WO2010094552A1 - Laserzündkerze und vorkammermodul hierfür - Google Patents

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WO2010094552A1
WO2010094552A1 PCT/EP2010/051164 EP2010051164W WO2010094552A1 WO 2010094552 A1 WO2010094552 A1 WO 2010094552A1 EP 2010051164 W EP2010051164 W EP 2010051164W WO 2010094552 A1 WO2010094552 A1 WO 2010094552A1
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spark plug
laser spark
chamber module
module
chamber
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PCT/EP2010/051164
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English (en)
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Werner Herden
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Robert Bosch Gmbh
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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
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/12—Engines characterised by precombustion chambers with positive ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/16—Chamber shapes or constructions not specific to sub-groups F02B19/02 - F02B19/10
    • F02B19/18—Transfer passages between chamber and cylinder
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a laser spark plug, in particular for an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • Such a laser spark plug is known for example from DE 10 2006 018 973
  • the known laser spark plug has an integrated prechamber arrangement, in which the prechamber is formed integrally with the housing of the laser spark plug.
  • the disadvantage here always the entire laser spark plug must be replaced together with the integrated pre-chamber, if only one component of the known arrangement no longer works.
  • the service life of the antechamber as a result of deposits and other wear can be lower than the service life of the laser components also integrated into the laser spark plug.
  • a still functioning laser assembly must be exchanged and disposed of together with the already worn integrated pre-chamber arrangement, which is uneconomical in particular because of the - relative to the pre-chamber components - much higher manufacturing costs of the laser arrangement.
  • the inventive design of the laser spark plug allows a providence of a separate pre-chamber module, which can be advantageously connected by virtue of the connecting means according to the invention only in a relatively late stage of production with the laser spark plug.
  • the connecting means are designed such that they permit a detachable connection of the laser spark plug to the prechamber module.
  • the prechamber module can be connected to the laser spark plug and, if necessary, also be separated again from the laser spark plug. In particular, it is thereby possible, when reaching a wear limit of the prechamber module that non-destructive of the
  • the still functioning laser spark plug with its laser arrangement can be advantageously used further and for this purpose, for example, connected via the connecting means according to the invention with a new pre-chamber module.
  • the connecting means are designed such that they allow a screw connection and / or a snap-fit connection of the laser spark plug to the prechamber module, which ensures a particularly simple interchangeability of the prechamber module.
  • Laser spark plug extending, preferably tubular, mounting portion, which is preferably formed integrally with a housing of the laser spark plug.
  • the attachment portion may, for example, an internal thread and / or a
  • the prechamber module can be arranged either within the attachment portion or can be screwed in the manner of a throw over the mounting portion of the laser spark plug.
  • a first prechamber module is e.g. is arranged by means of the internal thread of the fastening portion in the tubular mounting portion, and of which a second pre-chamber module is screwed as a cap onto the external thread of the fastening portion.
  • a second pre-chamber module is screwed as a cap onto the external thread of the fastening portion.
  • an antechamber module e.g. also an optical component such as e.g. a combustion chamber window or a focusing optics are screwed into the tubular mounting portion, provided that it has corresponding, with the connecting means of the laser spark plug cooperating connecting means.
  • an optical component such as e.g. a combustion chamber window or a focusing optics
  • Vorschmodul for a laser spark plug has connecting means, which are formed to cooperate with the connecting means of the laser spark plug. This may in particular be an internal or external thread and / or means for producing a press fit and / or a latching connection.
  • the prechamber module has a material with high thermal conductivity, in particular brass.
  • a composite material which contains, for example, copper and steel.
  • a homogeneous design of the pre-chamber module of one of the aforementioned materials is also possible.
  • the material selection according to the invention for the prechamber module advantageously brings about improved heat dissipation or distribution, so that in particular the combustion chamber side surface temperature of the prechamber module is reduced, whereby the risk of uncontrolled pre-ignition is reduced.
  • pre-chamber module has a, preferably arranged on the outside, driving profile, in particular a hexagonal profile.
  • the entrainment profile can preferably be arranged in a combustion chamber-facing end region of the prechamber module.
  • Prechamber module is provided at least one overflow channel, which allows fluid communication between an inner region and an outer region of the pre-chamber module.
  • the pre-chamber module according to the invention may also have further openings, which allow a fluid exchange between the interior of the pre-chamber module and a combustion chamber surrounding the pre-chamber module of an internal combustion engine.
  • the pre-chamber module according to the invention may advantageously also have an integrated optical component, such as, for example, a combustion chamber window designed as a sacrificial window. Because of the simple interchangeability of the pre-chamber module, a "spent" sacrificial window for the laser spark plug can thus also be changed easily, in particular without having to exchange the components permanently integrated in the laser spark plug combustion chamber window.
  • At least one optical component in particular a combustion chamber window, can be arranged in the region of the connecting means between the prechamber module and the end region of the laser spark plug facing the combustion chamber and can be fixed by means of the prechamber module with respect to the laser spark plug.
  • Case serves the invention replaceable pre-chamber module at the same time as a mounting means for holding the optical component.
  • sealing means and suitable enclosures for receiving the optical component in the region of the connecting means may be provided in this variant of the invention, for example
  • FIG. 1 shows a partial cross section of a first embodiment of the laser spark plug according to the invention with an inventive
  • Figure 2 shows another embodiment of an inventive
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the invention
  • FIG. 4 a shows a partial cross section of a further embodiment of the prechamber module according to the invention
  • FIG. 4b shows a plan view of the pre-chamber module according to FIG. 4a
  • FIG. 5 shows a partial cross-section of a further embodiment of the laser spark plug with prechamber module according to the invention
  • FIG. 6 shows another embodiment of the invention, in which the
  • Vorschschmodul serves simultaneously for fixing an optical component in the beam path of the laser spark plug.
  • FIG. 1 shows a partial cross-section of a laser spark plug 100 according to the invention, of which substantially only its end region 100a facing the combustion chamber is depicted.
  • the laser spark plug 100 is screwed in a conventional manner in a cylinder head of an internal combustion engine.
  • the laser spark plug 100 has a laser device, not shown, which provides high-energy laser pulses 20, which are focused by a focusing optics 105a on a ZO ignition and coupled by a focusing optics 105a optically downstream combustion chamber window 105b from the laser spark plug 100.
  • the laser spark plug 100 has an antechamber module 200 shown in FIG. 1.
  • the prechamber module 200 unlike conventional laser spark plugs having a prechamber arrangement, is designed as a separate component and can be mounted thereon
  • connection between the laser spark plug 100 and the pre-chamber module 200 is detachably formed, which is achieved according to the invention by means of corresponding connection means 110.
  • the connecting means 110 of the laser spark plug 100 are designed such that they realize a screw connection.
  • the connecting means 1 10 a substantially coaxial with the longitudinal axis L of the laser spark plug 100 extending, preferably tubular, mounting portion 11 1, which is preferably integrally formed with the remaining housing 101 of the laser spark plug 100.
  • the pre-chamber module 200 has a connecting means 1 10 of the laser spark plug 100 complementary connecting means, in the present case
  • pre-chamber module 200 for example, as part of a
  • the invention is particularly suitable for use in stationary
  • the simple replacement of the prechamber module 200 enables the laser spark plug 100 to be flexibly adapted to different operating conditions.
  • an antechamber module 200 optimized for this purpose can be selected and connected to the laser spark plug 100.
  • the pre-chamber modules 200 may differ, for example, with respect to their geometry and / or the geometry and number of their overflow channels 230, whereby the propagation of Zündfackeln from the antechamber 201 a in the combustion chamber 201 b can be adjusted. In this way, an optimal adaptation of the laser spark plug 100 and the pre-chamber module 200 is given to the fuel or gas used.
  • the pre-chamber module 200 is screwed with its external thread in the internal thread of the mounting portion 1 11, so that there is a releasable positive connection.
  • sealing means 1 12 are provided for sealing the resulting prechamber 201 a.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention, in which the prechamber module 200 according to the invention has a composite material made of steel and copper.
  • essential parts 202 of the prechamber module 200 are made of one
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the laser spark plug 100 according to the invention, in which the prechamber module 200 is connected to the laser spark plug 100 via a detachable press fit 113.
  • the detachable press fit 1 13 can be realized, for example, that for the housing 101 of the laser spark plug 100 and for the pre-chamber module 200 different
  • the antechamber module 200 can also have an integrated optical component 240, which in the present case is indicated in FIG. 3 by the dashed rectangle and, for example, as an additional one
  • Combustion window is formed.
  • the ignition location ZO (FIG. 1) in a region in which only small flows prevail in order to enable reliable laser ignition even with lean mixtures.
  • the ignition location ZO in such a configuration with relatively low laser energy can be successfully ignited, so that effort and costs are reduced in the laser device.
  • FIG. 4 a shows a cross section of a further embodiment of the antechamber module 200 according to the invention, which has an external thread 210 for screwing into the laser spark plug 100 according to the invention.
  • an external thread 210 for screwing into the laser spark plug 100 according to the invention.
  • the hexagonal profile 220 can be seen particularly well from the plan view according to FIG. 4b.
  • FIG. 5 shows a further variant of the laser spark plug 100 according to the invention, in which the pre-chamber module 200 is designed as a cap and, accordingly, is provided on a laser spark plug 100
  • FIG. 6 shows a further variant of the invention, in which between the
  • an optical component 240 in this case a combustion chamber window
  • the prechamber module 200 serves for mechanically fixing the combustion chamber window 240 in the beam path of the laser spark plug 100.
  • sealing means 240a, 240b for example sealing rings, can be provided between the combustion chamber window 240 and the components 100, 200.
  • the connecting means 1 10 as a screw connection can by the depth of insertion of the pre-chamber module 200 into the laser spark plug 100, the available pre-chamber volume in certain limits are set, as well as the location of the ignition ZO relative to the pre-chamber module 200th
  • the laser spark plug 100 according to the invention is configured in a further particularly advantageous embodiment such that the ignition location
  • Combustion chamber 201 b is driven out.
  • the ignition ZO is selected so that no strong currents or turbulence occur in its area, so that a forming during the ignition flame core - ideally in spherical form - undisturbed can develop, which also very lean mixtures such they are used in large gas engines can be reliably ignited. At the same time can be ignited in this case with lower laser powers, so that cost and cost of the laser ignition can be further reduced.
  • a preferred ignition ZO lies in the region of the longitudinal axis of the laser spark plug
  • the flow conditions in the region of the ignition location ZO can advantageously be influenced by a corresponding arrangement and number of overflow channels 230.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Erfindungsgemäß sind in einem brennraumzugewandten Endbereich (100a) der Laserzündkerze (100) Verbindungsmittel (110) vorgesehen, die eine Verbindung der Laserzündkerze (100) mit einem Vorkammermodul (200) ermöglichen.

Description

Beschreibung
Titel
Laserzündkerze und Vorkammermodul hierfür
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Laserzündkerze, insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
Eine derartige Laserzündkerze ist beispielsweise aus der DE 10 2006 018 973
A1 bekannt. Die bekannte Laserzündkerze weist eine integrierte Vorkammeranordnung auf, bei der die Vorkammer einstückig mit dem Gehäuse der Laserzündkerze ausgebildet ist. Nachteilig muss hierbei stets die gesamte Laserzündkerze zusammen mit der integrierten Vorkammer ausgewechselt werden, wenn nur eine Komponente der bekannten Anordnung nicht mehr funktioniert. Insbesondere bei dem Einsatz in stationären Großgasmotoren können die Standzeiten der Vorkammer infolge von Ablagerungen und sonstigem Verschleiß niedriger sein als die Standzeiten der ebenfalls in die Laserzündkerze integrierten Laserkomponenten. In solchen Fällen muss bei dem bekannten System eine an sich noch funktionstüchtige Laseranordnung zusammen mit der bereits abgenutzten integrierten Vorkammeranordnung ausgetauscht und entsorgt werden, was insbesondere aufgrund der - bezogen auf die Vorkammerkomponenten - weitaus höheren Fertigungskosten der Laseranordnung unwirtschaftlich ist.
Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserzündkerze der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein flexiblerer Einsatz möglich ist und gleichzeitig die Nachteile der herkömmlichen Systeme vermieden werden. Diese Aufgabe wird bei einer Laserzündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem brennraumzugewandten Endbereich der Laserzündkerze Verbindungsmittel vorgesehen sind, die eine Verbindung der Laserzündkerze mit einem Vorkammermodul ermöglichen.
Die erfindungsgemäße Ausbildung der Laserzündkerze erlaubt eine Vorsehung eines separaten Vorkammermoduls, das vermöge der erfindungsgemäßen Verbindungsmittel vorteilhaft auch erst in einem verhältnismäßig späten Fertigungsstadium mit der Laserzündkerze verbunden werden kann.
Dadurch ist einerseits vorteilhaft ein weiterer Freiheitsgrad bei der Fertigung von Zündkerzen mit Vorkammern gegeben, weil beispielsweise unterschiedliche Typen von Vorkammermodulen mit der erfindungsgemäßen Laserzündkerze verbunden werden können. Solche Verbindungen können lösbar oder unlösbar ausgebildet sein.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze sind die Verbindungsmittel jedoch so ausgebildet, dass sie eine lösbare Verbindung der Laserzündkerze mit dem Vorkammermodul ermöglichen.
In diesem Fall kann vorteilhaft auch nach Abschluss eines Fertigungsprozesses der Laserzündkerze das Vorkammermodul mit der Laserzündkerze verbunden und bei Bedarf auch wieder von der Laserzündkerze getrennt werden. Insbesondere ist es hierdurch möglich, bei dem Erreichen einer Verschleißgrenze des Vorkammermoduls dieses zerstörungsfrei von der
Laserzündkerze zu trennen und lediglich das Vorkammermodul zu entsorgen. Die nach wie vor funktionsfähige Laserzündkerze mit ihrer Laseranordnung kann vorteilhaft weiterverwendet werden und hierfür beispielsweise über die erfindungsgemäßen Verbindungsmittel mit einem neuen Vorkammermodul verbunden werden.
Ein derartiger Austausch des Vorkammermoduls ist aufgrund der erfindungsgemäßen Verbindungsmittel im Rahmen eines herkömmlichen Wartungsvorgangs der Laserzündkerze bzw. einer die Laserzündkerze enthaltenden Brennkraftmaschine einfach möglich. Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze sind die Verbindungsmittel so ausgebildet, dass sie eine Schraubverbindung und/oder einen Presssitz und/oder eine Rastverbindung der Laserzündkerze mit dem Vorkammermodul ermöglichen, was eine besonders einfache Austauschbarkeit des Vorkammermoduls gewährleistet.
Eine besonders stabile mechanische Verbindung zwischen der Laserzündkerze und dem austauschbaren Vorkammermodul ist einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zufolge dadurch gegeben, dass die Verbindungsmittel einen sich im wesentlichen koaxial zu einer Längsachse der
Laserzündkerze erstreckenden, vorzugsweise rohrförmigen, Befestigungsabschnitt aufweisen, der bevorzugt einstückig mit einem Gehäuse der Laserzündkerze ausgebildet ist.
Der Befestigungsabschnitt kann beispielsweise ein Innengewinde und/oder ein
Außengewinde aufweisen, so dass das Vorkammermodul entweder innerhalb des Befestigungsabschnitts angeordnet werden kann oder aber nach Art eines Überwurfs über den Befestigungsabschnitt der Laserzündkerze geschraubt werden kann.
Es ist ferner denkbar, gleichzeitig mehrere Vorkammermodule vorzusehen, von denen ein erstes Vorkammermodul z.B. mittels des Innengewindes des Befestigungsabschnitts in dem rohrförmigen Befestigungsabschnitt angeordnet wird, und von denen ein zweites Vorkammermodul als Überwurf auf das Außengewinde des Befestigungsabschnitts geschraubt wird. Auf diese Weise kann eine mehrstufige Vorkammeranordnung erreicht werden.
Alternativ oder ergänzend zur Befestigung eines Vorkammermoduls kann z.B. auch eine optische Komponente wie z.B. ein Brennraumfenster oder eine Fokussieroptik in den rohrförmigen Befestigungsabschnitt eingeschraubt werden, sofern sie über entsprechende, mit den Verbindungsmitteln der Laserzündkerze zusammenwirkende Verbindungsmittel verfügt.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Vorkammermodul nach Anspruch 6 angegeben. Das erfindungsgemäße
Vorkammermodul für eine Laserzündkerze weist Verbindungsmittel auf, die dazu ausgebildet sind, mit den Verbindungsmitteln der Laserzündkerze zusammenzuwirken. Hierbei kann es sich insbesondere um ein Innen- bzw. Außengewinde und/oder um Mittel zur Herstellung eines Presssitzes und/oder einer Rastverbindung handeln.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vorkammermoduls weist das Vorkammermodul ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Messing, auf. Alternativ oder ergänzend kann auch ein Verbundwerkstoff vorgesehen sein, der beispielsweise Kupfer und Stahl enthält. Eine homogene Ausbildung des Vorkammermoduls aus einem der vorstehend genannten Werkstoffe ist ebenfalls möglich. Die erfindungsgemäße Materialauswahl für das Vorkammermodul bewirkt vorteilhaft eine verbesserte Wärmeableitung bzw. -Verteilung, so dass insbesondere die brennraumseitige Oberflächentemperatur des Vorkammermoduls reduziert wird, wodurch die Gefahr von unkontrollierten Glühzündungen verringert wird.
Eine besonders einfache Montage bzw. ein Wechsel des erfindungsgemäßen Vorkammermoduls ist einer weiteren Erfindungsvariante zufolge dadurch möglich, dass das Vorkammermodul ein, vorzugsweise außenseitig angeordnetes, Mitnahmeprofil aufweist, insbesondere ein Sechskantprofil.
Das Mitnahmeprofil kann bevorzugt in einem brennraumzugewandten Endbereich des Vorkammermoduls angeordnet sein.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Vorkammermoduls ist mindestens ein Überströmkanal vorgesehen, der eine Fluidverbindung zwischen einem Innenbereich und einem Außenbereich des Vorkammermoduls ermöglicht.
Alternativ oder ergänzend zu den üblicherweise durch Bohrungen realisierten
Überströmkanälen kann das erfindungsgemäße Vorkammermodul auch weitere Öffnungen aufweisen, die einen Fluidaustausch zwischen dem Inneren des Vorkammermoduls und einem das Vorkammermodul umgebenden Brennraum einer Brennkraftmaschine ermöglichen. Das erfindungsgemäße Vorkammermodul kann vorteilhaft auch über eine integrierte optische Komponente wie beispielsweise ein als Opferfenster ausgebildetes Brennraumfenster verfügen. Aufgrund der einfachen Austauschbarkeit des Vorkammermoduls kann somit auch ein „verbrauchtes" Opferfenster für die Laserzündkerze leicht gewechselt werden, insbesondere ohne dass die fest in der Laserzündkerze integrierten Komponenten gewechselt werden müssen. Darüberhinaus bietet das austauschbare Opferfenster einen erhöhten Schutz des fest in die Laserzündkerze integrierten primären Brennraumfensters.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass mindestens eine optische Komponente, insbesondere ein Brennraumfenster, im Bereich der Verbindungsmittel zwischen dem Vorkammermodul und dem brennraumzugewandten Endbereich der Laserzündkerze anordenbar und mittels des Vorkammermoduls gegenüber der Laserzündkerze fixierbar ist. In diesem
Fall dient das erfindungsgemäß austauschbare Vorkammermodul gleichzeitig als Montagemittel für die Halterung der optischen Komponente. Zur sicheren Lagerung der optischen Komponente können bei dieser Erfindungsvariante Dichtmittel und geeignete Einfassungen zur Aufnahme der optischen Komponente im Bereich der Verbindungsmittel vorgesehen sein, beispielsweise
Dichtringe.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
In der Zeichnung zeigt:
Figur 1 einen teilweisen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze mit einem erfindungsgemäßen
Vorkammermodul,
Figur 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Vorkammermoduls, das mit einer Laserzündkerze verbunden ist, Figur 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung,
Figur 4a einen teilweisen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vorkammermoduls,
Figur 4b eine Draufsicht auf das Vorkammermodul gemäß Figur 4a,
Figur 5 einen teilweisen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze mit Vorkammermodul, und
Figur 6 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der das
Vorkammermodul gleichzeitig zur Fixierung einer optischen Komponente im Strahlengang der Laserzündkerze dient.
Figur 1 zeigt einen teilweisen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, von der im wesentlichen nur ihr brennraumzugewandter Endbereich 100a abgebildet ist. Die Laserzündkerze 100 wird in an sich bekannter Weise in einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine eingeschraubt.
Die Laserzündkerze 100 verfügt über eine nicht abgebildete Lasereinrichtung, welche hochenergetische Laserimpulse 20 bereitstellt, die durch eine Fokussieroptik 105a auf einen Zündort ZO fokussiert und durch ein der Fokussieroptik 105a optisch nachgeordnetes Brennraumfenster 105b aus der Laserzündkerze 100 ausgekoppelt werden.
Zur Realisierung einer Vorkammeranordnung verfügt die erfindungsgemäße Laserzündkerze 100 über ein in Figur 1 abgebildetes Vorkammermodul 200. Das Vorkammermodul 200 ist im Gegensatz zu herkömmlichen Laserzündkerzen mit Vorkammeranordnung als separates Bauteil ausgebildet und kann auf diese
Weise beispielsweise erst nach der Fertigung der Laserzündkerze 100 mit dieser verbunden werden.
Dadurch ist es vorteilhaft möglich, wahlweise unterschiedliche Typen von Vorkammermodulen 200 mit einer bestimmten Laserzündkerze 100 zu verbinden. Besonders bevorzugt ist die Verbindung zwischen der Laserzündkerze 100 und dem Vorkammermodul 200 lösbar ausgebildet, was erfindungsgemäß durch entsprechende Verbindungsmittel 1 10 erreicht wird.
Vorliegend sind die Verbindungsmittel 110 der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100 so ausgebildet, dass sie eine Schraubverbindung realisieren. Hierzu weisen die Verbindungsmittel 1 10 einen sich im wesentlichen koaxial zu der Längsachse L der Laserzündkerze 100 erstreckenden, vorzugsweise rohrförmigen, Befestigungsabschnitt 11 1 auf, der bevorzugt einstückig mit dem restlichen Gehäuse 101 der Laserzündkerze 100 ausgebildet ist.
Das Vorkammermodul 200 weist ein zu den Verbindungsmitteln 1 10 der Laserzündkerze 100 komplementäres Verbindungsmittel, vorliegend ein
Außengewinde, auf, so dass das Vorkammermodul 200 auf einfache Weise in die Laserzündkerze 100 hinein- und wieder aus der Laserzündkerze 100 herausgeschraubt werden kann.
Dadurch kann das Vorkammermodul 200 beispielsweise im Rahmen eines
Wartungsvorgangs der Laserzündkerze 100 einzeln ausgetauscht werden, ohne dass gleichzeitig die gesamte Laserzündkerze 100 einschließlich der verhältnismäßig teuren Laseranordnung mit ausgetauscht werden muss. Aufgrund dieser leichten Austauschbarkeit des Vorkammermoduls 200 eignet sich die Erfindung insbesondere zur Anwendung bei stationären
Großgasmotoren, weil die Vorkammern in diesem Anwendungsfeld regelmäßig eine geringere Standzeit aufweisen als die restlichen Komponenten der Laserzündkerze.
Ferner kann durch die erfindungsgemäß ermöglichte einfache Austauschbarkeit des Vorkammermoduls 200 die Laserzündkerze 100 flexibel an unterschiedliche Betriebsbedingungen angepasst werden. Beispielsweise kann je nach Brennwert eines zu zündenden Gases usw. jeweils ein hierfür optimiertes Vorkammermodul 200 ausgewählt und mit der Laserzündkerze 100 verbunden werden. Die Vorkammermodule 200 können sich beispielsweise hinsichtlich ihrer Geometrie und/oder der Geometrie und Anzahl ihrer Überströmkanäle 230 unterscheiden, wodurch die Ausbreitung von Zündfackeln aus der Vorkammer 201 a in den Brennraum 201 b eingestellt werden kann. Auf diese Weise ist auch eine optimale Anpassung der Laserzündkerze 100 bzw. des Vorkammermoduls 200 an die verwendete Kraftstoff- bzw. Gasart gegeben.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 1 ist das Vorkammermodul 200 mit seinem Außengewinde in das Innengewinde des Befestigungsbereichs 1 11 eingeschraubt, so dass sich eine lösbare formschlüssige Verbindung ergibt. Zusätzlich sind Dichtmittel 1 12 zur Abdichtung der resultierenden Vorkammer 201 a vorgesehen.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der das erfindungsgemäße Vorkammermodul 200 einen Verbundwerkstoff aus Stahl und Kupfer aufweist. Wie aus Figur 2 ersichtlich sind wesentliche Teile 202 des Vorkammermoduls 200 aus einem
Kupferverbundwerkstoff gefertigt, so dass sich eine optimierte Wärmeleitung in dem Vorkammermodul 200 ergibt. Dadurch wird insbesondere das Problem vermieden, dass sich die brennraumseitige Oberfläche des Vorkammermoduls 200 zu stark aufheizt und hierdurch Glühzündungen auftreten können.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der das Vorkammermodul 200 über einen lösbaren Presssitz 113 mit der Laserzündkerze 100 verbunden ist. Der lösbare Presssitz 1 13 kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass für das Gehäuse 101 der Laserzündkerze 100 und für das Vorkammermodul 200 unterschiedliche
Werkstoffe verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Vorkammermodul 200 kann vorteilhaft auch über eine integrierte optische Komponente 240 verfügen, die vorliegend in Figur 3 durch das gestrichelte Rechteck angedeutet und beispielsweise als zusätzliches
Brennraumfenster ausgebildet ist.
Generell ist bei der Konfiguration des Vorkammermoduls 200 und dessen Montage an der Laserzündkerze 100 anzustreben, dass der Zündort ZO (Figur 1 ) in einem Bereich liegt, in dem nur geringe Strömungen vorherrschen, um eine sichere Laserzündung auch bei mageren Gemischen zu ermöglichen. Darüberhinaus kann bei einer derartigen Konfiguration mit verhältnismäßig geringer Laserenergie erfolgreich gezündet werden, so dass Aufwand und Kosten im Bereich der Lasereinrichtung reduziert werden.
Figur 4a zeigt einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vorkammermoduls 200, das über ein Außengewinde 210 zum Einschrauben in die erfindungsgemäße Laserzündkerze 100 verfügt. Durch ein in seinem brennraumzugewandten Endbereich 200a angeordnetes und vorliegend als Sechskantprofil 220 ausgebildetes Mitnahmeprofil ergibt sich eine einfache Handhabung und Montage. Das Sechskantprofil 220 ist besonders gut aus der Draufsicht gemäß Figur 4b ersichtlich.
Figur 5 zeigt eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Laserzündkerze 100, bei der das Vorkammermodul 200 als Überwurf ausgebildet ist und dementsprechend auf ein an der Laserzündkerze 100 vorgesehenes
Außengewinde geschraubt wird. Die Laserzündkerze 100 selbst ist wie ebenfalls aus Figur 5 ersichtlich so in den Zylinderkopf 300 eingeschraubt, dass nur ein geringer Volumenanteil des Vorkammermoduls 200 in den Brennraum 201 b hereinragt.
Mit der in Figur 5 abgebildeten Konfiguration lassen sich speziell Vorkammeranordnungen realisieren, die ein verhältnismäßig geringes Vorkammervolumen bieten.
Figur 6 zeigt eine weitere Erfindungsvariante, bei der zwischen dem
Vorkammermodul 200 und der Laserzündkerze 100 eine optische Komponente 240, vorliegend ein Brennraumfenster, angeordnet ist. Das Vorkammermodul 200 dient hierbei neben der Realisierung der Vorkammer zur mechanischen Fixierung des Brennraumfensters 240 in dem Strahlengang der Laserzündkerze 100. Zusätzlich können Dichtmittel 240a, 240b, beispielsweise Dichtringe, zwischen dem Brennraumfenster 240 und den Komponenten 100, 200 vorgesehen sein.
Bei der Ausbildung der erfindungsgemäßen Verbindungsmittel 1 10 als Schraubverbindung kann durch die Einschraubtiefe des Vorkammermoduls 200 in die Laserzündkerze 100 das zur Verfüngung stehende Vorkammervolumen in gewissen Grenzen eingestellt werden, ebenso wie die Lage des Zündorts ZO relativ zu dem Vorkammermodul 200.
Die erfindungsgemäße Laserzündkerze 100 ist bei einer weiteren ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform so konfiguriert, dass sich der Zündort
ZO wie z.B. in Figur 1 abgebildet im Inneren 201 a des brennraumzugewandten Endbereichs 200a des Vorkammermoduls 200 befindet, d.h. direkt im Bereich der Überströmkanäle 230. Hierdurch kann nahezu das gesamte Vorkammervolumen effizient verbrannt werden, ohne dass ein zu großer Anteil von nicht bereits entflammtem Gemisch durch die Überströmkanäle 230 in den
Brennraum 201 b ausgetrieben wird.
Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn der Zündort ZO so gewählt ist, dass keine starken Strömungen bzw. Turbulenzen in seinem Bereich auftreten, damit sich ein bei der Zündung bildender Flammkern - idealerweise in Kugelform - ungestört entwickeln kann, wodurch auch sehr magere Gemische, wie sie bei Großgasmotoren verwendet werden, zuverlässig gezündet werden können. Gleichzeitig kann in diesem Fall mit geringeren Laserenergien gezündet werden, so dass Aufwand und Kosten für die Laserzündung weiter reduziert werden. Ein bevorzugter Zündort ZO liegt im Bereich der Längsachse der Laserzündkerze
100. Die Strömungsverhältnisse im Bereich des Zündorts ZO können vorteilhaft durch entsprechende Anordnung und Anzahl von Überströmkanälen 230 beeinflusst werden.

Claims

Ansprüche
1. Laserzündkerze (100), insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass in einem brennraumzugewandten Endbereich (100a) der Laserzündkerze (100) Verbindungsmittel (1 10) vorgesehen sind, die eine Verbindung der
Laserzündkerze (100) mit einem Vorkammermodul (200) ermöglichen.
2. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel (1 10) so ausgebildet sind, dass sie eine lösbare Verbindung der Laserzündkerze (100) mit dem Vorkammermodul (200) ermöglichen.
3. Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel (1 10) so ausgebildet sind, dass sie eine Schraubverbindung und/oder einen Presssitz und/oder eine
Rastverbindung der Laserzündkerze (100) mit dem Vorkammermodul (200) ermöglichen.
4. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel (110) einen sich im wesentlichen koaxial zu einer
Längsachse (L) der Laserzündkerze (100) erstreckenden, vorzugsweise rohrförmigen, Befestigungsabschnitt (1 11 ) aufweisen, der bevorzugt einstückig mit einem Gehäuse (101 ) der Laserzündkerze (100) ausgebildet ist.
5. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsabschnitt (11 1 ) ein Innengewinde und/oder ein Außengewinde aufweist.
6. Vorkammermodul (200) für eine Laserzündkerze (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorkammermodul (200) Verbindungsmittel (210) aufweist, die dazu ausgebildet sind, mit den Verbindungsmitteln (1 10) der Laserzündkerze (100) zusammenzuwirken.
7. Vorkammermodul (200) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel (210) ein Außengewinde und/oder ein Innengewinde aufweisen.
8. Vorkammermodul (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorkammermodul (200) ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Messing, und/oder einen Verbundwerkstoff aufweist, der beispielsweise Kupfer und Stahl enthält.
9. Vorkammermodul (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorkammermodul (200) ein, vorzugsweise außenseitig angeordnetes, Mitnahmeprofil (220) aufweist, insbesondere ein
Sechskantprofil.
10. Vorkammermodul (200) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mitnahmeprofil (220) in einem brennraumzugewandten Endbereich (200a) des Vorkammermoduls (200) angeordnet ist.
1 1. Vorkammermodul (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet durch mindestens einen Überströmkanal (230), der eine Fluidverbindung zwischen einem Innenbereich (201 a) und einem Außenbereich (201 b) des Vorkammermoduls (200) ermöglicht.
12. Vorkammermodul (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 1 1 , gekennzeichnet durch eine integrierte optische Komponente, insbesondere ein
Brennraumfenster (240).
13. Laserzündkerze (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit mindestens einem Vorkammermodul (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 12.
14. Laserzündkerze (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine optische Komponente, insbesondere ein Brennraumfenster
(240), im Bereich der Verbindungsmittel (110) zwischen dem Vorkammermodul (200) und dem brennraumzugewandten Endbereich (100a) der Laserzündkerze (100) anordnbar und mittels des Vorkammermoduls (200) gegenüber der Laserzündkerze (100) fixierbar ist.
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