse energies. It is also possible to use a plurality of laser pulses 120, which follow one another for a short time, for an ignition process which, due to the influencing of the fluid flow in the region of the ignition point ZP according to the invention, can advantageously all be deposited in the same flame core.

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Abstract

Laserzündkerze (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit Mitteln (110) zur Einkopplung, insbesondere Fokussierung, von Laserstrahlung (120) auf einen Zündpunkt (ZP) mit in einem brennraumseitigen Endbereich (100a) der Laserzündkerze (100) angeordneten Mitteln (130) zur Beeinflussung einer Fluidströmung die eine im wesentlichen hülsenförmige Fortsetzung der Laserzündkerze (100) in brennraumseitiger Richtung darstellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (130) zur Beeinflussung der Fluidströmung dazu ausgebildet sind, die Fluidströmung im Bereich des Zündpunkts (ZP) zu beeinflussen.

Description

LASERZÜNDKERZE MIT VORRICHTUNG ZUR BEEINFLUSSUNG DER STRÖMUNG DES LUFT-KRAFTSTOFF-GEMISCHES UND ZUR VERBESSERUNG DER ENTFLAMMUNG
Beschreibung
Titel
Strömungsschutzvorrichtung an einer Laserzündkerze zur Verbesserung des
Entflammungsverhaltens
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit Mitteln zur Einkopplung, insbesondere Fokussierung, von Laserstrahlung auf einen Zündpunkt und ein Verfahren zur Zündung eines Fluids in einer Brennkraftmaschine.
Derartige Laserzündkerzen sind bekannt und werden insbesondere bei
Brennkraftmaschinen mit hohem Wirkungsgrad verwendet, deren Betrieb durch ein entsprechend hohes Turbulenzniveau eines Gasgemischs in dem Brennraum gekennzeichnet ist. Insbesondere bei einem Betrieb im Bereich der Magergrenze wird ein hohes Turbulenzniveau im Brennraum angestrebt zur Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrads.
Durch die starken Turbulenzen in dem Brennraum kann ein mittels einer Laserzündeinrichtung erzeugter Flammenkern, dessen Energie eine kritische Grenze unterschreitet, bereits kurz nach der Zündung wieder erlöschen, was zu unerwünschten Verbrennungsaussetzern bei dem Betrieb der Brennkraftmaschine führt.
Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündkerze der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine sichere Entzündung eines zündfähigen Gemischs auch bei einem verhältnismäßig hohen Turbulenzniveau des zündfähigen Gemischs gegeben ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Laserzündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Laserzündkerze in einem brennraumseitigen Endbereich Mittel zur Beeinflussung einer Fluidströmung aufweist, die eine im wesentlichen hülsenförmige Fortsetzung der Laserzündkerze in brennraumseitiger Richtung darstellen und die dazu ausgebildet sind, eine Fluidströmung im Bereich des Zündpunkts zu beeinflussen.
Durch die erfindungsgemäßen Mittel zur Beeinflussung der Fluidströmung im Bereich des Zündpunkts ist vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, eine für die Laserzündung besonders günstige Fluidströmung einzustellen. Die erfindungsgemäße gezielte Beeinflussung eines Strömungsfeldes an dem Ort der Laserzündung ermöglicht eine verbesserte Entflammbarkeit des zündfähigen Gemischs in dem Zündpunkt, so dass vorteilhaft Laserimpulse mit geringerer Impulsenergie für eine zuverlässige Zündung verwendet werden können. Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Laserzündkerze können daher vorteilhaft Lasersysteme mit geringeren Zündpulsenergien eingesetzt werden, was zu geringen Herstellungskosten entsprechender Laserzündsysteme und höheren Standzeiten führt.
Gleichzeitig ermöglicht das erfindungsgemäße Prinzip eine Steigerung der Laufruhe der Brennkraftmaschine, wodurch sich auch ein gesteigerter Wirkungsgrad beziehungsweise eine Reduktion der Abgasemissionen der Brennkraftmaschine darstellen lässt.
Eine fertigungstechnisch einfache und mechanisch sehr robuste Konfiguration wird einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze zufolge dadurch erhalten, dass die Mittel zur Beeinflussung der Fluidströmung integraler Bestandteil der Laserzündkerze sind. Die erfindungsgemäßen Mittel zur Beeinflussung der Fluidströmung können beispielsweise vorteilhaft direkt einstückig mit dem restlichen Körper der Laserzündkerze ausgeführt bzw. verbunden sein.
Eine besonders günstige Möglichkeit zur Beeinflussung der Fluidströmung im Bereich des Zündpunkts ist dadurch gegeben, dass die erfindungsgemäßen Mittel zur Beeinflussung der Fluidströmung eine im Wesentlichen hohlzylindrische Grundform aufweisen und konzentrisch angeordnet sind zu einer Längsachse der Laserzündkerze.
Das Prinzip der erfindungsgemäßen Laserzündkerze beruht darauf, dass die Mittel zur Beeinflussung einer Fluidströmung eine zumindest teilweise Abschottung des um den Zündpunkt angeordneten Strömungsfeldes von weiteren, den brennraumseitigen
Endbereich der Zündkerze umgebenden, Fluidströmungen ermöglichen. Dadurch kann insbesondere ein bei der Laserzündung in dem Zündpunkt auftretender Flammenkern vor einer üblicherweise verhältnismäßig turbulenten Brennraumströmung geschützt werden. Speziell sich dem Zündpunkt beziehungsweise dem entstehenden Flammenkern lateral nähernde Quetschströmungen können unter Anwendung der erfindungsgemäßen Mittel zur Beeinflussung der Fluidströmung abgeschwächt beziehungsweise umgelenkt werden.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ist eine Umlenkung der Fluidströmung in dem brennraumseitigen Endbereich der Laserzündkerze vorteilhaft dadurch ermöglicht, dass die Mittel zur Beeinflussung der Fluidströmung in ihrem brennraumseitigen Endbereich eine zumindest abschnittsweise abgeschrägte Stirnfläche aufweisen, das heißt, eine Flächennormale der betreffenden Stirnfläche schließt mit der Längsachse der Laserzündkerze einen von 0° verschiedenen Winkel ein. Durch die erfindungsgemäße Umlenkung der Fluidströmung können für die Entflammung im Bereich des Zündpunkts ideale Bedingungen eingestellt werden. Wie bereits bei den anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert, wird auch bei dieser Erfindungsvariante das Turbulenzniveau um den Zündpunkt herum vermindert. Es ist ferner denkbar, entlang einer Umfangsrichtung mehrere
Flächenbereiche zur Ausbildung der Stirnfläche vorzusehen, die jeweils unterschiedliche Flächennormalen und damit entsprechend unterschiedliche Wirkungen hinsichtlich der Formung der Fluidströmung besitzen.
Eine weitere vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Laserzündkerze, die eine effektive Reduzierung der Turbulenzgröße ermöglicht, ist dadurch gegeben, dass die Mittel zur Beeinflussung der Fluidströmung mindestens eine Strömungsöffnung aufweisen, die eine Fluidverbindung zwischen einem Bereich des Zündpunkts und einem radial außenseitig der Mittel zur Beeinflussung der Fluidströmung angeordneten Bereich herstellt. Durch diese erfindungsgemäß ermöglichten Fluidverbindungen können in dem Brennraum vorhandene Fluids beziehungsweise Gasgemische kontrolliert dem Zündpunkt zugeführt werden. Insbesondere kann hierdurch lokal eine verhältnismäßig kleinskalige Turbulenz realisiert werden, welche den Entflammungsvorgang an dem Zündpunkt weiter verbessert. Zur Realisierung der vorstehend beschriebenen Fluidverbindung kann der jeweiligen Strömungsöffnung ein entsprechender Strömungskanal zugeordnet sein.
Erfindungsgemäß können ferner vorteilhaft mehrere Strömungsöffnungen in unterschiedlichen Ebenen vorgesehenen werden, deren Flächennormalen vorzugsweise jeweils etwa parallel zu einer Längsachse der Laserzündkerze liegen, um über einen vorgebbaren axialen Bereich hinweg und insbesondere um den Zündpunkt herum definierte Strömungsverhältnisse einstellen zu können. Eine besonders präzise Steuerung der durch die Strömungsöffnungen beziehungsweise Strömungskanäle geführten Fluidströmungen ist dann gegeben, wenn die Strömungsöffnungen beziehungsweise Strömungskanäle einen kreisförmigen oder rechteckförmigen Querschnitt haben. Die Strömungskanäle können darüberhinaus ferner vorteilhaft als Drallkanal ausgebildet sein.
Eine verbesserte Versorgung des Zündpunkts mit einem zündfähigen Fluid bei gleichzeitig kontrollierter Strömungsbildung ist einer weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge dadurch gegeben, dass mindestens ein Strömungskanal so angeordnet ist, dass seine Längsachse durch den Zündpunkt verläuft.
Noch eine weitere Möglichkeit zur gezielten Beeinflussung einer Fluidströmung im Bereich des Zündpunkts ist erfindungsgemäß vorteilhaft dadurch gegeben, dass mindestens ein Strömungskanal einen sich entlang seiner Längsachse ändernden Durchmesser aufweist. Die erfindungsgemäßen Strömungskanäle können ferner vorteilhaft Düsenform aufweisen, um ein entsprechendes Strömungsverhalten des in dem Brennraum vorhandenen Fluids einzustellen.
Eine ganz besonders vorteilhafte Konfiguration ist bei der erfindungsgemäßen Laserzündkerze dadurch gegeben, dass eine vorzugsweise monolithisch ausgebildete Lasereinrichtung mit einem laseraktiv Festkörper und einer passiven Güteschaltung in die Laserzündkerze integriert ist, wodurch eine lokale Erzeugung von hochenergetischen Laserimpulsen in der erfindungsgemäßen Laserzündkerze möglich ist.
In Kombination mit den erfindungsgemäßen Mitteln zur Beeinflussung der Fluidströmung im Bereich des Zündpunkts ist dadurch eine sehr effiziente und zuverlässige Laserzündung für eine Brennkraftmaschine realisiert.
Die erfindungsgemäße Laserzündkerze kann insbesondere bei Stationärmotoren beziehungsweise Großgasmotoren eingesetzt werden, ihre Anwendung im Kraftfahrzeugbereich ist jedoch auch denkbar.
Besonders vorteilhaft wird bei der erfindungsgemäßen Laserzündkerze ferner der Zündpunkt in Abhängigkeit der Ausbildung der erfindungsgemäßen Mittel zur Beeinflussung der Fluidströmung gewählt. Der Ort des Zündpunkts kann beispielsweise durch die Wahl einer Brennweite einer verwendeten Fokussieroptik festgelegt werden, die beispielsweise in die Mittel zur Einkopplung der Laserstrahlung integriert ist. 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 beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 schematisch einen teilweisen Querschnitt einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze,
Figur 2 schematisch die Anordnung der Laserzündkerze gemäß Figur 1 in einem
Brennraum einer Brennkraftmaschine,
Figur 3a - 3c,
4a - 4h,
Figur 5a - 5f Ausführungsformen einer Mantelfläche der erfindungsgemäßen Mittel zur Beeinflussung einer Fluidströmung, und
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 in einem teilweisen Querschnitt. Die Laserzündkerze 100 verfügt über Mittel 110 zur Einkopplung von Laserstrahlung 120 auf einen Zündpunkt ZP, um ein in dem Bereich des Zündpunkts ZP vorhandenes zündfähiges Gemisch zu entzünden.
Die Mittel 110 zur Einkopplung der Laserstrahlung 120 umfassen vorliegend eine durch eine bikonvexe Linse 111 symbolisierte Fokussieroptik zur Fokussierung der Laserstrahlung 120 auf den Zündpunkt ZP. Ferner umfassen die Mittel 110 zur Einkopplung der Laserstrahlung 120 vorliegend ein der Fokussieroptik 111 optisch nachgeordnetes Brennraumfenster 112, das eine räumliche Trennung zwischen einem brennraumseitigen Endbereich 100a und den weiteren Komponenten der Laserzündkerze 100 bewirkt. Erfindungsgemäß weist die Laserzündkerze 100 in ihrem brennraumseitigen Endbereich 100a angeordnete Mittel 130 zur Beeinflussung einer Fluidströmung auf, die dazu ausgebildet sind, eine Fluidströmung im Bereich des Zündpunkts ZP zu beeinflussen.
Dadurch ist erfindungsgemäß vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, einen beispielsweise direkt nach der Laserzündung in dem Zündpunkt ZP auftretenden Flammenkern vor
Fluidströmungen mit einem für eine sichere weitere Entzündung kritischen Turbulenzniveau zu schützen.
Einer anderen besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 zufolge sind die Mittel 130 zur Beeinflussung der Fluidströmung integraler Bestandteil der Laserzündkerze 100. Vorliegend sind die Mittel 130 dementsprechend als im Wesentlichen hohlzylindrische bzw. hülsenförmige Fortsetzung des Gehäuses der Laserzündkerze 100 in brennraumseitiger Richtung über eine Stirnflächenebene 112a des Brennraumfensters 112 hinaus ausgebildet.
Figur 2 zeigt die erfindungsgemäße Laserzündkerze 100 aus Figur 1 in einer typischen Einbausituation in einer Brennkraftmaschine, von der in Figur 2 der Übersichtlichkeit halber nur ein Brennraum 200 und ein Teil der den Brennraum 200 begrenzenden Brennraumwände abgebildet ist.
Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, ragen die erfindungsgemäßen Mittel 130 zur Beeinflussung der Fluidströmung in den Brennraum 200 hinein und bewirken damit einen effizienten Schutz des an dem Zündpunkt ZP auftretenden Flammenkerns vor Fluidströmungen mit einem für eine sichere Entflammung unzulässig hohen Turbulenzniveau.
Weiteres können die erfindungsgemäßen Mittel 130 auch mit dem Zylinderkopf abschließen oder sogar in den Zylinderkopf hineinragen.
Bei der in Figur 2 abgebildeten Konfiguration der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 ist die Einbaulage der Laserzündkerze 100 bezüglich des Brennraums 200 so gewählt, dass eine Stirnfläche 112a des Brennraumfensters 112 (Figur 1) etwa in derselben Ebene liegt wie eine den Brennraum 200 in Figur 2 nach oben begrenzende Brennraumwand.
Die Fokussieroptik 111 ist einer Ausführungsform zufolge vorteilhaft so ausgebildet, dass sie die Laserstrahlung 120 auf einen Zündpunkt ZP fokussiert, der etwa in einer Ebene liegt, welche durch die brennraumseitigen Stirnflächen der Mittel 130 zur Beeinflussung der Fluidströmung definiert ist.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 ist eine vorzugsweise monolithisch ausgebildete Lasereinrichtung 105, vergleiche Figur 1, die einen laseraktiven Festkörper und eine passive Güteschaltung aufweist, direkt in die Laserzündkerze 100 integriert. Bei dieser erfindungsgemäßen Konfiguration können verhältnismäßig energiereiche Laserimpulse 120 direkt lokal in der Laserzündkerze 100 erzeugt werden.
Das zur Erzeugung der Laserimpulse 120 erforderliche Pumplicht kann der Lasereinrichtung 105 vorteilhaft über eine entfernt von der Laserzündkerze 100 angeordnete und nicht abgebildete Pumplichtquelle und eine entsprechende Lichtleitereinrichtung, die die Pumplichtquelle optisch mit der Laserzündkerze 100 verbindet, zugeführt werden.
Obwohl die in Figur 1, 2 abgebildete Konfiguration der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 mit den im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildeten Mitteln 130 zur Beeinflussung der Fluidströmung eine bevorzugte Erfindungsvariante darstellt, ist es ferner möglich, dass die erfindungsgemäßen Mittel 130 zur Beeinflussung der Fluidströmung auch eine von der hohlzylindrischen Grundform abweichende Geometrie aufweisen beziehungsweise dass sie nicht wie abgebildet konzentrisch angeordnet sind zu der Längsachse L (Figur 1) der Laserzündkerze 100.
Es ist erfindungsgemäß insbesondere auch möglich, die im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildeten Mittel 130 mit Einschnitten (nicht gezeigt) zu versehen, so dass sich entlang einer Umfangsrichtung der Laserzündkerze 100 vorzugsweise mehrere Öffnungen ergeben, welche einen Fluidaustausch zwischen dem Bereich des Zündpunkts ZP und einem radial außenseitig des Gehäuses der Laserzündkerze 100 angeordneten Bereich ermöglichen.
Figur 3a zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der die Stirnfläche 131 der erfindungsgemäßen Mittel 130 zur Beeinflussung der Fluidströmung in ihrem brennraumseitigen Endbereich 130a zumindest abschnittsweise abgeschrägt ist, so dass eine Flächennormale n einen von 0° verschiedenen Winkel mit der Längsachse L der Laserzündkerze 100 einschließt. Bei dieser Konfiguration ergibt sich vorteilhaft eine effiziente Umlenkung turbulenter Strömungen aus dem Brennraum 200 (Figur 2), so dass wiederum ein in dem Bereich des Zündpunkts ZP entstehender Flammenkern wirksam vor einem zu großen Turbulenzniveau geschützt wird.
Figur 3b illustriert eine weitere Erfindungsvariante, bei der die erfindungsgemäßen Mittel 130 zur Beeinflussung der Fluidströmung ebenfalls Flächenbereiche 131a, 131b mit abgeschrägten Stirnflächen aufweisen. Im Unterschied zu der in Figur 3a abgebildeten Erfindungsvariante weist die Laserzündkerze 100 gemäß Figur 3b in unterschiedlicher Weise abgeschrägte Flächenbereiche 131a, 131b bei den erfindungsgemäßen Mitteln 130 zur Beeinflussung der Fluidströmung auf, wodurch vorteilhaft insbesondere auch eine unsymmetrische Strömungsablenkung im brennraumseitigen Endbereich der Laserzündkerze 100 erzielbar ist.
Dementsprechend schließen die Flächennormalen nl, n2 der unterschiedlich abgeschrägten Flächenbereiche 131a, 131b jeweils unterschiedliche Winkel mit der Längsachse L der Laserzündkerze 100 ein.
Figur 3c zeigt eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der sich unterschiedliche Bereiche 131c, 131d entlang der beispielhaft in Figur 3c abgebildeten Ortskoordinate x unterschiedlich weit in eine brennraumseitige Richtung, d.h. in Figur 3c nach unten, erstrecken.
Dadurch wird vorteilhaft wiederum eine unsymmetrische Strömungsschutzwirkung für den Zündpunkt ZP erzielt, derart, dass eine sich in Figur 3c von rechts auf den Zündpunkt ZP zu bewegende Fluidströmung stärker von dem Zündpunkt ZP abgelenkt wird als eine sich in Figur 3c von links auf den Zündpunkt ZP zu bewegende Fluidströmung. Diese erfindungsgemäße Unsymmetrie bezüglich der Mittel 130 zur Beeinflussung der Fluidströmung kann ganz besonders vorteilhaft kombiniert werden mit in einen Kolben (nicht gezeigt) integrierten Mitteln zur Führung einer Fluidströmung in dem Brennraum 200 (Figur 2) der Brennkraftmaschine.
Figur 4a zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der die Mittel 130 zur Beeinflussung der Fluidströmung mehrere Strömungsöffnungen 135 aufweisen, die in Kombination mit entsprechenden Strömungskanälen 135' eine Fluidverbindung zwischen einem Bereich des Zündpunkts ZP und einem radial außenseitig der Mittel 130 zur Beeinflussung der Fluidströmung angeordneten Bereich 200a herstellen. Die erfindungsgemäßen Strömungsöffnungen 135 und die zugehörigen Strömungskanäle 135' ermöglichen vorteilhaft eine Reduzierung der Turbulenzgröße von Fluidströmungen, die sich radial von außen auf das brennraumseitige Ende der Laserzündkerze 100 zu bewegen. Besonders vorteilhaft kann somit das Turbulenzniveau in dem Zündpunkt ZP unter einer für einen zuverlässigen Entflammungsvorgang kritischen Grenze gehalten werden.
Die Anzahl, Form, Ausrichtung und Größe der Strömungsöffnungen 135 beziehungsweise der Strömungskanäle 135' wird bevorzugt unter Verwendung numerischer Strömungssimulationen an die jeweiligen Strömungsverhältnisse der betreffenden Brennkraftmaschine angepasst beziehungsweise hierfür optimiert.
Figur 4b zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der mehrere Strömungsöffnungen 135 beziehungsweise entsprechende Strömungskanäle 135' in unterschiedlichen Ebenen El, E2 vorgesehen sind, deren Flächennormalen vorzugsweise jeweils etwa parallel zu der Längsachse L der Laserzündkerze 100 sind.
Die Figuren 4c, 4d zeigen weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei denen jeweils eine Mehrzahl von Strömungsöffnungen 135 beziehungsweise Strömungskanälen 135', jeweils in unterschiedlicher Konfiguration, vorgesehen ist.
Figur 4e zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der eine erste Gruppe von Strömungsöffnungen 135a einen wie in den seither beschriebenen Ausführungsformen kreisförmig ausgebildeten Querschnitt aufweist, während eine zweite Gruppe von Strömungsöffnungen 135b Rechteckquerschnitt besitzt.
Figur 4f zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der Strömungsöffnungen 135c, 135d vorgesehen sind, die beide Kreisform aufweisen, jedoch einen unterschiedlichen Durchmesser haben.
Die erfindungsgemäßen Mittel 130 zur Beeinflussung der Fluidströmung der in Figur 4f abgebildeten Laserzündkerze 100 weisen darüberhinaus auch unterschiedlich ausgebildete Strömungskanäle 135c', 135d' auf, deren Durchmesser beispielsweise an die Strömungsöffnungen 135c, 135d angepasst ist. Bei einer weiteren, in Figur 4g veranschaulichten, Variante der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 sind die Strömungskanäle 135" so angeordnet, dass ihre Längsachse jeweils durch den Zündpunkt ZP verläuft.
Bei der in Figur 4h veranschaulichten weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 weisen die Strömungskanäle 135'" jeweils einen sich entlang der Längsachse des Strömungskanals 135'" ändernden Durchmesser auf, wodurch sich eine Düsenwirkung hinsichtlich der durch sie hindurchtretenden Fluidströmung ergibt.
Die Figuren 5a - 5f veranschaulichen jeweils unterschiedlich ausgebildete Mantelflächen der im Wesentlichen Hülsenform aufweisenden Mittel 130 zur Beeinflussung der Fluidströmung.
Figur 5a zeigt eine erste Variante einer Mantelfläche für die erfindungsgemäßen Mittel 130 zur Beeinflussung der Fluidströmung, die insgesamt vier Strömungsöffnungen 135 aufweist. Wie aus Figur 5a ersichtlich ist, sind die Strömungsöffnungen 135 entlang einer Umfangsrichtung U angeordnet und befinden sich daher bezüglich der Längsachse L der Laserzündkerze 100 (Figur 1) im Wesentlichen in derselben Ebene.
Figur 5b zeigt eine weitere Ausführungsform der Mantelfläche der erfindungsgemäßen Mittel 130 zur Beeinflussung einer Fluidströmung, bei der eine zweireihige Konfiguration von Strömungsöffnungen 135 vorgesehen ist.
Weitere mögliche Kombinationen von Strömungsöffnungen in der Mantelfläche der erfindungsgemäßen Mittel 130 zur Beeinflussung der Fluidströmung sind aus den Figuren 5c - 5f ersichtlich.
Die in Figur 5f veranschaulichte Konfiguration weist speziell geformte Strömungskanäle auf, welche im Wesentlichen Kegelstumpfform besitzen. Diese Strömungskanäle sind gemäß Figur 5f alternierend entlang der Umfangsrichtung U mit ihrem größeren beziehungsweise kleineren Kegelstumpfdurchmesser im Bereich der Zeichenebene der Figur 5f angeordnet.
Generell können die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Merkmale der Mittel 130 zur Beeinflussung der Fluidströmung auch in anderen als den explizit beschriebenen Kombinationen miteinander eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Laserzündkerze 100 ermöglicht eine sichere Laserzündung auch mit verhältnismäßig geringen Impulsenergien. Bevorzugt können auch mehrere zeitlich kurz aufeinanderfolgende Laserimpulse 120 für einen Zündvorgang verwendet werden, die aufgrund der erfindungsgemäßen Beeinflussung der Fluidströmung in dem Bereich des Zündpunkts ZP vorteilhaft alle in demselben Flammenkern deponiert werden können.

Claims

Ansprüche
1. Laserzündkerze (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit Mitteln (110) zur Einkopplung, insbesondere Fokussierung, von Laserstrahlung (120) auf einen Zündpunkt (ZP) mit in einem brennraumseitigen Endbereich (100a) der Laserzündkerze (100) angeordneten Mitteln (130) zur Beeinflussung einer Fluidströmung die eine im wesentlichen hülsenförmige Fortsetzung der Laserzündkerze (100) in brennraumseitiger Richtung darstellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (130) zur Beeinflussung der Fluidströmung dazu ausgebildet sind die Fluidströmung im Bereich des Zündpunkts (ZP) zu beeinflussen.
2. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (130) zur Beeinflussung der Fluidströmung integraler Bestandteil der
Laserzündkerze (100) sind.
3. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (130) zur Beeinflussung der Fluidströmung eine im Wesentlichen hohlzylindrische Grundform aufweisen und konzentrisch angeordnet sind zu einer Längsachse (L) der Laserzündkerze (100).
4. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (130) zur Beeinflussung der Fluidströmung in ihrem brennraumseitigen Endbereich (130a) eine zumindest abschnittsweise abgeschrägte Stirnfläche (131) aufweisen, deren Flächennormale (n) einen von 0 ° verschiedenen Winkel (σ) mit einer bzw. der Längsachse (L) der Laserzündkerze (100) einschließt.
5. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche (131) entlang einer Umfangsrichtung mindestens zwei unterschiedliche Flächenbereiche (131a, 131b) aufweist, deren Flächennormalen (nl, n2) jeweils einen unterschiedlichen Winkel mit der Längsachse (L) der Laserzündkerze (100) einschließen.
6. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (130) zur Beeinflussung der Fluidströmung mindestens eine Strömungsöffnung (135) aufweisen, die eine Fluidverbindung zwischen einem Bereich des Zündpunkts (ZP) und einem radial außenseitig der Mittel (130) zur Beeinflussung der Fluidströmung angeordneten Bereich (200a) herstellt.
7. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Strömungsöffnung (135) einen sich im wesentlichen radial zu einer Längsachse (L) der Laserzündkerze (100) erstreckenden Strömungskanal (135') aufweist.
8. Laserzündkerze (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Strömungsöffnungen (135) in unterschiedlichen Ebenen (El, E2) vorgesehen sind, deren Flächennormalen vorzugsweise jeweils etwa parallel zu einer Längsachse (L) der Laserzündkerze (100) sind.
9. Laserzündkerze (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsöffnungen (135) bzw. Strömungskanäle einen kreisförmigen oder rechteckförmigen Querschnitt haben.
10. Laserzündkerze (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Strömungskanal als Drallkanal ausgebildet ist.
11. Laserzündkerze (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Strömungskanal (135") so angeordnet ist, dass seine Längsachse durch den Zündpunkt (ZP) verläuft.
12. Laserzündkerze (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Strömungskanal (135'") einen sich entlang seiner Längsachse ändernden Durchmesser aufweist.
13. Laserzündkerze (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Strömungskanäle mit jeweils unterschiedlichem Größen bzw. Querschnittsflächen vorgesehen sind.
14. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine, vorzugsweise monolithisch ausgebildete, Lasereinrichtung (105) mit einem laseraktiven Festkörper und einer passiven Güteschaltung.
15. Verfahren zur Zündung eines Fluids in einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch eine Laserzündkerze (100) mit Mitteln (110) zur Einkopplung, insbesondere Fokussierung, von Laserstrahlung (120) auf einen Zündpunkt (ZP), mit in einem brennraumseitigen Endbereich (100a) der Laserzündkerze (100) angeordneten Mitteln (130) zur Beeinflussung einer Fluidströmung, die dazu ausgebildet sind, eine
Fluidströmung im Bereich des Zündpunkts (ZP) zu beeinflussen, insbesondere durch eine Laserzündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei mehrere zeitlich kurz aufeinanderfolgende Laserimpulse (120) für einen Zündvorgang verwendet werden, die aufgrund der Beeinflussung der Fluidströmung in dem Bereich des Zündpunkts ZP alle in demselben Flammenkern deponiert werden.
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