WO2010057904A1

WO2010057904A1 - Laserinduzierte fremdzündung für eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: WO2010057904A1
Application number: PCT/EP2009/065364
Authority: WO
Inventors: Pascal Woerner; Manfred Vogel; Juergen Raimann
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2010-05-27
Also published as: US8783221B2; CN102224337B; JP2014043861A; EP2358991A1; CN102224337A; JP2012509433A; DE102008043961A1; US20110259292A1

Abstract

Es wird eine Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Zündlaser (26) vorgeschlagen, bei dem einem Brennraumfenster (58) eine Blende (74) vorgelagert ist.

Description

Beschreibung

Titel

Laserinduzierte Fremdzündung für eine Brennkraftmaschine

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, wobei die Zündung durch einen Zündlaser ausgelöst wird. Eine solche Zündung, die nachfolgend als Laserzündung bezeichnet wird, ist beispielsweise aus der WO 2005/066488 A1 bekannt.

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 chemisch aggressive Bestandteile der Abgase das Brennraumfernster schädigen und Ablagerungen auf dem Brennraumfenster dessen Transmissivität reduzieren.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Laserzündeinrichtung zuverlässi- ger, störungsfreier und wartungsärmer zu gestalten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, umfassend einen Zündlaser mit einem laseraktiven Festkörper, ein Brennraumfenster und ein Gehäuse, dadurch gelöst, dass an dem Ende des Gehäuses, an welchem das Brennraumfenster angeordnet ist, eine Blende vorgesehen ist.

Diese Blende sorgt dafür, dass die Oberfläche des Brennraumfensters nicht von den Abgasen und den im Brennraum befindlichen Gasströmungen tangiert wird. In Folge dessen wird die Bildung von Ablagerungen auf dem Brennraumfenster drastisch reduziert. Diese Ablagerungen stammen von den Abgasen im Brenn- räum der Brennkraftmaschine.

Durch die erfindungsgemäße Blende wird erstens die Menge der sich auf dem Brennraumfenster niederschlagenden Rückstände drastisch reduziert. Zweitens wird der Impuls mit dem diese Rückstände auf die Oberfläche des Brennraumfensters auftreffen, deutlich reduziert wird. Beide Effekte sorgen jeweils dafür, dass die Ablagerungen auf dem Brennraumfenster deutlich verringert und die wenigen Ablagerungen weniger fest am Brennraumfenster haften. In Folge dessen ist die erfindungsgemäße Laserzündeinrichtung zuverlässiger, störungsfreier und wartungsärmer.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, den Durch- messer der Blende so zu bemessen, dass ein Laserimpuls des Zündlasers die

Blende ungehindert passieren kann. Allerdings soll der Durchmesser der Blende auch nicht größer als unbedingt nötig sein, um das Brennraumfenster bestmöglich zu schützen. Dabei kann der Durchmesser des Laserimpulses, der auch als Strahldurchmesser bezeichnet werden kann, gemäß der Norm DIN EN ISO 11 145 ermittelt werden. Diese Norm gehört zum Fachwissen eines Fachmanns auf den Gebiet der Lasertechnik, so dass detaillierte Erläuterungen zur Ermittlung des Strahldurchmessers durch den Verweis auf die Norm entbehrlich sind.

Da der Laserimpuls der Laserzündeinrichtung auf einen Zündpunkt ZP fokussiert wird und die optische Genauigkeit der Fokussieroptik sehr hoch ist, ist es mög- lieh, die Blende so zu bemessen, dass zwischen der Außenkontur des Laserimpulses und dem der Blende ein Spalt von weniger als 1 mm, bevorzugt von weniger als 0,5 mm, und besonders bevorzugt von weniger als 0,25 mm, vorhanden ist. Je kleiner der Durchmesser der Blende ist, desto weniger Gase strömen in die Blende ein und können somit an das Brennraumfenster gelangen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Blende konisch ausgebildet ist, wobei der Durchmesser der Blende in Richtung des Brennraumfensters zunimmt und ein Kegelwinkel der Blende im Wesentlichen einem Austrittswinkel des Laserimpulses entspricht. Auch hier ist es möglich, dass die Blende über die gesamte Länge mit einem Abstand von weniger als 1 mm, bevorzugt von weniger als 0,5 mm und besonders bevorzugt mit einem Abstand von weniger als 0,25 mm, um den Laserimpuls herum angeordnet ist. Durch die Länge der Blende in Richtung der optischen Achse des Zündlasers wird das Eindringen von Abgasen und das Anlagern von Verunreinigungen auf dem Brennraumfenster weiter verringert. Gleichzeitig wird das Totvolumen der Blende verringert, was sich vorteilhaft auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine auswirkt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laserzündeinrichtung sieht vor, dass die Blende als separates Bauteil ausgebildet ist und am Gehäuse des Zündlasers, insbesondere an einem Absatz des Gehäuses, befestigt ist.

Dadurch ist es möglich, auch bereits in Fertigung befindliche Laserzündeinrichtungen mit der erfindungsgemäßen Blende nachzurüsten. Des Weiteren ist es möglich, den Durchmesser der Blende und den Kegelwinkel der Blende durch ein

Auswechseln des separaten Bauteils an die optischen Eigenschaften des Zündlasers anzupassen. So kann es beispielsweise erforderlich sein, bei der Verwendung eines Zündlasers in Brennräumen mit unterschiedlichen Brennraumgeometrien, den Zündpunkt ZP des Zündlasers mehr oder weniger weit entfernt vom Brennraumfenster anzuordnen. Eine solche Änderung des Zündpunkts erfordert in aller Regel eine Anpassung von Durchmesser und Kegelwinkel der Blende. Dies kann mit einer als separates Bauteil ausgeführten Blende ohne Weiteres geschehen.

Es ist jedoch in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ebenfalls ohne Weiteres möglich, die Blende einstückig mit dem Gehäuse des Zündlasers auszubilden.

Wenn der Zündlaser ein Brennraumfensters aufweist, wird dies bei durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Blende nur mit vergleichsweise geringen Temperaturen und mit einer deutlich geringeren Menge von Abgasen beaufschlagt. Dadurch bleibt die Transmissivität des Brennraumsfensters über die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine ausreichend hoch, um einen ungestörten Betrieb der Brennkraftmaschine zu gewährleisten.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laserzündeinrich- tung schirmt die Blende den Zündlaser nur bereichsweise, nämlich über einen

Umfangswinkel von weniger als 360 °, ab. Dabei ist darauf zu achten, dass die Blende in eingebautem Zustand des Zündlasers bezogen auf die Hauptströmungsrichtung der Abgase im Brennraum stromaufwärts des Zündlasers angeordnet ist. Wenn die Blende in dieser Weise relativ zu dem Zündlaser positioniert ist, wird die gewünschte Abschirmung erreicht.

Die Hauptströmungsrichtung der Abgase im Brennraum ist für jeden Motortyp gesondert zu ermitteln. Damit die Blende richtig zu dem Zündlaser positioniert ist, empfiehlt es sich, den Zündlaser formschlüssig und verdrehsicher in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine zu befestigen. Durch eine an dem Zündlaser angebrachte Nase, die mit einer entsprechend geformten Vertiefung im Zylinderkopf zusammenwirkt, kann sichergestellt werden, dass die Blende in der oben beschriebenen Weise relativ zu dem Zündlaser positioniert ist.

Als besonders geeignet hat es sich erwiesen, wenn die Blende den Zündlaser über einen Umfangswinkel von weniger als 200°, bevorzugt von 160 ° bis 180°, abschirmt. Damit ist eine für viele Anwendungen ausreichende Abschirmung bei minimalen Kosten und minimaler Beeinflussung der Gasströmung im Brennraum gewährleistet.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehm- bar. 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 1 b eine schematische Darstellung der Zündeinrichtung aus Figur 1 und

Figuren 2 und 3 Ausführungsformen erfindungsgemäßer Zündlaser.

Ausführungsformen der Erfindung Eine Brennkraftmaschine trägt in Figur 1 a 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 1 b 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 1 a) befindlichen Zünd- punkt 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 1 b stark vergrößert im Teillängsschnitt dargestellt. Aus dieser stark vergrößerten Darstellung wird deutlich, dass das Brenn- raumfenster 58 mit dem Gehäuse 38 dichtend verbunden ist. Die Abdichtung zwischen Gehäuse 38 und Brennraumfenster kann im Bereich des Bezugszeichens 60 in Form einer stoffschlüssigen oder kraftschlüssigen Verbindung ausgebildet sein.

Wegen der hohen thermischen Belastungen ist darauf zu achten, dass das Ge- häuse 38 aus einem warmfesten Werkstoff besteht und in Folge dessen auch eine ausreichende Dauerfestigkeit bei den im Brennraum herrschenden Betriebstemperaturen aufweist.

Bei den in Figur 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen 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 1 a) zugewandten Ende einen Absatz 66 auf. Der Absatz 66 dient dazu, das Brennraumfenster 58 gegen die Innenhülse 62 zu pressen und dadurch die Dichtheit im Bereich des Bezugszeichens 60 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. Durch das Verspannen von Außenhülse 64 und Innenhülse 62 entsteht zwischen dem Absatz 66 und dem Brennraumfenster eine weitere Dichtfläche 72 In Figur 2 ist das dem Brennraum 14 des Zündlasers 26 zugewandte Ende deutlich vergrößert dargestellt. Im Inneren des Gehäuses 38 befindet sich eine nicht dargestellte Fokussieroptik, welche den Laserimpuls 24 auf den Zündpunkt ZP, der dem Brennpunkt der Optik des Zündlasers 26 entspricht, fokussiert. Die Außenkontur des fokussierten Laserimpulses 24 ist durch die kegelförmigen H ü Uli— nien (ohne Bezugszeichen) angedeutet. Diese Hülllinien schneiden sich im Zündpunkt ZP und treten mit einem Durchmesser D_A aus dem Brennraumfenster 58 aus.

Damit die dem Brennraum zugewandte Seite des Brennraumfensters 58 den Abgasen möglichst wenig ausgesetzt ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, zwi- sehen dem Brennraumfenster 58 und dem Zündpunkt ZP eine Blende 74 anzuordnen. Der Durchmesser der Blende ist mit dem Bezugszeichen D₆ gekennzeichnet.

Dabei ist der Durchmesser D₆ der Blende 74 so klein wie möglich gewählt. Im Ergebnis ist es ausreichend, wenn die Blende 74 einen radialen Abstand zu dem Laserimpuls 24 beziehungsweise dessen Außenkontur von weniger als 1 mm, bevorzugt von weniger als 0,5 mm und besonders bevorzugt von weniger als 0,25 mm, aufweist. Diese Bemessung des Durchmessers D₆ der Blende 74 führt dazu, dass die Zündleistung des Laserimpulses 24 nicht verringert wird, und andererseits der Gasaustausch zwischen dem Brennraum und dem zwischen Blen- de 74 und Brennraumfenster 58 vorhandenen "Totraum" 70 minimiert wird. Die

Blende 74 kann beispielsweise in Form einer Blechscheibe auf die äußere Hülse 64 aufgelötet, geschweißt oder auf andere Weise befestigt werden.

Je weniger Abgase aus dem Brennraum in den Totraum 70 gelangen, desto weniger Ablagerungen schlagen sich auf dem Brennraumfenster 58 nieder. Häufig ist es vorteilhaft, die Blende 74 möglichst nah in Richtung des Zündpunks ZP zu verlagern. Allerdings hat dies auch eine Grenze, da der Zündpunkt ZP möglichst in der Mitte des Brennraums 14, angeordnet sein soll und die Blende 74 die Strömungsverhältnisse im Brennraum 14 (siehe Figur 1a) möglichst wenig beeinträchtigen soll. In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Blende

74 dargestellt. Die wesentlichen Unterschiede sind darin zu sehen, dass die Blende 74 Teil der äußeren Hülse 64 ist und die Blende 74 konisch ausgebildet ist. Der Kegelwinkel ß der Blende 74 entspricht dabei dem Winkel α des Laserimpulses 24. Auch hierbei ist darauf zu achten, dass der radiale Abstand zwi- sehen Blende 74 und dem Zündimpuls 24 möglichst gering ist. Dadurch, dass der

Totraum 70 bei diesem Ausführungsbeispiel gegenüber dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel noch weiter verkleinert wurde, werden nochmals weniger Ablagerungen auf dem Brennraumfenster 58 niedergeschlagen.

Claims

Ansprüche

1. Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine (10) umfassend einen

Zündlasers (26) mit einem laseraktiven Festkörper (44), ein Brennraumfenster (58) und ein Gehäuse (38), dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ende des Gehäuses (38), an welchem das Brennraumfenster (58) angeordnet ist, eine Blende (74) vorgesehen ist.

2. Laserzündeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein

Durchmesser (D₆) der Blende (74) so bemessen ist, dass ein Laserimpuls (24) des Zündlasers (26) die Blende (74) ungehindert passieren kann.

3. Laserzündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (74) konisch ausgebildet ist, wobei der Durchmesser (D₆) der Blende (74) in Richtung des Brennraumfensters (58) zunimmt, und dass ein Kegelwinkel (ß) der Blende (74) im Wesentlichen einem Austrittswinkel (α) des Laserimpulses (24) entspricht.

4. Laserzündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (74) als separates Bauteil ausgebildet ist, und dass die Blende (74) am Gehäuse (38) des Zündlasers (26), insbesondere an einem Absatz (66) des Gehäuses (38), befestigt ist.

5. Laserzündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (74) einstückig mit dem Gehäuse (38) des Zündlasers (26), insbesondere einem Absatz (66) des Gehäuses (38), aus- gebildet ist.

6. Laserzündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (38) eine Innenhülse (62) und eine Außenhülse (64) umfasst.

7. Laserzündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in eingebautem Zustand des Zündlasers (26) die

Blende (74) im Wesentlichen bündig mit einer Brennraumwand einer Brennkraftmaschine abschließt.

8. Laserzündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (74) den Zündlaser (76) nur teilweise abschirmt, und dass die Blende (74) in eingebautem Zustand des Zündlasers (76) bezogen auf die Hauptströmungsrichtung der Abgase im Brennraum (14) stromaufwärts des Zündlasers (76) angeordnet ist.

9. Laserzündeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (74) den Zündlaser (76) über einen Um- fangswinkel von maximal 200°, bevorzugt von 160 ° bis 180° abschirmt.