WO2010015500A1 - Zündeinrichtung für eine laserzündung einer brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2010015500A1
WO2010015500A1 PCT/EP2009/059229 EP2009059229W WO2010015500A1 WO 2010015500 A1 WO2010015500 A1 WO 2010015500A1 EP 2009059229 W EP2009059229 W EP 2009059229W WO 2010015500 A1 WO2010015500 A1 WO 2010015500A1
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WO
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combustion chamber
laser
outer sleeve
pressure
housing
Prior art date
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PCT/EP2009/059229
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Weinrotter
Pascal Woerner
Juergen Raimann
Dieter Wolz
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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Priority to US12/737,704 priority patent/US8607755B2/en
Priority to EP09780773A priority patent/EP2324234A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/26—Starting; Ignition
    • F02C7/264—Ignition

Definitions

  • This laser ignition comprises an ignition laser, which projects into the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the ignition laser is optically pumped by a light source from a pump light source.
  • combustion chamber window is present, which is transmissive to the laser beams generated in the ignition laser.
  • This combustion chamber window must be sealingly received in a housing of the ignition laser. High demands are placed on the seal between the combustion chamber window and the housing because surface temperatures of over 600 ° C. can occur on the combustion chamber window during operation of the internal combustion engine. In addition, intermittent pressure loads of up to approx. 250 bar are added. If a firing laser is used to ignite a gas turbine, prevail in the combustion chamber of the gas turbine, although lower pressures, however, the surface of the combustion chamber window can reach temperatures of up to 1,000 ° C, in any case, uncontrolled Glühzünditch must be prevented. It is obvious that the inside of the ignition laser against the extremely high
  • the invention is based on the object to provide an ignition laser with further improved lifetime and reliability.
  • a laser ignition device for an internal combustion engine comprising a laser active solid, a combustion chamber window and a housing with an inner sleeve and an outer sleeve, wherein the inner sleeve and the outer sleeve define a gap, achieved in that the housing has a pressure compensation device, and that the Pressure equalization device connects the gap and the environment with each other.
  • the pressure compensation device according to the invention is intended as a kind of backup system for the sealing concept of the laser ignition device. If, during operation of the laser ignition device, only minimal leaks should occur, this can lead to the pressure in the intermediate space rising significantly above the ambient pressure and, as a result, severely stressing the sealing surface between the combustion chamber window and the inner sleeve of the housing.
  • the pressure equalization device ensures that even with small minimum leakage flows between the outer housing and the combustion chamber window, the sealing surface between the combustion chamber window and the inner sleeve is not claimed in unauthorized manner, so that the interior of the housing is reliably protected against flue gases and the impurities contained in the flue gases is.
  • the sealing of the housing interior is still maintained even if the first-mentioned sealing surface, which is naturally exposed to higher thermal and chemical stresses, should leak in the course of the operating life of the internal combustion engine or the laser ignition device.
  • an amount of exhaust gas flowing into the intermediate space due to a leak between outer sleeve and combustion chamber window can be removed.
  • the pressure in the space does not increase and the operating conditions of the second seal between the combustion chamber window and inner sleeve do not change. Also, an impermissible pressurization of the gap is avoided.
  • a manufacturing technology very simple variant of a printing device according to the invention is designed as a pressure equalization hole, which is mounted in the outer sleeve.
  • the pressure equalization hole is positioned on the outer sleeve, that the pressure equalization hole in the installed state of the laser ignition device opens into a shaft of the cylinder head of the internal combustion engine in which Laser ignition device is mounted.
  • This shaft corresponds to the so-called plug shaft in the cylinder head of conventional internal combustion engines in which the ignition is triggered by a spark plug.
  • the pressure compensation bore has a minimum diameter at its exit from the housing, and that the diameter increases in the direction of the intermediate space , So it is for example possible to perform the pressure equalization hole as a stepped bore or run as a cylindrical bore and then to reduce the outer diameter of the outer surface partially by a forming process, the diameter of the pressure compensation hole.
  • This filter element has the task of preventing the penetration of particles and other contaminants and can for example be made of a temperature-resistant foam, be it plastic, metal or a sintered material. Furthermore, it is also possible to form the filter element as a wire mesh or another knitted fabric.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides for closing the pressure compensation bore, for example, by means of a plug made of a hardenable plastic material which performs the function of a seal.
  • a plug made of a hardenable plastic material which performs the function of a seal.
  • a particularly suitable material is polyimide, due to its high temperature resistance.
  • Another suitable material is silicone, due to its high gas permeability, but particle and liquid tightness.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the pressure compensation device is designed as Druckentlastungsnut, preferably on a bolt thread and / or a female thread of the housing Laser ignition device is mounted.
  • This pressure relief groove is preferably mounted in the axial direction, so that the pressure relief groove ends at the end of the laser ignition device remote from the combustion chamber window.
  • an embodiment of the outer sleeve and the inner sleeve which is optimally adapted to the respective task can likewise be achieved. It is also possible to provide a further optimized ignition laser by choosing different materials for outer sleeve and inner sleeve. Alternatively, it is possible to materially connect a membrane with the outer sleeve and the combustion chamber window or with the inner sleeve and the combustion chamber window.
  • Figure Ia 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 to 7 embodiments of the invention ignition laser.
  • 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 usually 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.
  • the fuel-air mixture can also be formed outside the combustion chamber 14, for example in the intake manifold.
  • the present in the combustion chamber 14 fuel-air mixture 22 is ignited by means of a laser pulse 24 which is emitted from an ignition laser 26 comprehensive ignition device 27 into the combustion chamber 14.
  • the laser device 24 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 can also control 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. Due to the presence of a plurality of individual laser light sources 340, the pumping light is distributed as it were "dormant" to the various laser devices 26, so that no optical distributor or the like between the pumping light source 30 and the ignition lasers 26 are required.
  • 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.
  • the housing 38 is formed in two parts. It comprises an inner sleeve 62 and an outer sleeve 64.
  • the outer sleeve 64 has a shoulder 66 on a combustion chamber 14 (see FIG. 1a).
  • the paragraph 66 has essentially two functions. First, it shields a portion of the combustion chamber window 58 from the combustion chamber and the pressures and temperatures prevailing there, so that the thermal load of the combustion chamber window 58 is reduced.
  • the combustion chamber window 58 to press against the inner sleeve 62 and thereby increase the tightness in the joints 60 and 70.
  • a female thread is provided on the outer sleeve 64, which cooperates with a corresponding bolt thread of the inner sleeve 62. This thread, consisting of nut thread and bolt thread, is in its
  • the inner sleeve 62 can be pressed onto the outer sleeve 64 with a predetermined contact pressure and the connection can be produced by welding or another cohesive method or by a non-positive or positive-locking method (flanging).
  • the sealing effect can be generated by clamping.
  • the surfaces with the reference numerals 60 and 70 are the sealing surfaces.
  • the combustion chamber window 58 is integrally connected to an end face (without reference numeral) of the inner sleeve 62 of the housing 38.
  • the joint is in Figure 2 with the
  • the cohesive connection between combustion chamber window 58 and housing 38 can be effected by soldering, in particular brazing, soft soldering, gluing, vitrification or welding.
  • the housing 38 preferably has a thermal expansion coefficient which approximates the coefficient of thermal expansion of the combustion chamber window 58. As a result, thermal stresses are avoided and as a result, the joint 60 relieved. At the same time, however, care must be taken that the housing 38 is made of a heat-resistant material and as a result also has sufficient fatigue strength at the operating temperatures prevailing in the combustion chamber. Particularly advantageous in this embodiment is their low space requirement.
  • the designer By separating the housing 38 into an inner sleeve 62 and an outer sleeve 64, the designer has more degrees of freedom for functionally optimized design of the two components mentioned and the joint 60 are available.
  • the material of the outer sleeve 64 can be optimized in terms of heat resistance and fatigue strength, while the material of the inner sleeve 62 is chosen so that its thermal expansion coefficient as much as possible corresponds to the coefficient of thermal expansion of the combustion chamber window 58, if a material connection is preferred. If a frictional connection is selected, different coefficients of thermal expansion can be at least partially compensated. As a result, the thermal stresses are reduced and the joint 60 relieved.
  • the material of the inner sleeve 62 so that the inventive claimed cohesive connection between the combustion chamber window 58 and inner sleeve 62 can be made as safe, simple and durable.
  • a sealing surface 70 is formed between the shoulder 66 and the combustion chamber window, which thus constitutes a redundant seal which, as it were, precedes the joint 60 and This either causes a complete separation of the combustion chamber 14 and the interior of the ignition laser 26 or at least reduces the temperature and pressure stress of the joint 60 and as a result relieves the joint 60.
  • the shoulder 66 or the combustion chamber window 58 with the area of the sealing surface 70 with a coating of a ductile material, such as copper.
  • a coating of a ductile material such as copper.
  • This coating may, for example, be 5 ⁇ m to 100 ⁇ m thick.
  • combustion chamber window 58 is materially connected to the shoulder 66 of the outer sleeve 64 and the combustion chamber window 58 is pressed sealingly against the end face of the inner sleeve.
  • thermal load in the area of the contact surface between the shoulder 66 and the combustion chamber window 58 is higher than between the combustion chamber window 58 and the inner sleeve 62.
  • the inner sleeve 62, the outer sleeve 64 and the combustion chamber window 58 define a gap 65.
  • the sealing surface 70 between the shoulder 66 and the combustion chamber window 58 is completely sealed, the pressure in the gap 65 remains approximately equal to the ambient pressure. 2 shows a first embodiment of an inventive
  • Pressure relief device in the form of a pressure relief hole 67 shown.
  • This pressure relief bore 67 connects the outer of the outer sleeve 64 with the gap 65, which is bounded by the outer sleeve 64 and the inner sleeve 62 substantially.
  • the pressure relief bore 67 is axially spaced from the combustion chamber window 58, so that in the laser ignition device, the pressure relief hole 67 not in the combustion chamber, but in a shaft of the cylinder head of the internal combustion engine (not shown) opens, in which the laser ignition device is used.
  • This shaft corresponds to the well known in conventional internal combustion engine plug hole is used in the spark plug and is fastened via the plug thread in the cylinder head.
  • a membrane 72 is provided, which is integrally connected to the combustion chamber window 58 at one end in the region of the joint 60. At its other end, it is integrally connected to the outer sleeve 64.
  • This second joint is provided in Figure 3 by the reference numeral 74. With its side facing away from the combustion chamber window, the membrane 72 rests on the inner sleeve 62 and is additionally characterized by the pressure prevailing in the combustion chamber 14 or pressed by the tension of the inner sleeve 62 with the outer sleeve 64 against the inner sleeve 62.
  • the pressure relief hole is formed as a frusto-conical bore, the minimum diameter of outer diameter of the outer sleeve 64 is present. This prevents the penetration of dirt particles from the outside into the gap 64. At the same time the production cost and the flow resistance is also reduced. It is also possible to form the pressure relief bore 67 as stepped bores (not shown) or the pressure relief bore on
  • the cross-section of the pressure relief device has a diameter of approximately 0.1 to 0.3 mm, then leakage quantities which occur at the sealing surface 70 between the shoulder 66 and the combustion chamber window 58 can be dissipated. However, if this seal fails completely, so that large pressure surges enter the space 65, the opening of the through hole must have a multi-square millimeter opening cross-section.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a pressure relief bore 67 according to the invention, in which the pressure relief bore is inserted through a filter insert 71 into the pressure relief bore 67.
  • the filter element can be made of an open-cell foam made of plastic, ceramic or metal wires or metal fabric. Main task of the filter element 71 is to prevent the ingress of contaminants into the gap.
  • the pressure relief hole 67 is closed by a plug 69.
  • This plug 69 may be formed by a hot melt adhesive or other adhesive.
  • the plug 69 it is ensured that in normal operation no exchange between the gap 65 and the environment takes place. Only when a maximum permissible pressure in the intermediate space 65 is exceeded, the gas forces acting through the pressure relief hole on the plug 69, this push out of the bore 67 and the pressure relief hole is released.
  • FIGS. 6a to 6c further configurations of inner sleeve 62, outer sleeve 64 and pressure relief bores 67 are illustrated.
  • FIG. 7 shows a further exemplary embodiment of a pressure relief device according to the invention.
  • a longitudinal groove 73 is milled into the bolt thread of the inner sleeve 62, which allows a controlled pressure equalization between the gap 65 and the environment.
  • a longitudinal groove (not shown) to introduce.

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Abstract

Es wird ein Zündlaser für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei dem das Brennraumfenster (58) gas- und druck- sowie temperaturbeständig mit einem Gehäuse (38) des Zündlasers verbunden ist. Des weiteren ist eine Druckentlastungsbohrung (67) vorhanden, die einen Druckanstieg im Gehäuse (38) des Zündlasers wirkungsvoll verhindert.

Description

Beschreibung
Titel
Zündeinrichtung für eine Laserzündung einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Aus der WO 2005/066488 Al ist eine sogenannte Laserzündung bekannt. Diese Laserzündung umfasst einen Zündlaser, der in den Brennraum einer Brennkraftmaschine hineinragt. Der Zündlaser wird über einen Lichtleiter von einer Pumplichtquelle optisch gepumpt.
An einem dem Brennraum zugewandten Ende des Zündlasers ist ein sogenanntes Brennraumfenster vorhanden, welches transmissiv für die im Zündlaser erzeugten Laserstrahlen ist. Dieses Brennraumfenster muss dichtend in einem Gehäuse des Zündlasers aufgenommen werden. Dabei werden an die Abdichtung zwischen Brennraumfenster und Gehäuse hohe Anforderungen gestellt, weil während des Betriebs der Brennkraftmaschine Oberflächentemperaturen von über 600° C an dem Brennraumfenster auftreten können. Zusätzlich kommen noch intermittierende Druckbelastungen von bis zu ca. 250 bar hinzu. Wenn ein Zündlaser zum Zünden einer Gasturbine eingesetzt wird, herrschen im Brennraum der Gasturbine zwar geringere Drücke, allerdings kann die Oberfläche des Brennraumfensters Temperaturen von bis zu 1.000° C erreichen, wobei in jedem Fall unkontrollierte Glühzündungen verhindert werden müssen. Es ist offensichtlich, dass das Innere des Zündlasers gegen die extrem hohen
Temperaturen und Drücke sicher abgedichtet werden muss. Wenn Abgase ins Innere des Zündlasers gelangen sollten, führt dies zum Ausfall des Zündlasers.
Aus der nachveröffentlichten DE 102007041528.3 ist ein Zündlaser bekannt, bei dem das Brennraumfenster und das Gehäuse so abgedichtet sind, dass über die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine und bei den im Brennraum einer Brennkraftmaschine herrschenden Drücken und Temperaturen eine sichere und zuverlässige Abdichtung von Brennraumfenster und Gehäuse gewährleistet ist. Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Zündlaser mit weiter verbesserter Lebensdauer und Zuverlässigkeit bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine umfassend einen laseraktiven Festkörper, ein Brennraumfenster und ein Gehäuse mit einer Innenhülse und einer Außenhülse, wobei die Innenhülse und die Außenhülse einen Zwischenraum begrenzen, dadurch gelöst, dass das Gehäuse eine Druckausgleichseinrichtung aufweist, und dass die Druckausgleichseinrichtung den Zwischenraum und die Umgebung miteinander verbindet. Die erfindungsgemäße Druckausgleichseinrichtung ist gewissermaßen als Backup-System für das Dichtkonzept der Laserzündeinrichtung gedacht. Wenn nämlich, während des Betriebs der Laserzündeinrichtung nur minimale Undichtigkeiten auftreten sollten, kann dies dazu führen, dass der Druck im Zwischenraum deutlich über den Umgebungsdruck ansteigt und infolge dessen die Dichtfläche zwischen Brennraumfenster und der Innenhülse des Gehäuses stark beansprucht. Durch die erfindungsgemäße Druckausgleichseinrichtung ist sichergestellt, dass selbst bei kleinen minimalen Leckageströmen zwischen dem Außengehäuse und dem Brennraumfenster die Dichtfläche zwischen dem Brennraumfenster und der Innenhülse nicht in unzulässigerweise beansprucht wird, so dass das Innere des Gehäuses sicher gegen Rauchgase und die in den Rauchgasen enthaltenen Verunreinigungen geschützt ist.
Durch die erfindungsgemäße Druckausgleichseinrichtung wird die Abdichtung des Gehäuseinneren auch dann noch aufrechterhalten, wenn die erstgenannte Dichtfläche, welche naturgemäß höheren thermischen und chemischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, im Laufe der Betriebsdauer der Brennkraftmaschine bzw. der Laserzündeinrichtung undicht werden sollte. Durch die erfindungsgemäße Druckausgleichseinrichtung kann eine aufgrund einer Undichtigkeit zwischen Außenhülse und Brennraumfenster in den Zwischenraum strömende Abgasmenge abgeführt werden. In Folge dessen steigt der Druck im Zwischenraum nicht an und die Betriebsbedingungen der zweiten Dichtung zwischen Brennraumfenster und Innenhülse verändern sich nicht. Auch wird eine unzulässige Druckbeaufschlagung des Zwischenraums vermieden.
Eine fertigungstechnisch sehr einfache Variante einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung ist als Druckausgleichsbohrung ausgebildet, die in der Außenhülse angebracht wird. Dabei wird die Druckausgleichsbohrung so an der Außenhülse positioniert, dass die Druckausgleichsbohrung in eingebautem Zustand der Laserzündeinrichtung in einen Schacht des Zylinderkopfs der Brennkraftmaschine mündet in dem die Laserzündeinrichtung montiert ist. Dieser Schacht entspricht dem sogenannten Kerzenschacht im Zylinderkopf von herkömmlichen Brennkraftmaschinen bei denen die Zündung durch eine Zündkerze ausgelöst wird.
Um zu verhindern, dass Verunreinigungen durch die Druckausgleichsbohrung von dem genannten Schacht in den Zwischenraum zwischen Außenhülse und Innenhülse gelangen kann, ist weiter vorgesehen, dass die Druckausgleichsbohrung an ihrem Austritt an dem Gehäuse einen minimalen Durchmesser aufweist, und dass der Durchmesser in Richtung des Zwischenraums zunimmt. So ist es beispielsweise möglich, die Druckausgleichsbohrung als Stufenbohrung auszuführen oder als zylindrische Bohrung auszuführen und am Außendurchmesser der Außenfläche anschließend durch einen Umformvorgang den Durchmesser der Druckausgleichsbohrung partiell zu reduzieren.
Des weiteren ist es auch möglich, in der Druckausgleichsbohrung ein Filterelement unterzubringen. Dieses Filterelement hat die Aufgabe, das Eindringen von Partikeln und anderen Verschmutzungen zu verhindern und kann beispielsweise aus einem temperaturbeständigen Schaum, sei es aus Kunststoff, Metall oder einem Sinterwerkstoff hergestellt werden. Des weiteren ist es auch möglich, das Filterelement als Drahtgitter oder ein anderes Gewirke auszubilden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Druckausgleichsbohrung zum Beispiel durch einen Pfropfen aus einem aushärtbaren Kunststoff, der die Funktion eines Siegels übernimmt, zu verschließen. Ein besonders geeigneter Werkstoff ist Polyimid, aufgrund seiner hohen Temperaturbeständigkeit. Ein weiterer geeigneter Werkstoff ist Silikon, aufgrund seiner hohen Gasdurchlässigkeit, aber Partikel- und Flüssigkeitsdichtheit.
Durch das Verschließen der Druckausgleichsbohrung mit einem Pfropfen ist erstens gewährleistet, dass im Normalbetrieb, d.h. wenn die Abdichtung zwichen Außenhülse und Brennraumfenster vollständig dicht ist, die Druckausgleichsbohrung verschlossen ist und somit keine Verschmutzungen in den Zwischenraum gelangen können. Wenn jedoch der Druck im Zwischenraum beispielsweise auf 4 bar über Umgebungsdruck ansteigt, wird der Pfropfen durch diese Druckkräfte aus der Druckausgleichsbohrung hinausgepresst und die Druckausgleichsbohrung ermöglicht einen Druckausgleich zwischen Zwischenraum und der Umgebung. Dadurch wird sichergestellt, dass keine unzulässig hohen Drücke im Zwischenraum auftreten können.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Druckausgleichseinrichtung als Druckentlastungsnut ausgebildet ist, die bevorzugt an einem Bolzengewinde und/oder einem Muttergewinde des Gehäuses der Laserzündeinrichtung angebracht ist. Diese Druckentlastungsnut bevorzugt in axialer Richtung angebracht, so dass die Druckentlastungsnut an dem dem Brennraumfenster entfernten Ende der Laserzündeinrichtung mit der endet.
Durch die Trennung des Gehäuses in eine Innenhülse und eine Außenhülse kann ebenfalls eine jeweils der jeweiligen Aufgabe optimal angepasste konstruktive Ausgestaltung der Außenhülse und der Innenhülse erreicht werden. Auch ist es möglich, durch die Wahl verschiedener Werkstoffe für Außenhülse und Innenhülse einen weiter optimierten Zündlaser bereitzustellen. Alternativ ist es möglich, eine Membran mit der Außenhülse und dem Brennraumfenster beziehungsweise mit der Innenhülse und dem Brennraumfenster stoffschlüssig zu verbinden.
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 Ia eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer laserbasierten Zündeinrichtung; Figur Ib eine schematische Darstellung der Zündeinrichtung aus Figur 1 und
Figuren 2 bis 7 Ausführungsbeispiele erfindungsgemäße Zündlaser.
Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur Ia insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie kann zum Antrieb eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs dienen. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst üblicherweise 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 das Kraftstoff-Luft-Gemisch auch außerhalb des Brennraums 14, zum Beispiel im Saugrohr, gebildet werden.
Das im Brennraum 14 vorhandene Kraftstoff-Luft-Gemisch 22 wird mittels eines Laserimpulses 24 entzündet, der von einer einen Zündlaser 26 umfassenden Zündeinrichtung 27 in den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird die Lasereinrichtung 24 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 ansteuern kann.
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 mehrerer einzelner Laserlichtquellen 340 wird das Pumplicht gleichsam „ruhend" an die verschiedenen Lasereinrichtungen 26 verteilt, 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 das Detail X der Figur Ib stark vergrößert im Teillängsschnitt dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 38 zweiteilig ausgebildet. Es umfasst eine Innenhülse 62 und eine Außenhülse 64. Die Außenhülse 64 weist an einem dem Brennraum 14 (siehe Figur Ia) zugewandten Ende einen Absatz 66 auf. Der Absatz 66 hat im Wesentlichen zwei Funktionen. Erstens schirmt er einen Teil des Brennraumfensters 58 gegenüber dem Brennraum und den dort herrschenden Drücken und Temperaturen ab, so dass die thermische Belastung des Brennraumfensters 58 reduziert wird.
Des weiteren ist es mit Hilfe des Absatzes 66 möglich, das Brennraumfenster 58 gegen die Innenhülse 62 zu pressen und dadurch die Dichtheit in den Fügestellen 60 und 70 zu erhöhen. Zu diesem Zweck ist an der Außenhülse 64 ein Muttergewinde vorgesehen, welches mit einem entsprechenden Bolzengewinde der Innenhülse 62 zusammenwirkt. Dieses Gewinde, bestehend aus Muttergewinde und Bolzengewinde, ist in seiner
Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 68 gekennzeichnet. Weiterhin kann anstelle des Gewindes die Innenhülse 62 mit einem vorgegebenen Anpressdruck auf die Außenhülse 64 gepresst werden und die Verbindung durch Schweißen oder ein anderes stoffschlüssiges Verfahren oder nach einem kraft- oder formschlüssigen Verfahren (umbördeln) hergestellt werden. Alternativ zu der beschriebenen Ausführungsform einer stoffschlüssigen Verbindung von Fenster und Hülse kann die Dichtwirkung durch Klemmen erzeugt werden. In diesem Fall sind die Flächen mit den Bezugszeichen 60 und 70 die Dichtflächen.
Das Brennraumfenster 58 ist mit einer Stirnfläche (ohne Bezugszeichen) der Innenhülse 62 des Gehäuses 38 stoffschlüssig verbunden. Die Fügestelle ist in Figur 2 mit dem
Bezugszeichen 60 versehen. Die stoffschlüssige Verbindung zwischen Brennraumfenster 58 und Gehäuse 38 kann durch Löten, insbesondere Hartlöten, Weichlöten, Kleben, Verglasen oder Schweißen erfolgen. Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel hat das Gehäuse 38 bevorzugt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Brennraumfensters 58 nahe kommt. Dadurch werden Wärmespannungen vermieden und in Folge dessen die Fügestelle 60 entlastet. Gleichzeitig ist jedoch darauf zu achten, dass das Gehäuse 38 aus einem warmfesten Werkstoff besteht und in Folge dessen auch eine ausreichende Dauerfestigkeit bei den im Brennraum herrschenden Betriebstemperaturen aufweist. Besonders vorteilhaft an dieser Ausführungsvariante ist deren geringer Bauraumbedarf.
Bei der Figur 2 dargestellten Ausführungsform werden sämtliche Druckkräfte über die Fügestelle 60 vom Brennraumfenster 58 in das Gehäuse 38 beziehungsweise die Innenhülse 62 des Gehäuses 38 übertragen.
Durch die Trennung des Gehäuses 38 in eine Innenhülse 62 und eine Außenhülse 64 stehen dem Konstrukteur mehr Freiheitsgrade zur funktionsoptimierten Gestaltung der beiden genannten Bauteile und der Fügestelle 60 zur Verfügung. So kann beispielsweise das Material der Außenhülse 64 hinsichtlich Warmfestigkeit und Dauerfestigkeit optimiert werden, während das Material der Innenhülse 62 so gewählt wird, dass sein Wärmeausdehnungskoeffizient möglichst weitgehend dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Brennraumfensters 58 entspricht, wenn eine stoffschlüssige Verbindung bevorzugt wird. Wenn eine kraftschlüssige Verbindung gewählt wird, können unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten mindestens teilweise kompensiert werden. In Folge dessen werden die thermischen Spannungen reduziert und die Fügestelle 60 entlastet. Des weiteren ist es natürlich auch möglich, den Werkstoff der Innenhülse 62 so auszuwählen, dass die erfindungsgemäß beanspruchte stoffschlüssige Verbindung zwischen Brennraumfenster 58 und Innenhülse 62 möglichst sicher, einfach und haltbar gestaltet werden kann.
Durch das Verspannen von Außenhülse 64 und Innenhülse 62 entsteht zwischen dem Absatz 66 und dem Brennraumfenster eine Dichtfläche 70, welche somit eine redundante Abdichtung darstellt, welche gewissermaßen der Fügestelle 60 vorgeschaltet ist und dadurch entweder bereits eine vollständige Trennung von Brennraum 14 und dem Inneren des Zündlasers 26 bewirkt oder zumindest die Temperatur- und Druckbeanspruchung der Fügestelle 60 reduziert und in Folge dessen die Fügestelle 60 entlastet.
Um die Dichtfläche 70 hinsichtlich ihrer Dichtwirkung zu optimieren kann es vorteilhaft sein, beispielsweise den Absatz 66 oder das Brennraumfenster 58 der Bereich der Dichtfläche 70 mit einer Beschichtung aus einem duktilen Material, wie beispielsweise Kupfer, zu versehen. Dadurch werden kleinste Unebenheiten der Kontaktflächen zwischen Brennraumfenster 58 und Außenhülse 64 egalisiert und die Dichtwirkung verbessert. Diese Beschichtung kann beispielsweise 5 μm bis 100 μm dick sein. Alternativ wäre es auch möglich, die Positionen der Fügestelle 60 und der Dichtfläche 70 zu vertauschen. Dies würde bedeuten, dass das Brennraumfenster 58 mit dem Absatz 66 der Außenhülse 64 stoffschlüssig verbunden wird und das Brennraumfenster 58 gegen die Stirnseite der Innenhülse dichtend gepresst wird. Allerdings ist dabei zu berücksichtigen, dass die thermische Belastung im Bereich der Kontaktfläche zwischen Absatz 66 und Brennraumfenster 58 höher als zwischen Brennraumfenster 58 und Innenhülse 62 ist.
Die Innenhülse 62, die Außenhülse 64 und das Brennraumfenster 58 begrenzen einen Zwischenraum 65. Wenn die Dichtfläche 70 zwischen dem Absatz 66 und dem Brennraumfenster 58 vollständig dicht ist, dann bleibt der Druck im Zwischenraum 65 ungefähr gleich dem Umgebungsdruck. In Figur 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Druckentlastungseinrichtung in Form einer Druckentlastungsbohrung 67 dargestellt. Diese Druckentlastungsbohrung 67 verbindet das äußere der Außenhülse 64 mit dem Zwischenraum 65, der durch die Außenhülse 64 und die Innenhülse 62 im wesentlichen begrenzt wird. Die Druckentlastungsbohrung 67 ist axial zu dem Brennraumfenster 58 beabstandet, so dass bei der Laserzündeinrichtung die Druckentlastungsbohrung 67 nicht in den Brennraum, sondern in einen Schacht des Zylinderkopfs der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) mündet, in dem die Laserzündeinrichtung eingesetzt ist. Dieser Schacht entspricht dem bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen bekannten Kerzenloch in dem Zündkerze eingesetzt wird und über das Kerzengewinde im Zylinderkopf befestigt wird. Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Membran 72 vorgesehen, die einenends im Bereich der Fügestelle 60 mit dem Brennraumfenster 58 stoffschlüssig verbunden ist. An ihrem anderen Ende ist sie mit der Außenhülse 64 stoffschlüssig verbunden. Diese zweite Fügestelle ist in Figur 3 mit dem Bezugszeichen 74 versehen. Mit ihrer dem Brennraumfenster abgewandten Seite liegt die Membran 72 auf der Innenhülse 62 auf und wird zusätzlich durch den im Brennraum 14 herrschenden Druck beziehungsweise durch die Verspannung der Innenhülse 62 mit der Außenhülse 64 gegen die Innenhülse 62 gepresst. Eine gasdichte Verbindung zwischen Membran 72 und Innenhülse 62 ist im Bereich der Fügestelle 60 nicht erforderlich, da die Membran mit ihrem anderen Ende an der zweiten Fügestelle 64 gasdicht mit der Außenhülse 64 verbunden ist. In Figur 3 ist die Druckentlastungsbohrung als kegelstumpfförmige Bohrung ausgebildet, deren minimaler Durchmesser an Außendurchmesser der Außenhülse 64 vorhanden ist. Dadurch wird das Eindringen von Schmutzpartikeln von außen in den Zwischenraum 64 verhindert. Gleichzeitig wird der Fertigungsaufwand und der Strömungswiderstand ebenfalls reduziert. Es ist auch möglich, die Druckentlastungsbohrung 67 als Stufenbohrungen (nicht dargestellt) auszubilden oder die Druckentlastungsbohrung am
Außendurchmesser der Außenhülse 64 nach erfolgter Herstellung durch eine Umform- oder Stauchvorgang lokal zu verengen, so dass auch auf diese Weise das Eindringen von Verschmutzungen und andern Partikeln in den Zwischenraum wirkungsvoll unterdrückt wird. Wenn der Querschnitt der Druckentlastungseinrichtung etwa einen Durchmesser von 0,1 bis 0,3 mm hat, dann können Leckagemengen, welche an der Dichtfläche 70 zwischen dem Absatz 66 und dem Brennraumfenster 58 auftreten, abgeführt werden. Wenn jedoch dieses Dichtung komplett versagt, so dass große Druckstöße in den Zwischenraum 65 gelangen, muss die Öffnung der Durchgangsbohrung einen mehreren Quadratmillimeter großen Öffnungsquerschnitt haben.
Bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Membran 72 im Bereich der zweiten Fügestelle 74 mit der Innenhülse 62 verbunden. Auch dadurch führt der Einsatz der Membran 72 dazu, dass Relativbewegungen zwischen Brennraumfenster 58 und Gehäuse 38 ohne größere mechanische Spannungen ausgeglichen werden können und bezüglich der Werkstoffe und ein Freiheitsgrad bei der Auswahl der Werkstoffe von Innenhülse 62, Außenhülse 64 und Membran 72 gewonnen wird. In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckentlastungsbohrung 67 dargestellt bei der die Druckentlastungsbohrung durch einen Filtereinsatz 71 in die Druckentlastungsbohrung 67 eingesetzt ist. Der Filtereinsatz kann als aus einem offenporigen Schaum aus Kunststoff, Keramik oder auch aus Metalldrähten bzw. Metallgewebe bestehen. Hauptaufgabe des Filterelements 71 ist, dass Eindringen von Verunreinigungen in den Zwischenraum zu verhindern.
In Figur 5 ist die Druckentlastungsbohrung 67 durch einen Pfropfen 69 verschlossen. Dieser Pfropfen 69 kann durch einen Heißkleber oder einen anderen Klebstoff gebildet werden. Durch den Pfropfen 69 ist sichergestellt, dass im Normalbetrieb kein Austausch zwischen dem Zwischenraum 65 und der Umgebung stattfindet. Erst wenn ein zulässiger Maximaldruck im Zwischenraum 65 überschritten wird, drücken die Gaskräfte, welche durch die Druckentlastungsbohrung auf den Pfropfen 69 wirken, diesen aus der Bohrung 67 hinaus und die Druckentlastungsbohrung wird frei. In den Ausführungsbeispielen gemäß der Figuren 6a bis 6c sind weitere Konfigurationen von Innenhülse 62, Außenhülse 64 und Druckentlastungsbohrungen 67 dargestellt.
In Figur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckentlastungseinrichtung dargestellt. Bei dieser Ausführung ist in das Bolzengewinde der Innenhülse 62 eine Längsnut 73 eingefräst, die einen kontrollierten Druckausgleich zwischen dem Zwischenraum 65 und der Umgebung ermöglicht. Selbstverständlich ist es auch möglich, in das Muttergewinde der Außenhülse 64 eine Längsnut (nicht dargestellt) einzubringen.

Claims

Ansprüche
1. Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine (10) umfassend einen laseraktiven Festkörper (44), ein Brennraumfenster (58) und ein Gehäuse (38) mit einer Innenhülse (62) und einer Außenhülse (64), wobei die Innenhülse (62) und eine Außenhülse (64) einen Zwischenraum (65) begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (38) eine Druckausgleichseinrichtung (67) aufweist, und dass die Druckausgleichseinrichtung (67, 73) den Zwischenraum (65) und die Umgebung miteinander verbindet.
2. Laserzündeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Außenhülse (64) eine Druckausgleichsbohrung (67) vorgesehen ist, und dass die Druckausgleichsbohrung (67) beabstandet zu dem Brennraumfenster (58) aus dem Gehäuse (38) austritt.
3. Laserzündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichsbohrung (67) an ihrem Austritt aus dem Gehäuse (38) einen minimalen Durchmesser aufweist, und dass der Durchmesser in Richtung des Zwischenraums (65) zunimmt.
4. Laserzündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Druckausgleichsbohrung (67) ein Filterelement (71) vorgesehen ist.
5. Laserzündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichsbohrung (67) durch einen Pfropfen (69), insbesondere aus Polyimid oder Silikon, verschlossen ist.
6. Laserzündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülse (64) an ihrem dem Brennraum (14) zugewandten Ende einen Absatz (66) aufweist, und dass der Absatz (66) das Brennraumfenster (58) teilweise überdeckt.
7. Laserzündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülse (64) an ihrem dem Brennraum (14) abgewandten Ende ein Muttergewinde aufweist, dass die Innenhülse (62) ein mit dem Muttergewinde der Außenhülse (64) zusammenwirkendes Bolzengewinde aufweist, und dass in dem Muttergewinde und/oder dem Bolzengewinde eine Druckentlastungsnut (73) ausgebildet ist.
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